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DE102016106913A1 - Tactile display - Google Patents

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DE102016106913A1
DE102016106913A1 DE102016106913.2A DE102016106913A DE102016106913A1 DE 102016106913 A1 DE102016106913 A1 DE 102016106913A1 DE 102016106913 A DE102016106913 A DE 102016106913A DE 102016106913 A1 DE102016106913 A1 DE 102016106913A1
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DE
Germany
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tactile
actuators
actuator
user
display according
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Withdrawn
Application number
DE102016106913.2A
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German (de)
Inventor
Oliver Beren Kaul
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Universitaet Hannover
Original Assignee
Leibniz Universitaet Hannover
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Leibniz Universitaet Hannover filed Critical Leibniz Universitaet Hannover
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    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
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    • GPHYSICS
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Abstract

Ein taktiles Display zum Tragen auf dem Kopf (H) eines Benutzers mit einer Mehrzahl von taktilen Aktoren (T), die an einer Kopfhalterung zur Anordnung an dem Kopf (H) des Benutzers befestigbar und mit einer Steuereinheit (S) verbindbar sind, wird beschrieben. Die taktilen Aktoren (T) sind auf mindestens zwei Kreisbahnen (K1, K2, K3) verteilt angeordnet, wobei die Kreisbahnen (K1, K2, K3) winkelversetzt zueinander ausgerichtet sind. A tactile display for wearing on the head (H) of a user having a plurality of tactile actuators (T) attachable to a headgear for placement on the head (H) of the user and connectable to a control unit (S) will be described , The tactile actuators (T) are arranged distributed on at least two circular paths (K 1 , K 2 , K 3 ), wherein the circular paths (K 1 , K 2 , K 3 ) are angularly offset from each other.

Figure DE102016106913A1_0001
Figure DE102016106913A1_0001

Description

Die Erfindung betrifft ein taktiles Display zum Tragen auf dem Kopf eines Benutzers mit einer Mehrzahl von taktilen Aktoren, die an einer Kopfhalterung zur Anordnung an dem Kopf des Benutzers befestigbar und mit einer Steuereinheit verbindbar sind. The invention relates to a tactile display for carrying on the head of a user with a plurality of tactile actuators attachable to a headgear for placement on the head of the user and connectable to a control unit.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung eines solchen taktilen Displays.The invention further relates to a method for controlling such a tactile display.

Taktile, am Kopf eines Benutzers befestigbare Bildschirme werden genutzt, um über die visuelle Darstellungen von Situationen zusätzlich auch haptisch Informationen an den Benutzer zu übertragen. Dies erfolgt durch einzeln ansteuerbare taktile Aktoren, die z. B. durch Vibration auf die Kopfoberfläche an definierten Positionen des Kopfes einwirken. Tactile screens attachable to a user's head are used to provide haptic information to the user via visual representations of situations. This is done by individually controllable tactile actuators z. B. act by vibration on the head surface at defined positions of the head.

M. Berning, F. Braun, T. Riedel, M. Beigl: ProximityHat – A Head-Worn System for Subtle Sensory Augmentation with Tactile Stimulation, in: ISWC ’15, September 7–11, 2015, Osaka, Japan, Seiten 31 bis 38 beschreibt einen zur taktilen Führung von Blinden in einem Raum vorgesehenen Hut mit auf einer Kreisbahn über den Umfang des Hutes angeordneten Ultraschallsensoren und diesen jeweils zugeordneten taktilen Aktoren. In Abhängigkeit von dem durch einen Ultraschallsensor jeweils detektierten Abstand zu einer Wandfläche wird der jeweilige zugeordnete taktile Aktor jeweils angesteuert. Damit kann ein Benutzer ohne visuelle Unterstützung durch einen durch Wände begrenzten Raum geleitet werden. M. Berning, F. Braun, T. Riedel, M. Beigl: Proximity Hat - A Head-Worn System for Subtle Sensory Augmentation with Tactile Stimulation, in: ISWC '15, September 7-11, 2015, Osaka, Japan, p. 31 to 38 describes a for tactile guidance of blind in a room provided for with arranged on a circular path over the circumference of the hat ultrasonic sensors and these associated tactile actuators. Depending on the distance to a wall surface detected by an ultrasonic sensor, the respective associated tactile actuator is actuated in each case. This allows a user to be directed through a walled room without visual assistance.

GB 2 522 866 A offenbart einen zur Befestigung an einem Körperteil eines Benutzers, wie bspw. am Bauch oder Kopf vorgesehenen Gürtel mit einer Mehrzahl um einen Kreisumfang angeordneten Vibratoren. Zur Führung des Benutzers im Raum lassen sich die Vibratoren einzeln ansteuern. GB 2 522 866 A discloses a belt for attachment to a body part of a user, such as the abdomen or head provided with a plurality of circumferentially arranged vibrators. To guide the user in the room, the vibrators can be controlled individually.

M. K. Dobrzynski, S. Mejri, S. Wischmann, D. Floreano: Quantifying Information Transfer Through a Head-Attached Vibrotactile Display: Principles for Design and Control, in: IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 59, No. 7, July 2012, Seiten 2011 bis 2018 offenbart ein vibrotaktiles Display mit um einen einzigen Kreisumfang an der Stirn des Benutzers angeordneten taktilen Aktoren. In der Untersuchung wurde festgestellt, dass die Richtungserkennung stark mit der Anzahl gleichzeitig aktivierter taktiler Aktoren abnimmt, sodass eine Stimulation gleichzeitig an mehreren Punkten vermieden werden sollte. Die Ortungspräzision variiert stark mit der jeweiligen Kopfregion, wobei für eine hohe Präzision die meisten Bereiche an der Vorder- und Rückseite des Kopfes nicht mit taktilen Aktoren beaufschlagt werden sollten. MK Dobrzynski, S. Mejri, S. Wischmann, D. Floreano: Quantifying Information Transfer Through a Head-Attached Vibrotactile Display: Principles for Design and Control, in: IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 7, July 2012, pages 2011-2018 discloses a vibrotactile display with tactile actuators arranged around a single circumference on the user's forehead. The research found that directional detection decreased significantly with the number of simultaneously activated tactile actuators, so stimulation at several points should be avoided at the same time. Locating accuracy varies widely with the head region, but most areas on the front and back of the head should not be loaded with tactile actuators for high precision.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes taktiles Display zu schaffen, das auf möglichst gut erfassbare Weise Ortsinformationen im dreidimensionalen Raum an den Benutzer weitergeben kann. Proceeding from this, it is an object of the present invention to provide an improved tactile display that can pass on location information in three-dimensional space to the user as well as possible.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes Verfahren zur Ansteuerung eines solchen taktilen Displays zu schaffen.The object of the invention is also to provide an improved method for controlling such a tactile display.

