Verfahren zur Erkennung einer auf eine Oberfläche eines Gegenstands einwirkenden Zustandskonstellation sowie Oberflächenbezugsmaterial dafür

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer auf eine Oberfläche eines Gegenstands einwirkenden Konstellation von ein oder mehreren mechanischen Kräften und/oder physikalisch/chemischen Zuständen, wobei jeweils diskreten

Oberflächenbereichen Sensoren zugeordnet sind und mindestens ein Steuergerät mit mindestens einer Recheneinheit und zugehörigen Speichereinheiten vorgesehen ist.

Ebenfalls ist ein flächiges, vorzugsweise mehrschichtiges Bezugs- oder

Beschichtungsmaterial für Oberflächen von Gegenständen zur Durchführung des

Verfahrens offenbart.

Die allgemein zunehmende Digitalisierung und der zum Beispiel im Bereich der

Fahrzeugausrüstungen immer mehr zunehmende Bedarf an Komforteinrichtungen führen nicht nur in diesen Bereichen dazu, dass der Wunsch nach immer stärkerer

Individualisierung von Funktionen, Gegenständen oder Umgebungen besteht. Bleibt man bei den Fahrzeugen, so ist es bereits bekannt, zum Schließen oder Öffnen von Türen Systeme zu verwenden, die bei Annäherung eines zu einem Keyless-Entry-System gehörigen Schlüssels bzw. Schlüsselsenders an ein Fahrzeug das Entsperren desselben ermöglichen. Ebenfalls sind bereits Systeme bekannt, die anhand einer Prüfung von Fingerabdrücken oder durch individuelle Sprachsteuerung/Spracherkennung solche Funktionen auslösen.

Der Wunsch nach immer stärkerer Individualisierung und Anpassung der Umgebung auf den nutzenden Menschen sowie die personalisierte Bedienung von Gerätschaften erfordert es mehr und mehr, unterschiedliche oder benachbarte Fachgebiete bei der Suche nach Lösungen zu betrachten.

So werden etwa auf der einen Seite neuerdings Bezugsmaterialien bzw. flexible

Flächenmaterialien als Funktions- oder Sensorelemente in Steuerungen mit einbezogen. Solche flexiblen Flächenmaterialien mit Sensor- oder Signalelementen sind zum Beispiel im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik bekannt. Ausgangspunkt sind hier Überlegungen zur „Funktionalisierung" von bisher nur dekorativen Oberflächen oder Beschichtungsfolien im Innenraum von Kraftfahrzeugen.

Grundsätzlich müssen und können im Kfz-Innenraum eine Vielzahl von Funktionen durch die Fahrzeuginsassen geregelt und gesteuert werden, z.B. Klimaanlage, Heizfunktionen, Betätigung der Fensterheber, Einstellung von Spiegeln und Lampen,

Musikanlageneinstellungen, Navigationsgeräteinsellungen, Bedienung von

Kommunikationsgeräten etc.

Zur Bedienung dieser Funktionen sind in der Regel bisher eine Vielzahl von separaten und in die Oberflächen von z.B. Armaturenbrett und Türverkleidung eingelassene Reglern, Schaltern und Einstelltaster etc. als„Human to Machine Interface (HMI) " notwendig, die bei der Innenraumgestaltung von den Designern berücksichtigt werden müssen und häufig die Designlinie im Innenraum stören. Zudem wirkt die Vielzahl von sichtbaren

Einstellmöglichkeiten in modernen Fahrzeugen häufig unübersichtlich und erschwert dadurch eine intuitive Bedienung. Es wurde daher bereits darüber nachgedacht, in die Bedienoberfläche von Gegenständen eine Sensorik zu integrieren, mit dem Ziel der Bereitstellung von Bedienfunktionen. Bei flexiblen Folien mit genarbten oder geprägten Oberflächen, wie z.B. bei Kunstlederfolien für den Automobilinnenraum, die nicht nur extremen Dehnungen bei der Herstellung und beim Aufbringen auf die festen Trägen unterworfen sind, sondern auch höchsten

Temperaturschwankungen im Betrieb, ist die Integration von Sensorik jedoch schwierig und deshalb bisher nicht durchgesetzt. Auf der anderen Seite sind Berührungssensoren als HMI in vielen Bereichen schon etabliert, z.B. als touch-screen-Einrichtungen bei Smartphones. Solche

Bedienungselemente oder -funktionen ermöglichen eine intuitive Bedienung bei gleichzeitiger Vermeidung mechanischer Knöpfe, Schalter, Drehregler oder Einstellräder.

