DE10310588B3

DE10310588B3 - Vorrichtung zur tastbaren Darstellung von Informationen

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Publication number: DE10310588B3
Application number: DE2003110588
Authority: DE
Inventors: Holger Dr. Böse; Mario Dipl.-Chem. Baumann; Herbert Dr. Freimuth; Dagmar Dr. Klein
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-03-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur tastbaren Darstellung von Informationen, einen Array derartiger Vorrichtungen als haptischen Aktorarray sowie Verwendungen derartiger Vorrichtungen und Anordnungen. DOLLAR A Derartige Vorrichtungen werden zur Erzeugung und Darstellung haptischer Informationen, wie beispielsweise der Konsistenz von Objekten, zur Darstellung von visuellen Informationen, wie beispielsweise Schriftzeichen, computersimulierte Objekte, Sensorsignale oder Bilder in haptischer Form, zur Simulation von viskosen, elastischen und/oder viskoseelastischen Materialeigenschaften eines Objektes insbesondere für Trainings- und Forschungszwecke benötigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur tastbaren Darstellung von Informationen, ein Array derartiger Vorrichtungen als haptisches Aktorarray sowie Verwendungen derartiger Vorrichtungen und Anordnungen.
Derartige Vorrichtungen werden zur Erzeugung und Darstellung haptischer Informationen, wie beispielsweise der Konsistenz von Objekten, zur Darstellung von visuellen Informationen, wie beispielsweise Schriftzeichen, computersimulierte Objekte, Sensorsignale oder Bilder in haptischer Form, zur Simulation von viskosen, elastischen und/oder viskoelastischen Materialeigenschaften eines Objektes insbesondere für Trainings- und Forschungszwecke benötigt.

Nach dem Stand der Technik kommen im Wesentlichen Verfahren, die auf elektromagnetischen Mechanismen oder Piezoaktoren beruhen, zum Einsatz. Weiterhin sind Verfahren mit elektrorheologischen Flüssigkeits-Aktuatoren, die sich durch einfaches Einstellen der Kräfte, aber geringen Hub kennzeichnen lassen, bekannt. Zum Beispiel werden Aktoren mit zylindrischem oder planarem Design verwendet, um Eigenschaften von elektrorheologischen Flüssigkeiten zu nutzen. Die EP 0 488 187 A1 zeigt beispielsweise ein Gerät zur tastbaren Darstellung von Schriftzeichen und graphischen Informationen für Blinde, bei dem ein von einer Membran abgedecktes Volumen vorgesehen wird, das mit einer elektroviskosen Flüssigkeit gefüllt ist. Durch Einfügen von Elektroden ist der Kanal als Ventil für die elektroviskose Flüssigkeit ausgebildet. Die haptische Information wird nun über die Verformung der Membran durch den einstellbaren Flüssigkeitsdruck dargestellt.

Auch die US 5 496 174 zeigt einen haptischen Aktor, bei dem eine elektrorheologische Flüssigkeit im Kompressionsmodus betrieben wird. Über eine Membran kann die Viskosität und damit der Druck in der elektrorheologischen Flüssigkeit taktil erfasst werden.

Auch die GB 2 265 746 A zeigt ein taktiles Anzeigeelement in Form eines Arrays, bei dem über eine Membran der Zustand einer darunter angeordneten elektrorheologischen Flüssigkeit erfasst und erspürt werden kann.

Aus dem Stand der Technik ist auch eine Vorrichtung zur Sichtbarmachung von in Datenform vorliegenden Körpern und/oder Formen sowie zur Darstellung von Körpern und/oder Formen in Datenform bekannt ( DE 198 10 125 A1 ). Bei dieser Vorrichtung sind in einem Feld eine Vielzahl von Nadeln parallel zueinander gelagert und verfahrbar. Parallel und benachbart zum Feld sitzen den Nadeln zugeordnete Aktuatoren, die mit den Daten entsprechenden Signalen beaufschlagt sind und die Nadeln entsprechend den Daten relativ zueinander einstellen.

Bekannt ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensional verformten Bauteilen ( DE 198 10 478 A1 ). Diese beschäftigt sich mit Plexiglasscheiben, welche entsprechend einer gewünschten Kontur eines Designmodells von Kraftfahrzeugen geformt werden. Hierzu wird eine Matrize verwendet, die aus einem Grundgestell mit darauf befindlichen, einstellbaren Stempeln besteht. Die Stempel werden in ihrer Höhenlage entsprechend der Kontur eingestellt.

