DE19957155C1

DE19957155C1 - Haptic input and output device and method for manipulating virtual objects

Info

Publication number: DE19957155C1
Application number: DE1999157155
Authority: DE
Inventors: Stefan Stocker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-27
Filing date: 1999-11-27
Publication date: 2001-06-21
Anticipated expiration: 2019-11-28
Also published as: EP1236165A1; AU2002001A; WO2001041052A1

Abstract

The invention relates to a haptic input and output device for the teleoperation of virtual objects by a user. Said device comprises a base (4) with at least two wings (6, 8), which are connected to the base (4) in a displaceable manner in relation to each other, each having a finger-bearing surface (10, 12), at least one drive mechanism (14) connected to the wings (6, 8) and an electronic interface (16) for transferring data between the input and output device (2) and a computer. The invention aims to solve the technical problem of improving the virtual gripping action using the haptic input and output device, to such an extent that an extremely realistic teleoperation and gripping of virtual objects is achieved. To this end, the drive mechanism (14) controls the relative distance between the wings (6, 8) and generates a force which acts in opposition to the approach of the wings (6, 8) towards one another.

Description

Die Erfindung betrifft eine haptische Ein- und Ausgabe vorrichtung sowie ein Verfahren für ein Manipulieren von virtuellen Objekten, wobei ein Benutzer mit Hilfe der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen virtuelle Objek te in einer virtuellen Welt ertasten, greifen und bewegen kann.The invention relates to haptic input and output device and a method for manipulating virtual objects, a user using the haptic input and output devices virtual object feel, grip and move in a virtual world can.

Unter dem Begriff "virtuelles Objekt" und "virtuelle Welt" sind ein oder mehrere reale oder von einem Computer erzeugte Objekte zu verstehen, die ein Benutzer nicht di rekt mit seinen Händen, sondern nur über Hilfsmittel greifen kann. Diese Hilfsmittel sind einerseits in der vom Computer erzeugten künstlichen Welt dargestellte Greifelemente oder andererseits reale Greifelemente wie bspw. Robotorgreifer. Letztere Manipulation wird auch als Teleoperation bezeichnet.Under the terms "virtual object" and "virtual World "are one or more real or from a computer to understand created objects that a user does not di right with his hands, but only about aids can grab. These tools are on the one hand in the computer-generated artificial world Gripping elements or on the other hand real gripping elements such as For example, robot grippers. The latter manipulation is also called Referred to as teleoperation.

Als optische Verbindung zwischen dem Benutzer und den virtuellen Objekten können einerseits eine Vorrichtung zur Darstellung eines von einem Computer erzeugten Bildes und andererseits ein Videokamerabild oder eine direkte Beobachtung der virtuellen Objekte dienen.As an optical connection between the user and the On the one hand, virtual objects can be a device to display an image generated by a computer and on the other hand a video camera picture or a direct one Observe the virtual objects.

Insbesondere kann eine Vorrichtung zur Darstellung eines von einem Computer erzeugten stereoskopischen Bildes der optischen Verbindung dienen, bei der jedes Auge eines Be nutzers einzeln angesprochen wird. Jedes der Bilder stellt die räumlichen Daten in Bezug zur Augenposition dar. Beide Bilder unterscheiden sich nur in der leicht verschobenen Perspektive, die durch den Augenabstand ent steht. Verändert der Benutzer die Position des Kopfes, so verändert sich auch das projizierte Bild entsprechend, sofern die Position des Kopfes bestimmt wird.In particular, a device for displaying a computer generated stereoscopic image of the serve optical connection, in which each eye of a Be is addressed individually. Each of the pictures puts the spatial data in relation to the eye position Both pictures differ only in the slightly shifted perspective that ent through the eye relief stands. If the user changes the position of the head, so the projected image changes accordingly, if the position of the head is determined.

Neben einer stereoskopischen Darstellung kann auch eine zweidimensionale perspektivische Darstellung Anwendung finden, die einfacher zu realisieren ist und dem Benutzer ausreichende dreidimensionale Informationen liefert.In addition to a stereoscopic display, a two dimensional perspective illustration application find that is easier to implement and the user provides sufficient three-dimensional information.

Für die Positionsbestimmung wird ein sogenanntes Tracker system verwendet, um Position und Lage des Kopfes zu re gistrieren. Zur Messung können elektromagnetische Felder oder Ultraschallfelder verwendet werden. Damit kann der Benutzer über die Kopf- und Körperbewegung mit der virtu ellen Umgebung interagieren.A so-called tracker is used to determine the position system used to re position and position of the head register. Electromagnetic fields can be used for measurement or ultrasonic fields can be used. So that the Users on the head and body movement with the virtu interact in the environment.

Dazu werden die vom Trackersystem ermittelten Daten in das Computersystem eingespeichert und die Darstellung für ein stereoskopisches Bild wird entsprechend der vom Trackersystem ermittelten Daten angepaßt.For this purpose, the data determined by the tracker system in the computer system is stored and the representation for a stereoscopic image will be taken from the Tracker system determined data adjusted.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft nun zum einen eine haptische Ein- und Ausgabevorrichtung, mit der ein Benutzer ein virtuelles Objekt manipulieren kann. Zum anderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur An wendung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung.The subject of the present invention now relates on the one hand a haptic input and output device, with that a user can manipulate a virtual object. On the other hand, the invention relates to a method for use of the haptic input and output device.

Aus dem Stand der Technik ist bspw. eine dreidimensionale Maus bekannt, deren räumliche Position mit einem Tracker system bestimmt wird und mit der ein virtuelles Objekt angewählt und/oder bewegt werden kann. Obwohl dieses Sy stem uneingeschränkte Bewegungsfreiheit aufweist, liegt der Nachteil der dreidimensionalen Maus darin, daß die Bedienung von Tasten an der dreidimensionalen Maus nicht sinndeckend mit dem Greifvorgang eines Benutzers ist und daß eine Kräfterückkopplung fehlt.A three-dimensional one is, for example, from the prior art Mouse known its spatial position with a tracker system is determined and with which a virtual object can be selected and / or moved. Although this sy stem has unrestricted freedom of movement the disadvantage of the three-dimensional mouse in that the Operation of buttons on the three-dimensional mouse is not covers the gripping process of a user and that a force feedback is missing.

Darüber hinaus ist eine Ein- und Ausgabevorrichtung be kannt, bei dem eine in der Handfläche eines Benutzers be festigte Basis mit teleskopischen Stangen die Finger bei Kontakt mit einem virtuellen Objekt abbremst. Dadurch ist zwar eine handbasierte Kräfterückkopplung bei freier Be wegungsfreiheit und bei relativ geringem Gewicht möglich. Jedoch wird die Handhabung durch das umständliche An- und Ablegen des Gerätes und durch die nötige individuelle An passung an die Handgröße erschwert. Denn die Ein- und Ausgabevorrichtung kann nicht einfach mit der Hand ge griffen werden, sondern einzelne Finger sind mit den te leskopischen Stangen zu verbinden und auf eine gewünschte Länge einzustellen.In addition, an input and output device be knows, in which a be in the palm of a user firm the base with telescopic poles Decelerates contact with a virtual object. This is a hand-based force feedback with free loading freedom of movement and possible with a relatively low weight. However, the handling is complicated by the on and off Put down the device and through the necessary individual approach fit to hand size difficult. Because the inputs and Dispenser cannot simply be hand be gripped, but individual fingers are with the te to connect lescopic rods and to a desired one Adjust length.

Beide zuvor beschriebenen Ein- und Ausgabevorrichtungen werden der häufigsten Handlung des Menschen gegenüber seiner Umwelt, dem Greifen, nicht gerecht. Mit dem Grei fen ist es möglich, die Größe, den Härtegrad und die Form eines Objektes allein durch die verschiedenen haptischen Reize zu erkennen. Alle Tätigkeiten, die mit den Händen ausgeführt werden, sind bis auf wenige Ausnahmen Formen des Greifens. Dabei kann man die häufigsten Formen des Greifens in zwei Kategorien unterteilen. Zum einen ist dies das Greifen mit den Fingerspitzen für ein präzises Greifen, Verändern und Führen einzelner Objekte und zum anderen das Greifen mit der ganzen Hand für ein sicheres und kraftvolles Greifen zum Verändern und Führen einzel ner oder mehrerer Objekte. Both input and output devices described above become the most common human action does not do justice to its environment, grasping. With the Grei fen it is possible, the size, the degree of hardness and the shape of an object solely through the different haptic Recognizing stimuli. All activities with hands with a few exceptions are forms of grasping. You can see the most common forms of Divide gripping into two categories. For one thing this is gripping with your fingertips for a precise Gripping, changing and guiding individual objects and to others grasping with the whole hand for a safe and powerful gripping for changing and guiding individually one or more objects.

Haptische Informationen sind daher neben optischen Infor mationen von besonderer Bedeutung. Masse, Dichte und Oberflächenbeschaffenheit von Gegenständen sind Faktoren, die sich intuitiv mit den Händen erfassen lassen. Im Be reich der Manipulation von virtuellen Objekten ist eine solche haptische Information besonders wichtig, da der Benutzer das virtuelle Objekt nicht direkt selber angrei fen kann, sondern auf dazwischen geschaltete Hilfsmittel angewiesen ist.Haptic information is therefore in addition to optical information mations of particular importance. Mass, density and Surface properties of objects are factors that can be intuitively grasped with the hands. In Be The manipulation of virtual objects is one such haptic information is particularly important because the Users cannot directly access the virtual object themselves can, but to interposed tools is instructed.

Insbesondere ist die dreidimensionale visuelle Darstel lung bei von Computern erzeugten virtuellen Welten so überzeugend, daß man sich vorstellen kann, die auf einem Darstellungsmittel dargestellten Objekte tatsächlich an fassen zu können.In particular, the three-dimensional visual representation development in virtual worlds generated by computers convincing that you can imagine that on one Objects of representation are actually displayed to be able to grasp.

Aus dem Stand der Technik der DE 44 00 790 A1, von der die von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Ein- und Ausgabe vorrichtung bekannt, die eine Mehrzahl von Fingeraufnah meelemente aufweist, in die die Finger eines Benutzers eingreifen. Die Elemente sind an mehrgliedrigen Armen be festigt, die über einen weiteren Träger an einer raumfe sten Basis befestigt sind. Die Arme sind mittels des an geschlossenen Computersystems steuerbar, wodurch die Be wegungen der Finger beeinflußt werden können. Darüber hinaus sind die Fingeraufnahmeelemente mit taktile Reize erzeugenden Anordnungen versehen, um zusätzliche Reize dem Benutzer bei der Verwendung der Ein- und Ausgabevor richtung zu vermitteln. Durch die Befestigung an einer raumfesten Basis ist die Bewegungsfreiheit des Benutzers eingeschränkt.From the prior art of DE 44 00 790 A1, of which the from which the present invention is an input and output device known that a plurality of finger pick has elements in the fingers of a user intervention. The elements are on multi-part arms consolidates that over another support to a room most base are attached. The arms are attached by means of the closed computer system controllable, whereby the loading movements of the fingers can be influenced. About that In addition, the finger picking elements have tactile stimuli generating arrangements provided to additional stimuli the user when using the input and output to convey direction. By attaching to one The fixed basis is the freedom of movement of the user limited.

Weiterhin zeigt die US 5,555,894 A eine Ein- und Ausgabe vorrichtung in Form verschiedener Gegenstände, an deren Oberflächen verteilt angeordnete Fingerauflagebereiche angeordnet sind. Diese sind mit Drucksensoren versehen, so daß die durch die Finger ausgeübte Kräfte erfaßt und mittels des Computers in eine virtuelle Bewegung umgestzt werden. Für eine mehrdimensionale virtuelle Bewegung sind somit nur leichte durch die Finger ausgeübte Drücke er forderlich. Daher ist die Bewegung der Finger nicht na türlich und stimmt nicht mit der daraus erzeugten virtu ellen Bewegung überein, Taktile Reize werden zudem an den Fingeranlageflächen durch bewegliche Stifte erzeugt. Die repulsiven Kräfte werden dabei in Abhängigkeit von der auf die Drucksensoren ausgeübten Kräfte eingestellt. Zu dem kann das Berühren von virtuellen Gegenständen durch die taktilen Reize vermittelt werden.Furthermore, US 5,555,894 A shows an input and output device in the form of various objects on whose Finger rest areas arranged on surfaces are arranged. These are equipped with pressure sensors, so that the forces exerted by the fingers are grasped and converted into a virtual movement by means of the computer become. For a multi-dimensional virtual movement thus only slight pressures exerted by the fingers conducive. Therefore the movement of the fingers is not na natural and does not match the virtu created from it ellen movement, tactile stimuli are also given to the Finger contact surfaces created by movable pins. The repulsive forces are dependent on the forces applied to the pressure sensors. To that can be done by touching virtual objects the tactile stimuli are conveyed.