Ähnliche Entwicklungen wie bei den genannten Bedienelementen sind erfolgt bei auf die Insassen eines Fahrzeugs angepassten Einstellungen der Fahrzeugeinrichtungen, wie etwa Sitze, Spiegeleinstellungen, Lenkradhöhen etc. Hier sind jedoch mittlerweile und im Sinne der anfangs angesprochenen Individualisierung/Personalisierung Systeme erwünscht, die automatisch erkennen können, welcher Insasse vorhanden ist und die dessen bevorzugte Grundeinstellung von Fahrzeugeinrichtungen einstellen.

Bekannt sind diesbezüglich beispielsweise Sensoriksysteme zur Anwendung bei

Sitzelementen insbesondere zur Passagiererkennung und -Überwachung. So offenbart z.B. die DE 10 2011 085 263 B4 ein Sensorelement zur Erkennung der Sitzbelegung, welches eine Messspule und eine die Messspule umgebendes und eine weitere Federspule bildendes

Doppelfederelement aufweist. Die Messspule wird mit einem Wechselstrom beaufschlagt.

Durch die induktive Kopplung zwischen Messspule und Federspule wird dann in der Messspule eine Spannung induziert, die einer Krafteinwirkung auf die Federspule und damit auf ein Sitzelement proportional ist. Eine solche Sensorik ist jedoch zur Integration in flexible Flächenelemente eher nicht geeignet

Die DE 602 06 786 T2 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung von Gewichtsparametern eines Sitzpassagiers, bei dem mindestens zwei Parameter eines Belegungssensors ermittelt werden und über eine Korrelation ein Wahrscheinlichkeitsvektor bestimmt wird, der es erlaubt, einen bestimmten Sitzpassagier zu erkennen.

Die DE 10 2012 002 037 AI offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung von

Fahrerzustandsanalysen, bei der am Rücken des Fahrers bzw. in der Rückenlehne eines Fahrersitzes angeordnete flach ausgebildete Elektromyografie-Sensoren (EMG Sensoren) anhand von mathematischen Vitalanalysen den Fahrerzustand bestimmen sollen.

Geht man in der eingangs genannten Zusammenschau der Fachgebiete weiter zur

Gestaltung von Oberflächen, z.B. im Fahrzeuginnenraum/ KFZ-Innenraum, so sind dort dekorative Flächenmaterialien allgemein bei einer Vielzahl von Gegenständen bekannt. So weisen z. B. Armaturenbretter, Sitzbezüge und Türverkleidungen für Kraftfahrzeuge Leder- oder Textilbezüge auf, oder auch kunstlederne Innenverkleidungen /

Kunststoffinnenverkleidungenmit dreidimensional geprägter Oberflächen bzw. Narbung.

Folien für die Innenverkleidung von Kraftfahrzeugen, für Möbel, Taschen oder ähnliches, landläufig auch als Kunstleder bezeichnet, besitzen oft einen mehrschichtigen Aufbau, sind vielfach unterschäumt und zeigen auf ihrer Oberseite dreidimensional strukturierte Oberflächen in verschiedensten Formen und Ausführungen. Der mehrschichtige Aufbau besteht in aller Regel aus einer oberen Deck- oder Dekorschicht, die mit der geprägten oder eingeformten Oberfläche versehen ist, und aus einer oder mehreren Unterschichten. Die Deckschicht ist in der Regel mit einer Lackschicht versehen und kann auch eingefärbt werden. Durch entsprechendes Einstellen der Schichten, auch durch angepasste Weichheit oder durch die bereits genannten geschäumten Schichten entsteht eine ansprechende Haptik, d.h. eine angenehm„weiche" Griffigkeit der Kunststofffolie sowie auch ein bestimmter Glanz, d.h. bestimmte Reflexionseigenschaften.

Weiterhin sind im Stand der Technik flächige Sensoren bekannt, beispielsweise ausgebildet als Berührungssensoren, als resistive und kapazitive Systeme. Resistive Systeme beruhen in der Regel auf zwei Lagen mit elektrisch leitendem oder halbleitendem Material (häufig ITO = Indium- Zinnoxid), wobei beide Lagen durch eine dünne

Luftschicht oder Mikropunkte beabstandet sind. Durch Druck auf eine bestimmte Stelle werden beide Lagen kontaktiert und ein elektrisches Messsignal, welches durch die untere Lage gesendet wird, wird dadurch verändert. Dadurch lässt sich der Berührungspunkt lokalisieren. Solche Systeme sind Standard für starre Anwendungen wie Displays von Telefonen und Bediengeräten. Flexible und gleichzeitig dehnfähige Anwendungen lassen sich jedoch so nicht realisieren.