Die im Stand der Technik vorhandenen Verfahren und Aktorarrays besitzen im Falle der elektromagentischen Mechanismen sehr große Abmessungen und eine geringe Auflösung, während im Falle der Verwendung von elektrorheologischen Fluiden gewöhnlich nur zwischen zwei Zuständen – An/Aus bzw. 1/0 – unterschieden wird. Eine stufenlose Einteilung erfolgt dabei nicht.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass in den Aktorvarianten, die auf modular aufzubauenden mit elektrorheologischer Flüssigkeit gefüllten Einzelzellen beruhen, die Ortsauflösung gering ist. Demgegenüber vermitteln elektromagnetische Systeme mit Kraftrückkopplung, die die taktile Information über Stifte übertragen, nicht den Eindruck einer durchgehenden/geschlossenen Oberfläche, d. h. die Darstellung ist nicht realistisch genug. Weiterhin ist nachteilig, dass die bislang verwendeten Systeme, die auf pneumatischen oder hydraulischen Verfahren beruhen, eine sehr hohe Leistung (200–300 W) verbrauchen. Dies hat die elektrische Schaltung eines größeren Arrays verhindert.

Sämtliche bisherigen Verfahren unter Verwendung von elektrorheologischen Flüssigkeiten verwenden diese im Kompressionsmodus oder Fließmodus.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bzw. eine Anordnung von Vorrichtungen sowie Verwendungen derartiger Vorrichtungen und Anordnungen zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Ortsauflösung, eine stufenlose Darstellung taktiler Informationen, einen großen Hub bei geringen Herstellungs- und Betriebskosten ermöglichen sollen.

Diese Aufgabe wird durch die Anordnung nach Anspruch 1 sowie ihre Verwendung nach Anspruch 24 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der erfindungsgemäßen Anordnung werden in den jewei ligen abhängigen Ansprüchen gegeben. Erfindungsgemäß wird ein flacher Stempel zwischen zwei Wandungen vorgesehen, wobei die Wandungen zumindest auf einer Seite, vorteilhafterweise jedoch auf beiden Seiten des Stempels eine großflächige Elektrode tragen. Da der Abstand der Wandungen nur gering ist, ist es auf diese Weise möglich, auf ein kleines Volumen von elektrorheologischer Flüssigkeit, die den Stempel umgibt und sich zwischen den Wandungen befindet, eine hohe elektrische Feldstärke aufzubringen. Dadurch ist es möglich, die Viskosität (bzw. Schubspannung) der elektrorheologischen Flüssigkeit in starkem Maße zu verändern. Zwischen dem Stempel, der lamellenartig ausgeführt sein kann, und grundsätzlich als flacher, schmaler Stempel ausgeführt wird und den Elektroden befindet sich vorteilhafterweise nur eine geringe Menge elektrorheologischer Flüssigkeit. Diese wird nunmehr grundsätzlich nicht mehr im wesentlichen bezüglich ihres elektrisch zu verändernden Kompressions- oder Fließverhaltens sondern vor allem bezügliche ihres elektrisch zu verändernden Scherverhaltens verwendet. Denn die elektrorheologische Flüssigkeit wird zwischen den Wandungen und dem Stempel geschert, wobei die Scherkräfte von dem angelegten elektrischen Feld abhängen. Die beim Drücken auf den Stempel, beispielsweise mit einem Finger, erzeugte Flüssigkeitsverdrängung kann die Kraftwirkung vorteilhaft unterstützen.

