Haptische Technologie - Haptic technology

Ein Head-Mounted-Display aus den 1980er Jahren und drahtgebundene Handschuhe im NASA Ames Research Center

Haptische Technologie , auch bekannt als kinästhetische Kommunikation oder 3D-Touch , bezieht sich auf jede Technologie, die ein Berührungserlebnis erzeugen kann, indem Kräfte , Vibrationen oder Bewegungen auf den Benutzer ausgeübt werden. Diese Technologien können verwendet werden, um virtuelle Objekte in einer Computersimulation zu erstellen, virtuelle Objekte zu steuern und die Fernsteuerung von Maschinen und Geräten zu verbessern ( Telerobotik ). Haptische Vorrichtungen können taktile Sensoren enthalten , die Kräfte messen, die vom Benutzer auf die Schnittstelle ausgeübt werden. Das Wort haptisch , aus dem Griechischen : ἁπτικός ( haptikos ), bedeutet „taktil, den Tastsinn betreffend“. Einfache haptische Geräte sind in Form von Gamecontrollern , Joysticks und Lenkrädern üblich .

Die haptische Technologie erleichtert die Untersuchung der Funktionsweise des menschlichen Tastsinns, indem sie die Erstellung kontrollierter haptischer virtueller Objekte ermöglicht. Die meisten Forscher unterscheiden drei sensorische Systeme im Zusammenhang mit dem Tastsinn beim Menschen: kutan , kinästhetisch und haptisch . Alle Wahrnehmungen, die durch kutane und kinästhetische Sensibilität vermittelt werden, werden als taktile Wahrnehmung bezeichnet. Der Tastsinn kann als passiv und aktiv klassifiziert werden, und der Begriff "haptisch" wird oft mit aktiver Berührung assoziiert, um zu kommunizieren oder Objekte zu erkennen.

Geschichte

Eine der frühesten Anwendungen der haptischen Technologie war in großen Flugzeugen , die Servomechanismussysteme zur Bedienung von Steueroberflächen verwenden. Bei leichteren Flugzeugen ohne Servosysteme , als sich das Flugzeug einem Strömungsabriss näherte , war das aerodynamische Buffeting (Vibrationen) in den Kontrollen des Piloten zu spüren. Dies war eine nützliche Warnung vor einem gefährlichen Flugzustand. Servosysteme neigen dazu, "einseitig" zu sein, was bedeutet, dass externe Kräfte, die aerodynamisch auf die Ruder ausgeübt werden, an den Bedienelementen nicht wahrgenommen werden, was dazu führt, dass dieser wichtige sensorische Hinweis fehlt . Dazu werden die fehlenden Normalkräfte mit Federn und Gewichten simuliert. Der Anstellwinkel wird gemessen und bei Annäherung an den kritischen Stallpunkt wird ein Knüppelrüttler aktiviert, der die Reaktion eines einfacheren Steuersystems simuliert . Alternativ kann die Servokraft gemessen und das Signal an ein Servosystem an der Steuerung geleitet werden, auch bekannt als Force-Feedback . Force-Feedback wurde experimentell in einigen Baggern implementiert und ist nützlich, wenn gemischtes Material wie große, in Schluff oder Ton eingebettete Gesteine ​​​​ausgehoben werden. Es ermöglicht dem Bediener, unsichtbare Hindernisse zu "fühlen" und zu umgehen.

In den 1960er Jahren entwickelte Paul Bach-y-Rita ein Vision-Substitutionssystem, das eine 20x20-Anordnung von Metallstäben verwendet, die angehoben und abgesenkt werden können und taktile "Punkte" erzeugen, die den Pixeln eines Bildschirms entsprechen. Personen, die auf einem mit diesem Gerät ausgestatteten Stuhl saßen, konnten Bilder anhand des Musters von Punkten erkennen, die in ihren Rücken gestochen wurden.

Das erste US-Patent für ein taktiles Telefon wurde 1973 Thomas D. Shannon erteilt. Ein frühes taktiles Mensch-Maschine-Kommunikationssystem wurde von A. Michael Noll in den Bell Telephone Laboratories, Inc. in den frühen 1970er Jahren konstruiert und zum Patent angemeldet seine Erfindung 1975.

