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2009 | Buch

Motivation und Anwendungen haptischer Systeme Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Entwicklung Haptischer Geräte

Ein Einstieg für Ingenieure

herausgegeben von: Thorsten A. Kern

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

„Entwicklung Haptischer Geräte“ legt den Schwerpunkt auf die technologischen Aspekte der Geräte, die unsere haptische Wahrnehmung beeinflussen und ermöglicht Ingenieuren und Naturwissenschaftlern eine umfassende Einführung in dieses weite und interdisziplinäre Themenfeld.

Den Einstieg erleichtert ein Einblick in die Definition der Haptik aus psychologischer Sicht, gefolgt von einem Blick auf die Haptik im Alltag um ihre Bedeutung besser verstehen zu können, aber auch um ihren Verlust zu bemerken. Über die Definition einer einheitlichen Terminologie werden mit anschaulichen Beispielen aus den biologischen Kenndaten haptischer Wahrnehmung die Parameter abgeleitet, deren Verständnis für die spätere Produktentwicklung notwendig ist. Basierend darauf werden grundlegende Gerätekonzepte vorgestellt und die wesentlichen Komponenten eines haptischen Gerätes eingeführt und in Beziehung zueinander gesetzt. Daraus ergeben sich empfohlene Entscheidungswege für die Entwicklung, die ausführlich beschrieben werden. Anschließend werden sehr konkrete technische Betrachtungen aller relevanten Komponenten und Strukturen durchgeführt. Begonnen wird dies über die übergeordneten Themen der Regelungstechnik sowie den Kinematikentwurf. Anschließend werden Aktortechnologien von elektrodynamischen Systemen bis hin zu Ultraschall- und Polymeraktoren in Entwurf und Auslegung sowie für deren Einsatz in haptischen Systemen diskutiert. Im Bereich Sensortechnik bildet die für rückgekoppelte Systeme besonders relevante Kraftsensorik einen Schwerpunkt. Die Schnittstellen zur Anbindung der Geräte zu umgebenden Systemen sowie die Positionsmesstechnik runden den Hardware-Geräteentwurf ab. Ein Kapitel zu den Grundzügen des Softwareentwurfs für die haptische Interaktion bei der Simulation virtueller Welten gibt einen Einblick in die informationstechnischen Fragestellungen haptischer Entwicklungen.

Die Summe dieser Abschnitte in dem Fokus eines technischen Entwicklungsprozesses stellt die wichtigsten Inhalte der Technologie und Methodik zu ihrer Nutzung klar dar, so dass vom Leser eine Einschätzung der Relevanz bezogen auf das eigene Problem getroffen werden kann.

Das Buch dient also sowohl als Nachschlagewerk für Haptik-relevante Technologien, sowie als Lehrbuch, um Methodiken im Umgang mit ingenieurtechnischen Fragestellung in der Haptik zu definieren und deren Anwendung zu zeigen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen des haptischen Entwurfs