Durch die lamellenartige Anordnung wird für ein Array, das aus einer Vielzahl derartiger neben- und hintereinander angeordneter Stempel besteht, eine sehr hohe Ortsauflösung erzielt. Durch die lamellenartige Form ist nämlich der im taktilen Array auftretende Querschnitt des Stempels sehr gering bei zugleich sehr großer Zellentiefe und -breite, so dass insbesondere die Elektroden großflächig ausgebildet werden können.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass sich ein haptisches Aktorarray modular aus verschiedenen Einzelteilen zusammensetzen lässt. Hierzu gehört dann u. a. ein Gehäuse, das in seiner Größe an die Abmessung des gewünschten Tastfeldes angepasst ist, sowie Kunststoffteile, die durch Aneinanderlegen oder direkte Verbindung als Wandungen eine Kanalstruktur aufbauen. Zuletzt sind Stempel erforderlich, die eine geringe Materialstärke (geringe Breite) besitzen, jedoch in Länge und Höhe mehrere mm bis cm groß sein können. Derartige Lamellenstempel benötigen bei großer Oberfläche lediglich einen geringen Querschnitt auf der Oberseite. Die taktilen Reize können dem Anwender mittels eines großformatigeren und beliebig geformten Stempelkopfes vermittelt werden.

Die Kunststoff-Wandungen dienen zur Aufnahme der Elektroden, sie bilden die Kanalstruktur, in der sich die elektrorheologische Flüssigkeit befindet und außerdem die Führung der Stempel im Kanal.

Die Übertragung der haptischen Informationen erfolgt mittels einer Konsistenzveränderung, d. h. Viskositätsveränderung der elektrorheologischen Flüssigkeit. Die Viskosität dieses Materials ist dabei durch eine elektrische Spannung steuerbar, wobei eine steigende Spannung, bzw. ein steigendes elektrisches Feld, eine Erhöhung der Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit bewirkt. Wird für jede Einzelzelle, d. h. für jeden einzelnen Stempel eine eigene Steuerungseinheit vorgesehen, so können Bereiche unterschiedlicher Festigkeit auf der Tastoberfläche spürbar gemacht werden.

Um Informationen darzustellen, kann ein derartiges Aktorarray Sensoren, wie beispielsweise für Ultraschallelastographie, Kernspin- oder Computertomographie und dergleichen nachgeschaltet sein, so dass die zu untersuchenden Eigenschaften an den Originalobjekten aufgezeichnet und in geeigneter Datenform an die Steuerungseinheit gegeben und von dieser am Aktorarray als haptische Information dargestellt werden.

Die Ausführung mit einem lamellenartigen Stempel oder der lamellenartigen Anordnung von Elektrodenkanälen maximiert den Effekt der elektrorheologischen Flüssigkeit auch bei kleinen Spannungen, weil die Fläche des Stempels durch die Lamellenform maximiert wird. Dies ist entscheidend, weil der elektrorheologische Flüssigkeits-Effekt nicht nur von der Spannung, sondern auch von der Elektrodenfläche und dem Abstand der Elektroden, zwischen denen sich der Stempel bewegt, abhängt. Durch diese Zellenanordnung können auch große Härten dargestellt bzw. übertragen werden. Die Ausführung als Stempelaktor ermöglicht die Realisierung eines relativ großen Hubs und eine hohe Ortsauflösung.

In Kombination mit einer abschließenden Membran auf der Oberfläche des Aktorarrays kann eine durchgehende realistische Oberfläche erzeugt werden. Das gesamt Aktorsystem ist modular aus Halbzellen aufgebaut, was die spätere Produktion vereinfacht. Zum einen kann das System aus vielen gleichen Bauteilen zusammengesetzt und in seiner Tastfläche den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Weiterhin ist es möglich auf einem Kunststoffteil mehrere Kanalhalbzellen zu integrieren, was die Herstellungskosten im Bereich Material, Zeitaufwand, Assembly usw. deutlich senkt und einen produktionstechnischen Vorteil im Vergleich zu aufwendig aufzubauenden mechanischen Systemen darstellt.

Die Wirkungsweise beruht überwiegend auf der Beanspruchung der elektrorheologischen Flüssigkeit im Schermodus, was die Elektrodenanordnung vereinfacht. Daher ist der Gesamtaufbau verkleinerbar, was zu einer verbesserten Ortsauflösung führt. Durch die Wahl des Lamellenstempels, der deutlich flacher (dünner) als breit bzw. hoch ist, kann die Scherwirkung ohne starke Verdrängung der elektrorheologischen Flüssigkeit genutzt werden. Durch einen derart hohen Stempel ist insbesondere ein großer Hub möglich.

Die Aktoreinheit ist stufenlos einstellbar, so dass nicht nur die Information an/aus vermittelt wird, sondern der gesamte Festigkeitsbereich von weich bis hart darstellbar ist.

