Fast Readout and Low Power Consumption in Capacitive Touch Screen Panel by Downsampling

This paper reports on downsampling-based techniques to achieve low power consumption and fast readout for capacitive touch screen panels. Here, touch interactivity is processed as an image, which is downsampled and reconstructed to estimate the touch position. After the reconstruction, a regional scan is performed around the reconstructed touch location to retrieve accurate touch information. Based on experimental and simulation results, we successfully decreased readout time and power consumption by 11.3 ms (68%) and 8.79 mW (68.7%), respectively, when only 25% sensors were selected. The presented technique yields higher responsivity and lower power consumption while maintaining detection accuracy

Grasp-sensitive surfaces

Grasping objects with our hands allows us to skillfully move and manipulate them. Hand-held tools further extend our capabilities by adapting precision, power, and shape of our hands to the task at hand. Some of these tools, such as mobile phones or computer mice, already incorporate information processing capabilities. Many other tools may be augmented with small, energy-efficient digital sensors and processors. This allows for graspable objects to learn about the user grasping them - and supporting the user's goals. For example, the way we grasp a mobile phone might indicate whether we want to take a photo or call a friend with it - and thus serve as a shortcut to that action. A power drill might sense whether the user is grasping it firmly enough and refuse to turn on if this is not the case. And a computer mouse could distinguish between intentional and unintentional movement and ignore the latter. This dissertation gives an overview of grasp sensing for human-computer interaction, focusing on technologies for building grasp-sensitive surfaces and challenges in designing grasp-sensitive user interfaces. It comprises three major contributions: a comprehensive review of existing research on human grasping and grasp sensing, a detailed description of three novel prototyping tools for grasp-sensitive surfaces, and a framework for analyzing and designing grasp interaction: For nearly a century, scientists have analyzed human grasping. My literature review gives an overview of definitions, classifications, and models of human grasping. A small number of studies have investigated grasping in everyday situations. They found a much greater diversity of grasps than described by existing taxonomies. This diversity makes it difficult to directly associate certain grasps with users' goals. In order to structure related work and own research, I formalize a generic workflow for grasp sensing. It comprises *capturing* of sensor values, *identifying* the associated grasp, and *interpreting* the meaning of the grasp. A comprehensive overview of related work shows that implementation of grasp-sensitive surfaces is still hard, researchers often are not aware of related work from other disciplines, and intuitive grasp interaction has not yet received much attention. In order to address the first issue, I developed three novel sensor technologies designed for grasp-sensitive surfaces. These mitigate one or more limitations of traditional sensing techniques: **HandSense** uses four strategically positioned capacitive sensors for detecting and classifying grasp patterns on mobile phones. The use of custom-built high-resolution sensors allows detecting proximity and avoids the need to cover the whole device surface with sensors. User tests showed a recognition rate of 81%, comparable to that of a system with 72 binary sensors. **FlyEye** uses optical fiber bundles connected to a camera for detecting touch and proximity on arbitrarily shaped surfaces. It allows rapid prototyping of touch- and grasp-sensitive objects and requires only very limited electronics knowledge. For FlyEye I developed a *relative calibration* algorithm that allows determining the locations of groups of sensors whose arrangement is not known. **TDRtouch** extends Time Domain Reflectometry (TDR), a technique traditionally used for inspecting cable faults, for touch and grasp sensing. TDRtouch is able to locate touches along a wire, allowing designers to rapidly prototype and implement modular, extremely thin, and flexible grasp-sensitive surfaces. I summarize how these technologies cater to different requirements and significantly expand the design space for grasp-sensitive objects. Furthermore, I discuss challenges for making sense of raw grasp information and categorize interactions. Traditional application scenarios for grasp sensing use only the grasp sensor's data, and only for mode-switching. I argue that data from grasp sensors is part of the general usage context and should be only used in combination with other context information. For analyzing and discussing the possible meanings of grasp types, I created the GRASP model. It describes five categories of influencing factors that determine how we grasp an object: *Goal* -- what we want to do with the object, *Relationship* -- what we know and feel about the object we want to grasp, *Anatomy* -- hand shape and learned movement patterns, *Setting* -- surrounding and environmental conditions, and *Properties* -- texture, shape, weight, and other intrinsics of the object I conclude the dissertation with a discussion of upcoming challenges in grasp sensing and grasp interaction, and provide suggestions for implementing robust and usable grasp interaction.Die Fähigkeit, Gegenstände mit unseren Händen zu