Kapazitive Berührungssensoren beruhen auf einem kapazitiven Kupplungseffekt. Durch eine geeignete Beschichtung eines Substrats können auch eine Vielzahl voneinander unabhängige Berührungssensoren realisiert werden, die auch die gleichzeitige Detektion einer Vielzahl von Berührungspunkten erlauben. Typischerweise ist die zu berührende Fläche mit einem Sensor- Array, d.h. mit einer Anordnung einer Vielzahl von horizontalen und vertikalen Sensoren versehen, die als Sender oder Empfänger elektrischer Signale dienen. Ein solches System offenbart die US 2006097991 AI, wobei dort ein so genanntes „Touch-Panel" gezeigt ist, welches eine transparente kapazitive Sensor anordnung aufweist, die unterschiedliche Positionen von Berührungen auf der Bedienfläche oder Funktionsfläche erkennen und in Signale umformen kann. Bekannt sind auch Sensoren auf Basis von leitfähigen Textilien. Solche Sensoren sind flexibel und dehnfähig. Allerdings müssen die leitfähigen textilen Fäden entweder in üblichen textilen Verarbeitungsverfahren (Stricken, Weben etc.) verarbeitet werden, so dass nur flächige einzelne/separate elektrische Gebilde erzeugt werden können ohne eine benutzerdefinierte Geometrie. Als Alternative können die leitfähigen Fäden

benutzerdefiniert auf einen textilen Untergrund aufgestickt werden, so dass ein

aufwändiger Arbeitsgang notwendig ist und die textile Ebenheit deutlich negativ beeinflusst ist.

Die US 7,145,432 B2 offenbart ein druckempfindliches flexibles Schaltelement in

Folienform als Bedienungselement (user interface), welches textilartige Elektroden aufweist, die über und unter einem textilen Element angeordnet sind, welches seinen elektrischen Widerstand druckabhängig ändert. Die Elektroden detektieren die

Widerstandsänderung und erzeugen somit ein in vielen Anwendungen verwertbares Signal. Wird ein solches Bedienelement jedoch unter starker Dehnung auf einen Träger gespannt und dort fixiert, ist in den gedehnten Bereichen die Schaltfunktion verändert oder behindert. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass im Stand der Technik auf vielen mehr oder weniger benachbarten Fachgebieten viele Ansätze zur Funktionalisierung von Folien, zur Einbindung von Sensorik in Oberflächen, zum Beispiel in Polstersitze, zur Erkennung von einwirkenden Belastungen oder zur Erkennung von auf einem Sitz sich aufhaltenden

Personen vorhanden sind, dass jedoch eine präzise Individualisierung und eine Zuordnung bzw. Erkennung von autorisierten Personen bisher nicht ausreichend realisiert worden ist.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, ein Verfahren zur Erkennung einer auf eine Oberfläche eines Gegenstands einwirkenden Konstellation von Kräften und/oder

Einwirkungen oder Umgebungszuständen und eine dazu geeignetes Bezugs- oder Beschichtungsmaterial für den Gegenstand bereitzustellen, wobei eine individuelle Erkennung und Zuordnung von Kraftkonstellationen, von Einwirkungen durch Personen und Zustände möglich wird und damit auch ein Autorisierung oder eine

Sicherheitsfunktion realisierbar ist oder auch eine individuelle Einstellung von

Einrichtungen oder Funktionen auf die jeweilige Person, also z.B. auf den jeweiligen Fahrzeuginsassen ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Dabei wird eine auf Gegenstandsoberfläche einwirkende Konstellation aus mechanischen Kräften und/oder Zuständen durch Sensoren detektiert, die einzelnen jeweils diskreten Oberflächenbereichen zugeordnet sind, und diese Konstellation in Form entsprechender Sensorsignale an das Steuergerät übermittelt und dort mit Hilfe der Recheneinheit und entsprechenden Algorithmen so verarbeitet, dass die Sensorsignale bzw. deren Stärke, zeitliche Abfolge etc. einer durch eine im Wesentlichen zeitgleiche Vielzahl von Kräften und/oder Zuständen gekennzeichnete Konstellation als Referenzmuster abgespeichert werden, wobei jeweils aktuelle nachfolgende und ebenfalls nach vorgegebenen

Algorithmen ermittelte Konstellationen mit einem oder mehreren vorherigen

Referenzmustern verglichen werden, wobei bei einer durch die Recheneinheit ermittelten vorgegebenen Ähnlichkeit oder Identität der Konstellationen mit einem Referenzmuster durch die Recheneinheit bzw. das Steuergerät vorgegebene Signale oder Stellgrößen erzeugt und ausgegeben werden für insbesondere Betätigungseinrichtungen, Stell- oder Signalelemente oder wobei bei einer durch die Recheneinheit ermittelten vorgegebenen Ähnlichkeit oder Identität der Konstellationen weitere Rechen- oder

Authentifizierungsoperationen in mindestens der Recheneinheit des Steuergeräts gestartet werden.