Das Aktorsystem kann außerdem auf einer beweglichen Oberfläche befestigt sein, die eine Kraftrückkopplung ausübt, die durch eine geeignete Vorrichtung, z.B. mit Elektromotoren oder mit elektro- oder magnetrheologischen Materialien, erzeugt wird. Auf diese Weise werden zusätzlich zu den ortsaufgelösten Kräften des Aktorsystems noch makroskopische (kinästhetische) Kräfte auf die Hand des Benutzers ausgeübt. Der Aufbau der Aktoreinheit ist modular ausgeführt, so dass eine flexible Gestaltung des Arrays möglich ist.

Die Aktoreinheit kann mit Steuersignalen, die von beliebigen Sensoreinheiten wie beispielsweise Ultraschallelastographie, Kernspin- oder Computertomographie, betrieben werden. Ebenso ist die Darstellung von künstlich erzeugten Signalen wie Schriftzeichen, computersimulierten Objekten usw. möglich.

Die Ausführung des Aktors in lamellenartiger Form ermöglicht die Steigerung der Ortsauflösung, weil der Querschnitt der Einzelzellen bei gleichzeitiger Vergrößerung der Höhe verkleinert werden kann. Die Verwendung der elektrorheologischen Flüssigkeit ermöglicht eine stufenlose Darstellung der Konsistenzverteilung einer Objektoberfläche oder auch eines Objektinneren (bei geeigneter Signaleingabe). Die Ausnutzung des Schermodus anstatt des Kompressionsmodus führt zu einer parallelen, senkrechten Elektrodenanordnung, die technisch einfacher umzusetzen ist, was zu einer besseren und kostengünstigeren Herstellung des Aktorarrays führt. Durch die Verwendung einer unabhängigen Sensorquelle, die beliebig große Bereiche eines Objektes beispielsweise im Scan-Modus untersuchen kann und die gesammelten Daten abschnittsweise an den Aktor überträgt, können auf der Aktorfläche auch große Objekte dargestellt werden, selbst wenn die originale Objektgröße die Tastfläche übersteigt.

Durch das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip wird eine hohe Ortsauflösung erreicht und eine Rückstellung der Stempel in einen vorher festzulegenden Nullzustand ist möglich. Die Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit erlaubt die kontinuierliche und feinabgestufte Darstellung der haptischen Information, sowie eine Simulation der viskoselastischen Materialeigenschaften bestimmter Objekte, beispielsweise zu Trainings- oder Forschungszwecken.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit dem erfindungsgemäßen Aktor bzw. Aktorarray eine Vorrichtung zur tastbaren Darstellung von Informationen ge schaffen wurde, die die Vorteile von elektrorheologischen Flüssigkeiten zur Darstellung haptischer Informationen auf besondere Weise ausnutzt.

Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen beschrieben. Es zeigen
1 die Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 zwei verschiedene Schaltungsvarianten in Aufsicht gemäß 1;
3 verschiedene Ansichten für Wandungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen; und
4 eine Wandung zur Verwendung in einer Anordnung erfindungsgemäßer Vorrichtungen.
In sämtlichen Figuren werden im Folgenden für gleiche und ähnliche Elemente gleiche und ähnliche Bezugszeichen verwendet.
In 1 ist die Aufsicht einer Vorrichtung 1 dargestellt, die zur Übermittlung einer einzelnen taktilen Information sich eignet. Hierzu sind in einem Gehäuse 2 zwei Wandungen 3a, 3b eingeschlossen, die im Wesentlichen sich in zueinander paralleler Richtung (Breite) erstrecken und einen Raum 9 miteinander einschließen. 1 zeigt dabei einen Querschnitt in der Ebene, die durch die Breite und Dicke aufgespannt wird, wie er sich in Aufsicht auf ein taktiles Element 1 darstellt. Zum Betrachter hin in der Blattebene vorgelagert ist ein Stempelkopf und eine Membran zu denken, die als eigentliches taktiles Element die Informationen an Finger oder Hand eines Benutzers übermittelt.
Die beiden Wandungen 3a und 3b erstrecken sich nun in diesem Querschnitt längs ihrer Breite und weisen zwei nutbildende Einzüge 6a, 6b auf, die eine Aussparung erzeugen, in der ein Stempel 4 gelagert ist. In dieser Aussparung befinden sich weitere Einzüge 7a, 7b, die wiederum eine sich nahezu über die Breite der Wandungen erstreckende Nut bilden. Der Stempel 4 besitzt nun eine Dicke quer zu dieser Breitenausrichtung der Wandungen, die die durch die Einzüge 6a und 6b gebildete erste Nut weitestgehend ausfüllt, jedoch erheblich geringer ist als die Breiten- bzw. Längsausdehnung dieser Nut. Dadurch ergibt sich ein lamellenartiger Stempel, dessen Breite erheblich größer ist als seine Dicke. Jeder der Breitseiten des Stempels liegt eine Elektrode 5a bzw. 5b gegenüber, die in der durch die Einzüge 7a und 7b gebildeten zweiten Nut auf der Wandung selbst angeordnet ist. Oberhalb der Zeichnungsebene ist auf dem Stempel 4 ein Stempelkopf mit beliebiger Form angeordnet, dessen Oberfläche als Tastfläche dient. Dieser Stempelkopf kann seinerseits mit einer Membran abgedeckt sein.
Die Elektroden 5a und 5b sind nun sehr großflächige Elektroden, zwischen denen sich in der durch die Ausnehmungen 7a und 7b gebildeten Nut lediglich eine geringe Menge elektrorheologische Flüssigkeit befindet.
Die Wandungen 3a und 3b sowie die Elektroden 5a und 5b weisen senkrecht zur Zeichnungsebene in 1 eine große Ausdehnung (Höhe) auf, die ebenfalls sehr viel größer ist als die Dicke des Stempels 4. Dadurch ergeben sich großflächige Elektroden 5a und 5b.
Durch die geringe Dicke und den geringen Querschnitt des Stempels 4 wird nunmehr beim Drücken des Stempels 4 über die nicht dargestellte Membran eine geringe Menge elektrorheologische Flüssigkeit an der Unterseite des Stempels verdrängt. Die taktile Information beruht im Wesentlichen darauf, dass aufgrund des geringen Abstandes zwischen den Elektroden und dem Stempel die zwischen diesen sich befindende elektrorheologische Flüssigkeit geschert wird und die Änderung der Viskosität bzw. Schubspannung der Flüssigkeit über die Beeinflussung der Scherkräfte letztlich die taktile Information an den Stempel 4 übermittelt. Im Unterschied zu sämtlichen Verfahren aus dem Stand der Technik wird hier also die elektrorheologische Flüssigkeit nicht entscheidend im Kompressionsmodus oder Fließmodus sondern im wesentlichen im Schermodus, eventuell mit Beiträgen des Fließmodus, verwendet.
Zwischen den beiden Wandungen 3a und 3b verbleibt in Längsrichtung der Wandungen seitlich zum Stempel ein Anschlussbereich 8a, 8b. Dieser Bereich kann abgedichtet werden. Da die elektrorheologische Flüssigkeit sich im Wesentlichen zwischen den Elektroden befindet und dort ihre elektroviskose Wirkung entfaltet, ist eine Abdichtung zwischen den beiden Wandungen 3a und 3b in den Bereichen 8a und 8b vorteilhaft.