Die Aufgabe wird durch das taktile Display mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben. The object is achieved by the tactile display with the features of claim 1 and by the method having the features of claim 12. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Es wird vorgeschlagen, dass die taktilen Aktoren des taktilen Displays auf mindestens zwei Kreisbahnen verteilt angeordnet sind, wobei die Kreisbahnen winkelversetzt zueinander ausgerichtet sind. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der taktilen Aktoren auf drei Kreisbahnen. It is proposed that the tactile actuators of the tactile display are arranged distributed on at least two circular paths, wherein the circular paths are aligned angularly offset from each other. Particularly advantageous is the arrangement of the tactile actuators on three circular paths.

Durch die Anordnung der taktilen Aktoren nicht nur auf einer an der Stirn verlaufenden Kreisbahn, sondern auf mehreren Kreisbahnen lässt sich die Ortungssensitivität im dreidimensionalen Raum erheblich verbessern. Durch die Anordnung der taktilen Aktoren auf winkelversetzt zueinander angeordneten Kreisbahnen wird die haptische Information optimal auf die Anatomie des Kopfes des Benutzers angepasst. The arrangement of the tactile actuators not only on a circular path running on the forehead, but on several circular paths, the location sensitivity in three-dimensional space can be significantly improved. The arrangement of the tactile actuators on angularly offset from each other arranged circular paths, the haptic information is optimally adapted to the anatomy of the user's head.

Ein oder mehrere taktile Aktoren können dabei an einem Kinnriemen zur Anordnung am Kinn des Benutzers vorgesehen sein. Damit wird die Richtungssensitivität des taktilen Displays im dreidimensionalen Raum weiter insbesondere in Bezug auf in Blickrichtung des Benutzers im unteren Bereich liegenden Zielinformationen verbessert. One or more tactile actuators may be provided on a chin strap for placement on the user's chin. In this way, the directional sensitivity of the tactile display in three-dimensional space is further improved, in particular with respect to target information lying in the lower range in the direction of the user's gaze.

Ein oder mehrere taktile Aktoren können auch zur Anordnung am Nacken des Benutzers vorgesehen sein. Damit lassen sich Zielinformationen im hinteren Bereich des Benutzers unterhalb der Kopfebene gut kommunizieren. One or more tactile actuators may also be provided for placement on the neck of the user. This makes it possible to communicate destination information in the rear area of the user well below the head level.

Das taktile Display kann einen zur Anordnung vor den Augen ausgebildeten 3D-Bildschirm zur dreidimensionalen Projektion von Bildern oder Videos haben. Damit lassen sich zusätzlich zu der haptischen Übertragung von Zielinformationen im dreidimensionalen Raum auch optisch dreidimensionale Rauminformationen über den visuellen Sinn des Benutzers übermitteln. The tactile display may have a 3D screen designed to be placed in front of the eyes for three-dimensional projection of images or videos. Thus, in addition to the haptic transmission of target information in three-dimensional space, optically three-dimensional spatial information about the visual sense of the user can also be transmitted.

Die taktilen Aktoren können als Piezoaktoren, als induktiv ansteuerbare Aktoren oder ähnliche Vibrationsaktoren ausgebildet sein. Insbesondere Piezoaktoren lassen sich mit geringer Energie ansteuern und sind sehr kompakt. The tactile actuators can be designed as piezo actuators, as inductively controllable actuators or similar vibration actuators. Especially Piezo actuators can be driven with low energy and are very compact.

Vorteilhaft ist es, wenn das taktile Display angrenzend an die Ohren des Benutzers keine taktilen Aktoren aufweist. Hier sollte ein Abstand von mehr als 4 cm von den Ohren und bevorzugt mehr als 5 cm eingehalten werden. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der Kopf des Benutzers im Bereich der Ohren für den durch Knochenleitung übertragenen akustischen Anteil taktiler Signale wesentlich sensitiver ist, als im übrigen Kopfbereich. Die taktilen Aktoren reizen angrenzend an die Ohren nicht nur den Tastsinn des Benutzers, sondern auch den Hörsinn. It is advantageous if the tactile display adjacent to the ears of the user has no tactile actuators. Here a distance of more than 4 cm from the ears and preferably more than 5 cm should be respected. This takes into account the fact that the head of the user in the area of the ears is much more sensitive to the acoustic portion of tactile signals transmitted by bone conduction than in the remaining head area. The tactile actuators irritate adjacent to the ears not only the sense of touch of the user, but also the sense of hearing.