Weiterhin ist aus der US 5,709,219 eine Ein- und Ausga bevorrichtung bekannt, bei der komplexe taktile Reize über verschiedene Ausgabeeinrichtungen erzeugt werden. Die taktilen Reize dienen einer fühlbaren Rückkopplung virtueller Objekte an einen Benutzer. Es werden durch un terschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten und -formen die verschiedenen taktilen Reize vermittelt.Furthermore, an input and output is from US 5,709,219 device known for having complex tactile stimuli are generated via various output devices. The tactile stimuli serve a tactile feedback virtual objects to a user. It will be through un different surface textures and shapes conveyed the various tactile stimuli.

Schließlich ist aus der US 5,717,610 eine Eingabe vorrichtung mit zwei gegeneinander bewegbaren Flügeln bekannt.Finally, there is an entry from US 5,717,610 device with two mutually movable wings known.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Aktion des Greifens in Form einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung sowie eines entsprechenden Verfahrens zur Anwendung dieser Ein- und Ausgabevorrichtungen dahin gehend zu verbessern, daß ein weitgehend realistisches Manipulieren und Greifen von virtuellen Objekten ermög licht wird, ohne daß das Hand-Arm-System in seiner Bewe gungsfreiheit eingeschränkt ist.The invention is based on the technical problem that Action of gripping in the form of a haptic entry and exit Output device and a corresponding method to use these input and output devices going to improve that a largely realistic Manipulation and gripping of virtual objects made possible light without the hand-arm system in its movement freedom of movement is restricted.

Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird zunächst gemäß Anspruch 1 durch eine haptische Ein- und Ausgabevorrichtung mit einer Basis, mit mindestens zwei Flügeln, die mit der Basis relativ zueinander bewegbar verbunden sind und jeweils eine Fingeranlagefläche aufweisen, mit mindestens einem mit den Flügeln verbundenen Antrieb, und mit einer elektronischen Schnittstelle für eine Daten übertragung zwischen der Ein- und Ausgabevorrichtung und einem Computersystem, dadurch gelöst, daß der Antrieb den relativen Abstand zwischen den Flügeln steuert und eine der Annäherung der Flügel zueinander entgegenwirkende Kraft erzeugt.The technical problem outlined above will first according to claim 1 by a haptic input and output device with a base, with at least two wings, which are movably connected to the base relative to each other are and each have a finger contact surface with at least one drive connected to the wings, and with an electronic interface for data transfer between the input and output device and a computer system, solved in that the drive controls relative distance between wings and one counteracting the approach of the wings to each other Power creates.

Der Abstand zwischen beiden Flügeln wird demnach durch den Antrieb so vorgegeben, daß der Widerstand beim Grei fen von virtuellen Objekten dem Benutzer der Ein- und Ausgabevorrichtungen aufgrund der eigenen Fingerpositio nen und ausgeübten Kräfte den Eindruck vermittelt, ein tatsächliches Objekt zu greifen.The distance between the two wings is therefore determined by the drive so specified that the resistance at Grei of virtual objects to the user of the inputs and Output devices due to the own finger position conveys the impression of a given and exercised forces to grasp actual object.

In bevorzugter Weise weist die Ein- und Ausgabevorrich tung mindestens eine Anlagefläche, mindestens eine in der Anlagefläche ausgebildeten Aussparung, einen unterhalb der Aussparung relativ zur Anlagefläche bewegbaren Stem pel und eine am Stempel ausgebildeten Kontaktfläche auf. Durch die Relativbewegung zwischen dem Stempel und der Aussparung verwirklicht diese Ausgestaltung der Ein- und Ausgabevorrichtung, daß der im Bereich der Aussparung an geordneten Oberfläche der Hand, insbesondere der Finger spitze, ein Berührungsreiz, also ein taktiler Reiz ver mittelt wird. Mit anderen Worten simuliert die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung die Wirkungen, die ein Objekt auf die Kraftausübung der Hand und auf die Haut der grei fenden Hand hat, wenn dieser das Objekt berührt oder er greift. The input and output device preferably has at least one Contact surface, at least one in the Contact surface trained recess, one below the recess movable stem relative to the contact surface pel and a contact surface formed on the stamp. Due to the relative movement between the stamp and the Recess realizes this design of the input and Output device that in the area of the recess orderly surface of the hand, especially the fingers great, a stimulus to touch, i.e. a tactile stimulus is averaged. In other words, simulates the haptic Input and output device the effects that an object on the exertion of the hand and on the skin of the grei hand when he touches the object or he takes hold.

Das oben aufgezeigte technische Problem wird gemäß An spruch 19 auch durch ein Verfahren zum Manipulieren von virtuellen Objekten gelöst, bei dem ein Computersystem mit einer Trackervorrichtung zum Erfassen der räumlichen Position der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung ver wendet wird, bei dem die von einem Benutzer vorgegebene räumliche Position der haptischen Ein- und Ausgabevor richtung von der Trackervorrichtung bestimmt und auf den Computer übertragen wird, bei dem die räumliche Position der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung im virtuellen Raum in Bezug auf das mindestens eine virtuelle Objekt berechnet wird, bei dem die relative Lage der mindestens zwei Flügel der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung bestimmt und auf den Computer übertragen wird, bei dem die räumliche Position der Flügel im virtuellen Raum in Bezug auf das mindestens eine virtuelle Objekt berechnet wird und bei dem der Antrieb der haptischen Ein- und Aus gabevorrichtung mit Hilfe des Computers so angesteuert wird, daß die der Annäherung der Flügel zueinander entge genwirkende Kraft dann vergrößert wird, wenn die Fin geranlagefläche mindestens eines Flügels in der Projekti on innerhalb des virtuellen Raumes mit der Oberfläche ei nes virtuellen Objektes zumindest teilweise überein stimmt.The technical problem outlined above is resolved according to An Proverb 19 also through a method of manipulating solved virtual objects in which a computer system with a tracker device for detecting the spatial Position of the haptic input and output device ver is used in which the user-specified spatial position of the haptic input and output direction determined by the tracker and on the Computer is transmitted in which the spatial position the haptic input and output device in the virtual Space in relation to the at least one virtual object is calculated, in which the relative position of the minimum two wings of the haptic input and output device determined and transferred to the computer on which the spatial position of the wings in virtual space Calculated with respect to the at least one virtual object and where the drive of the haptic on and off control device with the help of the computer is that the approach of the wings against each other counteracting force is increased when the fin system area of at least one wing in the project on within the virtual space with the surface nes virtual object at least partially Right.

Somit ist es beispielsweise für ein Simulieren des Grei fens eines virtuellen harten Objektes möglich, das mit Hilfe des Antriebes die Annäherung der Flügel ab einem durch die Abmessung des virtuellen Objektes vorgegebenen Abstand blockiert wird. Auch ein festeres Zugreifen und Zusammendrücken der Flügel führt nicht zu einer weiteren Annäherung derselben, so daß der Benutzer der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung die Wirkung erfährt, daß er das virtuelle Objekt tatsächlich gegriffen hat. Dazu wird in bevorzugter Weise bei einem von einem Computer erzeug ten virtuellen Objekt auf einer Darstellungsvorrichtung bspw. eine greifende Hand dargestellt, die durch die Be wegung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung gesteu ert wird.So it is for example for simulating the Grei fens a virtual hard object that with With the help of the drive the approach of the wings from one given by the dimension of the virtual object Distance is blocked. Also a firmer grip and Squeezing the wings does not lead to another Approximation of the same so that the user of the haptic Input and output device experiences the effect that it actually grabbed the virtual object. This will preferably in one generated by a computer th virtual object on a display device for example, a gripping hand represented by the Be control of the haptic input and output device is heard.

Darüber hinaus ist es für ein Simulieren des Greifens ei nes virtuellen elastischen Objektes möglich, mit Hilfe des Antriebes die der Annäherung der Flügel zueinander entgegenwirkenden Kraft ab einem durch die Abmessung des virtuellen Objektes vorgegebenen Abstand zunehmend zu vergrößern. In diesem Fall kann dem Benutzer der hapti schen Ein- und Ausgabevorrichtung der Eindruck vermittelt werden, daß er beispielsweise ein elastisch verformbares Objekt gegriffen hat. Denn die haptische Ein- und Ausga bevorrichtung blockiert nicht ab einem vorgegebenen Ab stand eine weitere Annäherung der Flügel, sondern sie er schwert zunehmend eine weitere Annäherung der Flügel, so wie es bei dem Greifen eines realen elastischen Körpers der Fall ist.In addition, it is for simulating gripping nes virtual elastic object possible with the help of the drive that the approach of the wings to each other counteracting force from one by the dimension of the virtual object increasingly predetermined distance enlarge. In this case, the hapti the input and output device gives the impression be that, for example, it is an elastically deformable Grabbed the object. Because the haptic input and output device does not block from a predetermined Ab stood another approach of the wings, but he he increasingly difficult to bring the wings closer together, so like gripping a real elastic body the case is.

In weiter bevorzugter Weise kann in der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung ein Drucksensor angeordnet sein, der die Größe der zusammendrückenden Kraft mißt. In Ab hängigkeit von diesen Meßwerten wird dann die der Annähe rung der Flügel zueinander entgegenwirkende Kraft einge stellt. Somit wird nicht nur aus den Abstandsinformatio nen der Flügel zueinander, sondern auch durch die Messung der ausgeübten Kraft eine Rückkopplung zwischen der rea len und virtuellen Welt realisiert.In a more preferred manner, the haptic input and output device a pressure sensor can be arranged, who measures the size of the compressive force. In Ab dependence on these measured values then becomes that of proximity force of the wings counteracting each other poses. Thus not only the distance information the wings to each other, but also by measuring the force exerted a feedback between the rea len and virtual world realized.

Für ein Simulieren des Berührens eines virtuellen Objek tes wird dagegen eine haptische Ein- und Ausgabevorrichtung verwendet, bei der ein Stempel relativ zu einer An lagefläche der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung und durch eine Aussparung hindurch bewegt wird. Für das Simu lieren des Berührens eines virtuellen Objektes wird der Stempel in eine Position verfahren, in der die Kontakt fläche des Stempels in Anlage mit einem an der Anlageflä che der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen anlie genden Teil, insbesondere Finger einer Hand des Benutzers gebracht wird. Dadurch, daß die Kontaktfläche des Stem pels bspw. die Fingerkuppe berührt, wird ein haptischer Reiz hervorgerufen, der dem Benutzer vermittelt, daß er mit diesem Finger eine Oberfläche berührt. Es wird also je nach Fingerstellung in der Projektion relativ zu vir tuellen Objekten im virtuellen Raum und somit je nach Stellung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung ein haptischer Reiz ein- bzw. ausgeschaltet, indem der Stem pel zwischen zwei Positionen hin- und hergefahren wird.For simulating touching a virtual object In contrast, it becomes a haptic input and output device used in which a stamp relative to an An surface of the haptic input and output device and is moved through a recess. For the Simu The touching of a virtual object becomes the Move the stamp to a position in which the contact area of the stamp in contact with one on the contact surface surface of the haptic input and output devices part, in particular fingers of a hand of the user brought. The fact that the contact surface of the stem touches the fingertip, for example, becomes a haptic Stimulus that conveys to the user that he touches a surface with this finger. So it will depending on the finger position in the projection relative to vir current objects in virtual space and thus depending on Position of the haptic input and output device haptic stimulus on or off by the stem pel is moved back and forth between two positions.