In 1 sind die Wandungen 3a und 3b bereits bezüglich ihres dort dargestellten Querschnitts symmetrisch ausgebildet, so dass bei Verwendung eines in der Blattebene breiteren Gehäuses durch Neben- und Aneinanderreihung vieler derartiger Wandungen und Stempel eine ganze Anordnung von Vorrichtungen als eindimensionales oder zweidimensionales haptisches Aktorarray erzeugt werden kann. Wird ein eindimensionales Array nebeneinander angeordneter Wandungen auch in Richtung der Breite der Wandungen vervielfacht, so entsteht ebenfalls ein zweidimensionaler Aktorarray. Die Wandungen 3a und 3b sowie der Stempel 4 stellen also Module dar, mit denen auf einfachste Art und Weise beliebig große Aktorarrays erstellt werden können. Einzig erforderlich ist eine feste Verankerung der Wandungen beispielsweise entweder an den in Längsrichtung der Wandungen seitlichen Gehäusebereichen oder am Boden des Gehäuses 2.
Vorteilhafterweise können am Boden oder oberhalb des Stempels des Gehäuses 2 auch Rückstellvorrichtungen vorgesehen werden, die den Stempel 4 wieder nach oben aus der Blattebene heraus in Richtung der Membran zurückstellen. Auch ist es möglich, eine Rückführung für die elektrorheologische Flüssigkeit außerhalb des Bereiches zwischen den Elektroden vorzusehen, in denen dann ihre Viskosität gering ist. Auf diese Weise wird auch die vom Stempel verdrängte Flüssigkeit wieder dem Raum 9 zugeführt.
Ein derartiger Aktor, der auch als Lamellenaktor bezeichnet werden kann, erzeugt also eine Gegenkraft aufgrund der durch das elektrische Feld erhöhten Viskosität der im Raum 9 befindlichen elektrorheologischen Flüssigkeit auf den Stempel 4. 2 zeigt nun in gleicher Schnittansicht wie in 1 verschiedene Schaltungsvarianten für die Elektroden, wobei in 2A der Stempel 4 metallisch ausgeführt bzw. eine metallische oder anderweitig elektrisch leitende Oberfläche aufweist. Die Vorrichtungen 1 in 2 sind also in Ansicht von oben dargestellt, d. h. die Zeichnungsebene steht senkrecht auf der Höhenausdehnung der Wandungen 3a und 3b. Von diesen Wandungen 3a und 3b sowie vom Gehäuse 2 sind lediglich die dem Stempel 4 zugewandten Konturen dargestellt.
In 2A ist nun dargestellt, dass es möglich ist, die Elektroden 5a und 5b auf den Wandungen 3a und 3b als Masse zu kontaktieren und den Stempel seinerseits mit Spannung zu belegen. Dies erfolgt über die elektrischen Zuleitungen von einer Spannungsquelle 10 über die Zuleitungen 11a und 11b von der Masse der Spannungsquelle zu den Elektroden 5a und 5b und über die Zuleitung 11c von der Spannungsquelle 10 zu dem Stempel 4, der nunmehr eine Elektrode 5c bildet. Hierdurch wird der Abstand der beiden Pole der Spannung sehr stark verringert, so dass in dem Raum 9 eine hohe Feldstärke erzeugt werden kann.
In 2B liegt der ebenfalls metallische oder metallisch beschichtete Stempel nicht an einer Spannung sondern die beiden Pole der Spannungsquelle 10 sind über die Leitungen 11a und 11b mit den beiden Elektroden 5a und 5b verbunden. In diesem Falle wird also ein elektrisches Feld erzeugt, das sich zwischen den beiden Elektroden 5a und 5b erstreckt und aufgrund von Influenzladungen auf der Oberfläche des Stempels diesen umgibt.
Diese Kontaktierungsvarianten der 2A und 2B führen zu unterschiedlichen elektrischen Feldstärken, was direkten Einfluss auf das Verhalten der elektrorheologischen Flüssigkeit hat. Durch Anlegen der äußeren elektrischen Spannung wird die Viskosität des elektrorheologischen Flüssigkeit verändert und bei Auflegen des Fingers kann der Anwender durch Herabdrücken des Stempels die verschiedenen Viskositäten in Form von "Hart" bzw. "Weich" unterscheiden. Durch eine stufenlose Einstellung der Spannung ist ein ebenfalls stufenloser Übergang zwischen den haptischen Informationen "Hart" und "Weich" möglich.