Durch einen solchen Vergleich von eine aktuellen solchen Konstellationen mit den Konstellationen, die vorher als Referenzen / Referenzmuster ermittelt und abgespeichert wurden, kann festgestellt werden ob eine bereits bekannte Konstellation wieder vorhanden ist, also etwa ob eine Person, die aktuell auf z.B. einem Sitz platzgenommen hat, schon einmal auf diesen Sitz gesessen und eine entsprechende Druckverteilung bzw.

Kraftverteilung auf dem Sitz erzeugt hat. Das lässt sich dann dadurch feststellen, dass beispielsweise die lokale, einzelnen Bereichen zugeordnete Kraftverteilung auf dem Sitz, der Schwerpunkt, das Körpergewicht und daraus die Sitzhaltung oder die Sitzdynamik ermittelt wird und mit den entsprechenden Größen einer vorherigen Belastung verglichen werden kann. Vorteilhafterweise geschieht dies mit dem Ziel der Erkennung und ggf. Autorisierung einer auf einem Sitzmöbel, vorzugsweise auf eine Fahrzeugsitz befindlichen Person, wobei die Sensoren innerhalb der Sitzfläche oder Sitzoberfläche angeordnet sind und mit Hilfe der Sensoren eine durch die Person verursachte spezifisch verteilte Gewichtsbelastung, Formänderung oder Eindrucktiefe der Sitzoberfläche und/oder die dynamische Änderung einer solchen Größe erfasst und mit einem oder mehreren vorherigen entsprechenden

Referenzmustern verglichen werden, wobei bei einer durch die Recheneinheit ermittelten vorgegebenen Ähnlichkeit oder Identität dieser Größen mit einem Referenzmuster durch die Recheneinheit bzw. das Steuergerät vorgegebene Signale und/oder Stellgrößen erzeugt und ausgegeben werden. Die in der Recheneinheit daraus unter anderem ermittelte

Körperhaltung, Gewichtsverteilung und auch deren dynamische Veränderung sind mit einer gewissen Toleranz individuell für jede Person feststellbar und als Muster wieder erkennbar.

Stellt man nun mithilfe dieses Verfahrens fest, dass die Person, die nun auf dem Sitz sich befindet, bereits vorher dort gesessen hat, so können dieselben Einstellungen wieder vorgenommen werden, die diese Person eventuell für bei dem vorhergehenden Sitzen auf diesem Sitzplatz für sich festgelegt hat. Dies können die Einstellungen des Sitzes selbst sein, dies können aber auch Beleuchtungseinrichtungen, Klimaeinrichtungen, allgemeine Komforteinstellungen etc. sein. Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung und ggf. Autorisierung einer auf einem Fahrzeugsitz befindlichen Person genutzt wird, bei dem durch die Recheneinheit bzw. das Steuergerät Signale und/oder Stellgrößen für mindestens die personenbezogene Einstellung des Fahrzeugsitzes oder für personenbezogene Einstellungen der Klimaanlage, der Fahrzeugbedienelemente oder Fahrzeugeinrichtungen, Spiegel etc. erzeugt und ausgegeben werden. Durch eine solche Individualisierung ist es zum Beispiel bei einem Fahrersitz eines Kraftfahrzeugs möglich, nach dem Einsteigen des Fahrers sämtliche Fahrzeugeinstellungen wieder bereitzustellen die derselbe Fahrer bereits bei vorigen Fahrten für sich als optimal eingestellt hat. Dies ist besonders vorteilhaft für Fahrzeuge, die von mehreren Fahrern benutzt werden.

Natürlich gilt dasselbe prinzipiell für jeden anderen Gegenstand, auf dessen Oberfläche Kräfte einwirken, aber eben insbesondere für Sitze oder Liegen, deren Oberfläche in direktem Kontakt mit Individuen steht. So könnten beispielsweise Sensoren in einem Bürostuhl oder in einem Wohnzimmersessel über eine angeschlossene Steuerungs- oder Rechnereinheit bestimmte Einrichtungen in dem Zimmer schalten oder Beleuchtungen und Belüftungen betätigen.