Sind mindestens zwei Stempel zum Hervorrufen eines hapti schen Reizes vorhanden, so kann die Trägheit des virtuel len Objektes dadurch simuliert werden, daß von den An trieben der verschiedenen Stempel unterschiedliche An drückkräfte der Kontaktflächen an die zugeordneten Teile, insbesondere an die verschiedenen Finger der Hand des Be nutzers erzeugt werden. Bewegt also der Benutzer die hap tische Ein- und Ausgabevorrichtung, während er damit ein virtuelles Objekt gegriffen hat, so drückt bspw. ein Stempel stärker gegen eine Fingerkuppe, während der ande re schwächer gegen die andere Fingerkuppe drückt. Somit kann bei einer Beschleunigung des virtuellen Objektes in Richtung der Bewegungsrichtung der Stempel senkrecht zur Anlagefläche die Trägheit des virtuellen Objektes durch unterschiedlich starkes Andrücken der Stempel an die Fin ger simuliert werden. Are at least two stamps to evoke a hapti stimuli, the inertia of the virtual len object can be simulated by the fact that the An the different stamps drove different drives pressing forces of the contact surfaces on the assigned parts, especially on the various fingers of the hand of the Be generated by the user. So the user moves the hap table input and output device while he is using it has gripped virtual object, for example Stamp stronger against one fingertip while the other re presses weaker against the other fingertip. Consequently can accelerate the virtual object in Direction of the direction of movement of the stamp perpendicular to Contact surface the inertia of the virtual object differently pressing the stamp on the fin be simulated.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für ein Simulieren der Trägheit eines mit Hilfe einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung mani pulierten virtuellen Objektes vom Antrieb der Kontaktflä che mindestens eines Stempels eine Bewegung der Kontakt fläche im wesentlichen parallel zur Ebene der Öffnung der Aussparung erzeugt. Somit bewegt sich die Kontaktfläche des Stempels seitlich zur Hautoberfläche und verformt bei ihrer Bewegung die Haut bspw. der Fingerkuppe. Diese Ver formung wird von den Rezeptoren in der Haut erkannt und je stärker die verformende Kraft an den Fingerkuppen ist, desto höher ist das so empfundene Gewicht des Objektes. In der Folge wird der Benutzer stärker zugreifen, um nicht das Gefühl des Abrutschens zu bekommen. Dieser Pro zeß läuft reflexartig ab und führt dazu, daß die Träg heit, insbesondere das Gewicht des virtuellen Objektes beim Greifen mit der haptischen Ein- und Ausgabevorrich tung simuliert wird.In a further embodiment of the invention The procedure is used to simulate the inertia of a Mani using a haptic input and output device pulsed virtual object from the drive of the contact surface che at least one stamp a movement of the contact area substantially parallel to the plane of the opening of the Recess created. The contact surface thus moves of the stamp to the side of the skin surface and deformed at the movement of the skin, for example the fingertip. This ver Formation is recognized by the receptors in the skin and the stronger the deforming force on the fingertips, the higher the perceived weight of the object. As a result, the user will have more access to not get the feeling of slipping. That pro zeß runs from reflex and leads to the fact that the wearer unit, especially the weight of the virtual object when gripping with the haptic input and output device tion is simulated.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügte Zeichnung bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigenIn the following the invention based on execution examples explained in more detail, with reference to the attached Drawing is referenced. Show in the drawing

Fig. 1-5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer hapti schen Ein- und Ausgabevorrichtung, Fig. 1-5, a first embodiment of a hapti rule input and output device,

Fig. 6 in einer perspektivischen Darstellung die Hand eines Benutzers mit der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung, Fig. 6 is a perspective view of a user's hand with the embodiment shown in FIGS. 1 to 5 haptic input and output device,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer Hand eines Benutzers mit zwei verschiedenen Versionen eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausgabe vorrichtung, Fig. 7 is a perspective view of a hand-held device a user with two different versions of a second embodiment of an input and output according to the invention,

Fig. 8-19 weitere Ausführungsbeispiele von erfin dungsgemäßen haptischen Ein- und Ausgabe vorrichtungen, Fig. 8-19 show further exemplary embodiments of to the invention OF INVENTION haptic input and output devices,

Fig. 20-23 verschiedene Ausführungsbeispiele von senkrecht zur Anlageflächen bewegbaren Kontaktelemen ten einer erfindungsgemäßen haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung, Fig. 20-23, various embodiments of the vertically movable bearing surfaces Kontaktelemen th a haptic input and output device according to the invention,

Fig. 24-30 schematische Darstellungen, die die Durch führung der verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung darstellen, und Figure 24-30 are schematic representations., Which represent the implementing the various methods of the invention for the application of a haptic input and output device, and

Fig. 31 und 32 erfindungsgemäße Computersysteme. FIGS. 31 and 32 computer systems according to the invention.

(Die Fig. 7, 8, 14 und 19 wurden nachträglich eingereicht.)( FIGS. 7, 8, 14 and 19 were submitted subsequently.)

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 für ein Manipulieren von mit Hilfe eines Computersystems erzeug ten virtuellen Objekten 20. Die Ein- und Ausgabevorrich tung 2 weist eine Basis 4 auf, die als in einer Handin nenfläche eines Benutzers anliegendes Gehäuse ausgebildet ist. Die näherungsweise eliptoidische Ausgestaltung des Gehäuses 4 dient dabei einer guten Anpassung an die Han dinnenfläche. Die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 weist zwei Flügel 6 und 8 auf, die mit der Basis 4 relativ zu einander bewegbar verbunden sind und weisen jeweils eine Fingeranlagefläche 10 und 12 auf. Diese sind insbesondere auch in Fig. 6 zu erkennen, in der perspektivisch die Handhabung der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 dargestellt ist. Figs. 1 to 3 show a first embodiment of a haptic input and output device 2 for manipulating erzeug with the aid of a computer system th virtual properties: 20. The input and output device 2 has a base 4 which is designed as a housing which rests in the palm of a hand of a user. The approximately elliptical design of the housing 4 serves a good adaptation to the inner surface. The input and output device 2 has two wings 6 and 8 , which are connected to the base 4 so as to be movable relative to one another and each have a finger contact surface 10 and 12 . These can also be seen in particular in FIG. 6, in which the handling of the input and output device 2 is shown in perspective.

Die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 weist weiterhin minde stens einen Antrieb 14 auf, wie in den Fig. 1 bis 3 mit gestrichelter Linie schematisch dargestellt ist. Der An trieb 14 ist mit den Flügeln 6 und 8 verbunden und steu ert deren relativen Abstand zueinander. Die Funktionswei se des Antriebes 14 kann in vielfältiger Weise ausgestal tet sein, wie in den Fig. 8 bis 19 dargestellt ist und im folgenden näher erläutert wird.The input and output device 2 also has at least one drive 14 , as shown schematically in FIGS . 1 to 3 with a broken line. At the drive 14 is connected to the wings 6 and 8 and control their relative distance from each other. The function of the drive 14 can be designed in a variety of ways, as shown in FIGS. 8 to 19 and explained in more detail below.

Weiterhin weist die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 eine elektrische Schnittstelle 16 für eine Datenübertragung zwischen der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 und einem Com putersystem auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrische Schnittstelle 16 als Kabelverbindung aus gebildet. Daneben sind auch elektrische Schnittstellen in Form einer Funkverbindung oder einer Infrarotverbindung möglich.Furthermore, the input and output device 2 has an electrical interface 16 for data transmission between the input and output device 2 and a computer system. In the present embodiment, the electrical interface 16 is formed as a cable connection. In addition, electrical interfaces in the form of a radio link or an infrared link are also possible.

Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, sind die Flügel 6 und 8 drehbar mit der Basis 4 verbunden, wozu diese um eine ge meinsame Drehachse 18 verschwenkbar angeordnet sind. So mit können die Flügel 6 und 8 aufeinander zu und vonein ander weg bewegt werden. Dieses ist ebenso möglich, wenn die Drehachsen 18a und 18b der Flügel 6 und 8 beabstandet zueinander an der Basis 4 angeordnet sind, wie bspw. Fig. 9 zeigt. Im letzten Fall entspricht die Bewegung der Flü gel 6 und 8 besser der Bewegung von Daumen und Zeigefin ger einer Hand.As shown in FIGS. 1 to 3 show, the wings 6 and 8 are rotatably connected to the base 4, to which they are arranged pivotable about an axis of rotation 18. Since they share. So with the wings 6 and 8 can be moved towards and away from each other. This is also possible if the axes of rotation 18 a and 18 b of the wings 6 and 8 are arranged at a distance from one another on the base 4 , as shown, for example, in FIG. 9. In the latter case, the movement of the wings 6 and 8 corresponds better to the movement of the thumb and pointer of one hand.

Die verschiedenen Drehwinkelpositionen der Flügel 6 und 8 sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Fig. 1 zeigt die Flügel 6 und 8 in einer voneinander entfernt angeordneten Position, wobei die Flügel 6 und 8 maximal voneinander getrennt sind, da diese an der als Gehäuse ausgebildeten Basis 4 anliegen. Fig. 2 zeigt die Flügel 6 und 8 in ei ner mittleren Stellung, wobei zusätzlich in gestrichelten Linien ein virtuelles Objekt 20 dargestellt ist, das von den beiden Flügeln 6 und 8 "gegriffen" worden ist. Fig. 3 zeigt dagegen die Flügel 6 und 8 mit minimalem Abstand zueinander, wobei die vorderen, in Fig. 3 linken Enden der Flügel 6 und 8 aneinander anliegen.The different rotational angle positions of the wings 6 and 8 are shown in FIGS. 1 to 3. Fig. 1 shows the wings 6 and 8 in a spaced-apart position, the wings 6 and 8 being separated from each other to a maximum, since they rest on the base 4 designed as a housing. Fig. 2 shows the wings 6 and 8 in egg ner middle position, with a virtual object 20 is also shown in dashed lines, which has been "gripped" by the two wings 6 and 8 . FIG. 3, on the other hand, shows the wings 6 and 8 at a minimal distance from one another, the front ends of the wings 6 and 8 in FIG. 3 resting against one another.

Für eine geeignete Handhabung der Ein- und Ausgabevor richtung 2 ist es erforderlich, daß die beiden Flügel 6 und 8 so vorgespannt sind, daß sie immer die Position, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, annehmen, sofern die Flügel 6 und 8 nicht durch einen Benutzer zusammenge drückt werden. Dadurch ist gewährleistet, daß die Flügel 6 und 8 stets der Bewegung der sie führenden Finger einer Hand des Benutzers folgen. Die Vorspannung kann entweder durch den Antrieb 14 gewährleistet werden, oder es ist ein separater Antrieb, bspw. eine Feder zum Vorspannen der Flügel 6 und 8 vorgesehen.For a suitable handling of the input and output device 2 , it is necessary that the two wings 6 and 8 are biased so that they always assume the position as shown in Fig. 1, unless the wings 6 and 8 be squeezed by a user. This ensures that the wings 6 and 8 always follow the movement of the fingers of a user's hand. The pretension can either be ensured by the drive 14 , or a separate drive, for example a spring for pretensioning the wings 6 and 8, is provided.

Der Antrieb 14 kann so vom Computersystem angesteuert werden, daß er eine der Annäherung der Flügel 6 und 8 zu einander entgegenwirkende Kraft erzeugt. Dieses wird bspw. dazu verwendet, ab einer bestimmten Annäherungspo sition der Flügel 6 und 8 zueinander diese gegenüber ei ner weiteren Annäherung zu blockieren. Somit kann der in Fig. 2 dargestellte Zustand eingenommen werden, in dem die Flügel 6 und 8 nicht weiter zusammengedrückt werden können und der Benutzer der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 den Eindruck erhält, daß das virtuelle Objekt 20 tatsächlich zwischen den Flügeln 6 und 8 angeordnet ist. In die ser Weise kann das virtuelle Objekt "gegriffen" werden.The drive 14 can be controlled by the computer system so that it generates a force counteracting the approach of the wings 6 and 8 to each other. This is used, for example, to block a certain approach position of the wings 6 and 8 to each other to block them against a further approach. Thus, the state shown in Fig. 2 can be taken, in which the wings 6 and 8 can not be further compressed, and the user of the input and output device 2 receives the impression that the virtual object 20 is arranged in fact between the wings 6 and 8 is. In this way, the virtual object can be "gripped".

Fig. 7 zeigt in schematischer Form zwei verschiedene Aus führungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausga bevorrichtung 2. Fig. 7a zeigt zwei Flügel 6 und 8, die entlang der unteren Kante, die die Basis 4 bildet, mit einander scharnierartig verbunden sind. Durch ein Zusam mendrücken des Daumens und des Zeigefingers der darge stellten Hand kann die Winkelposition zwischen den beiden Flügeln 6 und 8 verändert werden. Ähnlich kann dieses bei der in Fig. 7b dargestellten Ausführungsform geschehen. Hier ist zusätzlich eine verlängerte Basis 4 vorgesehen, die mit den weiteren Fingern, insbesondere dem Mittel-, Ring- und dem kleinen Finger gegriffen werden kann. Da durch erhöht sich die Stabilität der Ein- und Ausgabevor richtung 2 während der Benutzung. Fig. 7 shows in schematic form from two different exemplary embodiments of an input and Ausga invention before device 2. Fig. 7a shows two wings 6 and 8, which are hingedly connected along the lower edge, forming the base 4 with each other. By squeezing the thumb and the index finger of the hand shown Darge, the angular position between the two wings 6 and 8 can be changed. Similarly, this can be done in the embodiment shown in FIG. 7b. Here, an extended base 4 is additionally provided, which can be gripped with the other fingers, in particular the middle, ring and little fingers. Since the stability of the input and output device 2 increases during use.

Die Fig. 8a und 8b zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Flügel 6 und 8 von einem gemeinsamen Antrieb 14 bewegt werden. Der Antrieb 14 weist einen Motor 22 auf, der ein Zahnrad 24 antreibt, wie insbesondere Fig. 8a zeigt. Mit dem Zahnrad 24 stehen jeweils ein gezahntes Antriebselement 26a und b für jeweils einen der Flügel 6 und 8 in Eingriff. Durch eine Drehung des Zahnrades 24 werden die Antriebselemente 26a und b linear verstellt, so daß je nach Drehrichtung des Zahnrades 24 die beiden Flügel 6 und 8 sich aneinander annähern oder sich vonein ander wegbewegen. Wird weiterhin der Motor 22 so ange steuert, daß er in einer Richtung blockiert, können die Flügel 6 und 8 nicht näher aneinander angenähert werden, was dem zum vorbeschriebenen Greifendes virtuellen Ob jektes entspricht. Figs. 8a and 8b show an embodiment in which the leaves are moved by a common drive 14 6 and 8. The drive 14 has a motor 22 which drives a gearwheel 24 , as shown in particular in FIG. 8a. With the gear 24 are a toothed drive element 26 a and b for each of the wings 6 and 8 in engagement. By rotating the gear 24 , the drive elements 26 a and b are linearly adjusted so that, depending on the direction of rotation of the gear 24, the two wings 6 and 8 approach each other or move away from each other. Furthermore, the motor 22 is controlled so that it blocks in one direction, the wings 6 and 8 can not be closer to each other, which corresponds to the gripping of the virtual object described above.