greifen, erlaubt uns, diese vielfältig zu manipulieren. Werkzeuge erweitern unsere Fähigkeiten noch, indem sie Genauigkeit, Kraft und Form unserer Hände an die Aufgabe anpassen. Digitale Werkzeuge, beispielsweise Mobiltelefone oder Computermäuse, erlauben uns auch, die Fähigkeiten unseres Gehirns und unserer Sinnesorgane zu erweitern. Diese Geräte verfügen bereits über Sensoren und Recheneinheiten. Aber auch viele andere Werkzeuge und Objekte lassen sich mit winzigen, effizienten Sensoren und Recheneinheiten erweitern. Dies erlaubt greifbaren Objekten, mehr über den Benutzer zu erfahren, der sie greift - und ermöglicht es, ihn bei der Erreichung seines Ziels zu unterstützen. Zum Beispiel könnte die Art und Weise, in der wir ein Mobiltelefon halten, verraten, ob wir ein Foto aufnehmen oder einen Freund anrufen wollen - und damit als Shortcut für diese Aktionen dienen. Eine Bohrmaschine könnte erkennen, ob der Benutzer sie auch wirklich sicher hält und den Dienst verweigern, falls dem nicht so ist. Und eine Computermaus könnte zwischen absichtlichen und unabsichtlichen Mausbewegungen unterscheiden und letztere ignorieren. Diese Dissertation gibt einen Überblick über Grifferkennung (*grasp sensing*) für die Mensch-Maschine-Interaktion, mit einem Fokus auf Technologien zur Implementierung griffempfindlicher Oberflächen und auf Herausforderungen beim Design griffempfindlicher Benutzerschnittstellen. Sie umfasst drei primäre Beiträge zum wissenschaftlichen Forschungsstand: einen umfassenden Überblick über die bisherige Forschung zu menschlichem Greifen und Grifferkennung, eine detaillierte Beschreibung dreier neuer Prototyping-Werkzeuge für griffempfindliche Oberflächen und ein Framework für Analyse und Design von griff-basierter Interaktion (*grasp interaction*). Seit nahezu einem Jahrhundert erforschen Wissenschaftler menschliches Greifen. Mein Überblick über den Forschungsstand beschreibt Definitionen, Klassifikationen und Modelle menschlichen Greifens. In einigen wenigen Studien wurde bisher Greifen in alltäglichen Situationen untersucht. Diese fanden eine deutlich größere Diversität in den Griffmuster als in existierenden Taxonomien beschreibbar. Diese Diversität erschwert es, bestimmten Griffmustern eine Absicht des Benutzers zuzuordnen. Um verwandte Arbeiten und eigene Forschungsergebnisse zu strukturieren, formalisiere ich einen allgemeinen Ablauf der Grifferkennung. Dieser besteht aus dem *Erfassen* von Sensorwerten, der *Identifizierung* der damit verknüpften Griffe und der *Interpretation* der Bedeutung des Griffes. In einem umfassenden Überblick über verwandte Arbeiten zeige ich, dass die Implementierung von griffempfindlichen Oberflächen immer noch ein herausforderndes Problem ist, dass Forscher regelmäßig keine Ahnung von verwandten Arbeiten in benachbarten Forschungsfeldern haben, und dass intuitive Griffinteraktion bislang wenig Aufmerksamkeit erhalten hat. Um das erstgenannte Problem zu lösen, habe ich drei neuartige Sensortechniken für griffempfindliche Oberflächen entwickelt. Diese mindern jeweils eine oder mehrere Schwächen traditioneller Sensortechniken: **HandSense** verwendet vier strategisch positionierte kapazitive Sensoren um Griffmuster zu erkennen. Durch die Verwendung von selbst entwickelten, hochauflösenden Sensoren ist es möglich, schon die Annäherung an das Objekt zu erkennen. Außerdem muss nicht die komplette Oberfläche des Objekts mit Sensoren bedeckt werden. Benutzertests ergaben eine Erkennungsrate, die vergleichbar mit einem System mit 72 binären Sensoren ist. **FlyEye** verwendet Lichtwellenleiterbündel, die an eine Kamera angeschlossen werden, um Annäherung und Berührung auf beliebig geformten Oberflächen zu erkennen. Es ermöglicht auch Designern mit begrenzter Elektronikerfahrung das Rapid Prototyping von berührungs- und griffempfindlichen Objekten. Für FlyEye entwickelte ich einen *relative-calibration*-Algorithmus, der verwendet werden kann um Gruppen von Sensoren, deren Anordnung unbekannt ist, semi-automatisch anzuordnen. **TDRtouch** erweitert Time Domain Reflectometry (TDR), eine Technik die üblicherweise zur Analyse von Kabelbeschädigungen eingesetzt wird. TDRtouch erlaubt es, Berührungen entlang eines Drahtes zu lokalisieren. Dies ermöglicht es, schnell modulare, extrem dünne und flexible griffempfindliche Oberflächen zu entwickeln. Ich beschreibe, wie diese Techniken verschiedene Anforderungen erfüllen und den *design space* für griffempfindliche Objekte deutlich erweitern. Desweiteren bespreche ich die Herausforderungen beim Verstehen von Griffinformationen und stelle eine Einteilung von Interaktionsmöglichkeiten vor. Bisherige Anwendungsbeispiele für die Grifferkennung nutzen nur Daten der Griffsensoren und beschränken sich auf Moduswechsel. Ich argumentiere, dass diese Sensordaten Teil des allgemeinen Benutzungskontexts sind und nur in Kombination mit anderer Kontextinformation verwendet werden sollten. Um die möglichen Bedeutungen von Griffarten analysieren und diskutieren zu können, entwickelte ich das GRASP-Modell. Dieses beschreibt fünf Kategorien von Einflussfaktoren, die bestimmen wie wir ein Objekt greifen: *Goal* -- das Ziel, das wir mit dem Griff erreichen wollen, *Relationship* -- das Verhältnis zum Objekt, *Anatomy* -- Handform und Bewegungsmuster, *Setting* -- Umgebungsfaktoren und *Properties* -- Eigenschaften des Objekts, wie Oberflächenbeschaffenheit, Form oder Gewicht. Ich schließe mit einer Besprechung neuer Herausforderungen bei der Grifferkennung und Griffinteraktion und mache Vorschläge zur Entwicklung von zuverlässiger und benutzbarer Griffinteraktion

