Der kapazitive Touchscreen wertet Berührung und Kraft aus

| Autor / Redakteur: Frank Fleischer * / Hendrik Härter

Touch-Eingabe: In Industrie und Medizin darf ein Bediener keine Fehlfunktion auslösen. Dazu werten die integrierten Controller neben der Berührung auch die Betätigungskraft aus.
Touch-Eingabe: In Industrie und Medizin darf ein Bediener keine Fehlfunktion auslösen. Dazu werten die integrierten Controller neben der Berührung auch die Betätigungskraft aus. (Bild: Rafi)

Damit ein Bediener keine Fehlfunktion auslöst, ist eine gesicherte Eingabe notwendig. Ein spezielles kapazitives Touchscreen wertet dazu neben der Berührung auch die Betätigungskraft aus.

Kapazitive Touchscreens haben sich als Eingabe- und Bedienoberflächen in der Industrie etabliert. Gehäuse und Dichtungen sind robust ausgelegt und die verwendete Sensorik wurde dahingehend verfeinert, dass sich schlagfeste Frontgläser verwenden lassen und eine Bedienung mit Arbeitshandschuhen möglich ist. Doch die Stärke der kapazitiven Eingabetechnik, die wie keine anderen Bedien- und Anzeigeoberflächen eine intuitive Nutzerführung bietet, kann ohne geeignete Sicherungsmaßnahmen und Filtermechanismen zum Schwachpunkt werden – etwa dann, wenn Anwender die Oberfläche unbeabsichtigt berühren oder diese in Kontakt mit leitenden Medien eine Eingabe auslösen können.

Mit seinem GLASSCAPE-Programm entwickelt und produziert Rafi bereits seit 2004 kapazitive Bedienlösungen für den industriellen Einsatz. Seit rund zehn Jahren implementiert das Unternehmen auf Basis der maXTouch-Controller des Herstellers Microchip intelligente Filterfunktionen, um Fehler automatisch zu erkennen. Damit lassen sich die GLASSCAPE-Touchscreens so parametrieren, dass Flüssigkeiten, Berührungen mit dem Handballen oder versehentliche Wischbewegungen keine Eingabe auslösen. Allerdings sind für Implementierung und Parametrierung der logischen Einheiten umfassende Spezialkenntnisse erforderlich. Microchip liefert seine Controller nur an geschulte Unternehmen: Rafi gehört zu insgesamt vier europäischen Integrationspartnern.

Touch-System mit Kraftaufnehmern

Mit TwinTouch erweitert Rafi das Spektrum eingabesichernder Mechanismen um eine vollkommen neue Variante: Das Touch-System wurde mit Kraftaufnehmern erweitert. Durch die im Rahmen integrierten Sensoren ist das System in der Lage, neben der Berührung des Touchpanels den dafür aufgewendeten Druck zu erfassen und auszuwerten. Auf Basis der kombinierten Berührungs-/Kraftmessung lassen sich die kapazitiven Schalt- bzw. Eingabeflächen der Bedienoberfläche so konfigurieren, dass zu ihrer Betätigung außer der Touch-Aktivierung eine bestimmte Druckkraft erforderlich ist und dadurch ein unbeabsichtigtes Auslösen komplett ausgeschlossen wird.

Die Schaltschwellen für die auszulösende Druckkraft lassen sich individuell per Software anpassen und liegen zwischen 1 und 5 N. Damit der Benutzer den Touchscreen bequem bedienen kann, orientiert sich das einstellbare Spektrum an den durchschnittlichen Betätigungskräften für Kurzhubtaster.

Zusätzliche Eingabeebenen implementieren

Neben der gesicherten Eingabe ermöglicht die kombinierte Auswertung von Touchsignal und mechanischem Druck, dass sich zusätzliche Eingabeebenen implementieren lassen. So ist ein Aufruf von Kontextmenüs per Druck oder Parameter-Anpassungen durch variierende Kraftausübung auf denselben Button möglich. Für die Bedienkräfte zum Aufrufen von Funktionen lassen sich bis zu zehn Schaltschwellen definieren.

Bei ihrer Überschreitung sendet das Touch-Controller-Board, das sowohl der Auswertung der Touch-Eingaben als auch der gemessenen Kraft dient, entsprechende Nachrichten an den Host. Durch eine analoge Auswertung können die Signale konfigurationsabhängig direkt zur Ansteuerung von Applikationen genutzt werden.