Ein Foto einer Aura Interactor Weste
Aura Interactor Weste

1994 wurde die Aura Interactor Weste entwickelt. Die Weste ist ein tragbares Force-Feedback-Gerät, das ein Audiosignal überwacht und mithilfe elektromagnetischer Aktuatortechnologie Bassschallwellen in Vibrationen umwandelt, die Aktionen wie Schlag oder Tritt darstellen können. Die Weste wird an den Audioausgang einer Stereoanlage, eines Fernsehers oder eines Videorecorders angeschlossen und das Audiosignal wird über einen in die Weste integrierten Lautsprecher wiedergegeben.

Ein Bild der Tap-in-Armbanduhr.
Jensens Tap-in-Gerät

1995 entwickelte Thomas Massie das PHANToM-System (Personal HAptic iNTerface Mechanism). Es verwendete fingerhutartige Aufnahmen am Ende computergesteuerter Arme, in die die Finger einer Person eingeführt werden konnten, damit sie ein Objekt auf einem Computerbildschirm "fühlen" konnten.

1995 beschrieb der Norweger Geir Jensen eine haptische Armbanduhr mit einem Haut-Tap-Mechanismus, genannt Tap-in. Die Armbanduhr würde sich über Bluetooth mit einem Mobiltelefon verbinden , und durch Klopffrequenzmuster könnte der Träger dem Anrufer mit ausgewählten Kurznachrichten antworten.

2015 kam die Apple Watch auf den Markt. Es verwendet Skin Tap Sensing, um Benachrichtigungen und Warnungen vom Mobiltelefon des Uhrenträgers zu senden.

Implementierung

Vibration

Die Mehrheit der Elektronik, die haptisches Feedback bietet, verwendet Vibrationen, und die meisten verwenden eine Art Exzenter-Drehmassenaktuator (ERM), der aus einem unausgeglichenen Gewicht besteht, das an einer Motorwelle befestigt ist. Wenn sich die Welle dreht, führt die Drehung dieser unregelmäßigen Masse dazu, dass der Aktuator und das daran befestigte Gerät wackeln. Einige neuere Geräte, wie Apples MacBooks und iPhones mit der "Taptic Engine", erreichen ihre Schwingungen mit einem Linear Resonant Actuator (LRA), der eine Masse mittels einer magnetischen Schwingspule wechselseitig bewegt , ähnlich wie bei Wechselstrom-Elektrik Signale werden im Konus eines Lautsprechers in Bewegung umgesetzt . LRAs sind zu schnelleren Reaktionszeiten als ERMs in der Lage und können daher genauere haptische Bilder übertragen.

Piezoelektrische Aktoren werden auch verwendet, um Vibrationen zu erzeugen und bieten eine noch präzisere Bewegung als LRAs, mit weniger Rauschen und in einer kleineren Plattform, erfordern jedoch höhere Spannungen als ERMs und LRAs.

Force-Feedback

Force-Feedback-Geräte verwenden Motoren, um die Bewegung eines vom Benutzer gehaltenen Gegenstands zu manipulieren. Eine häufige Verwendung sind Videospiele und Simulatoren zum Autofahren, die das Lenkrad drehen , um Kräfte zu simulieren, die beim Kurvenfahren eines realen Fahrzeugs auftreten. Direktantriebsräder , die 2013 eingeführt wurden, basieren auf Servomotoren und sind die High-End-Typen von Force-Feedback-Rennrädern in Bezug auf Stärke und Wiedergabetreue.

2007 brachte Novint den Falcon auf den Markt , das erste Consumer-3D-Touch-Gerät mit hochauflösendem dreidimensionalem Force-Feedback. Dies ermöglichte die haptische Simulation von Objekten, Texturen, Rückstoß, Schwung und der physischen Präsenz von Objekten in Spielen.

Luftwirbelringe

Luftwirbelringe sind donutförmige Lufttaschen aus konzentrierten Luftstößen. Gebündelte Luftwirbel können die Kraft haben, eine Kerze auszublasen oder Papiere aus wenigen Metern Entfernung zu stören. Sowohl Microsoft Research (AirWave) als auch Disney Research (AIREAL) haben Luftwirbel verwendet, um berührungsloses haptisches Feedback zu liefern.

Ultraschall

Fokussierte Ultraschallstrahlen können verwendet werden, um ein lokalisiertes Druckgefühl auf einem Finger zu erzeugen, ohne ein physisches Objekt zu berühren. Der Brennpunkt, der das Druckgefühl erzeugt, wird durch individuelles Steuern der Phase und Intensität jedes Wandlers in einem Array von Ultraschallwandlern erzeugt. Diese Strahlen können auch verwendet werden, um Vibrationsempfindungen zu erzeugen und Benutzern die Möglichkeit zu geben, virtuelle 3D-Objekte zu fühlen.