Die Fig. 9a und 9b zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel eines Antriebes 14, der aus einer Einheit aus einem Kolben 28 und einem Zylinder 30 besteht. Der Kolben 28 ist über eine Drehachse 32a mit dem Flügel 6 und der Zy linder 30 über eine Drehachse 32b mit dem Flügel 8 ver bunden. Durch geeignetes Ansteuern der Kolben- Zylindereinheit 28 und 30 erfolgt eine Steuerung des Drehwinkels der Flügel 6 und 8 zueinander. Figs. 9a and 9b show another Ausführungsbei play a drive 14, which consists of a unit consisting of a piston 28 and a cylinder 30. The piston 28 is connected via an axis of rotation 32 a with the wing 6 and the cylinder 30 via an axis of rotation 32 b with the wing 8 a related party. The angle of rotation of the vanes 6 and 8 relative to one another is controlled by suitably controlling the piston-cylinder unit 28 and 30 .

Die Fig. 10a und 10b zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel eines Antriebes 14, der zwei Einheiten bestehend aus jeweils einem Kolben 28' und 28" sowie jeweils einem Zylinder 30' und 30" bestehen. Die Zylinder 30' und 30" sind jeweils über Drehachsen 32"b und 32'a mit der Basis 4 drehbar verbunden, während die Kolben 28' und 28" über Drehachsen 32"a und 32'b mit den Flügeln 6 und 8 verbun den sind. Durch getrennte Ansteuerung der Kolben- Zylinder-Einheiten 28', 30' sowie 28", 30" können die beiden Flügel 6 und 8 separat in ihrem Drehwinkel gesteu ert werden. Figs. 10a and 10b show a further Ausführungsbei play a drive 14, of the two units each consisting of a piston 28 'and 28 "and in each case a cylinder 30' and 30" are made. The cylinders 30 'and 30 "are each rotatably connected to the base 4 via axes of rotation 32 " b and 32'a, while the pistons 28 ' and 28 "are connected to the wings 6 and 8 by means of axes of rotation 32 " a and 32'b are. By separately controlling the piston-cylinder units 28 ', 30 ' and 28 ", 30 ", the two wings 6 and 8 can be controlled separately in their angle of rotation.

Die Fig. 11a und 11b zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel eines Antriebes 14, der eine Einheit aus einem Kol ben 28 und einem Zylinder 30 aufweist. Der Zylinder 30 ist mit der Basis 4 verbunden, während der Kolben 28 an seinem vorderen Ende über eine Drehachse 34 mit zwei Streben 36a und 36b verbunden ist, die wiederum über Drehachsen 32a und 32b mit den Flügeln 6 und 8 verbunden sind. Durch eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 28 wer den die Streben 36a und 36b verstellt, so daß die Flügel 6 und 8 aufeinander zu oder voneinander wegbewegt werden. Figs. 11a and 11b show a further Ausführungsbei play a drive 14, the ben a unit of a Col 28 and comprises a cylinder 30. The cylinder 30 is connected to the base 4 , while the piston 28 is connected at its front end via an axis of rotation 34 to two struts 36 a and 36 b, which in turn are connected to the wings 6 and 8 via axes of rotation 32 a and 32 b . By a reciprocating movement of the piston 28 who the struts 36 a and 36 b adjusted so that the wings 6 and 8 are moved towards or away from each other.

Die Fig. 12a und 12b zeigen eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 mit einem Antrieb 14 auf. Die beiden Flügel 6 und 8 sind li near aufeinander zu bewegbar und der Antrieb 14 weist zwei Einheiten aus jeweils einem Kolben 28a, 28b und Zy linder 30a und 30b auf, wie Fig. 12 zeigt. Durch eine Ak tivierung und Deaktivierung der Kolben-Zylinder-Einheiten 28a, 30a und 28b, 30b kann der Abstand zwischen den Flü geln 6 und 8 eingestellt werden. Die Funktionsweise ist auch in der perspektivischen Darstellung in Fig. 12b dar gestellt. Dabei ist mit gepunkteter Linie eine erweiterte Basis 4 dargestellt, die in der Handfläche der greifenden Hand anliegt und von Fingern der Hand gegriffen und fest gehalten werden kann. Diese erweiterte Basis 4 dient so mit einer größeren Stabilität bei der Verwendung der hap tischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2. Figs. 12a and 12b show a further embodiment of an input and output device 2 according to the invention with a drive 14. The two wings 6 and 8 can be moved closer to one another and the drive 14 has two units each having a piston 28 a, 28 b and cylinder 30 a and 30 b, as shown in FIG. 12. By activating and deactivating the piston-cylinder units 28 a, 30 a and 28 b, 30 b, the distance between the wings 6 and 8 can be adjusted. The mode of operation is also shown in the perspective view in FIG. 12b. An expanded base 4 is shown with a dotted line, which lies in the palm of the gripping hand and can be gripped and held firmly by fingers of the hand. This expanded base 4 thus serves with greater stability when using the haptic input and output device 2 .

Die Fig. 13a, b und c zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausgabevorrichtung 2, bei der die beiden Flügel 6 und 8 mit kreissegmentar tigen Zahnrädern 38a und 38b verbunden sind. Die Zahnrä der 38a und 38b stehen mit einer Zahnstange 40 in Ein griff, die von einem Motor 22 über ein Zahnrad 24 zu ei ner linearen Bewegung angetrieben wird. Siehe dazu Fig. 13a. Durch ein Hin- und Herverstellen der Zahnstange 40 werden die Zahnräder 38a und 38b verdreht, wodurch die Flügel 6 und 8 in ihrem Drehwinkel zueinander um die Drehachsen 18a und 18b verstellt werden. In Fig. 13b ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem derselbe Me chanismus für den Antrieb lediglich eines Flügels verwen det wird. Dabei ist dem Zahnrad 38a ein kleines Zahnrad 42 über eine Verbindungsstange 44 zugeordnet, um einen Eingriff der Zahnstange 40 mit dem Zahnrad 38a zu gewähr leisten. Fig. 13c zeigt in einer weiteren perspektivi schen Darstellung das zuvor beschriebene Ausführungsbei spiel der Ein- und Ausgabevorrichtung 2. Auch hier ist eine erweiterte Basis 4 vorgesehen, mit der die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 zuverlässig gehalten werden kann.The Fig. 13a, b and c show a further Ausführungsbei play of an input and output device according to the invention 2, in which the two wings are connected w 38 6 and 8 with kreissegmentar term gears 38 a and. The Zahnrä the 38 a and 38 b are with a rack 40 in a handle, which is driven by a motor 22 via a gear 24 to egg ner linear movement. See Fig. 13a. By moving the rack 40 back and forth, the gears 38 a and 38 b are rotated, as a result of which the wings 6 and 8 are adjusted in their rotational angle to one another about the axes of rotation 18 a and 18 b. In Fig. 13b, an embodiment is shown in which the same mechanism for driving only one wing is used. Here, the gear 38 a is assigned a small gear 42 via a connecting rod 44 in order to ensure engagement of the rack 40 with the gear 38 a. Fig. 13c shows another perspektivi rule representation, the above-described game Ausführungsbei the input and output device 2. An expanded base 4 is also provided here, with which the input and output device 2 can be held reliably.

Die Fig. 14a und b zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel eines Antriebes 14, der zum Blockieren der Bewegung der Flügel 6 und 8 aufeinander zu dient. Dazu sind wie beim vorangegangen beschriebenen Ausführungsbeispiel teilkreisförmige Zahnräder 38a und 38b mit den Flügeln 6 und 8 verbunden. Beide Zahnräder 38a und 38b stehen käm mend im Eingriff miteinander, so daß ihre Relativbewegung aufeinander abgestimmt ist. Der Antrieb 14 treibt eine Blockierstange 46 an, die zum Blockieren einer weiteren Bewegung der Flügel 6 und 8 aufeinander zu in den Spalt 48, der zwischen den Zahnrädern 38a und 38b ausgebildet ist, eingeschoben wird. Das vordere Ende blockiert dann eine weitere Drehung der Zahnräder 38a und 38b gegenein ander wie Fig. 14a zeigt. In Fig. 14b ist eine Blockie rung lediglich eines Zahnrades 38a mit Hilfe der Bloc kierstange 46 dargestellt. Auch hier ist ein kleines Zahnrad 42 mit Hilfe einer Verbindungsstange 46 mit dem Flügel 6 verbunden, wobei das kleine Zahnrad 42 als Wie derlager für die Blockierstange 46 dient. Figs. 14a and b show another Ausführungsbei play of a drive 14 which is used to 6 and 8 to each other for blocking the movement of the wings. For this purpose, part-circular gear wheels 38 a and 38 b are connected to the wings 6 and 8 , as in the exemplary embodiment described above. Both gears 38 a and 38 b are meshing with each other so that their relative movement is coordinated. The drive 14 drives a blocking rod 46 which is inserted to block a further movement of the wings 6 and 8 towards one another into the gap 48 , which is formed between the gears 38 a and 38 b. The front end then blocks a further rotation of the gears 38 a and 38 b against each other as shown in Fig. 14a. In Fig. 14b a Blockie tion only a gear 38 a is shown with the help of the blocking rod 46 . Here too, a small gear 42 is connected to the wing 6 by means of a connecting rod 46 , the small gear 42 serving as a bearing for the blocking rod 46 .

Die Fig. 15a und b zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel eines Antriebes 14. Der Flügel 6, der um die Dreh achse 18a verschwenkbar ist, mit einem teilkreisförmigen Zahnrad 38a verbunden ist. Der Antrieb 14 weist einen Mo tor 22 auf, der ein Zahnrad 24 antreibt. Der Motor 22 ist über eine Drehachse 50 mit der Basis 4 verbunden, wobei ein Linearantrieb 52 mit einer Verbindungsstange 54 über eine Drehachse 56 mit dem Motor 22 verbunden ist. Durch ein lineares Verstellen der Verbindungsstange 54 gelangt das Zahnrad 24 mit dem Zahnrad 38a in Eingriff, so daß eine Drehbewegung des Flügels 6 um die Drehachse 18a angetrieben werden kann. Dieser Antrieb 14 läßt sich somit in einfacher Weise ein- und ausschalten. Figs. 15a and b show another Ausführungsbei play of a drive 14. The wing 6 , which is pivotable about the axis of rotation 18 a, is connected to a partially circular gear 38 a. The drive 14 has a motor 22 which drives a gear 24 . The motor 22 is connected to the base 4 via an axis of rotation 50 , a linear drive 52 having a connecting rod 54 being connected to the motor 22 via an axis of rotation 56 . By a linear adjustment of the connecting rod 54 , the gear 24 engages with the gear 38 a, so that a rotary movement of the wing 6 can be driven about the axis of rotation 18 a. This drive 14 can thus be switched on and off in a simple manner.

Die Fig. 16a und b zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel eines Antriebes 14, der das gleiche Prinzip verwen det, wie es zuvor anhand des in Fig. 8 dargestellten Aus führungsbeispieles beschrieben worden ist. Ein Motor 22 treibt ein Zahnrad 24 an, das mit einem eine Zahnung auf weisenden Antriebselement 26 in Eingriff steht. An einem Ende des Antriebselementes 26 ist der Flügel 6 befestigt. Das Antriebselement 26 weist eine Krümmung auf, so daß beim Verstellen des Antriebselementes 26 der Flügel 6 ei ne Schwenkbewegung vollzieht, wobei der Mittelpunkt der kreisförmigen Schwenkbewegung außerhalb der Basis 4 ange ordnet ist. Das Antriebselement 26 wird mittels einer Führungsschiene 58 geführt, so daß das Antriebselement 26 eine definierte Bewegungsbahn durchläuft. Zusätzlich ist ein Lauflager 60 vorgesehen, durch das das Antriebsele ment 26 leicht verstellbar geführt ist. Figs. 16a and b show another Ausführungsbei play a drive 14, the det USAGE the same principle as illustrated with reference to the From 8 execution example has been described previously in Fig.. A motor 22 drives a gearwheel 24 which is in engagement with a drive element 26 which has teeth. The wing 6 is attached to one end of the drive element 26 . The drive element 26 has a curvature, so that when adjusting the drive element 26 of the wing 6 ei ne pivotal movement takes place, the center of the circular pivotal movement outside the base 4 is arranged. The drive element 26 is guided by means of a guide rail 58 , so that the drive element 26 runs through a defined movement path. In addition, a bearing 60 is provided through which the Antriebssele element 26 is easily adjustable.

