DE19649573C2 - Eingabegerät zur Übertragung von Bewegungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Eingabegerät zur Übertragung von Bewegungen, insbesondere ein Computer-Eingabegerät, das translatorische- und Drehbewegungen der Hand mittels einer Sensorik erfaßt, in Signale umwandelt, und diese an ein Endgerät überträgt.

Eingabegeräte zur Übertragung von Handbewegungen sind weit verbreitet und finden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Als bekannteste Beispiele für Geräte dieser Art können die Computermaus, der Joystick, der Trackball und seit neuerem der Touchpad aufgeführt werden. Der Anwendungsbereich der genannten Eingabegeräte beschränkt sich im allgemeinen auf eine zweidimensionale translatorische Steuerung von Objekten, die auf einem Bildschirm bewegt werden. Eine direkte Übertragung von Drehbewegungen der Hand ist mit diesen Geräten nicht möglich, bzw. nur indirekt, wobei zusätzlich Funktionstasten betätigt werden müssen, um eine Drehbewegung zu bewirken. Insbesondere zur Bewegung von Objekten in dreidimensionalen Räumen, z. B. bei Flugsimulationsprogrammen, oder bei komplizierten Computerspielen sind die Steuermöglichkeiten der bekannten Geräte nicht ausreichend, da weder zweidimensionale Drehbewegungen noch dreidimensionale Bewegungen der Hand übertragbar sind.

Darüber hinaus benötigen die bekannten Eingabegeräte einen nicht unerheblichen Aktionsradius und sind somit für das Arbeiten auf beengten Schreibtischen oder ohne eine ebene Unterlage, die als Aufsetzfläche dient, nicht geeignet. Solche Bedingungen ergeben sich beim Arbeiten in öffentlichen Verkehrsmitteln, Flugzeugen und Autos, wenn z. B. an einem Laptop gearbeitet wird, ohne eine Arbeitsfläche zur Verfügung zu haben. Für diese Bereiche wurden Trackballs und der Touchpad von APPLE entwickelt, die jedoch sehr gewöhnungsbedürftig sind und außerdem nur zweidimensionale Steuerung erlauben.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Geräte zeigt sich beim Arbeiten unter staubigen und schmutzigen Bedingungen, wenn die mechanischen Bestandteile der Geräte wegen Verschmutzung ausfallen oder öfter gereinigt werden müssen.

Eine typische Vorrichtung zur Cursorsteuerung oder Maus ist aus der US- Patentschrift Nr. 4,550,316 bekannt. Darin ist ein Stressor in Form eines flexiblen Stiftes vorgesehen, der in einem Gehäuse der Maus befestigt ist und an dem mehrere Sensoren angeordnet sind, die bei Bewegung der Maus auf einer Arbeitsfläche die Auslenkung des Stiftes erfassen und entsprechende Signale erzeugen. Daraus kann die Bewegungsrichtung der Maus abgeleitet werden. Die genannte Cursorsteuerung ist jedoch auf eine Erfassung zweidimensionaler translatorischer Bewegungen beschränkt.

In der internationalen Patentanmeldung WO 93/04348 ist eine Eingabevorrichtung zur Übertragung von translatorischen als auch von Drehbewegungen beschrieben, die Kräfte oder Drehmomente in jeder beliebigen räumlichen Richtung erfassen kann. Ein Gehäuse des Kraft- und Drehmomentenwandlers wird mit der Hand betätigt, wobei die entsprechenden Bewegungen mittels optischer Detektoren erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt werden. Innerhalb des Gehäuses ist ein Körper angeordnet, der die auf das Gehäuse ausgeübten Kräfte durch elastisches Verformen aufnimmt. Die vorgeschlagene Anordnung ist jedoch relativ aufwendig und kompliziert aufgebaut.

