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Haptikdemonstrator im Use-Case "Smart Drill" mit Smartphone App.

Aktive Haptik in smarten Werkzeugen

Bei Intuity entwerfen wir Werkzeuge – Produkte, die Menschen dazu befähigen Herausforderungen effizient und einfach zu lösen. In unserer Werkstatt entwickeln wir durch die Fusion von analogen und digitalen Technologien neue, smarte Werkzeuge, die Arbeitsvorgänge möglich machen, die es zuvor nicht waren. Doch mit der steigenden technologischen Komplexität wächst meistens die Komplexität für den Nutzer. Ein wirklich gutes Werkzeug jedoch ist wie eine Verlängerung des Arms. Mit dem Einsatz von Active Haptics erschließen wir eine neue Dimension der natürlichen Kommunikation zwischen Mensch und Maschine.

Manipulieren zu können, wie sich Dinge anfühlen ist eine der spannendsten Möglichkeiten, die heutige Technologie im Hinblick auf Interaktion zu bieten hat.

Aktives haptisches Feedback – zum Beispiel in Form von Vibration, Klopfen oder Schwingen kann mittlerweile durch spezielle Aktoren künstlich erzeugt werden. Über diesen Kanal kann die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine sicherer, effizienter und intuitiver gestaltet werden. So können Geräte den Nutzer über ihren Zustand informieren, auf Fehlbedienung hinweisen, oder eine Lage- und Richtungs-Indikation geben, um den Nutzer zu führen.

Diese Technologie wird immer relevanter, wenn wir uns ansehen, in welche Richtung sich die neue Generation der Werkzeuge entwickelt. Handgeführte Elektrowerkzeuge werden durch Sensoren und Aktoren erweitert. Diese Werkzeuge werden zu kleinen Robotern, die wir in der Hand halten. Sie können Nutzern assistieren oder teilautonom Arbeit verrichten.

Um die Potentiale des haptischen Feedbacks für die Interaktion zu erforschen, haben wir UX-Prototypen entwickelt. Mit dem PR-01 untersuchen wir Anwendungsfälle für cyber-physische Werkzeuge und experimentieren mit aktivem haptischem Feedback.

Eine neue Generation von Werkzeugen und Geräten

Auf der Baustelle, in der Werkstatt oder im Forst passiert immer viel. Bei der Arbeit mit Maschinen sind alle Sinne gefragt. Durch Gehörschutz und den konzentrierten Blick auf das Werkstück sind die beiden primären Sinne – das Sehen und das Hören – bereits voll ausgelastet. Eine Display-Anzeige oder Tonausgabe zur Wiedergabe von Zusatzinformationen kann die Anforderungen daher nicht erfüllen. Ältere Nutzer werden durch akustische Signale oder Warnungen in belastenden Situationen schnell überlastet. [1]

Durch haptisches Feedback eröffnet sich ein neuer – auch für Werkzeuge nutzbarer – Kommunikationskanal. Dieser ist enorm schnell und kann Informationen auch übermitteln, ohne permanente Aufmerksamkeit vorauszusetzen.

Markenerlebnis

Haptik ist nicht nur für die Bedienung und Funktion eines Gerätes wichtig, sondern sie spielt auch eine zentrale Rolle in der Markenwahrnehmung. Wie fühlt sich die Marke über die gesamte Produktfamilie hinweg an? Transportieren die Feedbacks Präzision und Sachlichkeit oder wirken die Produkte durch sie spielerisch und emotional?

Wie sich ein Produkt anfühlt, kann nicht nicht gestaltet sein, ungeachtet dessen ob es bewusst durchdacht oder dem Zufall überlassen wurde. Eine klare Definition der Haptikeffekte und Ausprägungen stellt sicher, dass ein übergreifendes Markenerlebnis geschaffen wird. Die Geräte erlangen so einen höheren Wiedererkennungswert und geben mehr Sicherheit im Gebrauch.

Technische Innenansicht des Haptik Demonstrators mit einer Auswahl von Komponenten
Durch schnelle Iterationsschleifen finden wir zielgerichtet die optimale Zusammenstellung von haptischen Aktoren und Komponenten.
Teamarbeit bei der Gestaltung von Steuerplatinen für Prototypen
Maßgefertigte Platinen verleihen unseren Prototypen Stabilität und verleihen uns die volle Kontrolle in der Gestaltung eines Produktes.
Griffstücke und Iterationen in Produktion mit dem 3D-Drucker
Durch eine parametrische Gestaltung kann schnell eine Vielzahl von Varianten generiert und verglichen werden.
Qualitätsprüfung eines Teststückes aus der CNC Fräse
Je nach Material und Gewicht unterscheidet sich die Wahrnehmung deutlich. Solche Parameter werden nicht dem Zufall überlassen.
Nahaufnahme der Oberfläche eines Werkstückes während dem Fräsvorgang
Auf unserer CNC Fräse entstehen schnell anfassbare und bewertbare Muster aus verschiedensten Materialien.
Aufbau zum Testen und Bewerten haptischer Prototypen.
Um die Frage der Wahrnehmung beantworten zu können, müssen Aktoren und Technik auf den Prüfstand.