Frontmatter
1. Motivation und Anwendungen haptischer Systeme
Zusammenfassung
Haptik beschreibt den Tastsinn und den Bewegungssinn. Ein Ingenieur ist geneigt die Haptik in Form von Kräften, Auslenkungen, Frequenzen, mechanischen Spannungen und Scherkräften zu beschreiben. Dies ist selbstverständlich vernünftig und fördert die Möglichkeiten zum technischen Entwurf. Dennoch ist die Haptik mehr als das. Haptische Wahrnehmung reicht von einer selbstverständlichen Nebensächlichkeit im Interaktionsalltag, beim Trinken aus einem Glas oder dem Schreiben dieses Textes, über ein Mittel der sozialen Kommunikation, beim Händeschütteln und Auf-die-Schulter-Klopfen, bis hin zu sehr persönlichen und privaten zwischenmenschlichen Erfahrungen. Das folgende Kapitel legt die Bandbreite und den Einfluss der Haptik auf den Menschen jenseits von technischen Beschreibungen dar, und ist nicht zuletzt ein Hinweis an den Entwickler, verantwortungsvoll und bewusst mit der Fähigkeit zur Täuschung dieses Sinnes umzugehen.
Thorsten A. Kern
2. Begriffsklärungen
Zusammenfassung
Im Rahmen der Einführung wurde bereits eine Vielzahl von Begriffen benutzt, die aus dem Kontext haptischer Forschung und Entwicklung stammen. Mit diesem Kapitel ”Begriffsklärungen” wird nun ein systematischer Einstieg in das Feld haptischer Geräteentwicklung begonnen. Die folgenden Abschnitte erläutern die an Forschung und Entwicklung beteiligten Disziplinen, führen in die Begriffe und Bezeichnungen beim Umgang mit haptischen Systemen ein und illustrieren dies mit einigen technischen Beispielen.
Thorsten A. Kern
3. Biologische Grundlagen haptischer Wahrnehmung
Zusammenfassung
In den vorangegangen Kapiteln wurden Beispiele haptischer Systeme diskutiert und die Bedeutung des haptischen Sinns erörtert, ohne eine genaue Vorstellung der Funktion der haptischen Wahrnehmung zu vermitteln. Um einen Entwurf eines haptischen Systems durchführen zu können, ist die Kenntnis grundlegender biologischer Kennwerte notwendig, da nur so Anforderungen an das technische System identifiziert und festgelegt werden können. Dieses Kapitel vermittelt die wichtigsten Begrifflichkeiten sowie Grundlagen zum Verständnis der Neurobiologie haptischer Wahrnehmung. Man beachte, dass die Forschung zur haptischen Wahrnehmung nicht abgeschlossen ist. Demzufolge stellt die hier präsentierte verkürzte Darstellung der komplexen biologischen Zusammenhänge eine fundierte Arbeitshypothese dar, die aber durch neuere Forschung teilweise widerlegt und erweitert werden kann.
Thorsten A. Kern
4. Nutzermodellbildung
Zusammenfassung
Das vorangegangene Kapitel hat gezeigt, dass die für die haptische Wahrnehmung relevanten Mechanorezeptoren frequenzabhängig sind. Die Amplitude einer Schwingung über den Frequenzbereich wird also unterschiedlich intensiv wahrgenommen. Weiterhin hat das letzte Kapitel deutlich gemacht, dass die Dynamik haptischer Wahrnehmung große Anforderungen an den Entwurf technischer Systeme stellt. Da bei haptischen Systemen der Nutzer immer Rückwirkungen auf das mechanische System hat, ist es also notwendig diesen in seinen mechanischen Eigenschaften bei der Auslegung des technischen Systems zu berücksichtigen. Dieses Kapitel setzt sich im ersten Teil mit dieser Beschreibung des Nutzers als Last auseinander. Diese Beschreibung erfolgt zweigeteilt in Abhängigkeit des betrachteten Frequenzbereiches. Im zweiten Teil des Kapitel wird ein Modell der frequenzabhängigen Wahrnehmung für hochfrequente Schwingungen vorgestellt. Das Kapitel schließt mit Anwendungsbeispielen und einer Zusammenfassung.
Thorsten A. Kern
5. Strukturen haptischer Systeme
Zusammenfassung
Während in den vorangegangenen Kapiteln die haptische Wahrnehmung am Menschen Schwerpunkt der Betrachtungen war, wird in den folgenden Kapiteln die technische Realisation von haptischen Systemen im Vordergrund stehen. Die Betrachtung wechselt also von einer hauptsächlich Nutzer-zentrierten Sicht auf eine gerätespezifische Sicht. Das gewonnene Verständnis sowie die Methoden zur Quantifizierung haptischer Wahrnehmung werden aber zur Bewertung der Güte einer technischen Lösung verwendet werden.
Thorsten A. Kern, Oliver Meckel

