Mit Fingerspitzengefühl den Touchscreen bedienen

Mit dem realitätsnahen Force-Feedback unterschiedlicher Eingabeelemente wie beispielsweise dem charakteristischen Klick von Kurzhubtastern vereinfachen Haptic-Touch-Displays die sichere Bedienung von HMI-Oberflächen ohne permanenten Sichtkontakt erheblich. Zur überzeugenden taktilen Simulation tragen verschiedenen Technologien bei. Dazu zählen zum einen die besonders leistungsfähigen Aktuatoren, die Rafi eigens für Haptic Touch entwickelt hat.

Zum anderen spielt die Krafterkennung des auf Drucksensoren gelagerten Displays eine grundlegende Rolle. Sie entscheidet, ab welcher Kraft eine Displayberührung als Eingabe gewertet wird und schließt bei entsprechender Einstellung Fehleingaben durch unbeabsichtigten Displaykontakt aus. Zudem komplettiert sie den Eindruck einer realen Tasterbedienung, indem etwa zur Betätigung eines virtuellen Buttons erst ein definierter Druckpunkt überwunden werden muss, bis das Haptic-Touch-Display die Eingabe mit dem typischen Klick eines Tasters quittiert. Darüber hinaus ermöglicht das kraftabhängige Auslöseverhalten Bedienern, mit aufliegenden Fingern nach den gewünschten Funktionen zu suchen, ohne unbeabsichtigte Eingaben zu verursachen.

Für die Auswahl und Ansteuerung geeigneter Aktuatoren haben die Rafi-Entwickler zunächst die mechanischen Impulse und Schwingungen analysiert, die verschiedene Bedienelemente bei der Betätigung erzeugen, und die daraus resultierenden Sinusschwingungen in einer sogenannten Haptic Library hinterlegt. Der nächste Entwicklungsschritt richtete sich darauf, wie sich die unterschiedlichen haptischen Reize über die ebene Oberfläche von Touchdisplays an den menschlichen Tastsinn übermitteln lassen. So verfügt die menschliche Haut zur Differenzierung verschiedener Berührungsreize über vier Arten von Sinneszellen, die auf unterschiedliche Signalfrequenzen reagieren. Für Rafi waren die vibrationssensitiven Pacini-Körperchen von besonderem Interesse, die Verschiebungen auf der Hautoberfläche im Nanometer-Bereich registrieren und auf Frequenzen zwischen 40 und 1 000 Hz ansprechen.

Um die Pacini-Körperchen per Force-Feedback zu triggern, versetzen mehrere Aktuatoren das Frontglas mit einer Frequenz von rund 100 Hz in querwirkende Schwingungen. Anders als bei einer Auslenkung in Z-Richtung wird durch die Querschwingung in der XY-Ebene vermieden, dass die Oberfläche wie eine Lautsprechermembran störende Geräusche erzeugt. Im von Rafi gewählten Frequenzbereich sind die Pacini-Körperchen eben nicht in der Lage, die Richtung der Bewegungen zu erkennen, können aber auf verschiedene Beschleunigungen reagieren. Diesen Effekt macht sich Haptic Touch zunutze, indem die Aktuatoren das Frontglas zur Wiedergabe ‚knackiger‘ oder weicherer Tasterimpulse unterschiedlich stark beschleunigt. Damit es durch die Schwingung des Frontglases zu keinen optischen Irritationen und Darstellungsunschärfen kommt, darf die seitliche Verschiebung 250 µm nicht überschreiten.

Zur Erzeugung eines Schwingungsspektrums, das sowohl die Raststufen verschiedener Tastertypen als auch das feine Vibrieren beim Verschieben von Slidern oder Wheels imitieren kann, benötigte Rafi leistungsfähige Aktuatoren, welche die Force-Feedbacksignale mit sauberer Linearität und hohen Beschleunigungen auf die rund 1,5 kg schweren Frontgläser übertragen konnten. Da keines der getesteten marktverfügbaren Module diese Ansprüche erfüllte, entwickelte das Unternehmen eigene Aktuatoren für ein professionelles Anforderungsprofil.

Eine weitere konstruktive Herausforderung stellte die Entkopplung der Force-Feedback-Aktorik von der Kraftmessung und dem Gehäuse dar. Bei der bereits mit der Twin-Touch-Baureihe eingeführten Krafterkennung, mit der die Eingabepanels den zur Touch-Bedienung aufgewendeten Druck erfassen und auswerten können, wird das Frontglas auf speziellen Federelementen gelagert. Für das Unternehmen galt es, diesen Aufbau mit der Aktorik auf eine Weise zu vereinen, die Wechselwirkungen der Sensorik, Einbußen der Dichtigkeit gemäß IP54 oder störende Schwingungsübertragungen auf das Gerätegehäuse vermeidet. Dies gelang dem Hersteller durch eine verschränkte Anordnung von Montageplatten, welche die Schwingungen ohne Kontakt zu den Display-Baugruppen auf das Frontglas leiten, sowie durch den Einsatz einer speziell ausgeformten Frontglas-Umlaufdichtung aus entsprechend weichem Material.

Die Force-Feedback-Einstellungen werden von dem Hersteller an die individuellen Präferenzen der Kunden angepasst. Nach der Auswahl der passenden Signalmuster aus der ‚Haptic Library‘ werden die Eingabekräfte zur Betätigung und die Feedback-Signalstärken von Rafi entsprechend den Kundenwünschen nachjustiert. Optional stattet der Spezialist Haptic Touch auch mit Eingabeelementen der Flexscape-Serie aus, die eine Blindbedienung des Displays ermöglichen. Der Hersteller platziert die Taster, Dreh-Drückgeber und Finger-Wheels dieser Serie ohne Durchbrüche oder Bohrungen direkt auf dem Touchscreen, sodass die Stabilität und Dichtigkeit des Displays vollständig gewahrt bleibt und gleichzeitig Kosten einspart.

„Mit der Haptic-Touch-Technologie haben wir echtes Neuland betreten“, erklärt Diplom-Ingenieur Frank Fleischer, Head of Technology & Innovation bei Rafi. „Dies erforderte nicht nur hohen Aufwand für Forschung und Entwicklung. Die Kunst bestand in der Standardisierung des taktilen Signalspektrums und der Serienfertigung von Geräten mit konstant identischem Force-Feedback-Verhalten. Dafür war es erforderlich, neue Prüfverfahren entlang der gesamten Produktionsstrecke einzusetzen. Dass sich der Aufwand gelohnt hat, erleben wir an den Reaktionen unserer Kunden.“ aru