Signal and Information Processing Methods for Embedded Robotic Tactile Sensing Systems

The human skin has several sensors with different properties and responses that are able to detect stimuli resulting from mechanical stimulations. Pressure sensors are the most important type of receptors for the exploration and manipulation of objects. In the last decades, smart tactile sensing based on different sensing techniques have been developed as their application in robotics and prosthetics is considered of huge interest, mainly driven by the prospect of autonomous and intelligent robots that can interact with the environment. However, regarding object properties estimation on robots, hardness detection is still a major limitation due to the lack of techniques to estimate it. Furthermore, finding processing methods that can interpret the measured information from multiple sensors and extract relevant information is a Challenging task. Moreover, embedding processing methods and machine learning algorithms in robotic applications to extract meaningful information such as object properties from tactile data is an ongoing challenge, which is controlled by the device constraints (power constraint, memory constraints, etc.), the computational complexity of the processing and machine learning algorithms, the application requirements (real-time operations, high prediction performance). In this dissertation, we focus on the design and implementation of pre-processing methods and machine learning algorithms to handle the aforementioned challenges for a tactile sensing system in robotic application. First, we propose a tactile sensing system for robotic application. Then we present efficient preprocessing and feature extraction methods for our tactile sensors. Then we propose a learning strategy to reduce the computational cost of our processing unit in object classification using sensorized Baxter robot. Finally, we present a real-time robotic tactile sensing system for hardness classification on a resource-constrained devices. The first study represents a further assessment of the sensing system that is based on the PVDF sensors and the interface electronics developed in our lab. In particular, first, it presents the development of a skin patch (multilayer structure) that allows us to use the sensors in several applications such as robotic hand/grippers. Second, it shows the characterization of the developed skin patch. Third, it validates the sensing system. Moreover, we designed a filter to remove noise and detect touch. The experimental assessment demonstrated that the developed skin patch and the interface electronics indeed can detect different touch patterns and stimulus waveforms. Moreover, the results of the experiments defined the frequency range of interest and the response of the system to realistic interactions with the sensing system to grasp and release events. In the next study, we presented an easy integration of our tactile sensing system into Baxter gripper. Computationally efficient pre-processing techniques were designed to filter the signal and extract relevant information from multiple sensor signals, in addition to feature extraction methods. These processing methods aim in turn to reduce also the computational complexity of machine learning algorithms utilized for object classification. The proposed system and processing strategy were evaluated on object classification application by integrating our system into the gripper and we collected data by grasping multiple objects. We further proposed a learning strategy to accomplish a trade-off between the generalization accuracy and the computational cost of the whole processing unit. The proposed pre-processing and feature extraction techniques together with the learning strategy have led to models with extremely low complexity and very high generalization accuracy. Moreover, the support vector machine achieved the best trade-off between accuracy and computational cost on tactile data from our sensors. Finally, we presented the development and implementation on the edge of a real–time tactile sensing system for hardness classification on Baxter robot based on machine and deep learning algorithms. We developed and implemented in plain C a set of functions that provide the fundamental layer functionalities of the Machine learning and Deep Learning models (ML and DL), along with the pre–processing methods to extract the features and normalize the data. The models can be deployed to any device that supports C code since it does not rely on any of the existing libraries. Shallow ML/DL algorithms for the deployment on resource–constrained devices are designed. To evaluate our work, we collected data by grasping objects of different hardness and shape. Two classification problems were addressed: 5 levels of hardness classified on the same objects’ shape, and 5 levels of hardness classified on two different objects’ shape. Furthermore, optimization techniques were employed. The models and pre–processing were implemented on a resource constrained device, where we assessed the performance of the system in terms of accuracy, memory footprint, time latency, and energy consumption. We achieved for both classification problems a real-time inference (< 0.08 ms), low power consumption (i.e., 3.35 μJ), extremely small models (i.e., 1576 Byte), and high accuracy (above 98%)

