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Entwurf eines elektromechanischen Systems für flexibel konfigurierbare Eingabefelder mit haptischer Rückmeldung

Doerrer, Christoph :
Entwurf eines elektromechanischen Systems für flexibel konfigurierbare Eingabefelder mit haptischer Rückmeldung.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwurf eines elektromechanischen Systems für flexibel konfigurierbare Eingabefelder mit haptischer Rückmeldung
Language: German
Abstract:

Gegenstand der Arbeit ist die Konzeptbildung, Realisierung und Erprobung eines neuartigen Eingabefeldes für technische Geräte. Im Vordergrund steht dabei die haptische Rückmeldung für intuitive Bedienbarkeit.Ausgehend von einer Schwachstellenanalyse aktueller Bediensysteme wird das Konzept des neuen Eingabefeldes abgeleitet. Es ermöglicht menübasierte Bedienstrukturen durch Bereitstellung von Tasten variabel in Anzahl, Größe und Positionierung. Für eine intuitive Anwendbarkeit erfährt der Nutzer bei Tastenbetätigung einen haptisch eindeutig wahrnehmbaren Schaltpunkt.Um den Tastsinn des Menschen gezielt ansprechen zu können, ist eine ingenieurwissenschaftliche Definition der haptischen Mensch-Maschine-Schnittstelle notwendig. Eine Literaturrecherche und Experimente führen zu einer Aufstellung quantitativer technischer Merkmale für haptische Displays.Das neue Eingabefeld "HapKeys" setzt sich aus matrixförmig angeordneten Einzelelementen zusammen. Durch gezielte Ansteuerung werden die Elemente aus der Ebene hervorgehoben und stellen somit bedienbare Tasten dar. Unterschiedlich große Tasten können durch Gruppierung und gleichförmige Bewegung benachbarter Elemente erreicht werden.Zur Realisierung des Konzeptes ist jedes Element als individuell geregeltes Sensor-Aktor-System auszulegen. Die systematische Entwicklung des elektromechanischen Gesamtsystems erfolgt durch Bewertung und Auswahl geeigneter Aktoren, Sensoren und Regelungskonzepte.Analytische, numerische und thermische Betrachtungen führen zur realisierten Aktorkonstruktion. Die elektrodynamischen Linearantriebe weisen bei einem Bauraum von 10x10x35 mm³ eine Maximalkraft von ca. 1,5 N bei einem Hub von 5 mm auf. Die Auslenkung der Aktoren wird sensorisch durch Reflexlichtschranken mit einer Auflösung zwischen 5 und 35 µm erfasst. Das Regelungskonzept sieht für jedes Element eine eigenständige Positionsregelung mit übergeordneter Sollwert-Vorgabe vor. Größere Tasten werden realisiert, indem die zugehörigen Elemente auf die gleiche Auslenkung eingeregelt werden. Für einen haptisch wahrnehmbaren Schaltpunkt muss die Betätigungskraft der Taste in Abhängigkeit deren Auslenkung variiert, also eine Kraft-Weg-Kennlinien dargestellt werden. Dies erfolgt mit Hilfe der Sollpositions-Vorgabe: Aus den Aktorströmen wird auf die Tastenkraft geschlossen und diese mit der Sollkraft verglichen. Bei signifikanter Differenz wird der Sollwert der Positionsregelung korrigiert und somit die Tasten nach oben oder unten verschoben.Der realisierte Prototyp besteht aus 15 Elementen mit je einer Grundfläche von 1x1 cm². Er weist die vollständige Funktionalität zur Bestätigung des Konzeptes auf: Tasten variabler Größe und Anzahl können auf dem Eingabefeld dargestellt werden. Bei Tastenbetätigung erfährt der Benutzer eine eindeutige haptische Rückmeldung in Form eines spürbaren Schaltpunktes. Der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie (haptische Charakteristik) kann frei programmiert werden und wird mit einer Abweichung von typischerweise weniger als 150 mN wiedergegeben. Bei mehrelementigen Tasten ist dabei der haptische Eindruck weitgehend unabhängig von der Anzahl der gleichzeitig betätigten Elemente.Neben der quantitativen Charakterisierung des Gesamtsystems kann mit Hilfe subjektiver Beurteilungen durch Versuchpersonen die intuitive Nutzbarkeit des Bedienfeldes aufgezeigt und somit die Zweckmäßigkeit der vorgeschlagenen Lösung bestätigt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The subject of this thesis is the conception, realisation, and testing of a new type of control-panel for technical devices. The main goal is to provide haptic stimuli necessary for an intuitive usability.Based upon an evaluation of the drawbacks of conventional control-panels, the concept of the new approach is derived. It enables menu-driven handling by offering keys variable in number, size, and positioning. Pressing these keys causes an intuitive and unique haptic sensation of their switching points.In order to design haptic displays to stimulate the human sense of touch, a scientific definition of the haptic man-machine interface is essential. A literature research and specific experiments lead to a survey of quantitative requirements on such devices.The novel control-panel "HapKeys" consists of an array of numerous segments, which can be moved up and down independently from each other. In this manner distinct keys can be generated on the panel. By grouping neighbouring segments and moving them in a uniform way major keys can be created.To provide this functionality every single segment is represented by a controlled actuator-sensor-system. Appropriate components are methodically selected and designed. Analytical, thermal, and numerical examinations result in the realised actuator design. The electrodynamic linear actuator with a size of 10x10x35 mm³ generates a maximum force of 1,5 N and a stroke of 5 mm. The displacements of the segments are measured with light reflection switches used as positioning sensors. The achieved resolution is between 5 and 35 µm. The control system is based on a position control for every single segment. All segments forming one larger key are controlled to the same set point and therefore appear visually as a self-contained unit. To generate the haptic perceptible switching point the force required to press the key needs to vary during the operation: A force-displacement curve has to be applied. This is realised by changing the set point of the position control. The actual exerted force of the key (derived from the current flowing through the actuator coils) is compared with the desired value at the present displacement. If a significant difference is detected the set point is adjusted and hence the key moves up- or downward.The realised prototype consists of 15 segments, each with dimensions of 1x1 cm². It shows the entire functionality to validate the concept: Keys variable in number, size, and positioning can be generated on the panel. During the operation of the keys their switching points are perceived by haptic stimulation. The force-displacement curve can be programmed and is displayed with an error of typically less than 150 mN. When pressing larger keys the haptic impression is almost independent of the number of simultaneously touched segments.In addition to the quantitative characterisation of the control-panel a subjective evaluation by test persons was carried out, which showed the suitability and intuitive usability of the overall system.English
Uncontrolled Keywords: Haptik, haptisches Display, haptische Wahrnehmung, Bediensystem, Eingabefeld, elektromechanisches System, geregeltes Sensor-Aktor-Array, Nutzbarkeit, intuitive Bedienung, Gerätebedienung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Haptik, haptisches Display, haptische Wahrnehmung, Bediensystem, Eingabefeld, elektromechanisches System, geregeltes Sensor-Aktor-Array, Nutzbarkeit, intuitive Bedienung, GerätebedienungGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000435
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4351
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Kallenbach, Prof. Dr.- Eberhard
Advisors: Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
Refereed: 19 December 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/435
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