Ein weiteres Eingabegerät zur Computereingabe ist aus der FR 2 654 233 A1 bekannt. Das Eingabegerät umfaßt eine Sensorik zur Erfassung von translatorischen und Drehbewegungen und ein Übertragungsmittel zur Übertragung der erzeugten Signale an ein Datenverarbeitungsgerät, wobei die Bewegungen mittels einer Piezosensorik erfaßt werden. Dazu wird ein feststehender Stressor auf eine Arbeitsunterlage gesetzt, der bei Ausübung von Druck- und Torsionskräften gegen eine Sensorik wirkt, welche innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist. Zur Erfassung von translatorischen als auch Torsionsbewegungen werden jeweils identische Piezosensoren verwendet, die an verschiedenen Stellen auf dem Stressor angeordnet sind. Damit ist jedoch keine eindeutige Einteilung der ausgeübten Kräfte in translatorische und Torsionskräfte möglich. Somit sind aufwendige Signalprozessoren notwendig, um die einzelnen Kraftkomponenten ermitteln zu können.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die gattungsgemäße Vorrichtung zur Computereingabe derart weiter zu entwickeln, daß sie einfach und genau sowohl translatorische und Drehbewegungen als auch eine Kombination dieser übertragen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Eingabegerät umfaßt ein Gehäuse und eine Sensorik zur Erfassung der auf das Gehäuse ausgeübten Druck- und Torsionskräfte, wobei ein innerhalb des Gehäuses angeordneter Stressor gegen die Sensorik wirkt, wenn das Gehäuse ausgelenkt wird. Durch die kugelförmige Gestalt des Stressors ist es möglich, translatorische und Torsionskräfte mittels der Sensorik separat zu erfassen, wobei die Sensorik aus Drucksensoren zur Erfassung translatorischer Kräfte und aus separaten Torsionssensoren zur Erfassung von Torsionskräften besteht. Somit kann insgesamt jede mögliche dreidimensionale Bewegung einer Hand erfaßt werden.

Durch die Verwendung einer Piezosensorik ist bereits eine kleine Verlagerung des Druckpunkts ausreichend, um ein Steuersignal zu erzeugen. Folglich muß das Eingabegerät nur über kurze Distanzen bewegt werden, um eine Steuerung zu bewirken. Die erzeugten Signale werden mit Hilfe eines Übertragungsmittels an das Endgerät übertragen, wobei im einfachsten Fall ein Kabel verwendet wird, z. B. aber auch eine Infrarotübertragung möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Bewegung auf einen Stressor übertragen, der einen entsprechenden Druck auf die Sensorik ausübt. Die Änderung des Druckpunktes auf die Sensoren erzeugt ein Steuersignal, das an ein Endgerät, z. B. an einen Computer oder einen Roboterarm, übertragen wird. Der Anstieg des Druckes kann dabei erfaßt und z. B. als Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Mauszeigers interpretiert werden. Ein Absinken der Spannung auf den Ursprungswert würde analog als Stoppen der Zeigerbewegung interpretiert werden. Diese Variante entspricht der Bedienung eines Joysticks, bei der sich das Eingabegerät selbst nach der aktiven Eingabe zentriert.

Die Sensorik befindet sich vorzugsweise wenigstens teilweise im Innenraum des Gerätes, wo sie vor Staub, Schmutz und Feuchtigkeit geschützt ist. Um die im Innenraum befindliche Sensorik belasten zu können, ist ein Stressor mit Fortsatz vorgesehen, der aus dem Innenraum herausragt und der Fortsatz bei einer Bewegung des Eingabegerätes ausgelenkt wird. Der Fortsatz kann dabei auch einstückig mit dem Stressor gebildet sein. Die auf den Fortsatz wirkende Kraft wird über den Stressor auf die Sensorik übertragen, wodurch entsprechende Signale erzeugt werden.

Dabei ist der Fortsatz flexibel ausgebildet, vorzugsweise mit einer Spiralfeder, oder er besteht aus einem geeigneten flexiblen Plastikmaterial.

Zur Übertragung der Bewegung wird der Stressorfortsatz auf eine geeignete Unterlage aufgesetzt. Eine bessere Kraftübertragung kann erreicht werden, wenn das aufgesetzte Ende des Fortsatzes gut haftfähig ausgebildet ist und z. B. aus einem weichen Gummimaterial oder aus einem Saugnapf gebildet ist.