Die mit dem taktilen Display verbundene Steuereinheit kann zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Gruppe benachbarter taktiler Aktoren eingerichtet sein. Damit lässt sich die Richtungsgenauigkeit zur Übermittlung einer Zielposition im dreidimensionalen Raum an den Benutzer verbessern. Hierzu kann die Steuereinheit bspw. zur Ansteuerung der Gruppe von benachbarten taktilen Aktoren derart eingerichtet sein, dass die Intensität der Ansteuerung der taktilen Aktoren der Gruppe von mindestens einem in der Gruppe räumlich zentralen taktilen Aktor zu den diesen mindestens einen zentralen taktilen Aktor umgebenden übrigen taktilen Aktoren hin abnimmt. Die Intensität der taktilen Aktoren wird somit in Abhängigkeit von dem zu kommunizierenden Zielpunkt im dreidimensionalen Raum so interpoliert, dass der haptische Eindruck von dem mindestens einen zentralen Aktor nach außen hin abnimmt. The control unit connected to the tactile display can be set up to simultaneously drive a group of adjacent tactile actuators. This can improve the directional accuracy for transmitting a target position in three-dimensional space to the user. For this purpose, the control unit can, for example, be set up to control the group of adjacent tactile actuators such that the intensity of the actuation of the tactile actuators of the group of at least one spatially central tactile actuator in the group surrounds the other tactile actuators surrounding this at least one central tactile actuator decreases. The intensity of the tactile actuators is thus interpolated depending on the target point to be communicated in the three-dimensional space so that the haptic impression of the at least one central actuator decreases towards the outside.

Die Steuereinheit kann dabei zur Ansteuerung der taktilen Aktoren einer Gruppe in Abhängigkeit von dem Schnittpunkt einer von einem Zielpunkt im Raum zu einem definierten Kopfmittelpunkt des taktilen Displays führenden Geraden mit einer durch die taktilen Aktoren des Gruppe aufgespannten Trefferfläche eingerichtet sein. Durch die Anordnung der taktilen Aktoren auf den mehreren Kreisbahnen wird durch die Kreisbahnen ein gemeinsamer Schwerpunkt definiert, welcher bspw. den Kopfmittelpunkt des taktilen Displays festlegt. Die Ansteuerung des taktilen Displays erfolgt dann derart, dass von einem an den Benutzer zu kommunizierenden Zielpunkt im dreidimensionalen Raum im Umkreis des Benutzers eine Gerade zu dem definierten Kopfmittelpunkt ermittelt wird. Diese Gerade schneidet dann eine durch eine Gruppe taktiler Aktoren aufgespannte Trefferfläche. Dieser Schnittpunkt wird nun zur Festlegung der Intensität der Ansteuerung der taktilen Aktoren dieser Gruppe genutzt. Dabei können diese taktilen Aktoren der Gruppe mit jeweils einer solchen Intensität angesteuert werden, dass für den Benutzer der haptische Eindruck im Bereich dieses Schnittpunktes am größten ist. Dies gelingt bspw. dadurch, dass die Intensität der taktilen Beaufschlagung des Kopfes durch die taktilen Aktoren der Gruppe mit zunehmendem Abstand des Schnittpunktes zu dem jeweiligen taktilen Aktor abnimmt. In this case, the control unit can be set up to control the tactile actuators of a group as a function of the intersection of a straight line leading from a target point in space to a defined head center of the tactile display with a target area spanned by the tactile actuators of the group. Due to the arrangement of the tactile actuators on the multiple circular paths, a common center of gravity is defined by the circular paths, which defines, for example, the head center of the tactile display. The actuation of the tactile display then takes place in such a way that from a target point to be communicated to the user in the three-dimensional space in the vicinity of the user a straight line to the defined head center is determined. This line then cuts a target area spanned by a group of tactile actuators. This intersection is now used to determine the intensity of the actuation of the tactile actuators of this group. In this case, these tactile actuators of the group can each be controlled with an intensity such that the haptic impression in the region of this intersection is greatest for the user. This is achieved, for example, in that the intensity of the tactile loading of the head by the tactile actuators of the group decreases with increasing distance of the point of intersection with the respective tactile actuator.

Die Steuereinheit kann zur Ansteuerung der taktilen Aktoren mit einer Intensität Ii nach der Beziehung

Figure DE102016106913A1_0002
eingerichtet sein. Dabei ist Ii die Intensität des i-ten taktilen Aktors der aus z. B. drei oder mehr taktilen Aktoren gebildeten Gruppe mit i = 1, 2 und 3. vi ist die Position des i-ten taktilen Aktors, die bspw. als Relativposition in Bezug auf die durch die drei taktilen Aktoren aufgespannten Trefferfläche angenommen werden kann. Mit hp wird der Schnittpunkt der vom Zielpunkt im dreidimensionalen Raum in der Umgebung des Benutzers zum Kopfmittelpunkt verlaufenden Geraden mit der durch die drei taktilen Aktoren aufgespannten Trefferfläche bezeichnet. Mit epi wird der Schnittpunkt einer zwischen dem Schnittpunkt hp und der Position vi verlaufenden Geraden mit einer die beiden anderen taktilen Aktoren verbindenden Geraden bezeichnet. Mit dieser Beziehung lässt sich mit vertretbarem Rechenaufwand durch einen programmierten Mikrocontroller oder Mikroprozessor oder einer Hardwarelogik auf einfache und schnelle Weise ein Ansteuersignal für die taktilen Aktoren der Gruppe festlegen, mit dem die Intensität der taktilen Beaufschlagung des Kopfes des Benutzers auf zuverlässig und präzise erfassbare Zielpunkte hin ausgerichtet werden kann. The control unit can be used to control the tactile actuators with an intensity I i according to the relationship
Figure DE102016106913A1_0002
be furnished. In this case, I i is the intensity of the ith tactile actuator of z. For example, three or more tactile actuators formed group with i = 1, 2 and 3. v i is the position of the i-th tactile actuator, which can be assumed, for example, as a relative position with respect to the area defined by the three tactile actuators hit area. Hp is the point of intersection of the straight line running from the target point in the three-dimensional space in the user's environment to the head center point with the target surface spanned by the three tactile actuators. With ep i of the intersection of a v i extending between the intersection point HP and the position of the straight line is designated by a, the other two tactile actuators straight line connecting. With this relationship, a controlled signal for the tactile actuators of the group can be determined with a reasonable computational effort by a programmed microcontroller or microprocessor or a hardware logic, with the intensity of the tactile loading of the user's head on reliably and precisely detectable target points out can be aligned.