Anwendungen

Automobil

Mit der Einführung großer Touchscreen-Bedienfelder in Fahrzeug-Armaturenbrettern wird die haptische Feedback-Technologie verwendet, um Berührungsbefehle zu bestätigen, ohne dass der Fahrer den Blick von der Straße nehmen muss. Auch zusätzliche Kontaktflächen, beispielsweise das Lenkrad oder der Sitz, können dem Fahrer haptische Informationen liefern, beispielsweise ein warnendes Vibrationsmuster in der Nähe anderer Fahrzeuge.


Kunst

Haptische Technologien wurden in der virtuellen Kunst erforscht, wie zum Beispiel Klangsynthese oder Grafikdesign und Animation . In der Tate Sensorium-Ausstellung im Jahr 2015 wurde haptische Technologie verwendet, um bestehende Kunstwerke zu verbessern . Im Bereich Musikkreation stellte der schwedische Synthesizer-Hersteller Teenage Engineering ein haptisches Subwoofer- Modul für seinen OP-Z-Synthesizer vor, mit dem Musiker die Bassfrequenzen direkt auf ihrem Instrument fühlen können.

Luftfahrt

Force-Feedback kann genutzt werden, um die Einhaltung eines sicheren Flugbereichs zu erhöhen und damit das Risiko zu verringern, dass Piloten außerhalb der Einsatzgrenzen in gefährliche Flugzustände geraten, während die letztendliche Autorität der Piloten erhalten bleibt und ihr Situationsbewusstsein erhöht wird .

Medizin und Zahnmedizin

Für die Ausbildung in minimal-invasiven Verfahren wie Laparoskopie und interventionelle Radiologie sowie für die Ausbildung von Zahnmedizinstudenten werden haptische Schnittstellen für die medizinische Simulation entwickelt . Ein Virtual Haptic Back (VHB) wurde erfolgreich in das Curriculum des Ohio University College of Osteopathic Medicine integriert . Die haptische Technologie hat die Entwicklung der Telepräsenz- Chirurgie ermöglicht, die es erfahrenen Chirurgen ermöglicht, Patienten aus der Ferne zu operieren. Wenn der Chirurg einen Schnitt macht, spürt er eine taktile und Widerstandsrückmeldung, als würde er direkt am Patienten arbeiten.

Haptische Technologie kann auch sensorisches Feedback geben, um altersbedingte Beeinträchtigungen der Gleichgewichtskontrolle zu lindern und Stürze bei älteren Menschen und Gleichgewichtsstörungen zu verhindern.


Mobile Geräte

Vibramotor von LG Optimus L7 II

Taktiles haptisches Feedback ist bei Mobilfunkgeräten üblich . In den meisten Fällen geschieht dies in Form einer Vibrationsreaktion auf Berührung. Alpine Electronics verwendet eine haptische Feedback-Technologie namens PulseTouch auf vielen ihrer Touchscreen-Autonavigations- und Stereogeräte. Das Nexus One bietet haptisches Feedback, entsprechend ihrer Spezifikationen. Samsung brachte 2007 erstmals ein Telefon mit Haptik auf den Markt.

Oberflächenhaptik bezieht sich auf die Erzeugung variabler Kräfte auf den Finger eines Benutzers, wenn dieser mit einer Oberfläche wie einem Touchscreen interagiert. Tanvas verwendet eine elektrostatische Technologie, um die von einer Fingerspitze erfahrenen Kräfte in der Ebene als programmierbare Funktion der Fingerbewegung zu kontrollieren. Das TPaD Tablet Project verwendet eine Ultraschalltechnologie , um die scheinbare Glätte eines Glas-Touchscreens zu modulieren.

2013 erhielt Apple Inc. das Patent für ein haptisches Feedbacksystem, das für Multitouch-Oberflächen geeignet ist. Das US-Patent von Apple für ein "Verfahren und eine Vorrichtung zur Lokalisierung von haptischem Feedback" beschreibt ein System, bei dem mindestens zwei Aktuatoren unter einem Multitouch-Eingabegerät positioniert sind und eine Vibrationsrückmeldung liefern, wenn ein Benutzer mit der Einheit in Kontakt kommt. Insbesondere sieht das Patent vor, dass ein Aktuator eine Rückkopplungsschwingung induziert, während mindestens ein anderer Aktuator seine Schwingungen verwendet, um das haptische Erlebnis zu lokalisieren, indem verhindert wird, dass sich der erste Satz von Schwingungen auf andere Bereiche der Vorrichtung ausbreitet. Das Patent nennt das Beispiel einer "virtuellen Tastatur", es wird jedoch auch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf jede Multitouch-Schnittstelle angewendet werden kann.