A Multi-functional Touch Panel for Multi-Dimensional Sensing in Interactive Displays

This thesis presents a flexible graphene/polyvinylidene difluoride (PVDF)/graphene sandwich for three-dimensional touch interactivity. Here, an x-y plane touch is sensed using graphene capacitive elements, while force sensing in the z-direction is by a piezoelectric PVDF/graphene sandwich. By employing different frequency bands for the capacitive- and force-induced electrical signals, the two stimuli are detected simultaneously, achieving three-dimensional touch sensing. Static force sensing and elimination of propagated stress are achieved by augmenting the transient piezo output with the capacitive touch, thus overcoming the intrinsic inability of the piezoelectric material in detecting non-transient force signals and avoiding force touch mis-registration by propagated stress. As a capacitive signal is important for force touch interpretation, optimization algorithms have been developed and implemented. With correlated double sampling (CDS) and spatial low-pass filtering (SLPF) based techniques, the signal-to-noise ratio (SNR) of the capacitive touch signal is boosted by 15.6 dB, indicating improved detection accuracy. In terms of the readout speed, fixed pattern and random pattern related down-sampling techniques are applied, giving rise to reductions in both readout time (11.3 ms) and power consumption (8.79 mW).China Scholarship Counci

Acoustic-based Smart Tactile Sensing in Social Robots

Mención Internacional en el título de doctorEl sentido del tacto es un componente crucial de la interacción social humana y es único entre los cinco sentidos. Como único sentido proximal, el tacto requiere un contacto físico cercano o directo para registrar la información. Este hecho convierte al tacto en una modalidad de interacción llena de posibilidades en cuanto a comunicación social. A través del tacto, podemos conocer la intención de la otra persona y comunicar emociones. De esta idea surge el concepto de social touch o tacto social como el acto de tocar a otra persona en un contexto social. Puede servir para diversos fines, como saludar, mostrar afecto, persuadir y regular el bienestar emocional y físico. Recientemente, el número de personas que interactúan con sistemas y agentes artificiales ha aumentado, principalmente debido al auge de los dispositivos tecnológicos, como los smartphones o los altavoces inteligentes. A pesar del auge de estos dispositivos, sus capacidades de interacción son limitadas. Para paliar este problema, los recientes avances en robótica social han mejorado las posibilidades de interacción para que los agentes funcionen de forma más fluida y sean más útiles. En este sentido, los robots sociales están diseñados para facilitar interacciones naturales entre humanos y agentes artificiales. El sentido del tacto en este contexto se revela como un vehículo natural que puede mejorar la Human-Robot Interaction (HRI) debido a su relevancia comunicativa en entornos sociales. Además de esto, para un robot social, la relación entre el tacto social y su aspecto es directa, al disponer de un cuerpo físico para aplicar o recibir toques. Desde un punto de vista técnico, los sistemas de detección táctil han sido objeto recientemente de nuevas investigaciones, sobre todo dedicado a comprender este sentido para crear sistemas inteligentes que puedan mejorar la vida de las personas. En este punto, los robots sociales se han convertido en dispositivos muy populares que incluyen tecnologías para la detección táctil. Esto está motivado por el hecho de que un robot puede esperada o inesperadamente tener contacto físico con una persona, lo que puede mejorar o interferir en la ejecución de sus comportamientos. Por tanto, el sentido del tacto se antoja necesario para el desarrollo de aplicaciones robóticas. Algunos métodos incluyen el reconocimiento de gestos táctiles, aunque a menudo exigen importantes despliegues de hardware que requieren de múltiples sensores. Además, la fiabilidad de estas tecnologías de detección es limitada, ya que la mayoría de ellas siguen teniendo problemas tales como falsos positivos o tasas de reconocimiento bajas. La detección acústica, en este sentido, puede proporcionar un conjunto de características capaces de paliar las deficiencias anteriores. A pesar de que se trata de una tecnología utilizada en diversos campos de investigación, aún no se ha integrado en la interacción táctil entre humanos y robots. Por ello, en este trabajo proponemos el sistema Acoustic Touch Recognition (ATR), un sistema inteligente de detección táctil (smart tactile sensing system) basado en la detección acústica y diseñado para mejorar la interacción social humano-robot. Nuestro sistema está desarrollado para clasificar gestos táctiles y localizar su origen. Además de esto, se ha integrado en plataformas robóticas sociales y se ha probado en aplicaciones reales con éxito. Nuestra propuesta se ha enfocado desde dos puntos de vista: uno técnico y otro relacionado con el tacto social. Por un lado, la propuesta tiene una motivación técnica centrada en conseguir un sistema táctil rentable, modular y portátil. Para ello, en este trabajo se ha explorado el campo de las tecnologías de detección táctil, los sistemas inteligentes de detección táctil y su aplicación en HRI. Por otro lado, parte de la investigación se centra en el impacto afectivo del tacto social durante la interacción humano-robot, lo que ha dado lugar a dos estudios que exploran esta idea.The sense of touch is a crucial component of human social interaction and is unique among the five senses. As the only proximal sense, touch requires close or direct physical contact to register information. This fact makes touch an interaction modality full of possibilities regarding social communication. Through touch, we are able to ascertain the other person’s intention and communicate emotions. From this idea emerges the concept of social touch as the act of touching another person in a social context. It can serve various purposes, such as greeting, showing affection, persuasion, and regulating emotional and physical well-being. Recently, the number of people interacting with artificial systems and agents has increased, mainly due to the rise of technological devices, such as smartphones or smart speakers. Still, these devices are limited in their interaction capabilities. To deal with this issue, recent developments in social robotics have improved the interaction possibilities to make agents more seamless and useful. In this sense, social robots are designed to facilitate natural interactions between humans and artificial agents. In this context, the sense of touch is revealed as a natural interaction vehicle that can improve HRI due to its communicative relevance. Moreover, for a social robot, the relationship between social touch and its embodiment is direct, having a physical body to apply or receive touches. From a technical standpoint, tactile sensing systems have recently been the subject of further research, mostly devoted to comprehending this sense to create intelligent systems that can improve people’s lives. Currently, social robots are popular devices that include technologies for touch sensing. This is motivated by the fact that robots may encounter expected or unexpected physical contact with humans, which can either enhance or interfere with the execution of their behaviours. There is, therefore, a need to detect human touch in robot applications. Some methods even include touch-gesture recognition, although they often require significant hardware deployments primarily that require multiple sensors. Additionally, the dependability of those sensing technologies is constrained because the majority of them still struggle with issues like false positives or poor recognition rates. Acoustic sensing, in this sense, can provide a set of features that can alleviate the aforementioned shortcomings. Even though it is a technology that has been utilised in various research fields, it has yet to be integrated into human-robot touch interaction. Therefore, in thiswork,we propose theATRsystem, a smart tactile sensing system based on acoustic sensing designed to improve human-robot social interaction. Our system is developed to classify touch gestures and locate their source. It is also integrated into real social robotic platforms and tested in real-world applications. Our proposal is approached from two standpoints, one technical and the other related to social touch. Firstly, the technical motivation of thiswork centred on achieving a cost-efficient, modular and portable tactile system. For that, we explore the fields of touch sensing technologies, smart tactile sensing systems and their application in HRI. On the other hand, part of the research is centred around the affective impact of touch during human-robot interaction, resulting in two studies exploring this idea.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Pedro Manuel Urbano de Almeida Lima.- Secretaria: María Dolores Blanco Rojas.- Vocal: Antonio Fernández Caballer