Die Fig. 17a und b zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausgabevorrichtung 2, bei der die in Fig. 16 dargestellten Antriebsmechanismen inte griert sind. Bei der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 han delt es sich um eine auf einer Fläche 62 zweidimensional bewegbaren Ein- und Ausgabevorrichtung, wie sie im Prin zip als herkömmliche Computer-Maus bekannt ist. Die Ta sten der Computer-Maus sind vorliegend als Flügel 6 und 8 ausgebildet, die seitlich verschwenkt werden können, wie es zuvor anhand von Fig. 16 beschrieben worden ist. Figs. 17a and b show an embodiment of an input and output device 2 according to the invention, in which the drive mechanisms 16 are shown inte grated in Fig.. In the input and output device 2 han delt it is a two-dimensionally on a surface 62 of the movable input and output device, such as zip in Prin Mouse computer is known as conventional. The keys of the computer mouse are in the present case formed as wings 6 and 8 , which can be pivoted laterally, as has been described above with reference to FIG. 16.

Die Fig. 18a und b zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2, bei der die Flügel 6 und 8 entlang von mit der Basis 4 verbundenen Schienen 64a und 64b verfahrbar angeordnet sind. Dazu sind Schlitten 66a und 66b vorgesehen, an denen die Flügel 6 und 8 einerseits und Motoren 68a und 68b ande rerseits befestigt sind. Die Schlitten 66a und 66b stehen mit den Schienen 64a und 64b verschiebbar in Eingriff. Mit den Motoren 68a und 68b sind Zahnräder 70a und 70b verbunden, die mit einer an der Schiene 64b ausgebildeten Zahnung in Eingriff stehen. Durch eine entsprechende An steuerung der Motoren 68a und 68b werden die Zahnräder 70a und 70b angetrieben, so daß die Flügel 6 und 8 unab hängig voneinander entlang der Schienen 64a und 64b ver schoben werden. Schließlich sind Führungsstifte 67a und 67b vorgesehen, die die Schlitten 64a und 64b in Eingriff mit der Führungsschiene 64a und 64b halten. Figs. 18a and b show another Ausführungsbei playing a haptic input and output device 2, in which the wings 6 and 8 are connected to the base along four rails 64 a and 64 b arranged movable. For this purpose, slides 66 a and 66 b are provided, on which the wings 6 and 8 on the one hand and motors 68 a and 68 b on the other hand are attached. The slides 66 a and 66 b are slidably engaged with the rails 64 a and 64 b. With the motors 68 a and 68 b gears 70 a and 70 b are connected, which are in engagement with a toothing formed on the rail 64 b. By a corresponding control of the motors 68 a and 68 b, the gears 70 a and 70 b are driven so that the wings 6 and 8 independently of one another along the rails 64 a and 64 b are pushed ver. Finally, guide pins 67 a and 67 b are provided which hold the carriage 64 a and 64 b in engagement with the guide rail 64 a and 64 b.

In den Fig. 19a und b ist ein weiteres Ausführungsbei spiel einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 dar gestellt. Die Flügel 6 und 8 sind um die gemeinsame Dreh achse 18 drehbar miteinander verbunden. Gleitkörper 72a und 72b sind vorgesehen, zwischen denen eine elektroreo logische Flüssigkeit 74 angeordnet ist, die mittels Dich tungen 76a und 76b zwischen Gleitkörpern 72a und 72b ein geschlossen ist. Weiterhin sind zwei Federelemente 78a und 78b vorgesehen, die die beiden Flügel 6 und 8 in Richtung einer Entfernung voneinander vorspannen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die elektroreolo gische Flüssigkeit 74 wird deren Viskosität entsprechend der angelegten Spannung erhöht und es werden somit ver schiedene Reibungswiderstände zwischen den Gleitkörpern 72a und 72b hervorgerufen. Die unterschiedlichen Rei bungswiderstände vermitteln dem Benutzer verschiedene Kräfte, die aufgewendet werden müssen, um die Flügel 6 und 8 aufeinander zuzubewegen. Dabei kann die Viskosität der Flüssigkeit 74 derart erhöht werden, daß die Flügel 6 und 8 gegeneinander blockiert sind. Der Antrieb bei der in Fig. 19 dargestellten haptischen Ein- und Ausgabevor richtung 2 besteht also aus einer Kombination der Federe lemente 78a und 78b und dem Zusammenwirken der Gleitkör per 72a und 72 über die elektroreologische Flüssigkeit 74.In FIGS. 19a and b is another Ausführungsbei playing a haptic input and output device 2 is provided. The wings 6 and 8 are rotatably connected to each other about the common axis of rotation 18 . Sliding bodies 72 a and 72 b are provided, between which an electroreo logical liquid 74 is arranged, the lines 76 a and 76 b between sliding bodies 72 a and 72 b is closed by means of you. Furthermore, two spring elements 78 a and 78 b are provided, which bias the two wings 6 and 8 in the direction of a distance from one another. By applying an electrical voltage to the electroreolo gical liquid 74 , its viscosity is increased in accordance with the applied voltage and thus different frictional resistances are caused between the sliding bodies 72 a and 72 b. The different friction resistances give the user different forces that must be applied to move the wings 6 and 8 towards each other. The viscosity of the liquid 74 can be increased such that the wings 6 and 8 are blocked against each other. The drive in the haptic input and output device 2 shown in FIG. 19 thus consists of a combination of the spring elements 78 a and 78 b and the interaction of the sliding bodies by 72 a and 72 via the electroreological liquid 74 .

Bei sämtlichen zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen von haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 können die Antriebe so gesteuert werden, daß unabhängig von der Po sition der Flügel 6 und 8 eine Kraft erzeugt wird, die die Flügel 6 und 8 voneinander wegbewegt. Somit ist wäh rend der Benutzung gewährleistet, daß die Flügel 6 und 8 ständig an den Fingern des Benutzers anliegen, ohne daß die Finger mit den Flügeln 6 und 8 verbunden werden müs sen. Dadurch wird eine einfache und bequeme Handhabung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 gewährlei stet.In all the previously illustrated embodiments of haptic input and output devices 2 , the drives can be controlled so that regardless of the position of the wings 6 and 8, a force is generated which moves the wings 6 and 8 away from each other. It is thus ensured during use that the wings 6 and 8 are constantly in contact with the fingers of the user without the fingers having to be connected to the wings 6 and 8 . A simple and convenient handling of the haptic input and output devices 2 is thus guaranteed.

Weiterhin kann ein Drucksensor zwischen den Flügeln 6 und 8 angeordnet sein. Dieses ist in der Zeichnung nicht dar gestellt. Der Drucksensor dient dazu, den von den Fingern ausgeübten Druck auf die Flügel 6 und 8 zu bestimmen, wo durch bei der Simulation einer virtuellen Welt auch druckabhängige Tätigkeiten durchgeführt werden können. Beispielsweise sei angeführt, daß es zur Betätigung eines Schalters nicht ausreicht, diesen zu berühren, sondern das in jedem Fall ein bestimmter Druck ausgeübt werden muß, um eine andere Schaltposition zu bewirken. Zur Betä tigung eines virtuellen Lichtschalters ist es daher not wendig, die auf den virtuellen Schalter ausgeübte Kraft, die vom Drucksensor in der haptischen Ein- und Ausgabe vorrichtung 2 dedektiert wird, auf das Computersystem zu übertragen. Da es eine Vielzahl von Tätigkeiten gibt, bei denen die Position des Fingers im Raum sich nur dann ver ändert, wenn ein bestimmter Druck überschritten wird, ist diese Art einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 für die Simulation derartiger Vorgänge vorteilhaft.Furthermore, a pressure sensor can be arranged between the wings 6 and 8 . This is not shown in the drawing. The pressure sensor serves to determine the pressure exerted by the fingers on the wings 6 and 8 , where pressure-dependent activities can also be carried out when simulating a virtual world. For example, it should be mentioned that to actuate a switch it is not sufficient to touch it, but that in any case a certain pressure must be exerted in order to bring about a different switching position. To actuate a virtual light switch, it is therefore necessary to transmit the force exerted on the virtual switch, which is detected by the pressure sensor in the haptic input and output device 2 , to the computer system. Since there are a multitude of activities in which the position of the finger in the room changes only when a certain pressure is exceeded, this type of haptic input and output device 2 is advantageous for the simulation of such processes.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein weiterer Aspekt der vorlie genden Erfindung dargestellt. Die haptische Ein- und Aus gabevorrichtungen 2 weist - wie oben beschrieben - die Anlageflächen 10 und 12 auf, die für ein Anliegen eines Fingers einer Hand eines Benutzers dienen. In den Anlage flächen 10 und 12 sind Aussparungen 80 und 82 ausgebil det. Weiterhin sind Stempel 84 und 86 vorgesehen, die re lativ zur Anlagefläche 10 und 12 bewegbar unterhalb der Aussparungen 80 und 82 angeordnet sind. Weiterhin weisen die Stempel 84 und 86 Kontaktflächen 88 und 90 auf, die je nach Position der Stempel 84 und 86 die Haut des an der Anlagefläche 10 und 12 anliegenden Fingers berühren. Dazu sind die Stempel 84 und 86 zwischen einer ersten, von der Anlagefläche 10 und 12 abgewandten Position, sie he Fig. 1, in eine zweite Position bewegbar, siehe Fig. 2, in der die Kontaktflächen 88 und 90 zumindest teilwei se in den Aussparungen 80 und 82 angeordnet sind. Das be deutet, daß ein Benutzer in der in Fig. 1 dargestellten Position keinen haptischen Reiz durch einen der Stempel 84 und 86 erfährt, während in der in Fig. 2 dargestellten Position die Kontaktflächen 88 und 90 einen haptischen Reiz auf den Finger, insbesondere die Fingerkuppe des je weils an den Anlageflächen 10 und 12 anliegenden Fingers ausüben.In Figs. 1 to 3, a further aspect of the present invention is shown. The haptic input and output devices 2 has - as described above - the contact surfaces 10 and 12 , which serve for a finger of a user's hand. In the system areas 10 and 12 recesses 80 and 82 are ausgebil det. Furthermore, stamps 84 and 86 are provided, which are arranged to be movable relative to the contact surface 10 and 12 below the cutouts 80 and 82 . Furthermore, the punches 84 and 86 have contact surfaces 88 and 90 which, depending on the position of the punches 84 and 86, touch the skin of the finger resting on the contact surface 10 and 12 . For this purpose the stamp 84 and 86 position remote from between a first of the abutment surface 10 and 12, they he Fig. 1, movable to a second position, see Fig. 2, in which the contact surfaces 88 and 90 at least teilwei se in the recesses 80 and 82 are arranged. This means that a user in the position shown in FIG. 1 experiences no haptic stimulus by one of the stamps 84 and 86 , while in the position shown in FIG. 2 the contact surfaces 88 and 90 have a haptic stimulus on the finger, in particular the Exercise the fingertip of each finger on the contact surfaces 10 and 12 .

In den Fig. 4 und 5 sind zwei verschiedene Antriebsformen für ein Verstellen der Stempel 84 und 86 im wesentlichen senkrecht zu den Anlageflächen 10 und 12 dargestellt. In Fig. 4 ist die Anlagefläche 10 über den Flügel 6 mit einem Antrieb 92 für den Stempel 84 verbunden. Der Antrieb 92 kann den Stempel 84 linear verstellen, wodurch dieser senkrecht zur Anlagefläche 10 bewegt wird. Dieses ist mit dem Doppelpfeil in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 5 ist da gegen die Anlagefläche 10 über eine Drehachse 94 mit dem Flügel 6 und dem daran befestigten Stempel 84 verbunden. Zwischen dem Flügel 6 und der Anlagefläche 10 ist ein Fe derelement 96 vorgesehen, daß eine Relativbewegung der Anlagefläche 10 gegenüber dem Stempel 84 ermöglicht. Bei feststehendem Flügel 6 wird durch eine auf die Anlageflä che 10 ausgeübte Kraft diese in Richtung des Stempels 84 verschwenkt, so daß die Kontaktfläche 88 durch die Aus sparung 80 zumindest teilweise hindurch treten kann. Da durch wird der oben beschriebene haptische Reiz auf den in der Aussparung angeordneten Finger des Benutzers aus geübt.In Figs. 4 and 5 show two different forms of drive for a displacement of the punches 84 and 86 are shown substantially perpendicular to the bearing surfaces 10 and 12. In Fig. 4, the contact surface 10 is connected via the wing 6 with a drive 92 for the punch 84 . The drive 92 can linearly adjust the punch 84 , as a result of which it is moved perpendicular to the contact surface 10 . This is shown with the double arrow in Fig. 4. In FIG. 5 there is connected to the wing 6 and the punch 84 attached to it against the contact surface 10 via an axis of rotation 94 . Between the wing 6 and the contact surface 10 , a Fe derelement 96 is provided that allows a relative movement of the contact surface 10 relative to the punch 84 . When the wing 6 is stationary, force exerted on the contact surface 10 pivots it in the direction of the stamp 84 so that the contact surface 88 can at least partially pass through the cutout 80 . Since the haptic stimulus described above is exercised on the fingers of the user arranged in the recess.