Die Steuereinheit kann zur Ansteuerung eines auf der Nase des Benutzers zwischen den Augen angeordneten taktilen Aktors derart eingerichtet sein, dass die Intensität der diesem taktilen Aktor benachbarten taktilen Aktoren umso stärker gedämpft wird, je näher ein Ziel an diesem taktilen Aktor liegt. Mit einem solchen zusätzlichen taktilen Aktor direkt zwischen den Augen des Benutzers lässt sich optional ein definitiver Hinweis auf das durch Drehen des Kopfes des Benutzers in Richtung des gesuchten Zielpunktes aufgefundenen richtigen Ziels kommunizieren. The control unit can be set up to control a tactile actuator arranged between the eyes on the nose of the user in such a way that the intensity of the tactile actuators adjacent to this tactile actuator is attenuated more strongly the closer a target is to this tactile actuator. With such an additional tactile actuator directly between the user's eyes, a definitive indication of the correct destination found by turning the user's head in the direction of the searched target point can optionally be communicated.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment with the accompanying drawings. Show it:

1 – Skizze eines taktilen Displays mit auf drei winkelversetzt zueinander ausgerichteten Kreisbahnen verteilt angeordneten taktilen Aktoren; 1 - Sketch of a tactile display with distributed on three angularly aligned circular paths arranged tactile actuators;

2 – Skizze des taktilen Displays aus 1 mit Blick auf den Hinterkopf des Benutzers; 2 - Sketch of the tactile display 1 looking at the back of the user's head;

3 – Skizze einer durch drei benachbarte taktile Aktoren aufgespannten Trefferfläche mit dem Schnittpunkt von einem Zielpunkt zum definierten Kopfmittelpunkt. 3 - Sketch of a target area spanned by three adjacent tactile actuators with the intersection of a target point to the defined center of the head.

1 lässt eine Skizze eines Kopfes H eines Benutzers in der Seitenansicht mit einem schematisch durch seine wesentlichen Bestandteile dargestellten taktilen Display erkennen. Das taktile Display hat optional ein visuelles Display D (Bildschrim) zur Positionierung vor den Augen des Benutzers zur dreidimensionalen Darstellung von Bildern oder Videos sowie eine Mehrzahl von taktilen Aktoren T. Diese taktilen Aktoren T sind auf drei im Winkel jeweils versetzt zueinander angeordneten Kreisbahnen K1, K2, K3 um den Kopf H herum angeordnet. Dabei befindet sich ein taktiler Aktor TK im Bereich des Kinns des Kopfes H. Er kann bspw. an einem Kinnband gehalten werden. Die erste Kreisbahn K1 verläuft um die Stirn des Kopfes H herum. Diese erste Kreisbahn K1 ist in etwa waagerecht (+/–10°) zur senkrechten Achse des Kopfes H ausgerichtet. Die weiteren Kreisbahnen K2 und K3 sind in einem Winkel von etwa 120° (+/–20°) zueinander winkelversetzt angeordnet. 1 shows a sketch of a user's head H in the side view with a tactile display shown schematically by its essential components. The tactile display optionally has a visual display D (screen) for positioning in front of the user's eyes for three-dimensional display of images or videos and a plurality of tactile actuators T. These tactile actuators T are on three angularly offset from each other orbits K 1 , K 2 , K 3 arranged around the head H around. In this case, there is a tactile actuator T K in the region of the chin of the head H. It can, for example, be held on a chin strap. The first circular path K 1 runs around the forehead of the head H around. This first circular path K 1 is aligned approximately horizontally (+/- 10 °) to the vertical axis of the head H. The further circular paths K 2 and K 3 are arranged at an angle of approximately 120 ° (+/- 20 °) to each other angularly offset.

Erkennbar ist, dass auf der dritten Kreisbahn K3 am Hinterkopf des Kopfes H im Nackenbereich ein taktiler Aktor T angeordnet ist. Deutlich wird auch, dass im Bereich der Ohren O kein taktiler Aktor T vorhanden ist. Der zu einem Ohr O nächstliegende taktile Aktor T befindet sich hier in einem Abstand von mindestens 4 cm und bevorzugt von mehr als 5 cm. Damit wird vermieden, dass die Hörsinne des Benutzers durch Aktivierung der taktilen Aktoren T angesprochen werden. It can be seen that a tactile actuator T is arranged on the third circular path K 3 at the back of the head H in the neck area. It is also clear that in the area of the ears O no tactile actuator T is present. The tactile actuator T closest to an ear O is here at a distance of at least 4 cm, and preferably of more than 5 cm. This avoids that the auditory senses of the user are addressed by activation of the tactile actuators T.

Die taktilen Aktoren T sowie das Display D sind mit einer Steuereinheit S verbunden. Diese Verbindung ist beispielhaft nur für einige taktile Aktoren T dargestellt, aber für alle taktile Aktoren T des taktilen Displays in der Praxis vorhanden. The tactile actuators T and the display D are connected to a control unit S. This connection is illustrated by way of example only for some tactile actuators T, but is present in practice for all tactile actuators T of the tactile display.

Die Steuereinheit S ist eingerichtet, um in Abhängigkeit von der Aufgabe des taktilen Displays die Intensität der einzelnen taktilen Aktoren festzulegen und die taktilen Aktoren so anzusteuern, dass diese ein haptisches Drucksignal oder Vibrationssignal auf die Kopfoberfläche des Kopfes H mit der jeweils definierten Intensität aufbringen.The control unit S is set up to determine the intensity of the individual tactile actuators depending on the task of the tactile display and to control the tactile actuators such that they apply a haptic pressure signal or vibration signal to the head surface of the head H with the respectively defined intensity.