Reduction of Noise Spikes in Touch Screen Systems by Low Pass Spatial Filtering

This paper reports on a low-pass spatial filtering technique for reduction of noise spikes in capacitive touch screen panels. Filter bandwidth is adjusted by dynamically evaluating attenuation of signal and noise spikes. Based on the experimental results, we boost the signal-to-noise ratio by 15.6 dB and attenuate noise spikes by 19.25 dB. The processed signal yields higher detection accuracy and lower power consumption

Machine learning techniques for implicit interaction using mobile sensors

Interactions in mobile devices normally happen in an explicit manner, which means that they are initiated by the users. Yet, users are typically unaware that they also interact implicitly with their devices. For instance, our hand pose changes naturally when we type text messages. Whilst the touchscreen captures finger touches, hand movements during this interaction however are unused. If this implicit hand movement is observed, it can be used as additional information to support or to enhance the users’ text entry experience. This thesis investigates how implicit sensing can be used to improve existing, standard interaction technique qualities. In particular, this thesis looks into enhancing front-of-device interaction through back-of-device and hand movement implicit sensing. We propose the investigation through machine learning techniques. We look into problems on how sensor data via implicit sensing can be used to predict a certain aspect of an interaction. For instance, one of the questions that this thesis attempts to answer is whether hand movement during a touch targeting task correlates with the touch position. This is a complex relationship to understand but can be best explained through machine learning. Using machine learning as a tool, such correlation can be measured, quantified, understood and used to make predictions on future touch position. Furthermore, this thesis also evaluates the predictive power of the sensor data. We show this through a number of studies. In Chapter 5 we show that probabilistic modelling of sensor inputs and recorded touch locations can be used to predict the general area of future touches on touchscreen. In Chapter 7, using SVM classifiers, we show that data from implicit sensing from general mobile interactions is user-specific. This can be used to identify users implicitly. In Chapter 6, we also show that touch interaction errors can be detected from sensor data. In our experiment, we show that there are sufficient distinguishable patterns between normal interaction signals and signals that are strongly correlated with interaction error. In all studies, we show that performance gain can be achieved by combining sensor inputs