In den Fig. 12 und 18 ist eine weitere Ausgestaltung der Anordnung aus Stempel 84 und 86 und Anlagefläche 10 und 12 dargestellt. Bei diesen Ausführungsbeispielen sind die Stempel 94 und 86 fest mit den Flügeln 6 und 8 verbunden. Über die Federelemente 96 sind die Anlageflächen 10 und 12 unter elastischer Vorspannung mit den Flügeln 6 und 8 verbunden. Durch ein Zusammendrücken der Anlageflächen 10 und 12, wie es in Fig. 12b dargestellt ist, werden durch eine Kraftausübung durch die Finger die Anlageflächen 10 und 12 relativ zueinander bewegt. Dabei reicht die Fe derkraft der Federelemente 96 aus, um eine Annäherung der Stempel 84 und 86 zueinander zu erlauben, sofern der An trieb 14 nur eine geringe Kraft ausübt. Erhöht sich diese Kraft, so werden die Flügel 6 und 8 abgebremst und die Anlageflächen 10 und 12 nähern sich soweit an die Flügel 6 und 8 an, bis die anliegenden Finger mit den Kontaktflächen 88 und 90 der Stempel 84 und 86 in Berührung kom men und somit ein haptischer Reiz ausgeübt wird. FIGS. 12 and 18 show a further embodiment of the arrangement of stamps 84 and 86 and contact surface 10 and 12 . In these exemplary embodiments, the punches 94 and 86 are firmly connected to the wings 6 and 8 . The contact surfaces 10 and 12 are connected to the wings 6 and 8 under elastic prestress via the spring elements 96 . By compressing the contact surfaces 10 and 12 , as shown in FIG. 12b, the contact surfaces 10 and 12 are moved relative to one another by exerting a force on the fingers. The Fe derkraft the spring elements 96 is sufficient to allow the stamp 84 and 86 to approach each other, provided that the drive 14 exerts only a small force. Increases this force, the wings 6 and 8 are braked and the contact surfaces 10 and 12 come closer to the wings 6 and 8 until the adjacent fingers come into contact with the contact surfaces 88 and 90 of the stamp 84 and 86 and thus a haptic stimulus is exerted.

Die zuvor beschriebene Bewegbarkeit der Stempel relativ zu den Anlageflächen ist allgemein anwendbar. Zum einen können die Aussparungen an den Anlageflächen im Bereich der Fingerkuppen einer Benutzerhand angeordnet sein. Da die Fingerkuppen für den Tastsinn besondere Eigenschaften aufweisen, ist dieser Ort für die Anordnung der Stempel sehr gut geeignet. Jedoch können bspw. Stempel- Aussparungsanordnungen auch im Bereich einer Basis ausge bildet sein, die mit ihrer Oberfläche zumindest teilweise an der Handinnenfläche anliegt. Durch ein Einwirken der Stempel auf die Haut der Handinnenfläche können zusätzli che haptische Reize auf die Hand ausgeübt werden, die insbesondere für ein Simulieren eines festen Zugreifens eines Objektes geeignet sind. Daneben ist es auch mög lich, die Stempel so anzuordnen, daß die Fingerspitzen von mehreren Seiten mit haptischen Reizen beaufschlagt werden, so daß die Fingerspitzen seitlich und von vorne mit unterschiedlichen haptischen Reizen beaufschlagt wer den können.The previously described movability of the stamp relative to the contact surfaces is generally applicable. On the one hand can the recesses on the contact surfaces in the area the fingertips of a user's hand. There the fingertips have special properties for the sense of touch have, this place is for the arrangement of the stamp very suitable. However, for example, stamp Cut-out arrangements also in the area of a base forms, with its surface at least partially lies against the palm of your hand. By the action of Stamps on the skin of the palm of the hand can add tactile stimuli are exerted on the hand that especially for simulating firm access of an object are suitable. It is also possible Lich to arrange the stamp so that the fingertips haptic stimuli applied from several sides be so that the fingertips sideways and from the front with different haptic stimuli that can.

In den Fig. 20 bis 23 sind Ausgestaltungen der Kontakt fläche 88 und 90 der Stempel 84 und 86 dargestellt. Die sen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß die Kontaktflä che 88 und 90 im wesentlichen parallel zur Ebene der Öff nung der Aussparung 80 und 82 bewegbar ausgebildet ist. Durch diese Bewegung wird auf die an der Kontaktfläche 88 und 90 anliegende Haut des Benutzers eine scherende Kraft ausgeübt, wodurch neben dem reinen haptischen Reiz des Kontaktierens eine Bewegung der berührten Oberfläche ei nes virtuellen Objektes relativ zum Finger des Benutzers simuliert werden kann. Bevor diese Wirkungsweise im Detail beschrieben wird, werden zunächst die Ausführungs formen der verschiedenen Kontaktflächen 88 und 90 be schrieben.In Figs. 20 to 23 are embodiments of the contact surface 88 and 90, the punch 84 shown 86th The sen embodiments have in common that the contact surface 88 and 90 is designed to be movable essentially parallel to the plane of the opening of the recess 80 and 82 . This movement exerts a shearing force on the skin of the user lying on the contact surface 88 and 90 , whereby, in addition to the pure haptic stimulus of contacting, a movement of the touched surface of a virtual object relative to the finger of the user can be simulated. Before this mode of operation is described in detail, the execution forms of the various contact surfaces 88 and 90 will first be described.

In Fig. 20 ist die Kontaktfläche 88 in Form einer Walze 98 ausgebildet, die von einem Antriebsrad 100 zu einer Drehbewegung angetrieben wird. Dazu ist ein Antrieb 102 vorgesehen. Liegt ein Finger an der Kontaktfläche 88, al so der Oberfläche der Walze 98 an und wird die Walze 98 zu einer Drehbewegung angetrieben, so wird die Haut des anliegenden Fingers in einer Richtung geschert.In Fig. 20, the contact surface is in the form of a roller 98 88, which is driven by a drive wheel 100 to a rotational movement. A drive 102 is provided for this. If a finger rests on the contact surface 88 , al so the surface of the roller 98 and the roller 98 is driven to rotate, the skin of the adjacent finger is sheared in one direction.

In den Fig. 21a und b ist eine weitere Ausführungsform einer bewegbaren Kontaktfläche 88 dargestellt. Ein Kon taktelement 104 bildet die Kontaktfläche 88. Über einen Stift 106 steht das Kontaktelement 104 mit zwei linear verstellbaren Führungsschlitten 108a und 108b in Ein griff. Diese sind unabhängig voneinander über Linearan triebe 110a und 110b linear verstellbar, wobei einerseits Führungsschienen 112a und 112b und andererseits von den Linearantrieben 110a und 110b angetriebene Gewindespindel 114a und 114b vorgesehen sind. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Antriebe 110a und 110b können die Füh rungsschlitten 108a und 108b unabhängig voneinander ver stellt werden, wie mit den Doppelpfeilen in Fig. 21b dar gestellt ist. Entsprechend der Bewegungen der Führungs schlitten 108a und 108b ergibt sich eine Bewegung des Kontaktelementes 104 relativ zu der nicht dargestellten Aussparung 80 bzw. 82 eines der zuvor beschriebenen hap tischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2.A further embodiment of a movable contact surface 88 is shown in FIGS. 21a and b. A contact element 104 forms the contact surface 88 . About a pin 106 , the contact element 104 with two linearly adjustable guide slides 108 a and 108 b in one handle. These are independent of each other via linear drives 110 a and 110 b linearly adjustable, on the one hand guide rails 112 a and 112 b and on the other hand by the linear drives 110 a and 110 b driven threaded spindle 114 a and 114 b are provided. By a corresponding control of the drives 110 a and 110 b, the guide carriages 108 a and 108 b can be adjusted independently of one another, as shown by the double arrows in FIG. 21 b. According to the movements of the guide carriage 108 a and 108 b results in a movement of the contact element 104 relative to the not shown recess 80 or 82 of one of the previously described haptic input and output devices 2nd

In den Fig. 22a und b ist ein weiteres Ausführungsbei spiel einer bewegbaren Kontaktfläche 88 dargestellt. Ein teilweise kugelförmiges Kontaktelement 116 bildet die Kontaktfläche 88. Das Kontaktelement 116 ist mit Hilfe eines Kugelgelenkes 118 drehbar gelagert. Zwei Linearan triebe 120a und 120b sind über Verbindungsstangen 122a und 122b mittels Drehgelenken 124a und 124b mit dem Kon taktelement 116 verbunden. Durch ein unabhängiges Ver stellen der Verbindungsstangen 122a und 122b mit Hilfe der Linearantriebe 120a und 120b wird das Kontaktelement 116 in zwei Richtungen um das Kugelgelenk 118 verdreht. Dadurch treten bei einem anliegendem Finger Scherkräfte in zwei verschiedenen Richtungen auf, wodurch der oben beschriebene zusätzliche haptische Reiz einer Relativbe wegung eines virtuellen Objektes gegenüber dem Finger ei nes Benutzers simuliert werden kann.In FIGS. 22a and b another Ausführungsbei game is a movable contact area 88 shown. A partially spherical contact element 116 forms the contact surface 88 . The contact element 116 is rotatably supported by means of a ball joint 118 . Two linear drives 120 a and 120 b are connected via connecting rods 122 a and 122 b by means of swivel joints 124 a and 124 b to the contact element 116 . By independently adjusting the connecting rods 122 a and 122 b using the linear drives 120 a and 120 b, the contact element 116 is rotated in two directions around the ball joint 118 . As a result, shear forces occur in two different directions with an adjacent finger, whereby the above-described additional haptic stimulus of a relative movement of a virtual object relative to the finger of a user can be simulated.

In den Fig. 23a und b ist ein weiteres Ausführungsbei spiel für eine bewegbare Kontaktfläche 88 dargestellt. Ein kugelförmiges Kontaktelement 126 bildet die Kontakt fläche 88. Mit Hilfe von Kugellagern 128a bis 128d kann das kugelförmige Kontaktelement 126 frei verdrehbar ge halten werden. Dazu sind zwei Antriebe 130a und 130b vor gesehen, die Antriebsräder 132a und 132b antreiben, die mit der Oberfläche des kugelförmigen Kontaktelementes 126 in Eingriff stehen. Durch unabhängiges Ansteuern der An triebe 130a und 130b kann die Kugel in beliebigen Rich tungen verdreht werden, wodurch die oben beschriebenen Scherkräfte auf die Haut des Fingers des Benutzers ausge übt werden.In FIGS. 23a and b another Ausführungsbei game is shown for a movable contact surface 88. A spherical contact element 126 forms the contact surface 88 . With the help of ball bearings 128 a to 128 d, the spherical contact element 126 can be kept freely rotatable ge. For this purpose, two drives 130 a and 130 b are seen before, driving the drive wheels 132 a and 132 b, which are in engagement with the surface of the spherical contact element 126 . By independently controlling the drives 130 a and 130 b, the ball can be rotated in any direction, as a result of which the shear forces described above are exerted on the skin of the user's finger.

In einer weiteren, nicht in der Zeichnung dargestellten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Kon taktfläche 88 und 90 als aktive, insbesondere als vibro taktile Oberfläche ausgebildet sein. Dadurch ist es mög lich, dem Benutzer einen zusätzlichen haptischen Reiz zu vermitteln, der die Oberflächenbeschaffenheit, wie bspw. eine Rauheit, vermittelt werden kann. Dazu sind in der Kontaktfläche aktive Elemente enthalten, die die vibro taktile Wirkungsweise hervorrufen.In a further embodiment of the present invention, not shown in the drawing, the contact surface 88 and 90 can be designed as an active, in particular as a vibro tactile surface. This makes it possible to provide the user with an additional haptic stimulus that can convey the surface properties, such as roughness. For this purpose, active elements are contained in the contact surface, which cause the vibro-tactile mode of action.

Auch bei der besonderen Ausgestaltung der Stempel 84 und 86 kann ein Drucksensor vorgesehen sein, der die auf den Stempel ausgeübte Kraft mißt. Der vom Drucksensor ermit telte Wert kann dann bei der Simulation von druckabhängi gen Tätigkeiten - wie sie oben beschrieben worden sind - verwendet werden.In the special configuration of the stamps 84 and 86 , a pressure sensor can also be provided which measures the force exerted on the stamp. The value determined by the pressure sensor can then be used in the simulation of pressure-dependent activities, as described above.

Die zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Antriebe für eine Bewegung der Flügel 6 und 8 relativ zueinander ei nerseits und der Ausgestaltungen der bewegliche Stempel 84 und 86 andererseits sind im Prinzip unabhängig vonein ander. So können bspw. die Flügel 6 und 8 ohne Stempel 84 und 86 ausgebildet sein.The previously described configurations of the drives for a movement of the wings 6 and 8 relative to one another on the one hand and the configurations of the movable rams 84 and 86 on the other are in principle independent of one another. For example, wings 6 and 8 can be designed without stamps 84 and 86 .