2 lässt die Rückseitenansicht des Kopfes H mit dem taktilen Display und seinen auf den drei Kreisbahnen K1, K2, K3 verteilt angeordneten taktilen Aktoren T erkennen. Dabei sind auch die an der eigentlich nicht sichtbaren Vorderseite des Kopfes H angeordneten taktilen Aktoren T mit skizziert. Um nun den Benutzer auf ein Ereignis in einem Zielpunkt im dreidimensionalen Umkreis des Kopfes H hinzuweisen, kann von der Steuereinheit S eine in Abhängigkeit vom Zielpunkt ausgewählte Gruppe von taktilen Aktoren T gleichzeitig angesteuert werden. Die Intensität einer solchen Gruppe taktiler Aktoren T ist dann so gewählt, dass der Benutzer möglichst ein haptisches Signal an dem Punkt seiner Kopfoberfläche H empfängt, an dem eine Gerade zwischen dem Zielpunkt in der Umgebung des Kopfes H zum Kopfmittelpunkt eine durch die Gruppe von taktilen Aktoren T aufgespannten Trefferfläche schneidet. Wenn der Benutzer dann seinen Kopf H zu dem Zielpunkt hin dreht, dann ändert sich dieser Schnittpunkt, sodass die Steuereinheit S die Auswahl der Gruppe von taktilen Aktoren und die Ansteuerung ihrer Intensität entsprechend anpasst. 2 allows the rear view of the head H with the tactile display and his on the three circular paths K 1 , K 2 , K 3 distributed tactile actuators T recognize. The tactile actuators T arranged on the front side of the head H, which is not actually visible, are also sketched here. In order to now point the user to an event in a target point in the three-dimensional circumference of the head H, the control unit S can simultaneously actuate a group of tactile actuators T selected as a function of the target point. The intensity of such a group of tactile actuators T is then selected so that the user receives as much as possible a haptic signal at the point of his head surface H, at which a straight line between the target point in the vicinity of the head H to the head center one by the group of tactile actuators T spans the stretched target area. If the user then turns his head H toward the target point, then this intersection changes, so that the control unit S adjusts the selection of the group of tactile actuators and the control of their intensity accordingly.

Dies wird anhand eines Beispiels mit drei taktilen Aktoren T1, T2, T3 und einem angenommenen Zielpunkt Z im dreidimensionalen Raum der Umgebung des Kopfes H erläutert. Von dem Zielpunkt Z kann eine gedachte Gerade G zu einem definierten Kopfmittelpunkt C geführt werden. Der definierte Kopfmittelpunkt C ist z. B. als Schwerpunkt aller taktiler Aktoren T des taktilen Displays oder als gemeinsamer Mittelpunkt aller Kreisbahnen K1, K2, K3, ..., Ki bekannt. Nun bildet eine Gruppe taktiler Aktoren T1, T2, T3 eine durch die Steuereinheit S angesteuerte Gruppe zur haptischen Übermittlung einer räumlichen Information, welche zum Zielpunkt Z weist. Diese Gruppe taktiler Aktoren T1, T2, T3 spannt eine Trefferfläche F auf, durch welche die Gerade G läuft. Es werden somit die taktilen Aktoren T1, T2, T3 als Gruppe ausgewählt, zwischen denen die Gerade G jeweils für einen Zielpunkt Z bezogen auf den definierten Kopfmittelpunkt C hindurch läuft. Der Schnittpunkt hp der Geraden G zwischen Zielpunkt Z und definierten Kopfmittelpunkt C mit der Trefferfläche F bildet das entscheidende Maß zur Ansteuerung der einzelnen taktilen Aktoren T1, T2, T3 der ausgewählten Gruppe. Die Intensität der einzelnen taktilen Aktoren T1, T2, T3 wird in Abhängigkeit von dem Abstand lib des Schnittpunktes hp zum Zentrum des jeweiligen taktilen Aktors T1, T2, T3 festgelegt, mit i = 1, 2, 3.This will be explained with reference to an example with three tactile actuators T 1 , T 2 , T 3 and an assumed target point Z in three-dimensional space around the head H. From the target point Z, an imaginary straight line G can be guided to a defined head center C. The defined head center C is z. B. as the focus of all tactile actuators T of the tactile display or as the common center of all circular paths K 1 , K 2 , K 3 , ..., K i known. Now forms a group of tactile actuators T 1 , T 2 , T 3 a controlled by the control unit S group for haptic transmission of spatial information, which points to the destination Z. This group of tactile actuators T 1 , T 2 , T 3 spans a hit area F, through which the straight line G runs. Thus, the tactile actuators T 1 , T 2 , T 3 are selected as a group between which the straight line G runs in each case for a target point Z relative to the defined center C of the head. The point of intersection hp of the straight line G between the target point Z and the defined center of the head C with the target surface F forms the decisive measure for controlling the individual tactile actuators T 1 , T 2 , T 3 of the selected group. The intensity of the individual tactile actuators T 1 , T 2 , T 3 is determined as a function of the distance lib of the intersection point hp to the center of the respective tactile actuator T 1 , T 2 , T 3 , with i = 1, 2, 3.

Dies ist für den ersten taktilen Aktor T1 beispielhaft mit dem Abstand l1b skizziert.This is outlined for the first tactile actuator T 1 as an example with the distance l 1b .

Weiterhin wird durch die Steuereinheit S der Schnittpunkt der Verlängerung der Geraden zwischen dem Schnittpunkt hp und dem Zentrum des jeweiligen taktilen Aktors T1, T2, T3 mit einer die beiden anderen taktilen Aktoren T verbindenden Gerade bestimmt. Für den ersten taktilen Aktor T1 ergibt sich dann ein Abstand l1a zwischen dem Schnittpunkt ep1 der Geradenverlängerung zwischen dem Schnittpunkt hp und dem Zentrum des ersten taktilen Aktors T1 und der die beiden anderen taktilen Aktoren T2, T3 verbindenden Gerade. Furthermore, the intersection of the extension of the straight line between the intersection point hp and the center of the respective tactile actuator T 1 , T 2 , T 3 is determined by the control unit S with a straight line connecting the other two tactile actuators T. For the first tactile actuator T 1 then results in a distance l 1a between the intersection ep 1 of the straight line extension between the intersection hp and the center of the first tactile actuator T 1 and the two other tactile actuators T 2 , T 3 connecting straight line.