Neurorehabilitation

Bei Personen mit motorischer Dysfunktion der oberen Gliedmaßen könnten Robotergeräte, die haptisches Feedback nutzen, zur Neurorehabilitation verwendet werden. Robotergeräte wie Endeffektoren und sowohl geerdete als auch ungeerdete Exoskelette wurden entwickelt, um die Kontrolle über mehrere Muskelgruppen wiederherzustellen. Haptisches Feedback, das von diesen Robotergeräten angewendet wird, hilft aufgrund seiner immersiven Natur bei der Wiederherstellung der sensorischen Funktion.

Rätsel

Haptische Rätsel wurden entwickelt, um zielorientiertes haptisches Erkunden, Suchen, Lernen und Gedächtnis in komplexen 3D-Umgebungen zu untersuchen. Ziel ist es, sowohl mehrfingerigen Robotern einen Tastsinn zu ermöglichen als auch mehr Einblicke in das menschliche Meta-Lernen zu gewinnen.

Persönliche Computer

Im Jahr 2008 Apple Inc. ‚s MacBook und MacBook Pro begonnen , eine "Tactile Touchpad" Design beinhaltet mit Button - Funktionalität und haptisches Feedback integriert in die Tracking - Oberfläche. Es folgten Produkte wie das Synaptics ClickPad.

Im Jahr 2015 hat Apple auf dem MacBook Pro 2015 „ Force Touch “-Trackpads eingeführt, die Klicks mit einer „Taptic Engine“ simulieren.


Robotik

Um komplexe Aufgaben per Telepräsenz zu erledigen, ist haptisches Feedback unabdingbar . Die Shadow Hand , eine fortschrittliche Roboterhand, verfügt über insgesamt 129 Berührungssensoren, die in jedes Gelenk und jede Fingerbeere integriert sind und Informationen an den Bediener weitergeben. Auf diese Weise können Aufgaben wie das Tippen aus der Ferne ausgeführt werden. Ein früher Prototyp ist in der Sammlung humanoider Roboter oder Robonauten der NASA zu sehen .



Sensorische Substitution

Im Dezember 2015 demonstrierte David Eagleman eine tragbare Weste, die Sprache und andere Audiosignale in eine Reihe von Vibrationen "übersetzt", wodurch hörgeschädigte Menschen Geräusche an ihrem Körper "fühlen" können. Seitdem wird sie kommerziell als Armband hergestellt.

Platz

Der Einsatz haptischer Technologien könnte laut Nachrichtenberichten bei der Erforschung des Weltraums , einschließlich der Besuche des Planeten Mars , nützlich sein .

Taktile elektronische Anzeigen

Ein taktiles elektronisches Display ist ein Anzeigegerät, das über den Tastsinn Text- und Grafikinformationen liefert. Vorrichtungen dieser Art wurden entwickelt, um blinden oder gehörlosen Benutzern zu helfen, indem sie eine Alternative zu visueller oder akustischer Wahrnehmung bieten.

Teleoperatoren und Simulatoren

Teleoperatoren sind ferngesteuerte Roboterwerkzeuge. Wenn der Bediener eine Rückmeldung über die beteiligten Kräfte erhält, wird dies als haptische Teleoperation bezeichnet . Die ersten elektrisch betriebenen Teleoperatoren wurden in den 1950er Jahren im Argonne National Laboratory von Raymond Goertz gebaut , um mit radioaktiven Substanzen aus der Ferne umzugehen. Seitdem hat sich die Verwendung von Force-Feedback bei anderen Arten von Teleoperatoren, wie beispielsweise ferngesteuerten Unterwasser-Erkundungsgeräten, verbreitet.

Geräte wie medizinische Simulatoren und Flugsimulatoren liefern idealerweise das im realen Leben spürbare Force-Feedback. Über haptische Bedienelemente werden simulierte Kräfte erzeugt, sodass Daten, die Berührungsempfindungen repräsentieren, gespeichert oder wiedergegeben werden können.