Jedoch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Wir kung, wenn, wie in den Figuren mehrfach dargestellt, bei de unabhängigen Lösungen miteinander kombiniert werden. Dieses ergibt sich auch aus der nachfolgenden Beschrei bung der Fig. 24 bis 29, in denen die unterschiedlichen Verfahren zum Manipulieren von virtuellen Objekten darge stellt sind. In diesen Figuren ist jeweils die Hand eines Benutzers dargestellt, die eine haptische Ein- und Ausga bevorrichtung 2 hält, wobei einerseits im Detail die Fin geranlageflächen 10 und 12 mit Aussparungen 80 und 82 so wie Stempel 84 und 86 und andererseits die Flügel 6 und 8 in ihrer relativen Position gegenüber der Basis 4 darge stellt sind. However, there is a particularly advantageous effect if, as shown several times in the figures, are combined with one another in de independent solutions. This also results from the following description of FIGS . 24 to 29, in which the different methods for manipulating virtual objects are shown. In these figures, the hand of a user is shown, which holds a haptic input and output device 2 , the one hand in detail the fin geranlageflächen 10 and 12 with recesses 80 and 82 such as stamp 84 and 86 and the other hand, the wings 6 and 8th are in their relative position to the base 4 Darge.

In den Fig. 24a und b ist die Anwendung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 ohne ein Ergreifen eines virtuellen Objektes dargestellt. Die Flügel 6 und 8 sind von dem Daumen und dem Zeigefinger der dargestellten Hand beliebig betätigbar und die Stempel 84 und 86 befinden sich in ihrer ersten, zurückgezogenen Position, die zuge ordneten Kontaktflächen der Stempel 84 und 86 berühren nicht die Fingerkuppen des Daumens und des Zeigefingers.In FIGS. 24a and b the application of the haptic input and output device 2 is shown without a gripping a virtual object. The wings 6 and 8 can be actuated as desired by the thumb and forefinger of the hand shown and the stamps 84 and 86 are in their first, retracted position, the associated contact surfaces of the stamps 84 and 86 do not touch the fingertips of the thumb and the index finger .

In den Fig. 25a und b ist die Anwendung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 mit einem ergriffenen vir tuellen Objekt 20 dargestellt. Entsprechend der äußeren Abmessung a des virtuellen Objektes 20 sind die Flügel 6 und 8 in den in Fig. 25b dargestellte Positionen gegen über einem weiteren Zusammendrücken blockiert. Dadurch bekommt der Benutzer den Eindruck, tatsächlich das virtu elle Objekt 20 gegriffen zu haben. Läßt der Benutzer die Finger los, so bewegen sich die Flügel 6 und 8 weiter nach außen, jedoch ist eine Verringerung des Abstandes unterhalb des Abstandes a nicht möglich. Im gegriffenen Zustand sind die Stempel 84 und 86 wie in Fig. 25a darge stellt in ihre zweite Position verfahren und berühren mit ihren zugeordneten Kontaktflächen die Fingerkuppen des Daumens und des Zeigefingers. Dadurch bekommt der Benut zer neben dem Blockieren der Flügel 6 und 8 einen zusätz lichen haptischen Reiz des Berührens eines Objektes. Der Benutzer hat tatsächlich das Gefühl, ein Objekt zu berüh ren, da zusätzlich zu der in Fig. 24a dargestellten Posi tion die dort freien Fingerkuppen nunmehr an den Kontakt flächen der Stempel 84 und 86 anliegen.In FIGS. 25a and b the application of the haptic input and output device 2 is shown with a vir tual gripped object 20. Corresponding to the outer dimension a of the virtual object 20 , the wings 6 and 8 are blocked against further compression in the positions shown in FIG. 25b. This gives the user the impression that he has actually gripped the virtual object 20 . If the user lets go of the fingers, the wings 6 and 8 move further outwards, but a reduction in the distance below the distance a is not possible. In the gripped state, the punches 84 and 86 are moved into their second position as shown in FIG. 25a and touch the fingertips of the thumb and the index finger with their associated contact surfaces. This gives the user, in addition to blocking the wings 6 and 8, an additional haptic stimulus of touching an object. The user actually has the feeling of touching an object because, in addition to the position shown in FIG. 24 a, the fingertips that are free there now rest against the contact surfaces of the punches 84 and 86 .

In den Fig. 26a und b ist das Antippen eines virtuellen Objektes 20 dargestellt. Das virtuelle Objekt 20 befindet sich in einer Position, in der die Flügel 6 und 8 relativ zueinander bewegbar bleiben, da die Abmessungen des vir tuellen Objektes 20 nicht zu einem Blockieren der Flügel 6 und 8 gegeneinander führen. Wie Fig. 26a zeigt, ist je doch der Stempel 84 in seine zweite Position verschoben, so daß die zugeordnete Kontaktfläche an der Fingerkuppe des Zeigefingers anliegt. Der gegenüberliegend angeordne te Stempel 86 verbleibt dagegen in seiner ersten Positi on, so daß kein zusätzlicher haptischer Reiz auf die Fin gerkuppe des Daumen ausgeübt wird. In dieser Weise ist ein Ertasten einer virtuellen Umgebung mit Hilfe der hap tischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 möglich, denn im mer dann, wenn die Position eines der Flügel 6 und 8 mit einer Oberfläche eines virtuellen Objektes im virtuellen Raum übereinstimmt, wird der haptische Reiz durch einen der Stempel 84 und 86 ausgeübt.In FIGS. 26a and b at the press of a virtual object 20 is shown. The virtual object 20 is in a position in which the wings 6 and 8 remain movable relative to one another, since the dimensions of the virtual object 20 do not lead to a blocking of the wings 6 and 8 against one another. As shown in FIG. 26a, the stamp 84 is shifted into its second position, so that the associated contact surface rests on the fingertip of the index finger. The oppositely arranged te stamp 86 , however, remains in its first position, so that no additional haptic stimulus is exerted on the fin gerkuppe of the thumb. In this way, a palpation of a virtual environment is possible with the help of the haptic input and output devices 2 , because whenever the position of one of the wings 6 and 8 matches a surface of a virtual object in virtual space, the haptic stimulus becomes exercised by one of the stamps 84 and 86 .

In den Fig. 27 und 28 ist dargestellt, wie einem Benutzer die Trägheit eines ergriffen virtuellen Objektes 20 ver mittelt wird.In Figs. 27 and 28 is illustrated how a user is averages the inertia of a virtual object 20 taken ver.

In den Fig. 27a und b ist der Zustand dargestellt, in dem ein gegriffenes virtuelles Objekt 20 mit der Hand in der Zeichnung nach unten entsprechend dem Pfeil bewegt wird. Aufgrund der Masse eines realen Objektes würde diese Handbewegung dazu führen, daß auf die Finger unterschied liche Kräfte F1 und F2 ausgeübt werden. Denn ein reales Objekt wird sich der Bewegung widersetzen und eine größe re Kraft gegenüber dem Zeigefinger als gegenüber dem Dau men ausüben. Das bedeutet, daß die Kraft F1 größer als die Kraft F2 ist, sofern die Bewegung der Hand horizontal verläuft, also keine unterschiedlichen Gewichtskräfte auftreten. Beispielsweise kann diese Bewegung das Ver schieben eines Objektes auf einer Fläche bedeuten. Die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung 2 wird zur Simulation dieses Vorganges so angesteuert, daß zum einen die Flügel 6 und 8 in ihrer in der Fig. 27b dargestellten Po sition blockiert sind, also dem Benutzer der Eindruck vermittelt wird, er habe das Objekt 20 gegriffen. In Fig. 27a sind die beiden Stempel 84 und 86 in ihrer jeweils zweiten Position dargestellt, in der die zugeordneten Kontaktflächen mit den Fingerkuppen in Berührung stehen. Die Antriebe der beiden Stempel 84 und 86 werden dabei so angesteuert, daß die vom Stempel 84 auf die Fingerkuppe des Zeigefingers ausgeübte Kraft F1 größer als die vom Stempel 86 auf die Fingerkuppe des Daumens ausgeübte Kraft F2 ist.In FIGS. 27a and b shows the state in which a gripped virtual object 20 is moved according to the arrow down by hand in the drawing. Due to the mass of a real object, this hand movement would lead to different forces F1 and F2 being exerted on the fingers. Because a real object will resist movement and exert a greater force on the index finger than on the thumb. This means that the force F1 is greater than the force F2, provided that the movement of the hand is horizontal, so that no different weight forces occur. For example, this movement can mean moving an object on a surface. The haptic input and output device 2 is controlled to simulate this process so that, on the one hand, the wings 6 and 8 are blocked in their position shown in FIG. 27b, that is to give the user the impression that he has gripped the object 20 . In Fig. 27a, the two punches are shown in their respective second positions 84 and 86 in which the associated contact surfaces are in contact with the fingertips. The drives of the two punches 84 and 86 are controlled such that the force F1 exerted by the stamp 84 on the fingertip of the index finger is greater than the force F2 exerted by the stamp 86 on the fingertip of the thumb.

Die Fig. 28a und b zeigen die Simulation der Trägheit des ergriffenen virtuellen Objektes 20, wenn es von der dar gestellten Hand in Fig. 28b entsprechend dem Pfeil nach rechts verschoben wird. Aufgrund der Trägheit eines rea len Objektes würden die Fingerkuppen des Zeigefingers und des Daumens durch die auftretenden Kräfte F1 zu den Fin gerspitzen hin geschert. Dieses wird, wie in Fig. 28a dargestellt ist, von den Stempeln 84 und 86 simuliert, indem diese in Richtung der zu simulierenden Kräfte F1 verschoben werden. Dadurch werden wie bei einem realen Objekt die Fingerkuppen in Richtung der Fingerspitzen durch die entsprechenden Kontaktflächen der Stempel 84 und 86 geschert. Figs. 28a and b show the simulation of the inertia of the affected virtual object 20 when it is shifted from the hand is provided in Fig. 28b corresponding to the right arrow. Because of the inertia of a real object, the fingertips of the index finger and the thumb would be sheared towards the tips of the fingers by the forces F1 occurring. As shown in FIG. 28a, this is simulated by the punches 84 and 86 by shifting them in the direction of the forces F1 to be simulated. As a result, the fingertips are sheared in the direction of the fingertips by the corresponding contact surfaces of the punches 84 and 86 .

Eine ähnliche Vorgehensweise ist erforderlich, um das Ge wicht eines virtuellen Objektes 20 zu simulieren, wie es in den Fig. 29a bis 29e dargestellt ist. Auch hier wirkt eine Kraft F in Richtung der Fingerspitzen, wenn ein rea les Objekt gegriffen würde. Dementsprechend werden die Stempel 84 und 86, wie es in Fig. 29b dargestellt ist, angesteuert, also in ähnlicher Weise, wie es in Bezug auf die Fig. 28 beschrieben worden ist.A similar procedure is required to simulate the weight of a virtual object 20 , as shown in FIGS . 29a to 29e. Here too, a force F acts in the direction of the fingertips when a real object is gripped. Accordingly, the punches 84 and 86 , as shown in FIG. 29b, are actuated, that is to say in a manner similar to that described with reference to FIG. 28.

In den Fig. 29c bis 29e sind die in den Fig. 21 bis 23 dargestellten und zuvor beschriebenen Kontaktelemente in ihrer Funktionsweise dargestellt. FIGS. 29c to 29e show the way in which the contact elements shown in FIGS. 21 to 23 and described above work.

In Fig. 29c wird das kugelförmige Kontaktelement 26 zu einer Drehbewegung angetrieben, wie mit dem Pfeil inner halb des dargestellten Kontaktelementes 26 gekennzeichnet ist. Durch Anliegen der Fingerkuppe an der durch das Kon taktelement 126 realisierten Kontaktfläche wird die Fin gerkuppe in Richtung der Fingerspitzen geschert.In Fig. 29c, the spherical contact element 26 is driven to rotate, as indicated by the arrow within half of the contact element 26 shown. By resting the fingertip on the contact surface realized by the contact element 126 , the fin gerkuppe is sheared in the direction of the fingertips.

Derselbe Effekt tritt bei der in Fig. 29d dargestellten Ausführungsform auf, bei dem das Kontaktelement 104 mit tels der linearen Verstellmechanismen in Richtung der Fingerspitze verstellt wird. Auch hier wird die Haut der Fingerkuppe in Richtung der Fingerspitze geschert.The same effect occurs in the embodiment shown in FIG. 29d, in which the contact element 104 is adjusted in the direction of the fingertip by means of the linear adjustment mechanisms. Here, too, the skin of the fingertip is sheared in the direction of the fingertip.

Ebenso ist dieses in Fig. 29e realisiert. Bei diesem Aus führungsbeispiel wird das teilkreisförmige Kontaktelement 116 derartig gedreht, daß auch hier ein Scheren der Fin gerkuppe in Richtung der Fingerspitze erfolgt.This is also realized in FIG. 29e. In this exemplary embodiment, the part-circular contact element 116 is rotated in such a way that here too the fin gerkuppe is sheared in the direction of the fingertip.

Bei allen Ausführungsbeispielen wird somit erreicht, daß dem Benutzer ein haptischer Reiz vermittelt wird, der dem Gewicht eines realen Objektes entspricht.In all the embodiments it is thus achieved that the user is conveyed a haptic stimulus that the Corresponds to the weight of a real object.