Entwurf haptischer Systeme

Frontmatter
6. Identifikation von Anforderungen
Zusammenfassung
Zu Beginn einer technischen Entwicklung ist es notwendig, die Anforderungen an das zu entwickelnde Produkt zu identifizieren. In der Regel sind die Anforderungen nicht eindeutig und klar vorgegeben. Vielmehr kommunizieren Auftraggeber gerne lösungsorientiert, d.h. ihnen ist eine gewisse technologische Lösung bekannt und sie möchten “ein Gerät, wie das Gerät P, nur besser/billiger/hübscher“. Übernimmt man als Entwickler derartige unspezifische Arbeitsaufträge, dann ist das Scheitern bereits vorprogrammiert. Der eigentliche Wunsch des Kundens ist nämlich in der Regel, dass das zu entwickelnde Produkt zwei Anforderungsklassen erfüllen muss.
Thorsten A. Kern
7. Methoden zur Regelung haptischer Systeme
Zusammenfassung
Die regelungstechnische Analyse und Beurteilung technischer Systeme und Prozesse begründet sich im allgemeinen durch den Wunsch nach einer sicheren und verlässlichen Einflussnahme auf die maßgebenden physikalischen Systemgrößen und das Gesamtverhalten. Der Begriff des Systems abstrahiert dabei die durch die physikalischen Gesetze verankerten Zusammenhänge und bringt diese auf eine Betrachtungsebene, in der eine systematische Beurteilung verschiedener physikalischer Systeme möglich wird. Auf dieser Abstraktionsebene gelingt die Behandlung regelungstechnischer Fragestellungen durch verschiedene Methoden und Techniken, die nicht auf eine einzige Systemklasse beschränkt bleibt. Das Ziel bei der Beschreibung, der Analyse und der regelungstechnischen Betrachtung von Systemen liegt letztendlich immer in der Sicherung der ablaufenden physikalischen Prozesse. Der Technik seinen Willen aufzwingen ist die grundlegende Motivation, mit der es gilt, die Auswirkung einer gezielten Einflussnahme auf ein System auszulegen und die Zuverlässigkeit nachzuweisen.
Oliver Meckel
8. Kinematikentwurf
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundzüge des kinematischen Entwurfs haptischer Displays behandelt. Haptische Displays erzeugen selten Kräfte in nur einer Raumrichtung. In diesem Fall wäre die kinematische Struktur des Bedienelements einfach. Viel interessanter ist die Eingabe von Wegen und Winkeln sowie die Ausgabe von Kräften und Momenten mit zwei, drei oder mehr Freiheitsgraden. Für die Umsetzung von Kräften in mehreren Raumrichtungen werden Mechanismen benötigt, die die Kräfte von mehreren Aktoren an den Ort ihres Wirkens (die Hand) umsetzen. In der Theorie und anhand von einigen Beispielen werden hier zwei grundsätzlich unterschiedliche kinematische Strukturen erläutert: seriell kinematische und parallelkinematische Strukturen. Die vorliegende Betrachtung beschränkt sich auf den kinematischen Entwurf von haptischen Systemen. Sie deckt daher nicht die komplette Entwicklung von Mechanismen ab. Vor allem Betrachtungen zur statischen und dynamischen Analyse sind der weiterführenden Literatur zu entnehmen. Dieses Kapitel kann als Leitfaden verstanden werden, um eine geeignete kinematische Struktur des haptischen Systems auszuwählen und zu entwerfen.
Andreas Röse
9. Aktorentwurf
Zusammenfassung
Während in den beiden vorangegangenen Kapiteln mit den Grundlagen der Regelungstechnik sowie der Kinematik Themen mit eher strukturierendem Charakter behandelt wurden, wird in diesem und den folgenden Kapiteln der Entwurf einzelner Komponenten diskutiert. Die Aktoren stellen dabei die wichtigste Komponente jedes haptischen Systems da, da deren Auswahl bzw. Konstruktion maßgeblich zu dem haptischen Eindruck des Systems beiträgt. Das Kapitel behandelt die bei haptischen Systemen häufig eingesetzten Aktoren entsprechend ihren physikalischen Wirkprinzipien gegliedert. Für jeden Aktortyp werden die wichtigsten physikalischen Grundlagen vermittelt, Beispiele für ihre Auslegung gegeben und eine oder mehrere Anwendungen diskutiert. Andere, selten für haptische Systeme genutzte Aktorprinzipien werden mit kurzen Beispielen im Abschnitt 9.6 ”Sonderformen” behandelt, bzw. in der Übersicht über die physikalischen Wirkprinzipien in Abschnitt 9.1 eingeordnet. Die Erfahrung zeigt, dass es für haptische Anwendungen geeignete Antriebe selten ”von der Stange” gibt. Sie stellen immer besondere Anforderungen, sei es in der Drehzahl, Leistungsdichte oder Geometrie. Dies bedingt, dass auch reine Anwender von Aktuatoren über die Möglichkeiten der Modifikation bestehender Antriebe, aber auch die physikalischen Grenzen eines Antriebsprinzips informiert sein sollten. Dieses Kapitel richtet sich daher sowohl an die Anwender als Leser, die lediglich einen geeigneten Aktor auswählen wollen, sowie die Hardwareingenieure, die einen spezifischen Aktor für ein haptisches Gerät selbst entwerfen wollen.
Thorsten A. Kern, Marc Matysek, Stephanie Sindlinger
10. Kraftsensorentwurf