Teledildonik

Haptisches Feedback wird innerhalb der Teledildonics oder "Sex-Technologie" verwendet, um Sexspielzeuge aus der Ferne zu verbinden und Benutzern virtuellen Sex zu ermöglichen oder einem Remote-Server die Steuerung ihres Sexspielzeugs zu ermöglichen. Der Begriff wurde erstmals 1975 von Ted Nelson geprägt, als er über die Zukunft von Liebe, Intimität und Technologie sprach. In den letzten Jahren haben sich Teledildonics und Sex-Technologie um Spielzeuge mit einer Zwei-Wege-Verbindung erweitert, die virtuellen Sex durch die Kommunikation von Vibrationen, Drücken und Empfindungen ermöglichen. Viele "intelligente" Vibratoren ermöglichen eine unidirektionale Verbindung entweder zwischen dem Benutzer oder einem entfernten Partner, um die Steuerung des Spielzeugs zu ermöglichen.

Videospiele

Rumble Packs für Controller, wie dieses Dreamcast Jump Pack, bieten haptisches Feedback durch die Hände des Benutzers

Haptisches Feedback wird häufig in Arcade-Spielen verwendet , insbesondere in Rennvideospielen . 1976 war Segas Motorradspiel Moto-Cross , auch bekannt als Fonz , das erste Spiel, das haptisches Feedback nutzte, wodurch der Lenker bei einer Kollision mit einem anderen Fahrzeug vibrierte. Tatsumis TX-1 führte 1983 Force-Feedback in Autofahrspiele ein. Das Spiel Earthshaker! fügte 1989 einem Flipper haptisches Feedback hinzu .

Einfache haptische Geräte sind in Form von Gamecontrollern , Joysticks und Lenkrädern üblich. Frühe Implementierungen wurden durch optionale Komponenten bereitgestellt, wie 1997 das Rumble Pak des Nintendo 64- Controllers . Im selben Jahr wurde der Microsoft SideWinder Force Feedback Pro mit integriertem Feedback von Immersion Corporation veröffentlicht . Viele Konsolen-Controller und Joysticks verfügen über eingebaute Feedback-Geräte, bei denen es sich um Motoren mit unausgeglichenen Gewichten handelt, die sich drehen und dadurch vibrieren, einschließlich der DualShock- Technologie von Sony und der Impuls-Trigger- Technologie von Microsoft . Einige Autolenkradsteuerungen sind zum Beispiel so programmiert, dass sie ein "Gefühl" der Straße vermitteln. Wenn der Benutzer eine Kurve macht oder beschleunigt, reagiert das Lenkrad, indem es Kurven widersteht oder außer Kontrolle gerät.

Bemerkenswerte Einführungen umfassen:

  • 2013: Steam Machines- Mikrokonsolen von Valve , einschließlich einer neuen Steam Controller-Einheit, die gewichtete Elektromagnete verwendet, die über die Trackpads der Einheit ein breites Spektrum an haptischem Feedback liefern können. Die Feedbacksysteme dieser Controller sind vom Benutzer konfigurierbar. Ebenfalls 2013 wurde das erste Direktantriebsrad für Sim-Racing vorgestellt.
  • 2014: Ein neuartiges haptisches Kissen, das auf Multimedia-Eingaben von LG Electronics reagiert.
  • 2015: Der Steam Controller mit HD Haptics, mit haptischen Kraftaktoren auf beiden Seiten des Controllers, von Valve.
  • 2017: Der Nintendo - Switch ‚s Joy-Con , die HD - Rumble - Funktion entwickelt , mit der Einführung Immersion Corporation und mit Alpen Aktoren.
  • 2018: Der Razer Nari Ultimate, Gaming-Kopfhörer mit einem Paar haptischer Treiber mit breiter Frequenz, entwickelt von Lofelt .
  • 2020: Die Sony PlayStation 5- Controller können den Widerstand der Trigger-Bedienelemente anpassen, beispielsweise den zunehmenden Widerstand beim Ziehen einer Bogensehne simulieren, sowie ein präziseres haptisches Feedback durch Schwingspulen-Aktuatoren.

Virtuelle Realität

Die Haptik setzt sich als wichtiger Bestandteil von Virtual-Reality- Systemen durch und fügt den bisher rein visuellen Schnittstellen den Tastsinn hinzu. Es werden Systeme entwickelt, die haptische Schnittstellen für 3D-Modellierung und -Design verwenden, darunter Systeme, die Hologramme sowohl sehen als auch fühlen lassen. Mehrere Unternehmen stellen haptische Ganzkörper- oder Rumpfwesten oder haptische Anzüge für den Einsatz in immersiver virtueller Realität her, damit Benutzer Explosionen und Kugeleinschläge spüren können.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links