Status quo

Heute ist haptisches Feedback Bestandteil vieler Produkte. Im Fahrzeug tragen haptische Signale dazu bei, die Sicherheit der Insassen zu erhöhen: Droht das Fahrzeug die Fahrspur zu verlassen, warnt das Fahrerassistenzsystem über einen Impuls im Sitz oder am Lenkrad. Videospiel-Controller machen Inhalte durch haptische Signale immersiv erlebbar – gerade durch die Verbreitung von VR-Anwendungen, gewinnt dies immer mehr an Bedeutung.

Grundlagen haptischen Feedbacks

Die Akzeptanz haptischer Signale ist bei angemessenem Einsatz hoch. Bei der Gestaltung von haptischen Ereignissen spielen diverse Punkte eine Rolle: Neben dem Material des Griffes und der Wahl des passenden Aktors, stellt sich auch die Frage, wo am Körper sich die sinnvollste Stelle für den jeweiligen Anwendungsbereich befindet – denn die haptische Wahrnehmung unterscheidet sich je nach Körperregion enorm: Während die Fingerspitzen zu den empfindlichsten Regionen zählen, werden Vibrationen an Oberarm und Hüfte nur diffus wahrgenommen.

Auch wenn der Fokus meist auf der Wahrnehmung mechanischer Vibrationsreize liegt, dürfen taktile wie auch kinästhetische Reize nicht vernachlässigt werden: Dreht man beispielsweise den Lautstärkeregler einer Stereoanlage, erhält man ein taktiles Feedback durch die Rasterung sowie eine kinästhetische Rückmeldung der Gelenke über den Winkel, um den der Knopf gedreht wurde. Um all diese Aspekte eindeutig bewertbar zu machen, müssen Konzepte in Form von UX-Prototypen gebaut und mit Nutzern getestet werden. Nur so gewinnen wir Gewissheit über die aufgestellten Hypothesen. [2], [3]

Die Technologie hinter der Haptik

Es gibt eine große Bandbreite elektromechanischer Komponenten, die für die Erzeugung von haptischem Feedback in Frage kommen:

Die klassische Methode zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung basiert auf einem Gleichstrom-Motor mit exzentrisch rotierender Schwungmasse oder Unwucht (ERM: eccentric rotating mass) – allgemein auch als "Vibrationsmotor" bekannt. Bei dieser Bauform sind Frequenz und Stärke des Impulses aneinander gekoppelt und das Ansprechverhalten ist sehr träge. Dies schränkt die Gestaltung von Feedback stark ein.

Surface Exciter und LRA Aktoren hingegen versetzen mit einem schwingendem Eingangssignal das Objekt in Schwingung und erzeugen damit ein hörbares oder spürbares Feedback – der Unterschied zwischen beiden Bauweisen liegt hauptsächlich im Eigengewicht und folglich im Frequenzspektrum und in der Leistung.

Accelerated Ram Aktoren funktionieren ähnlich, können die Schwungmasse jedoch auch gegen einen Dämpfer schlagen. Dieses Feedback ist sowohl spürbar wie hörbar.

Viele dieser Komponenten sind bereits für die Serienproduktion optimiert und können gut in den Entwicklungsprozess eingebunden werden.

Portrait
Thomas Weiß
„Die Werkzeuge der Zukunft werden zu handgehaltenen Robotern. Aktive Haptik wird die Kommunikation zwischen Mensch und Werkzeug erheblich vereinfachen.”

Wir bei Intuity entwickeln und entwerfen Werkzeuge der neuen, cyber-physischen Generation. Wir schaffen den Durchstich von der Innovationsstrategie bis hin zum Proof of Concept. Mit einem Blick auf den gesamten Nutzungskontext erforschen wir Potentiale für die Einbindung von haptischem Feedback in Ihr Produkt, erarbeiten Konzepte, machen sie in unserem Prototypenlabor erlebbar und testen sie mit Nutzern.

Fußnoten

  1. Beruscha, F. (2012). Nutzerorientierte Gestaltung haptischer Signale in der Lenkung, Universitätsverlag Ilmenau, Link (25.08.20) zurück
  2. Merchel, S. (2014). Auditory-Tactile Music Perception, Shaker Verlag, Germany. zurück
  3. Notes on Medicine and Surgery. 2-point discrimination; Vibration and Temperature sensation, Link (19.04.20) zurück
  4. Designing With Haptic Feedback, Thomas Müller (Entstanden in Kooperation mit Intuity) - hapticlabs.io zurück