Die Rückstellung der Lamellenstempel ist durch eine Rückstellvorrichtung möglich, die beispielsweise auf einem hydraulischen, elastischen oder magnetischen Mechanismus beruht.
Die Kanalstruktur kann sowohl mit Rückströmung der elektrorheologischen Flüssigkeit außerhalb des E-Feldes als auch ohne solche Rückführung ausgelegt sein, wodurch im zweiten Fall die darstellbaren Kräfte/Härten erhöht werden können.
3 zeigt in den Teilbildern A, B und C verschiedene Ansichten als Konstruktionszeichnungen einer Wandung 3a wie in 1 dargestellt. 3A zeigt dabei eine Seitenansicht, wobei sich die Breite der Wandung 3 senkrecht in der Zeichnungsebene, die Höhe quer in der Zeichnungsebene und die Dicke senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt. In dieser Aufsicht auf eine der einem Stempel zugewandten Seite der Wandung 3a sind die Einzüge 6 und 7 zu erkennen, mit denen eine Drei-Ebenen-Struktur der Wandung erzeugt wird. Die unterste Ebene, die durch den Einzug 7 erzeugt wird, nimmt die Elektrode auf, die beispielsweise durch Metallisierung der Wandung 3 auf diese aufgebracht werden kann. In der zweiten Ebene, die durch den Einzug 6 definiert wird, wird der Lamellenstempel 4 geführt und die oberste dritte Ebene der Wandung 3 bildet die Kontaktfläche 8 zum benachbarten Wandungsbauteil.
3B zeigt einen Querschnitt durch die Wandung 3 in der zur Breite der Wandung 3 und zur Zeichnungsebene in 1 senkrechten Ebene. Hier sind wiederum die Einzüge 6 und 7 dargestellt, die die Drei-Ebenen-Schichtstruktur der Wandung 3 darstellen.
3C zeigt eine Darstellung der Wandung 3 im Querschnitt so wie in 1.
4 zeigt eine Wandung 3 für einen haptischen Aktorarray mit insgesamt vier nebeneinander gelagerten Elektroden 5, 5', 5'', 5'''. Dieses Wandungsmodul stellt eine insgesamt in Längsrichtung vervierfachte Wandungsstruktur wie in 3 dar. Der Array kann nun in beliebiger Weise in Richtung der Breite der Wandungen verlängert werden, indem immer mehrere wandungsmodule 3 aneinandergehängt werden. In Richtung der Dicke der Wandung 3 können dann derartige Modulabfolgen aufeinander gelegt werden, so dass insgesamt ein ein- oder zweidimensionaler Wandungsarray erzeugt wird. Ein eindimensionaler Array wird hergestellt, indem beispielsweise zwei Wandungen 3 (wie in 4 dargestellt) nebeneinander angeordnet werden, die vier Räume für elektrorheologische Flüssigkeit einzuschließen. Werden beispielsweise fünf derartige Wandungen 3 nebeneinander (in Richtung der Dicke der Wandungen) angeordnet, so wird ein Array von 4×4 Räumen für elektrorheologische Flüssigkeit hergestellt. Anschließend können in die verbliebenen Freiräume zwischen den Wandungen in dem Bereich der jeweiligen Einzüge 6a bis 6d und 7a bis 7d usw. Stempel eingefügt bzw. elektrorheologische Flüssigkeit eingefüllt werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, kostengünstig und einfach beliebig dimensionierte einoder zweidimensionale haptische Aktorarrays zu erzeugen.
Sämtliche Kunststoffbauteile werden dann auf einer Bodenplatte, durch die auch die elektrischen Kontakte geführt werden, positioniert. Im Zusammenbau ergibt sich ein modular aufgebautes, lamellenförmiges Kanalarray, das mit elektrorheologischer Flüssigkeit ge füllt ist und in dem die Stempel geführt werden. Die Übertragung der Tastinformation erfolgt auf der Oberfläche, die durch nicht dargestellte Stempelköpfe gebildet wird wobei die Stempelköpfe unter Umständen mit einer zusätzlichen Membran überzogen sein können, um eine realistische Darstellung des tastbaren Objektes zu erzeugen. Die Form der Stempelköpfe ist dabei weitgehend unabhängig von der Form der Stempel und kann in Abhängigkeit von der Verwendung eines Aktorarrays gewählt werden.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch den erfindungsgemäßen Aufbau einer Vorrichtung zur tastbaren Darstellung von Informationen eine kostengünstige, modular erweiterbare Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, mit der haptische Informationen skalierbar dargestellt werden können.