Für die anderen taktilen Aktoren T2, T3 können dann auf entsprechende Weise die Schnittpunkte ep2, ep3 und die diesbezüglichen Längen l2a, l3a bestimmt werden. For the other tactile actuators T 2 , T 3 can then in a corresponding way the Intersections ep 2 , ep 3 and the relevant lengths l 2a , l 3a are determined.

Ebenso ergibt sich für diese taktilen Aktoren T2, T3 ein Abstand zwischen dem Schnittpunkt hp und dem Zentrum des jeweiligen taktilen Aktors T2, T3 als l2b und l3b.Likewise, for these tactile actuators T 2 , T 3, there is a distance between the intersection point hp and the center of the respective tactile actuator T 2 , T 3 as l 2b and l 3b .

Die Mittelpunkte der jeweiligen Aktoren T1, T2, T3 sind z. B. als drei-dimensionale Vektor-Koordinaten (x, y, z) bekannt. Für jeden der an einer Trefferfläche F anliegenden taktilen Aktoren T1, T2, T3 kann nun eine Intensität im Wertebereich von 0 bis 1 bestimmt werden. Dies kann bspw. nach der Beziehung erfolgen:

Figure DE102016106913A1_0003
The centers of the respective actuators T 1 , T 2 , T 3 are z. B. as three-dimensional vector coordinates (x, y, z) known. For each of the tactile actuators T 1 , T 2 , T 3 applied to a target surface F, an intensity in the value range from 0 to 1 can now be determined. This can be done, for example, according to the relationship:
Figure DE102016106913A1_0003

Wenn nun bei der Beziehung von Ti die Rede ist, so handelt es sich hier um die drei-dimensionale Vektorkoordinate des Mittelpunktes oder Schwerpunktes des jeweiligen taktilen Aktors T1, T2, T3. Mit dem Index i ist der jeweilige taktile Aktor bezeichnet, welcher die Trefferfläche F mit aufspannt. Die taktilen Aktoren werden dann mit den berechneten Intensitäten Ii im Bereich von 0–100 % angesteuert. Mit dieser Interpolation wird ein weicher Übergang zwischen den taktilen Aktoren T1, T2, T3 und angrenzenden taktilen Aktoren sichergestellt, wenn sich der Zielpunkt Z relativ zur Kopfposition H bewegt. Now, if the relationship of Ti is mentioned, this is the three-dimensional vector coordinate of the center or center of gravity of the respective tactile actuator T 1 , T 2 , T 3 . The index i designates the respective tactile actuator, which spans the hit area F with. The tactile actuators are then driven with the calculated intensities I i in the range of 0-100%. With this interpolation, a smooth transition between the tactile actuators T 1 , T 2 , T 3 and adjacent tactile actuators is ensured when the target point Z moves relative to the head position H.

Um bei Suchaufgaben ohne visuelles Feedback eine hohe finale Präzision zu erreichen kann ein direkt auf der Nase zwischen den Augen sitzender taktiler Aktor T mit einer etwas modifizierten Ansteuerung genutzt werden. Je näher der Schnittpunkt hp diesem taktilen Aktor T kommt, desto höher wird die Intensität für diesen taktilen Aktor T gewählt, während die anderen benachbarten taktilen Aktoren der Trefferfläche F gedämpft werden. Damit tritt das Signal des auf der Nase angeordneten taktilen Aktors T stärker heraus. Der Benutzer versucht nämlich, das Signal des taktilen Nasen-Aktors T zu maximieren, während die anderen zwei Aktoren T der Trefferfläche F ausgeschaltet sind oder beinahe stillstehen. In order to achieve a high final precision in search tasks without visual feedback, a tactile actuator T sitting directly on the nose between the eyes can be used with a slightly modified control. The closer the point of intersection hp comes to this tactile actuator T, the higher the intensity is selected for this tactile actuator T, while the other adjacent tactile actuators of the target surface F are attenuated. Thus, the signal of the arranged on the nose tactile actuator T comes out stronger. Namely, the user tries to maximize the signal of the tactile nose actuator T while the other two actuators T of the hit area F are turned off or almost stand still.

Zur Erhöhung der Auflösung im Stirnbereich ist es vorteilhaft, zwei zusätzliche haptische taktile Aktoren T auf dem Stirnring K1 links und rechts eines frontalen Stirn-Aktors T anzuordnen. To increase the resolution in the forehead, it is advantageous to arrange two additional haptic tactile actuators T on the front ring K 1 left and right of a frontal front actuator T.

Die Steuereinheit S mit ihrem taktilen Display kann zur Zielführung und zur Navigation genutzt werden. Dies kann auch ohne visuelle Darstellung rein über den Tastsinn erfolgen. Die Nutzung des zusätzlichen visuellen Kanals mit Hilfe des Displays D ist allerdings präziser und üblicherweise schneller als die Nutzung des Tast- und Hörsinns. Für komplexe Situationen ist die Bereitstellung des zusätzlichen haptischen Kanals oftmals von Vorteil. Die anfänglichen Reaktionszeiten sind für taktiles Feedback oftmals kleiner als bei visuellen Eindrücken. Dies ist vorteilhaft, um über die taktilen Aktoren T Warnsignale zu geben oder Aufmerksamkeit auf Ereignisse außerhalb des Sichtfeldes zu lenken. Mit Hilfe der über die mehreren Kreisbahnen K1, K2, K3 angeordneten taktilen Aktoren T gelingt dies über den gesamten dreidimensionalen Raum in der Umgebung des Kopfes H. Damit wird eine gute Abdeckung nahezu aller möglichen Richtungen zu einem Zielpunkt Z im dreidimensionalen Raum sichergestellt. Der Bereich der Ohren O ist dabei frei gehalten, wobei die taktilen Aktoren einen Abstand von mindestens 4–5 cm vom Ohrkanal entfernt angeordnet sind. The control unit S with its tactile display can be used for route guidance and navigation. This can also be done without visual representation purely by the sense of touch. The use of the additional visual channel with the help of the display D, however, is more precise and usually faster than the use of tactile and auditory sense. For complex situations, providing the additional haptic channel is often beneficial. The initial response times are often smaller for tactile feedback than for visual impressions. This is advantageous in order to give warning signals via the tactile actuators T or to draw attention to events outside the field of vision. With the help of the arranged over the multiple circular paths K 1 , K 2 , K 3 tactile actuators T succeed over the entire three-dimensional space in the vicinity of the head H. This ensures a good coverage of almost all possible directions to a target point Z in three-dimensional space , The area of the ears O is kept free, wherein the tactile actuators are located a distance of at least 4-5 cm away from the ear canal.