Die Fig. 30a und b zeigen ein virtuelles Objekt 20, das von zwei verschiedenen haptischen Ein- und Ausgabevor richtungen 2 und 2' gegriffen wird. Beide Ein- und Ausga bevorrichtungen 2 und 2' werden so angesteuert, daß einem Benutzer der Eindruck des Greifens des Objektes 20 vermittelt wird. Das Zusammenwirken beider Ein- und Ausgabe vorrichtungen 2 und 2' kann vom Computersystem gesteuert werden. Ein Wegziehen des virtuellen Objektes 20 durch die eine Ein- und Ausgabevorrichtung 2, in Fig. 30a rechts, ruft zunächst eine Ansteuerung der Kontaktelemen te 126 hervor, so daß diese den anliegenden Fingern einen entsprechenden haptischen Reiz vermitteln. Die Bewegung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 ruft eine Bewegung des virtuellen Objektes 20 hervor, die von der anderen Ein- und Ausgabevorrichtung 2' durch eine ent sprechende Ansteuerung der Kontaktelemente 126' dem Be nutzer vermittelt wird. Sind weiterhin zwei verschiedene Benutzer vorhanden, die die beiden haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 und 2' bedienen, so ist eine In teraktion zwischen beiden Benutzern möglich. Figs. 30a and b show a virtual object 20, the various inputs and two haptic Ausgabevor directions is gripped 2 and 2 '. Both input and output devices 2 and 2 'are controlled so that the user is given the impression of gripping the object 20 . The interaction of both input and output devices 2 and 2 'can be controlled by the computer system. A pulling away of the virtual object 20 through the one input and output device 2 , in Fig. 30a on the right, first causes control of the contact elements 126 so that these impart a corresponding haptic stimulus to the adjacent fingers. The movement of the haptic input and output device 2 causes a movement of the virtual object 20 , which is conveyed to the user by the other input and output device 2 'by a corresponding activation of the contact elements 126 '. If there are still two different users who operate the two haptic input and output devices 2 and 2 ', interaction between the two users is possible.

In Fig. 31 ist schließlich ein erfindungsgemäßes Compu tersystem zum Manipulieren von virtuellen Objekten darge stellt. Es sind ein Computer 134 und eine Darstellungs vorrichtung 136 vorgesehen, auf der die vom Computer 134 berechnete und simulierte dreidimensionale virtuelle Welt mit virtuellen Objekten dargestellt wird. Weiterhin ist eine haptische Ein- und Ausgabevorrichtung 2 mit der Ba sis 4 und den Flügeln 6 und 8 dargestellt die von einem Benutzer im dreidimensionalen Raum bewegt wird. Die hap tische Ein- und Ausgabevorrichtung 2 ist mit einer Ver bindungsleitung 16 mit dem Computer 134 verbunden. Wei terhin ist eine Trackervorrichtung 138 zum Bestimmen der räumlichen Position der haptischen Ein- und Ausgabevor richtung 2 vorgesehen, die mit Hilfe von elektromagneti scher Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung durch Aussenden und Empfangen von reflektierter Strahlung die räumliche Position bestimmt. Insgesamt ergibt sich ein Computersystem, mit dem virtuelle Objekte mit Hilfe einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung manipuliert werden können.Finally, FIG. 31 shows a computer system according to the invention for manipulating virtual objects. A computer 134 and a display device 136 are provided, on which the three-dimensional virtual world calculated and simulated by the computer 134 is displayed with virtual objects. Furthermore, a haptic input and output device 2 with the base 4 and the wings 6 and 8 is shown which is moved by a user in three-dimensional space. The haptic input and output device 2 is connected to a connecting line 16 with the computer 134 . Furthermore, a tracker device 138 is provided for determining the spatial position of the haptic input and output device 2 , which determines the spatial position with the aid of electromagnetic radiation, in particular infrared radiation, by emitting and receiving reflected radiation. Overall, there is a computer system with which virtual objects can be manipulated using a haptic input and output device.

Fig. 32 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Com putersystems, bei dem die Darstellungsvorrichtung 136 ein von einer Videokamera 140 aufgenommenes Bild einer realen Welt darstellt, in der ein Robotergreifer 142 angeordnet ist, der durch das Ein- und Ausgabegerät ferngesteuert wird. Die Stellungs- und Bewegungsdaten des Robotergrei fers 142 werden auf den Computer 134 übertragen. Aus die sen Daten berechnet der Computer 134 die Steuerdaten für die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung 2, so daß diese die Aktionen des Robotergreifers 142 wiedergibt. Fig. 32 shows a further embodiment of a com puter system in which the display device 136 represents an image taken by a video camera 140 image of a real world in which a robot gripper 142 is arranged, which is remotely controlled by the input and output device. The position and movement data of the robot gripper 142 are transferred to the computer 134 . From this data, the computer 134 calculates the control data for the haptic input and output device 2 so that it reproduces the actions of the robot gripper 142 .

Insgesamt lassen sich die Vorteile der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung in ihrer Anwendung zum Manipulie ren von virtuellen Objekten dahin gehend beschreiben, daß unter Zuhilfenahme der natürlichsten Ein- und Ausgabevor richtung des Menschen, der Hand, in einem virtuellen Raum eine Interaktion möglich ist. Denn die hier vorgestellte haptische Ein- und Ausgabevorrichtung ermöglicht es, vir tuelle Objekte mit mehreren Fingern zu erfassen und zu manipulieren. Es wird eine Vielzahl von Aktionen ermög licht, die durch vorprogrammierte physikalische Eigen schaften und Funktionen der Objekte entsprechende Wirkung in der Anwendung zeigen. So ist es möglich, auf erfaßte Gegenstände eine Kraft auszuüben und sie so zu verformen, zu kneten oder zu zerdrücken. Weiterhin können mit Hilfe von erfaßten virtuellen Objekten andere virtuelle Objekte bearbeitet werden. Außerdem ist die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung in der Lage, Gewicht, Trägheit und Ei gendynamik der virtuellen Objekte erfühlbar zu machen. So können bspw. Werkzeugkräfte gezielt eingesetzt werden, da diese über die direkten haptischen Informationen einge schätzt und kontrolliert werden können.Overall, the advantages of haptic input and output device in their manipulation application describe virtual objects in that with the help of the most natural input and output direction of man, hand, in a virtual space an interaction is possible. Because the one presented here haptic input and output device allows vir Detect and close current objects with multiple fingers manipulate. A variety of actions are possible light through preprogrammed physical properties properties and functions of the objects corresponding effect show in application. So it is possible on captured Objects to exert a force and deform them so knead or crush. You can also use of captured virtual objects other virtual objects to be edited. In addition, the haptic input and Dispenser capable of weight, inertia and egg make the dynamic of the virtual objects tangible. So For example, tool forces can be used specifically because this via the direct haptic information can be estimated and controlled.

Claims

1. haptic input and output device for manipulating virtual objects by a user,

- with a base ( 4 ),
- With at least two wings ( 6 , 8 ) which are connected to the base ( 4 ) so as to be movable relative to one another and each have a finger contact surface ( 10 , 12 ),
- With at least one with the wings ( 6 , 8 ) connected drive ( 14 ), and
- With an electronic interface ( 16 ) for data transmission between the input and output device ( 2 ) and a computer,

characterized by

- That the drive ( 14 ) controls the relative distance between the wings ( 6 , 8 ) and one of the approach of the wings ( 6 , 8 ) generates counteracting force.

2. Device according to claim 1, characterized in that the wings ( 6 , 8 ) are rotatably connected to the base ( 4 ).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the wings ( 6 , 8 ) via parallel axes of rotation ( 18 ) with the base ( 4 ) are connected.

4. The device according to claim 3, characterized in that the axes of rotation ( 18 ) of the wings ( 6 , 8 ) beabstan det to each other on the base ( 4 ) are arranged.

5. The device according to claim 1, characterized in that the wings ( 6 , 8 ) along rails ( 64 , 66 ) connected to the base ( 4 ) are arranged movable.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a pressure sensor is arranged between two wings ( 6 , 8 ).

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that

- That at least one recess ( 80 , 82 ) in the fin geranlagefläche ( 10 , 12 ) is formed
- That a stamp ( 84 , 86 ) below the recess ( 80 , 82 ) and surface relative to the Fingeranlageflä ( 10 , 12 ) is movable and
- That a contact surface ( 88 , 90 ) on the stamp ( 84 , 86 ) is formed.

8. The device according to claim 7, characterized in that the stamp ( 84 , 86 ) between a first, from the finger contact surface ( 10 , 12 ) remote position and a second position is movable, in which the contact surface ( 88 , 90 ) of the stamp ( 84 , 86 ) is at least partially arranged in the recess ( 80 , 82 ).

9. The device according to claim 8, characterized in that a drive ( 92 ) for adjusting the stamp ( 84 , 86 ) is provided substantially perpendicular to the finger contact surface ( 10 , 12 ).

10. The device according to claim 8, characterized in that a spring element (96) is provided for biasing the Fin screened bearing surface (10, 12) and the punch (84, 86) substantially perpendicular to the finger contact surface (10, 12).

11. Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the contact surface ( 88 , 90 ) of the stamp ( 84 , 86 ) is designed to be movable substantially parallel to the plane of the opening of the recess ( 80 , 82 ).

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that a roller ( 98 ) forms the contact surface ( 88 , 90 ) of the stamp ( 84 , 86 ) and that a drive ( 100 , 102 ) for rotating the roller ( 98 ) is provided is.

13. The apparatus according to claim 11, characterized in that a contact element ( 104 ) forms the contact surface ( 88 , 90 ) of the stamp ( 84 , 86 ) and that a drive ( 108 , 110 , 112 ) for a linear adjustment of the contact element ( 104 ) is provided in at least one direction.

14. The apparatus according to claim 11, characterized in that an at least partially spherical Kon contact element ( 116 ; 126 ) forms the contact surface ( 88 , 90 ) of the stamp ( 84 , 86 ) and that a drive ( 120 ; 130 ) for rotating the Contact element ( 116 ; 126 ) is provided around at least one axis of rotation.

15. Device according to one of claims 7 to 14, characterized in that the contact surface ( 88 , 90 ) is designed as a vibrotactile surface.

16. The device according to one of claims 7 to 15, characterized in that a pressure sensor is provided on the stamp ( 84 , 86 ).

17. Computer system for manipulating virtual objects,

- with a computer ( 134 ),
- With a haptic input and output device ( 2 ) according to one of claims 1 to 16 and
- With a computer ( 134 ) connected Trac kervvorrichtung ( 138 ) for determining the spatial position of the haptic input and output device ( 2 ).

18. Computer system according to claim 17, characterized in that a display device ( 136 ) is provided for displaying images generated in a computer or by a video camera.

19. method for manipulating virtual objects,

in which a computer system according to claim 17 or 18 is used,
- in which the spatial position of the haptic input and output device ( 2 ) predetermined by a user is determined by the tracker device ( 138 ) and transmitted to the computer ( 134 ),
- in which the spatial position of the haptic input and output device ( 2 ) in the virtual space is calculated in relation to the at least one virtual object ( 20 ),
- in which the relative position of the at least two wings ( 6 , 8 ) of the haptic input and output device ( 2 ) is determined and transmitted to the computer ( 134 ),
- in which the spatial position of the wings ( 6 , 8 ) is calculated in virtual space in relation to the at least one virtual object and
- In which the drive ( 14 ) of the haptic input and output device ( 2 ) with the help of the computer ( 134 ) is controlled so that the approach of the wing gel ( 6 , 8 ) counteracting force is increased when the finger contact surface ( 10 , 12 ) at least one wing ( 6 , 8 ) in the projection on the virtual space coincides at least partially with the surface of a virtual object ( 20 ).

20. The method according to claim 19, in which for simulating the gripping of a virtual hard object ( 20 ) with the aid of the drive ( 14 ) the approach of the wings ( 6 , 8 ) from one by the dimension of the virtual object ( 20 ) predetermined distance is blocked.

21. The method according to claim 19, in which for simulating the gripping of a virtual elastic object ( 20 ) with the aid of the drive ( 14 ), the approach of the wings ( 6 , 8 ) counteracting each other from a force caused by the dimension of the Virtual object ( 20 ) predetermined distance is increasingly increased.

22. The method according to claims 19 or 21, in which, depending on measured values, which are generated by pressure sensors arranged in the haptic device ( 2 ), the approaching of the wings ( 6 , 8 ) mutually opposing force is changed.

23. The method according to any one of claims 19 to 22 in which a haptic input and output device according to one of claims 7 to 16 is used and in which for simulating the inertia of a manipulated with the help of the input and output device ( 2 ) virtual object ( 20 ) from the drives of different stamps ( 84 , 86 ) different pressures to the contact surfaces ( 88 , 90 ) are generated on the assigned parts of the user's finger.

24. The method according to claim 23, wherein for simulating the inertia of a virtual object manipulated with the aid of the device ( 2 ) by driving the contact surface ( 88 , 90 ) at least one stamp ( 84 , 86 ), a movement of the contact surface ( 88 , 90 ) is produced essentially parallel to the plane of the opening of the recess ( 80 , 82 ).