Claims

Anordnung zur tastbaren Darstellung von Informationen, mit einem mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit füllbaren bzw. gefüllten Gehäuse (2, 3, 3a, 3b), wobei die Anordnung mindestens eine Vorrichtung (1) aufweist: mit mindestens zwei einander gegenüber angeordneten Wandungen (3, 3a, 3b), wobei die Erstreckung der Wandungen (3, 3a, 3b) in der Ebene der Wandungen (3, 3a, 3b) größer ist als der Abstand der beiden Wandungen (3, 3a, 3b) voneinander, und wobei die Wandungen (3, 3a, 3b) miteinander einen mit der elektrorheologischen Flüssigkeit füllbaren bzw. gefüllten Raum (9) auf einander gegenüberliegenden Seiten begrenzen, mit einem in dem Raum angeordneten und zwischen den Wandungen (3, 3a, 3b) führbaren Stempel (4), dessen Erstreckung (Breite, Höhe) in der Ebene der Wandungen (3, 3a, 3b) größer ist als seine quer zu den Wandungen (3, 3a, 3b) gemessene Dicke, so dass der Stempel (4) als flacher, schmaler Stempel ausgeführt ist, sowie mit mindestens einer auf einer der Wandungen (3, 3a, 3b) auf einer dem Stempel (4) benachbarten Seite angeordneten flächigen Elektrode (5), wobei die darzustellende Information mittels der Viskosität bzw. einer mit Hilfe der Elektrode (5) bewirkbaren Änderung der Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit übermittelbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (4) die Form einer Lamelle aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (4) eine Dicke zwischen 0,01 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1 mm aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (4) eine Breite zwischen 0,1 mm und 100 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 20 mm aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (4) eine Höhe zwischen 0,5 mm und 500 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 100 mm aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Wandungen im Bereich des Stempels zwischen 0,01 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 10 mm beträgt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden dem Stempel (4) benachbarten Seiten der Wandungen (3, 3a, 3b) flächige Elektroden angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (4) eine metallische Oberfläche aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5) und/oder der Stempel (4) mit elektrischen Anschlüssen versehen sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Stempels (4) ein beliebig geformter Stempelkopf angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen (3, 3a, 3b) zu einer oder beiden Seiten des Stempels (4) verbreitert sind und/oder formschlüssig aneinander anschließen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den beiden Wandungen (3, 3a, 3b) nach oben, gegebenenfalls oberhalb eines Stempelkopfes, mit einer flexiblen Membran verschlossen ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb oder oberhalb des Stempels (4) eine Rückstellung angeordnet ist, die den Stempel (4) nach oben bewegt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellung manuell erfolgt und/oder einen hydraulischen, elektrischen oder magnetischen Mechanismus aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rückströmkanäle für die elektrorheologische Flüssigkeit (9), die sich von unterhalb des Stempels (4) nach oberhalb des Stempels (4) erstrecken und außerhalb des Bereichs zwischen den Elektroden (5) bzw. zwischen der Elektrode (5) und dem Stempel (4) verlaufen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Wandungen (3, 3a, 3b) eine Bodenplatte angeordnet ist, die die Wandungen (3, 3a, 3b) trägt.
Anordnung mit mindestens zwei Vorrichtungen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Wandungen (3, 3a, 3b) parallel zueinander in dem Gehäuse (2) angeordnet sind, die zwischen je zwei der Wandungen (3, 3a, 3b) einen mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit (9) füllbaren oder gefüllten Raum bilden.
Anordnung mit mindestens zwei Vorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) mindestens zwei der Vorrichtungen (1) nebeneinander in Richtung der Dicke der Wandungen (3, 3a, 3b) und/oder dass mindestens zwei der Vorrichtungen (1) nacheinander in Richtung der Breite der Wandungen (3, 3a, 3b) zueinander benachbart angeordnet sind.
Anordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung ihrer Breite nebeneinander angeordnete Wandungen (3, 3a, 3b) mindestens zweier Vorrichtungen einstückig ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen (3, 3a, 3b) mindestens einen ersten Einzug (6) aufweisen, der eine erste Nut bildet, deren Breite größer ist als die Breite des Stempels (4) und die den Stempel (4) zumindest teilweise aufnimmt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen (3, 3a, 3b) innerhalb der ersten Nut einen zweiten Einzug (7) aufweisen, der eine zweite Nut bildet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Nut mindestens eine Elektrode (5) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Wandungen (3, 3a, 3b) denselben Aufbau besitzen.
Verwendung einer Vorrichtung oder einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung und/oder Darstellung haptischer Informationen, zur Darstellung visueller Informationen, wie Schriftzeichen, computersimulierte Objekte, Sensorsignale oder Bilder, in haptischer Form, zur Simulation von viskosen, elastischen, und/oder viskoelastischen Eigenschaften bzw. der Konsistenzverteilung eines Objektes, insbesondere zu Trainings- und/oder Forschungszwecken und/oder für medizinische Anwendungen.