Zusammenfassung
Das folgende Kapitel soll als Hilfestellung für die Auswahl bzw. den Entwurf von Kraftsensoren haptischer Systeme dienen. Unter Abschnitt 10.1 werden grundsätzliche Fragen hergeleitet, die notwendigerweise zu Beginn des Sensorentwurfs gestellt werden sollten. Eine Auswahl der zu berücksichtigenden Aspekte erfolgt in Abschnitt 10.1.5. Darauf aufbauend werden die wichtigsten Sensorprinzipien vorgestellt. Neben einer kurzen Beschreibung der Wandlungseigenschaften werden die Sensoreigenschaften nach haptischen Gesichtspunkten beleuchtet und durch ein Anwendungsbeispiel illustriert.
Jacqueline Rausch
11. Einsatz von Positionssensoren
Zusammenfassung
Um die Nutzerreaktion bei haptischen Systemen zu erfassen, ist zumeist eine Messung von Positionen bzw. deren zeitlichen Ableitungen (Geschwindigkeiten, Beschleunigungen) notwendig. Hierfür stehen eine Vielzahl von unterschiedlichen Messprinzipien zur Verfügung. Da für haptische Anwendungen, insbesondere kinästhetische, in der Regel eine Rückwirkung auf das Aktorsystem nicht gewünscht wird, konzentriert sich diese Darstellung auf mechanisch rückwirkungsfreie Prinzipien. Neben den allgegenwärtigen optischen Messprinzipien ist es gerade in Verbindung mit dem Entwurf angepasster Antriebe interessant, induktive oder kapazitive Messverfahren zu nutzen. Dieses Kapitel gibt eine Übersicht über die gängigsten Verfahren, verbunden mit Hinweisen zu ihren Vor- und Nachteilen in Bezug auf haptische Anwendungen.
Thorsten A. Kern
12. Schnittstellenauswahl
Zusammenfassung
Nach der Entscheidung für den Aktor (Kap. 9) zur Erzeugung des haptischen Feedbacks und der Messung von Kräften (Kap. 10) oder Positionen (Kap. 11) ist es notwendig, die Schnittstelle zur Aktorik und die Datenerfassung und Weiterleitung der Signale von der Sensorik zu betrachten. Die Anforderungen resultieren - wie bei jeder Schnittstelle - aus der Amplitudenauflösung der Information und der Geschwindigkeit, in der diese übertragen werden kann. Der Schwerpunkt der Diskussion in diesem Kapitel liegt auf der Geschwindigkeit der Übertragung, da dieser Aspekt bei haptischen Geräten immer einen Engpass darstellt. Sowohl in Bezug auf Verzögerungen in der Übertragung sowie in Bezug auf die maximale Rate im Sinne einer Grenzfrequenz, bewegen sich haptische Anwendungen häufig an den Grenzen von Standard-Schnittstellen.
Thorsten A. Kern
13. Softwareentwurf
Zusammenfassung
Ein zentrales Anwendungsfeld für haptische Systeme ist die so genannte „Virtuelle Realität“, ein Konzept der Mensch-Maschine-Interaktion, das sich innerhalb der letzten 20 bis 25 Jahre rasant entwickelt hat, nachdem die Vision selbst schon zu Beginn der Entwicklung von Computergraphik in den sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts von Sutherland formuliert wurde. Der Fokus dieses Kapitels zum Softwareentwurf liegt auf eben diesem Einsatzgebiet von Computer-Haptik in virtuellen Welten. Andere Einsatzfelder von haptischen Systemen wie die Modifikation haptischer Eigenschaften von Bedienelementen bzw. die Telemanipulation benötigen eine primär regelungstechnische Systemstruktur, auf die in anderen Kapiteln dieses Buches eingegangen wird (Kap. 7 und 12). Nach einem kurzen Überblick zur Motivation der Thematik und der Begriffsklärung werden verschiedene Themen aus Sicht des Entwicklers von Virtual-Reality-Software diskutiert. Entsprechend der Zielsetzung dieses Buches bietet das vorliegende Kapitel keine erschöpfende Darstellung, sondern vermittelt ein Grundverständnis mit dem Ziel, das Interesse für weitere Beschäftigung mit dem Thema zu wecken.
Alexander Rettig
14. Abschließende Betrachtung zum Entwurf haptischer Systeme
Zusammenfassung
Wie jeder technische Entwurf ist auch der Entwurf haptischer Systeme geprägt von der Optimierung eines technischen Systems auf Basis einer Abwägung einer Vielzahl von Entscheidungen für Einzelkomponenten, die sich in der Regel gegenseitig beeinflussen. Der Anfang eines jeden Entwurfs stellt die Ermittlung der Anforderungen auf Seiten des Kunden bzw. aus dem Projekt dar. Die in Kapitel 6 vermittelten Methoden sollen helfen, hier systematisch die wichtigen Aspekte zu erfragen. Insbesondere muss man sich bewusst sein, dass beim technischen Entwurf einer Sinn-bezogenen Schnittstelle wenige präzise und eindeutige Begriffe den Sinneseindruck beschreiben. Außerdem resultiert häufig Vorwissen beim Auftraggeber in zusätzlicher Verwirrung, da insbesondere in der Haptik Begriffe wie z.B. Auflösung oder Dynamik falsch eingesetzt oder sogar falsch Verstanden werden. Der Einsatz von Hilfsmitteln, ”Anschauungsobjekte” der Haptik - Etwas in die Hand geben! - erlauben eine Eingrenzung der Anforderungen ohne große Missverständnisse. Das Schaffen von gemeinsam akzeptierten Referenzen ist notwendig.
Thorsten A. Kern