As taktile Aktoren T eignen sich Piezoaktoren, induktiv angesteuerte Aktoren oder Vibrationsmotoren. Diese können durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert werden, um einen taktilen Eindruck mit einer ausgewählten Intensität auf den Kopf H des Benutzers auszuüben. As tactile actuators T are piezo actuators, inductively actuated actuators or vibration motors. These may be driven by a pulse width modulated signal to exert a tactile impression of a selected intensity on the user's head H.

Dabei wird eine Gruppe von bspw. drei taktilen Aktoren T ausgewählt, die am nächsten zum Zielpunkt Z sind. Der am nächsten zum Zielpunkt Z liegende taktile Aktor T kann mit der höchsten Intensität angesteuert werden. Die Intensität der taktilen Aktoren T und die Auswahl einer Gruppe von taktilen Aktoren T hängt von der Position des Zielpunktes zur definierten Kopfmitte C ab und ändert sich bei einer Drehung des Kopfes H. Insbesondere wird der Benutzer seinen Kopf in der Regel immer versuchen in Richtung zu dem Zielpunkt Z zu drehen, sodass das taktile Signal entlang einer Trajektorie in Richtung der Kopfvorderseite wandert. Wenn der Benutzer den Zielpunkt optimal fokussiert, dann verläuft die Gerade zwischen Zielpunkt Z und definierten Kopfmittelpunkt C in der Regel durch die Nasenwurzel des Benutzers. Das taktile Display kann durch geeignete Einrichtung der Steuerungseinheit S z. B. durch Programmieren genutzt werden, um die Aufmerksamkeit des Benutzers auf ausgewählte Zielpunkte Z in seiner Umgebung zu richten. Die Steuerungseinheit S kann zusammen mit dem taktilen Display somit zur Führung zu virtuellen oder realen Objekten im dreidimensionalen Raum genutzt werden. Denkbar ist aber auch, das Auftreffen von Schockwellen, Partikeln, virtuellen Wänden oder Grenzen sowie beweglichen virtuellen Objekten auf einer den Kopf umgebende Fläche haptisch spürbar zu machen. Das taktile Display kann auch in Verbindung mit dreidimensionalen Videos im 360°-Raum mit haptischen Feedback genutzt werden. In this case, a group of, for example, three tactile actuators T is selected, which are closest to the target point Z. The tactile actuator T lying closest to the target point Z can be activated with the highest intensity. The intensity of the tactile actuators T and the selection of a group of tactile actuators T depends on the position of the target point to the defined center of the head C and changes with a rotation of the head H. In particular, the user will usually always try his head towards to rotate the target point Z, so that the tactile signal along a trajectory in the direction of the head front side wanders. If the user optimally focuses the target point, then the straight line between the target point Z and the defined head center C usually runs through the root of the nose of the user. The tactile display can by suitable means of the control unit S z. B. be used by programming to direct the user's attention to selected targets Z in his environment. The control unit S can thus be used together with the tactile display for guidance to virtual or real objects in three-dimensional space. It is also conceivable, however, to make the impact of shockwaves, particles, virtual walls or borders as well as moving virtual objects on an area surrounding the head haptically palpable. The tactile display can also be used in conjunction with three-dimensional videos in the 360 ° space with haptic feedback.

Das taktile Display ermöglicht auch eine präzise Führung im dreidimensionalen Raum für blinde Personen, die haptische Mitteilungen von aktuellen oder drohenden Kollisionen im virtuellen oder realen Raum und insbesondere das haptische Feedback und das Hinlenken von Aufmerksamkeit zu Ereignissen, die außerhalb des Blickfeldes des Benutzers liegen. The tactile display also allows precise guidance in three-dimensional space for blind people, the haptic messages of current or impending collisions in the virtual or real space, and in particular haptic feedback and attention to events outside the user's field of vision.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