Eine weitere selbsterklärend vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Vergleich mit Referenzmustern zur Warnung bei falscher Sitzposition, zur Müdigkeitserkennung oder für eine Sicherheitsfahrschaltung bzw. Totmanneinrichtung genutzt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht bei seiner Nutzung zur Erkennung und ggf. Autorisierung einer auf einem Fahrzeugsitz befindlichen Person darin, dass durch die Recheneinheit bzw. das Steuergerät Signale an die

Recheneinheit des Steuergeräts oder weitere Steuergeräte des Fahrzeugs gegeben werden und mit Hilfe eines dort vorgegebenen Algorithmus eine Authentifizierungsoperationen/ Authentifizierungsrechnung gestartet wird, wobei vorteilhafterweise bei mangelnder Authentifizierung Fahrzeugbedienelemente oder Fahrzeugeinrichtungen blockiert oder nicht entsichert werden. Diesbezüglich ist es beispielsweise möglich, dass das Verfahren im Zusammenspiel mit einem Keyless-Entry-System für ein Kraftfahrzeug so genutzt wird, dass eine

Verifizierung und Authentisierung der Person vorgenommen wird, nachdem das Auto geöffnet und die Person auf dem Fahrersitz Platz genommen hat. Auch andere Einsätze sind möglich, beispielsweise die Autorisierung von Bedienungspersonal für eine Maschine oder für einen Computer anhand eines Referenzmusters für die Belegung eines Sitzes oder für die auf eine Oberfläche etwa eines Griffs, einer Taste oder eines Joy-Sticks

einwirkende Konstellation von ein oder mehreren mechanischen Kräften und/oder physikalisch/chemischen Zuständen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein flächiges, vorzugsweise mehrschichtiges Bezugs- oder Beschichtungsmaterial für Oberflächen von Gegenständen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere dekoratives Bezugsmaterial für einen Fahrzeugsitz, in welchem Sensor- und/oder Signalelemente in Form von sensorischen Schichten oder vernetzten Sensoren (z.B. Sensornetzwerke) ausgebildet und diskreten Flächenbereichen bzw. Oberflächenbereichen so zugeordnet sind, so dass durch äußere Einwirkungen veränderbare Zustandsgrößen der diskreten Flächen-/Oberflächenbereiche detektierbar und als entsprechende Signale an ein Steuergerät übermittelbar und dort mit Hilfe eines Algorithmus verarbeitbar sind. Durch die Integration der Sensoren-und Signalelemente innerhalb des Bezugs- oder Beschichtungsmaterial lassen sich auf sehr einfache Weise entsprechende Gegenstände zur Durchführung des Verfahrens ausrüsten. Dabei ist auch noch eine Nachrüstung möglich und es ist nicht erforderlich, z.B. einzelne Sensoren Stück für Stück in die Gegenstandsoberfläche einzubauen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung eines solchen Bezugs- oder Beschichtungsmaterials besteht darin, dass die Sensor- und/oder Signalelemente in Form von sensorischen

Schichten aus einer oder mehreren Schichten aus leitfähiger Paste aufgebaut sind, vorzugsweise aufgebracht im Siebdruckverfahren auf eine der Schichten des Bezugs- oder Beschichtungsmaterials, wobei die sensorischen Schichten vorzugsweise so aufgebaut sind, dass Zustandsänderungen der begrenzten Bereiche über induktive, kapazitive oder triboelektrische Effekte detektiert werden, vorzugsweise im Zusammenwirken

miteinander. Solche Schichten können, wie oben einleitend dargestellt, so aufgebaut sein, dass sie z.B. kapazitiv oder induktiv wirken und dadurch entsprechende Signale erzeugen. Durch ein solches Beschichtung oder Bezugsmaterial lassen sich sehr flach ausgebildete Sensoriksy steme bereitstellen, die auf den Gegenstandsoberflächen kaum auftragen und somit nicht auffallen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass Sensor- und/oder Signalelemente als leitfähige Fäden oder Filamente ausgebildet sind, vorzugsweise aufgebracht auf oder eingewebt in eine der Schichten des Bezugs- oder Beschichtungsmaterials, hier z.B. in eine textile Grund- oder Trägerschicht des Bezugsmaterials, wobei die Fäden oder Filamente vorzugsweise so angeordnet sind, dass Zustandsänderungen der begrenzten Bereiche über induktive, kapazitive oder triboelektrische Effekte detektiert werden, vorzugsweise im Zusammenwirken miteinander.

Wie bereits oben anhand der Beispiele ausgeführt, kann ein solches Verfahren oder ein entsprechendes erfindungsgemäßes Bezugs-oder Beschichtungsmaterial insbesondere für einen Fahrzeugsitz für ein Kraftfahrzeug genutzt werden.