Ebenso kann der Stressorfortsatz fest auf einer Grundplatte montiert sein, so daß Bewegungen in vertikaler Richtung und insbesondere das Anheben des Gehäuses ermöglicht wird, ohne den Kontakt mit der Unterlage zu verlieren. Wenn darüber hinaus die Verbindung lösbar gebildet ist, können verschiedene Gehäusetypen oder Eingabegeräte mit unterschiedlichen Funktionen einfach gewechselt werden. Die lösbare Verbindung kann z. B. aus einer Aufnahme in der Grundplatte mit einem Verriegelungsmechanismus bestehen, in die der Stressorfortsatz eingesteckt wird. Ebenso wäre ein Gehäuse zweckmäßig, das teilweise geöffnet werden kann, um einen Stressor einzusetzen oder herauszunehmen.

Beim Einsatz von Eingabegeräten, die eine unterschiedliche Funktion erfüllen sollen, wird die gewünschte Betriebsart (Joystick oder Maus) vorzugsweise mittels einer Treibersoftware bestimmt.

Wie bereits erwähnt, kann das Eingabegerät je nach Einsatzzweck mit einer Sensorik ausgestattet sein, die nur bestimmte Bewegungsrichtungen erfaßt. Sind dagegen mehr Sensoren als für den Anwendungszweck notwendig vorhanden, so können die freien Sensoren z. B. mittels eines Softwaretreibers deaktiviert oder als neue Funktion definiert werden. Selbstverständlich können auch die für das Anwendungsprogramm benötigten Sensoren neu belegt werden, so daß benutzerspezifische Einstellungen möglich sind.

Zusätzlich kann das Eingabegerät auch Steuertasten aufweisen, die z. B. den Steuertasten einer herkömmlichen Maus entsprechen können.

Durch die Bewegung des Eingabegeräts mit der Hand kann die Piezosensorik aufgewärmt werden oder Temperaturschwankungen unterliegen. Da der piezoelektrische Effekt temperaturabhängig ist, wird vorzugsweise eine Temperaturkompensation vorgenommen.

Durch das Ummanteln der Sensorik oder das Anbringen eines Gehäuses kann die Sensorik zusätzlich nach außen hin vor Schmutz und Staub geschützt werden, wobei darauf geachtet werden sollte, daß die Form des Gehäuses eine einfache Handhabung gewährleistet.

Das Gehäuse ist vorzugsweise wenigstens z. T. flexibel geformt, so daß es auf der Unterlage zumindest geringfügig nach oben und unten bewegt werden kann und dem Benutzer erlaubt, in vertikale Richtung Druck bzw. Zug auszuüben, wobei das Gehäuse die Bewegung stabilisiert. Dieses Signal kann z. B. als ein Zoomen bzw. Entfernen eines Objekts am Bildschirm interpretiert werden.

Insbesondere für die dreidimensionale Bewegung des Eingabegerätes ist eine handergonomische Form wünschenswert, die Fingervertiefungen aufweist und einen Auflagebereich für die Handfläche bietet.

Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der Stressor oder mit dem Stressor verbundene Elemente automatisch in ihre zentrierte Position zurückkehren.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform, als "Piezomaus" bezeichnet, ist nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine Schnittansicht einer Piezomaus in Ruhestellung;

Fig. 1b eine Schnittansicht der Piezomaus, die nach links ausgelenkt ist; und

Fig. 2 verschiedene Ansichten einer Piezomaus.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Eingabegerät in Form einer Piezomaus (1), die sich in ihrer neutralen Ruheposition befindet. Im Innenraum der Maus sind mehrere piezoelektrische Sensoren angeordnet, wobei piezoelektrische Drucksensoren (2) und piezoelektrische Torsionssensoren (3) zu unterscheiden sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensoren (2, 3) so angeordnet, daß dreidimensionale translatorische und Drehbewegungen in einer Horizontalebene erfaßt werden können. Im Zentrum der Sensoranordnung befindet sich ein kugelförmiger Stressor (4) der entsprechend der ausgeführten Bewegung einen Druck auf die Piezosensorik ausübt. Unterhalb des Stressors (4) befindet sich ein fußähnlicher Fortsatz (5), der auf einer festen Unterlage (6) aufgesetzt wird. Die Feder (7) hat an ihrem aufsetzenden Ende ein Haftelement (8), das auf festen Oberflächen genügend Reibung erzeugt, um bei einer Bewegung des Eingabegerätes (1) nicht zu verrutschen.