Taktiles Display zum Tragen auf dem Kopf (H) eines Benutzers mit einer Mehrzahl von taktilen Aktoren (T), die an einer Kopfhalterung zur Anordnung an dem Kopf (H) des Benutzers befestigbar und mit einer Steuereinheit (S) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die taktilen Aktoren (T) auf mindestens zwei Kreisbahnen (K1, K2, K3) verteilt angeordnet sind, wobei die Kreisbahnen (K1, K2, K3) winkelversetzt zueinander ausgerichtet sind. Tactile display for carrying on the head (H) of a user with a plurality of tactile actuators (T) attachable to a headgear for placement on the head (H) of the user and connectable to a control unit (S), characterized in that the tactile actuators (T) are distributed over at least two circular paths (K 1 , K 2 , K 3 ), the circular paths (K 1 , K 2 , K 3 ) being aligned angularly offset from one another. Taktiles Display nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein taktiler Aktor (T) an einem Kinnriemen zur Anordnung am Kinn des Benutzers vorgesehen ist. Tactile display according to claim 1, characterized in that at least one tactile actuator (T) is provided on a chin strap for placement on the chin of the user. Taktiles Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein taktiler Aktor (T) zur Anordnung am Nacken des Benutzers vorgesehen ist.Tactile display according to claim 1 or 2, characterized in that at least one tactile actuator (T) is provided for placement on the neck of the user. Taktiles Display nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zur Anordnung vor den Augen ausgebildeten 3D-Bildschirm zur dreidimensionalen Projektion von Bildern oder Videos.Tactile display according to one of the preceding claims, characterized by a 3D screen designed for the arrangement in front of the eyes for the three-dimensional projection of images or videos. Taktiles Display nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die taktilen Aktoren (T) als Piezoaktoren oder als induktiv auslenkbare Aktoren ausgebildet sind. Tactile display according to one of the preceding claims, characterized in that the tactile actuators (T) are designed as piezo actuators or as inductively deflectable actuators. Taktiles Display nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass angrenzend an die Ohren (O) des Benutzers keine taktilen Aktoren (T) vorhanden sind. Tactile display according to one of the preceding claims, characterized in that adjacent to the ears (O) of the user no tactile actuators (T) are present. Taktiles Display nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Gruppe von benachbarten taktilen Aktoren (T) eingerichtet ist.Tactile display according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (S) for the simultaneous activation of a group of adjacent tactile actuators (T) is set up. Taktiles Display nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) zur Ansteuerung der Gruppe von benachbarten taktilen Aktoren (T) derart eingerichtet ist, dass die Intensität der Ansteuerung der taktilen Aktoren (T) der Gruppe von mindestens einem in der Gruppe räumlich zentralen taktilen Aktor (T1, T2, T3) zu den diesen mindestens einen zentralen taktilen Aktor (T1, T2, T3) umgebenden übrigen taktilen Aktoren (T1, T2, T3) hin abnimmt.Tactile display according to claim 7, characterized in that the control unit (S) for controlling the group of adjacent tactile actuators (T) is set up such that the intensity of the actuation of the tactile actuators (T) of the group of at least one spatially in the group central tactile actuator (T 1 , T 2 , T 3 ) to this at least one central tactile actuator (T 1 , T 2 , T 3 ) surrounding other tactile actuators (T 1 , T 2 , T 3 ) decreases towards. Taktiles Display nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) zur Ansteuerung der taktilen Aktoren (T) einer Gruppe in Abhängigkeit von dem Schnittpunkt einer von einem Zielpunkt (Z) im Raum zu einem definierten Kopfmittelpunkt (C) des taktilen Displays führenden Geraden (G) mit einer durch die taktilen Aktoren (T) der Gruppe aufgespannten Trefferfläche (F) eingerichtet ist.Tactile display according to claim 7 or 8, characterized in that the control unit (S) for controlling the tactile actuators (T) of a group as a function of the intersection of a target point (Z) in space to a defined head center (C) of the tactile Displays leading line (G) is set up with a hit area (F) spanned by the tactile actuators (T) of the group. Taktiles Display nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) zur Ansteuerung der taktilen Aktoren (T) mit einer Intensität Ii nach der Beziehung:
Figure DE102016106913A1_0004
eingerichtet ist, wobei Ii die Intensität des i-ten taktilen Aktors der Gruppe mit i =
Figure DE102016106913A1_0005
{1, 2, 3, ...}, hp der Schnittpunkt der vom Zielpunkt (Z) zum Kopfmittelpunkt (C) verlaufenden Geraden (G) mit der durch die drei taktilen Aktoren (T1, T2, T3) aufgespannten Ebene, epi der Schnittpunkt einer zwischen dem Schnittpunkt hp und der Position vi des i-ten taktilen Aktors verlaufenden Geraden (G) mit einer die beiden anderen taktilen Aktoren (T1, T2, T3) verbindenden Geraden (G), und vi die Position des i-ten taktilen Aktors ist.
Tactile display according to claim 9, characterized in that the control unit (S) for controlling the tactile actuators (T) with an intensity I i according to the relationship:
Figure DE102016106913A1_0004
is set up, where I i is the intensity of the ith tactile actuator of the group with i =
Figure DE102016106913A1_0005
{1, 2, 3, ...}, hp is the point of intersection of the straight line (G) running from the target point (Z) to the head center (C) with the plane spanned by the three tactile actuators (T 1 , T 2 , T 3 ) ep i is the intersection of a straight line (G) running between the intersection hp and the position v i of the i th tactile actuator with a straight line (G) connecting the other two tactile actuators (T 1 , T 2 , T 3 ), and v i is the position of the ith tactile actuator.
Taktiles Display nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) zur Ansteuerung eines auf der Nase des Benutzers zwischen den Augen angeordneten taktilen Aktors (T) derart eingerichtet ist, dass die Intensität der diesen taktilen Aktor (T) benachbarten taktilen Aktoren (T) umso stärker gedämpft wird, je näher ein Ziel an diesen taktilen Aktor (T) liegt.Tactile display according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (S) for controlling a on the user's nose between the eyes arranged tactile actuator (T) is set up such that the intensity of this tactile actuator (T) adjacent tactile Actuators (T) is the more attenuated the closer a target is to this tactile actuator (T). Verfahren zur Ansteuerung eines taktilen Displays nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – Ermitteln eines Schnittpunktes (hp) einer von einem Zielpunkt (Z) im Raum zu einem definierten Kopfmittelpunkt (C) verlaufenden Geraden (G) mit einer durch jeweils drei benachbarte taktile Aktoren (T1, T2, T3) des taktilen Displays aufgespannten Trefferfläche (F) und – Festlegen der Intensität dieser taktilen Aktoren (T1, T2, T3) in Abhängigkeit von dem Abstand des Schnittpunktes (hp) zu der Position des jeweiligen taktilen Aktors (T1, T2, T3). Method for controlling a tactile display according to one of the preceding claims, characterized by - determining an intersection point (hp) of a line (G) extending from a target point (Z) in space to a defined head center point (C) with one by three adjacent tactile actuators (T 1, T 2, T 3) of the tactile display spanned target surface (F), and - setting the intensity of the tactile actuators (T 1, T 2, T 3) in dependence on the distance of the intersection (hp) to the position of respective tactile actuator (T 1 , T 2 , T 3 ).
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