TU Chemnitz Forschung Projekte Taktiles Feedback 3D II - Reales Taktiles Feedback für die intuitive gestenbasierte Mensch-Maschine-Interaktion - Phase II

Taktiles Feedback 3D II - Reales Taktiles Feedback für die intuitive gestenbasierte Mensch-Maschine-Interaktion - Phase II

Taktiles Feedback 3D II - Reales Taktiles Feedback für die intuitive gestenbasierte Mensch-Maschine-Interaktion - Phase II

Finanzierung
BMBF
Projektpartner
-
Projektlaufzeit
April, 2019 bis Juli, 2021

Motivation und Zielstellung


Die Gesteneingabe wird als eine essentielle Interaktionsform zur Realisierung einer natürlichen Interaktion angesehen. Im Kontext virtueller Interfaces ist diese Umsetzung einer natürlichen Interaktion ein vielversprechendes Anwendungsfeld, wobei die Hand als Eingabegerät dient. Dieser berührungslose Ansatz hat den Nachteil, dass keine taktilen Rückmeldungen an den Menschen übertragen werden können. Um diesen Sinn nutzen zu können, wurde im vorgelagerten I³-Projekt ein Demonstrator entwickelt, bei welchem ein sogenannter Vortex-Generator einen Luftwirbel generiert, der eine taktile Rückmeldung auf der Handoberfläche des Nutzers erzeugt. .
Das Nachfolgeprojekt TaktilesFeedback3DII (TF3DII) soll für den Einsatz in konkreten Anwendungsfällen, wie der Fahrer-Fahrzeuginteraktion sowie der Mensch-Roboter-Interaktion, Lösungen für eine weitere Miniaturisierung, eine Steigerung der Feedbackintensität sowie eine Reduzierung von Störgeräuschen hervorbringen.

a)Vortexgenerator in Senkrecht-Konfiguration b) Explosionsdarstellung

Vorgehensweise


Um die angestrebte Optimierung des Systems umzusetzen musste dieses grundlegendend neu ausgelegt werden. Dabei wurde durch die systematische Variation von Parametern verschiedener Bauteile unterschiedliche Generatordesigns untersucht werden. Um die Eigenschaften der erzeugten Vortex-Ringe, vor allem im Hinblick auf Stärke und Genauigkeit, zu optimieren, wurde zuerst die Düsengeometrie optimiert. Mittels standardisiertem Laborversuch wurden mehrere Düsengeometrien und Durchmessern im Hinblick auf Luftwirbelausformung, Genauigkeit und Kraft untersucht.
Im nächsten Schritt wurde die Ansteuerung und Aktorik des Systems überarbeitet. Die Erzeugung des Luftwirbels notwendige Luftverdrängung wird durch die Auslenkung von Lautsprechermembranen umgesetzt. Durch die Ansteuerung der Lautsprecher mit einem optimierten Gleichspannungssignal, kann eine maximale Auslenkung und somit ein optimales Verhältnis zwischen Kraft und Baugröße erreicht werden.

a) Standardisierter Testaufbau b) Vortex-Ring bei 30.000 FPS

Ergebnisse


Die wesentlichen Ergebnisse des Projektes sind die Erreichung der gesteckten technischen Zielparameter, die softwareseitige Ansteuerung und die Integration in die Anwendungsfälle Mensch-Roboter- und Fahrer-Fahrzeug-Interaktion. Das Hauptziel der Weiterentwicklung und Miniaturisierung des im Vorgängerprojekt entwickelten Designs wurde erreicht. Die avisierte Feedbackintensität von 5 mN oder mehr wurde selbst bei einer Distanz von über 1 Meter erreicht bzw. übertroffen. Durch den systematischen Test verschiedener Düsengeometrien und dem adaptiven Düsendesign können je nach Anwendungsfall angepasste Düsen für die Erreichung der Zielparameter Intensität und Treffergenauigkeit ausgewählt und eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es gelungen die Ansteuerung der Aktoren und die Verarbeitung der Handtrackingdaten stark zu beschleunigen. Durch die getrennte Achsenbeweglichkeit des gesamten Generators sowie der Düse wird ein großer Interaktionsraum gewährleistet und zugleich eine schnelle und präzise Auslenkung der Düse ermöglicht. Hierdurch eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Feedbackgestaltung. Durch die präzise Avisierung einzelner Punkte auf der Handinnenfläche können komplexere Feedbackmuster übertragen und somit die Codierung von zusätzlichen Informationen ermöglicht werden. Die erfolgreiche Implementation in die Anwendungsfälle ermöglichte eine praxisnahe Evaluierung des Generators. Im Anwendungsfall der Fahrer-Fahrzeug-Interaktion wurde der Generator in einer Probandenstudie mit 21 Versuchspersonen untersucht. Hierbei wurde sowohl die Erfüllung der technischen Basisparameter als auch die Eignung als Feedbackmodalität für Übernahmeaufforderungen im Kontext des automatisierten Fahrens bestätigt. In einem Expertenworkshop mit 6 Usability-Experten wurden zudem mittels SWOT-Analyse eine Einschätzung und Abgrenzung der Vortextechnologie im Vergleich zu haptischem Mid-Air Feedback mittels Ultraschall getroffen. Weiterhin wurden von den Experten unter Einbezug der Stärken des entwickelten Systems, weitere Anwendungsfelder und zukünftige Verwertungsmöglichkeiten der Technologie identifiziert.

a) Fahrsimulatorstudie b) Vortexgenerator in Mittelkonsole

Videos


Vortex Generator der AWI

Kontakt


Beiträge in Konferenzband


Hein, P., Gönültas, D., Bernhagen, M., Dettmann, A., & Bullinger, A.C. (2022). Mid-Air Haptic Cues for Safety-Critical Communication: (Re-)Exploring Air-Vortex Rings in Human-Machine Interaction. In B. Pfleging, K. Gerling & S. Mayer (Eds.), Mensch und Computer 2022 - Tagungsband (pp. 41-51). ACM. https://dx.doi.org/10.1145/3543758.3543949