TwinTouch und Flexscape vereint

Die TwinTouch-Bediensysteme gibt es in kundenspezifischen Abmessungen mit Touchscreen-Diagonalen bis 24''. Um die Schutzart IP65 zu erreichen und zu gewährleisten, dass die bewegliche Lagerung des Frontglas für Bediener nicht wahrnehmbar ist, durfte die Beweglichkeit des Glases in z-Richtung den µm-Bereich nicht überschreiten. Das war für die Entwickler nicht trivial: Dazu mussten nicht nur entsprechend empfindliche Kraftsensoren implementiert, sondern auch eine flexible, umlaufende Dichtung hergestellt werden, die weder die Bewegungen des Glases noch die verbaute Sensorik hemmt.

Zur Fixierung des Glases mussten spezielle Federelemente entwickelt werden, welche die vom Bediener ausgeübte Druckkraft akkurat auf die Sensorik übertragen. Komplexe Algorithmen in der Auswertesoftware kompensieren zuverlässig temperaturbedingte Materialausdehnungen von wenigen Mikrometern sowie mechanische Einwirkungen durch Schock und Vibrationen.

Haptische Bedienelemente

Das Bild zeigt eine Kombination von Flexscape Wheel und Flexscape One. Das Wheel ist ringförmig, in seine Mitte kann de Taster ONE eingesetzt werden. Die beiden Bediengeräte können genauso gut einzeln zur taktilen Orientierung verwendet werden.
Das Bild zeigt eine Kombination von Flexscape Wheel und Flexscape One. Das Wheel ist ringförmig, in seine Mitte kann de Taster ONE eingesetzt werden. Die beiden Bediengeräte können genauso gut einzeln zur taktilen Orientierung verwendet werden. (Bild: Rafi)

Aktuell arbeitet Rafi an einer Kombination von TwinTouch mit der haptischen Eingabe der Flexscape-Serie. Bereits heute stattet der Hersteller Touchscreens aus dem GLASSCAPE-Programm mit mechanischen Flexscape-Drucktastern und -Fingerführungen aus. Die haptischen Bedienelemente werden nach Kundenvorgaben direkt auf der Touchscreen-Oberfläche platziert. Bediener können Funktionen steuern, ohne die Bedienoberfläche ständig im Blick zu haben. Die Betätiger sind ohne Durchbrüche oder Bohrungen fixiert, womit Schutzart und Stabilität der Touch-Oberfläche unbeeinträchtigt bleiben.

Der Drucktaster Flexscape One aktiviert sich durch Berührung und zum Schalten der gewählten Touch-Funktion muss ein Druckpunkt überwunden werden. Der Button quittiert die Betätigung mit einem spür- und hörbaren Tastenklick. Mit der kreisförmigen Fingerführung Flexscape Wheel lassen sich kontextabhängig Funktionen auswählen oder Parameter einstellen. Zur taktilen Orientierung verfügt das Gerät über prägnante Konturen. Aufgrund ihrer kompatiblen Geometrien lassen sich Flexscape Wheel und Flexscape One zu einem Element mit allen Funktionen vereinen. In Kombination bieten die Elemente eine zusätzliche Sicherungsfunktion, indem die Aktivierung oder Übernahme der mit dem Wheel ausgewählten Einstellungen erst nach der Betätigung des Buttons erfolgt.

Zur Übertragung der Druckkräfte auf die Kraftaufnehmer bewegt sich die Glasfront im Bereich von wenigen Mikrometern.
Zur Übertragung der Druckkräfte auf die Kraftaufnehmer bewegt sich die Glasfront im Bereich von wenigen Mikrometern. (Bild: Rafi)

Display-Eingabefelder lassen sich kontextabhängig ändern

Die Touchscreens lassen sich außerdem mit mehreren haptischen Bedienelementen an individuell bevorzugten Positionen ausstatten. Eine zusätzliche Auswerteelektronik ist nicht erforderlich, da sich die Anzeige bzw. Funktion der einzelnen Elemente über eine Variation der Display-Eingabefelder kontextabhängig ändern lässt. Damit können die Bedienelemente und zugeordnete Funktionen jederzeit vollkommen flexibel für spätere Anwendungen angepasst werden.

Ziel des HMI-Spezialisten Rafi ist es, sowohl TwinTouch als auch Flexscape so aufeinander abzustimmen, dass die taktil geführte Touch-Eingabe mit der Krafterkennung vereint wird, um damit den neuen Standard für die sichere Blindbedienung von Touchscreens zu setzen.

Touch-Eingabe mit zusätzlicher Krafterkennung

Touch-Eingabe mit zusätzlicher Krafterkennung

04.01.19 - Die Eingabetechnik TwinTouch erfasst neben Berührungen des Panels auch die dafür aufgewendeten Kräfte und wertet diese aus. lesen

* Frank Fleischer ist Teamleiter für Produkt-, Innovations- & Technologiemanagement bei Rafi.

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