Anhang

Frontmatter
15. URLs
Zusammenfassung
Die folgenden Tabellen stellen eine Sammlung aller den Autoren geläufigen Namen und Gruppen dar. Die Listen sind naturgemäß nicht vollständig, geben aber einen Einstieg in die Recherche relevanter Quellen. Ergänzungen für zukünftige Auflagen bitte direkt per Mail an den Herausgeber schicken!
16. Mechanische Impedanzen und Admittanzen bei translatorischen und rotatorischen Systemen
Zusammenfassung
Zur Beschreibung technischer Systeme ist eine Modellbildung der realen physikalischen Eigenschaften notwendig. Ein zentrales Werkzeug ist die Verwendung von linearen, zeitinvarianten Gliedern mit konzentrierten Bauelementen. Der folgende Abschnitt stellt eine kurze Einführung in diese Thematik dar. Weitere Details sind insb. [153] zu entnehmen.
Thorsten A. Kern
17. Erläuterung zur Gyrator und Transformator
Zusammenfassung
Bei dem Entwurf elektromechanischer Systeme werden Wechselwirkungen zwischen elektrischen und mechanischen Netzwerken mit Hilfe von Wandlern beschrieben. Ziel ist die Beschreibung der Wechselwirkungen durch lineare, verlustfreie und zeitinvariante Vierpole.
Stephanie Sindlinger
Backmatter
Metadaten
Titel
Entwicklung Haptischer Geräte
herausgegeben von
Thorsten A. Kern
Copyright-Jahr
2009
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-540-87644-1
Print ISBN
978-3-540-87643-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-540-87644-1

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    Bildnachweise