Die Sensorik (2, 3) und der Stressor (4) sind von einem Gehäuse (9) umgeben. Wenn das Gehäuse (9) durch Druck in vertikaler Richtung belastet wird, kann der hintere Bereich des Gehäuses (9), der von der Unterlage etwas beabstandet ist, nach unten ausweichen und erlaubt somit das Zusammendrücken der Feder (7). Der vordere Bereich und die Seitenbereiche (10) des Gehäuses (9) halten dabei innerhalb eines begrenzten vertikalen Bereichs ständig Kontakt zur Untertage (6), so daß die Piezomaus (1) stabil geführt werden kann.

In Fig. 1b ist die Piezomaus (1) nach links ausgelenkt, so daß der fußähnliche Fortsatz (5) abgewinkelt wird. Der bewegliche Stressor übt mit zunehmender Auslenkung auch einen ansteigenden Druck auf die Piezosensoren aus. Bei der Auslenkung nach links werden die im Bild rechts gezeichneten Sensoren entsprechend stärker belastet und die links gezeichneten Sensoren entlastet. Der oben dargestellte Torsionssensor (3) erzeugt kein Signal, da keine Drehbewegung durchgeführt wird. Der Anstieg des Drucks auf die rechts dargestellten Sensoren kann z. B. als eine Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Mauszeigers interpretiert werden, wobei sich die Geschwindigkeit des Mauszeigers mit der Zunahme des Drucks erhöht. Ein Absinken der Sensorspannung auf den Ursprungswert würde analog als Stoppen der Mausbewegung interpretiert werden.

Das Gehäuse (9) schützt die Sensorik und die mechanischen Elemente gegen Schmutz, Staub und Feuchtigkeit.

Fig. 2 zeigt verschiedene Ansichten der Piezomaus (1), deren Gehäuse handergonomisch geformt ist. Insbesondere sind seitlich Vertiefungen (11, 12, 13) für den Daumen und vorne für den zweiten und dritten Finger vorgesehen. An diesen Stellen befinden sich Maustasten, die im Gehäuse integriert sind. Der mittlere Bereich des Gehäuses ist höckerartig erhöht und bietet der Hand eine Auflagefläche (15), damit die Maus in entspannter Weise geführt werden kann.

Das Gehäuse (9) liegt im vorderen Bereich (16) auf der Unterlage (6) auf und ist dagegen im hinteren Bereich (17) von der Unterlage abgehoben. Der vordere und seitliche aufliegende Bereich gewährleistet durch die Einhaltung eines Kontakts mit der Unterlage eine stabile Führung der Maus, wenn in begrenztem Maße in vertikaler Richtung Druck bzw. Zug auf die Maus ausgeübt wird.

Claims (10)

1. Eingabegerät insbesondere zur Computereingabe, mit einem Gehäuse (9) und einer Sensorik zur Erfassung der auf das Gehäuse ausgeübten Druck- und Torsionskräfte, wobei ein innerhalb des Gehäuses (9) angeordneter Stressor (4) gegen die Sensorik wirkt, wenn das Gehäuse (9) ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stressor (4) kugelförmig ist und einen flexiblen Fortsatz (5) aufweist, welcher teilweise aus dem Gehäuse (9) herausragt, und
die Sensorik aus Drucksensoren (2) zur Erfassung translatorischer Kräfte und separaten Torsionssensoren (3) zur Erfassung von Torsionskräften besteht.

2. Eingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (5) eine Feder (7) als flexibles Element aufweist.

3. Eingabegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einer Unterlage aufsetzendes Ende des Fortsatzes (5) als Haftmittel (8) gebildet ist.

4. Eingabegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stressorfortsatz (5) fest mit einer Grundplatte verbunden ist.

5. Eingabegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stressor (5) automatisch in eine zentrierte Position zurückkehrt.

6. Eingabegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Steuertasten (1, 23) vorgesehen sind.

7. Eingabegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine handergonomische Form mit Fingervertiefungen (11, 12, 13) oder einen Auflagebereich (15) für die Handfläche aufweist.

8. Eingabegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Sensorik (2, 3) vollständig durch eine Ummantelung oder ein Gehäuse (9) nach außen hin geschützt ist.

9. Eingabegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Software-Treiber vorgesehen ist, mit dem die Übertragung der Bewegungen einstellbar ist.

10. Eingabegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezosensorik (2, 3) temperaturkompensiert ist.