Grasp-sensitive surfaces

Grasping objects with our hands allows us to skillfully move and manipulate them. Hand-held tools further extend our capabilities by adapting precision, power, and shape of our hands to the task at hand. Some of these tools, such as mobile phones or computer mice, already incorporate information processing capabilities. Many other tools may be augmented with small, energy-efficient digital sensors and processors. This allows for graspable objects to learn about the user grasping them - and supporting the user's goals. For example, the way we grasp a mobile phone might indicate whether we want to take a photo or call a friend with it - and thus serve as a shortcut to that action. A power drill might sense whether the user is grasping it firmly enough and refuse to turn on if this is not the case. And a computer mouse could distinguish between intentional and unintentional movement and ignore the latter. This dissertation gives an overview of grasp sensing for human-computer interaction, focusing on technologies for building grasp-sensitive surfaces and challenges in designing grasp-sensitive user interfaces. It comprises three major contributions: a comprehensive review of existing research on human grasping and grasp sensing, a detailed description of three novel prototyping tools for grasp-sensitive surfaces, and a framework for analyzing and designing grasp interaction: For nearly a century, scientists have analyzed human grasping. My literature review gives an overview of definitions, classifications, and models of human grasping. A small number of studies have investigated grasping in everyday situations. They found a much greater diversity of grasps than described by existing taxonomies. This diversity makes it difficult to directly associate certain grasps with users' goals. In order to structure related work and own research, I formalize a generic workflow for grasp sensing. It comprises *capturing* of sensor values, *identifying* the associated grasp, and *interpreting* the meaning of the grasp. A comprehensive overview of related work shows that implementation of grasp-sensitive surfaces is still hard, researchers often are not aware of related work from other disciplines, and intuitive grasp interaction has not yet received much attention. In order to address the first issue, I developed three novel sensor technologies designed for grasp-sensitive surfaces. These mitigate one or more limitations of traditional sensing techniques: **HandSense** uses four strategically positioned capacitive sensors for detecting and classifying grasp patterns on mobile phones. The use of custom-built high-resolution sensors allows detecting proximity and avoids the need to cover the whole device surface with sensors. User tests showed a recognition rate of 81%, comparable to that of a system with 72 binary sensors. **FlyEye** uses optical fiber bundles connected to a camera for detecting touch and proximity on arbitrarily shaped surfaces. It allows rapid prototyping of touch- and grasp-sensitive objects and requires only very limited electronics knowledge. For FlyEye I developed a *relative calibration* algorithm that allows determining the locations of groups of sensors whose arrangement is not known. **TDRtouch** extends Time Domain Reflectometry (TDR), a technique traditionally used for inspecting cable faults, for touch and grasp sensing. TDRtouch is able to locate touches along a wire, allowing designers to rapidly prototype and implement modular, extremely thin, and flexible grasp-sensitive surfaces. I summarize how these technologies cater to different requirements and significantly expand the design space for grasp-sensitive objects. Furthermore, I discuss challenges for making sense of raw grasp information and categorize interactions. Traditional application scenarios for grasp sensing use only the grasp sensor's data, and only for mode-switching. I argue that data from grasp sensors is part of the general usage context and should be only used in combination with other context information. For analyzing and discussing the possible meanings of grasp types, I created the GRASP model. It describes five categories of influencing factors that determine how we grasp an object: *Goal* -- what we want to do with the object, *Relationship* -- what we know and feel about the object we want to grasp, *Anatomy* -- hand shape and learned movement patterns, *Setting* -- surrounding and environmental conditions, and *Properties* -- texture, shape, weight, and other intrinsics of the object I conclude the dissertation with a discussion of upcoming challenges in grasp sensing and grasp interaction, and provide suggestions for implementing robust and usable grasp interaction.Die Fähigkeit, Gegenstände mit unseren Händen zu greifen, erlaubt uns, diese vielfältig zu manipulieren. Werkzeuge erweitern unsere Fähigkeiten noch, indem sie Genauigkeit, Kraft und Form unserer Hände an die Aufgabe anpassen. Digitale Werkzeuge, beispielsweise Mobiltelefone oder Computermäuse, erlauben uns auch, die Fähigkeiten unseres Gehirns und unserer Sinnesorgane zu erweitern. Diese Geräte verfügen bereits über Sensoren und Recheneinheiten. Aber auch viele andere Werkzeuge und Objekte lassen sich mit winzigen, effizienten Sensoren und Recheneinheiten erweitern. Dies erlaubt greifbaren Objekten, mehr über den Benutzer zu erfahren, der sie greift - und ermöglicht es, ihn bei der Erreichung seines Ziels zu unterstützen. Zum Beispiel könnte die Art und Weise, in der wir ein Mobiltelefon halten, verraten, ob wir ein Foto aufnehmen oder einen Freund anrufen wollen - und damit als Shortcut für diese Aktionen dienen. Eine Bohrmaschine könnte erkennen, ob der Benutzer sie auch wirklich sicher hält und den Dienst verweigern, falls dem nicht so ist. Und eine Computermaus könnte zwischen absichtlichen und unabsichtlichen Mausbewegungen unterscheiden und letztere ignorieren. Diese Dissertation gibt einen Überblick über Grifferkennung (*grasp sensing*) für die Mensch-Maschine-Interaktion, mit einem Fokus auf Technologien zur Implementierung griffempfindlicher Oberflächen und auf Herausforderungen beim Design griffempfindlicher Benutzerschnittstellen. Sie umfasst drei primäre Beiträge zum wissenschaftlichen Forschungsstand: einen umfassenden Überblick über die bisherige Forschung zu menschlichem Greifen und Grifferkennung, eine detaillierte Beschreibung dreier neuer Prototyping-Werkzeuge für griffempfindliche Oberflächen und ein Framework für Analyse und Design von griff-basierter Interaktion (*grasp interaction*). Seit nahezu einem Jahrhundert erforschen Wissenschaftler menschliches Greifen. Mein Überblick über den Forschungsstand beschreibt Definitionen, Klassifikationen und Modelle menschlichen Greifens. In einigen wenigen Studien wurde bisher Greifen in alltäglichen Situationen untersucht. Diese fanden eine deutlich größere Diversität in den Griffmuster als in existierenden Taxonomien beschreibbar. Diese Diversität erschwert es, bestimmten Griffmustern eine Absicht des Benutzers zuzuordnen. Um verwandte Arbeiten und eigene Forschungsergebnisse zu strukturieren, formalisiere ich einen allgemeinen Ablauf der Grifferkennung. Dieser besteht aus dem *Erfassen* von Sensorwerten, der *Identifizierung* der damit verknüpften Griffe und der *Interpretation* der Bedeutung des Griffes. In einem umfassenden Überblick über verwandte Arbeiten zeige ich, dass die Implementierung von griffempfindlichen Oberflächen immer noch ein herausforderndes Problem ist, dass Forscher regelmäßig keine Ahnung von verwandten Arbeiten in benachbarten Forschungsfeldern haben, und dass intuitive Griffinteraktion bislang wenig Aufmerksamkeit erhalten hat. Um das erstgenannte Problem zu lösen, habe ich drei neuartige Sensortechniken für griffempfindliche Oberflächen entwickelt. Diese mindern jeweils eine oder mehrere Schwächen traditioneller Sensortechniken: **HandSense** verwendet vier strategisch positionierte kapazitive Sensoren um Griffmuster zu erkennen. Durch die Verwendung von selbst entwickelten, hochauflösenden Sensoren ist es möglich, schon die Annäherung an das Objekt zu erkennen. Außerdem muss nicht die komplette Oberfläche des Objekts mit Sensoren bedeckt werden. Benutzertests ergaben eine Erkennungsrate, die vergleichbar mit einem System mit 72 binären Sensoren ist. **FlyEye** verwendet Lichtwellenleiterbündel, die an eine Kamera angeschlossen werden, um Annäherung und Berührung auf beliebig geformten Oberflächen zu erkennen. Es ermöglicht auch Designern mit begrenzter Elektronikerfahrung das Rapid Prototyping von berührungs- und griffempfindlichen Objekten. Für FlyEye entwickelte ich einen *relative-calibration*-Algorithmus, der verwendet werden kann um Gruppen von Sensoren, deren Anordnung unbekannt ist, semi-automatisch anzuordnen. **TDRtouch** erweitert Time Domain Reflectometry (TDR), eine Technik die üblicherweise zur Analyse von Kabelbeschädigungen eingesetzt wird. TDRtouch erlaubt es, Berührungen entlang eines Drahtes zu lokalisieren. Dies ermöglicht es, schnell modulare, extrem dünne und flexible griffempfindliche Oberflächen zu entwickeln. Ich beschreibe, wie diese Techniken verschiedene Anforderungen erfüllen und den *design space* für griffempfindliche Objekte deutlich erweitern. Desweiteren bespreche ich die Herausforderungen beim Verstehen von Griffinformationen und stelle eine Einteilung von Interaktionsmöglichkeiten vor. Bisherige Anwendungsbeispiele für die Grifferkennung nutzen nur Daten der Griffsensoren und beschränken sich auf Moduswechsel. Ich argumentiere, dass diese Sensordaten Teil des allgemeinen Benutzungskontexts sind und nur in Kombination mit anderer Kontextinformation verwendet werden sollten. Um die möglichen Bedeutungen von Griffarten analysieren und diskutieren zu können, entwickelte ich das GRASP-Modell. Dieses beschreibt fünf Kategorien von Einflussfaktoren, die bestimmen wie wir ein Objekt greifen: *Goal* -- das Ziel, das wir mit dem Griff erreichen wollen, *Relationship* -- das Verhältnis zum Objekt, *Anatomy* -- Handform und Bewegungsmuster, *Setting* -- Umgebungsfaktoren und *Properties* -- Eigenschaften des Objekts, wie Oberflächenbeschaffenheit, Form oder Gewicht. Ich schließe mit einer Besprechung neuer Herausforderungen bei der Grifferkennung und Griffinteraktion und mache Vorschläge zur Entwicklung von zuverlässiger und benutzbarer Griffinteraktion