Haptische Wahrnehmung rechnerinterner Freiformflächen

Haptic Perception of Computer-Internal Free-Form Surfaces

  • Im industriellen Zeitalter stand zunächst die Funktionstüchtigkeit der Massenprodukte im Vordergrund. Insbesondere mit Einführung und Verbreitung der Rechnerunterstützten Konstruktion ist dieser Aspekt weitgehend beherrschbar geworden. Die Funktionstüchtigkeit wird zudem sowohl durch nationale Gesetze gefordert, als auch durch die in den meisten Fällen vorhandene globale Konkurrenzsituation. Als Folge nimmt die Bedeutung des "Designs" von Konsumgütern aller Art zu, seien es Kaffeemaschinen, Staubsauger oder Automobile. Insbesondere die Entwicklung von Programmen zur rechnerinternen Modellierung von Freiformflächen hat zu diesem Trendwechsel einen Beitrag geliefert. Mit der Aufwertung der Produktform hat auch die Bedeutung der "Entwicklungsschleifen" im Bereich Design zugenommen. Das heißt, nach der rechnerinternen Modellierung und einiger optischer Begutachtungen am Bildschirm wird ein realer Prototyp hergestellt, um die Serienreife des Designs zu beurteilen. Diese wird nur in wenigen Fällen auf Anhieb erreicht, eine Überarbeitung der Flächen ist meistens notwendig. Diese Entwicklungsschleifen sind sowohl zeit- als auch kostenaufwendig. Um die Beurteilung rechnerinterner Freiformflächen zu verbessern, wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Gerät entwickelt und getestet, das dem Designer die Möglichkeit eröffnen soll, an seinem CAS-/CAD-Arbeitsplatz die rechnerinternen Flächen nicht nur optisch, sondern auch haptisch und damit präziser beurteilen zu können. Das entwickelte Gerät, "Haptische Hand" genannt, präsentiert mit Hilfe einer in jeder Richtung neigbaren "Taumelscheibe" die Tangentenebene eines beliebigen Punktes der rechnerinternen Flächen. Wenn nun der Designer eine zusammenhängende Folge von Ebenenwerten auf die Taumelscheibe überträgt, so soll er dadurch die Gestalt der Fläche wahrnehmen und erkennen. Es ist außerdem möglich die Taumelscheibe anzuheben, die damit über insgesamt drei von Servomotoren angesteuerte Freiheitsgrade verfügt. Ziel dieses einfachen Konzeptes ist, das Gerät mit einer Standard-Computermaus in einem Gehäuse zu integrieren, um ein preiswertes, marktfähiges Produkt zu erreichen. Um die Behauptung der Wahrnehmbarkeit zu prüfen, wurden zwei Versuchsreichen durchgeführt. In einer ersten Versuchsreihe wurden fünf Flächen nach dem Flächenschema von Koenderink mit einem CAD-System modelliert und in vielen Variationen von mehreren Dutzend Versuchspersonen im wesentlichen haptisch wahrgenommen. Es ergab sich, dass die modellierten Flächen mit einer durchschnittlichen Erkennungsrate von 80% in einer durchschnittlichen Erkennungszeit von 25 sec erkannt werden konnten. In einer zweiten Versuchsreihe in Anlehnung an die VDA-Empfehlung 4955 wurden Unstetigkeiten, Tangentenunstetigkeiten und Krümmungsunstetigkeiten untersucht. Ergebnis war, dass die Versuchspersonen mehrheitlich dann Unstetigkeiten bei Flächenübergängen haptisch wahrnehmen können, wenn diese mehr als 0,1 mm beträgt. Bei tangentialer Unstetigkeit ist ein Mindestwert von 1,2° die Voraussetzung für eine haptische Wahrnehmung durch die Mehrheit der Testpersonen. Die Untersuchung von Flächen mit variablen Krümmungsverläufen zeigte, dass die Mehrheit der Versuchspersonen die Flächenquerschnitte und damit die Krümmungswerte korrekt erkannte. Die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe zeigen im Vergleich zu anderen Untersuchungen mit einem anderen, kommerziell verfügbaren Gerät, dass die Eigenentwicklung ähnliche Leistungsmerkmale bei der haptischen Präsentation rechnerinterner Freiformflächen besitzt, zusätzlich aber den Vorteil einer einfachereren und damit preiswerteren Konstruktion aufweist. Aus der zweiten Versuchsreihe hingegen ergibt sich die Verpflichtung zur weiteren Erforschung der bemerkenswerten Unterschiede zwischen der haptischen Wahrnehmbarkeit bei rechnerinternen und bei realen Flächenübergängen. Die Eigenentwicklung ist zum Patent angemeldet und die Anmeldungsschrift offengelegt, um eine Vermarktung zu sichern. Zum Abschluß der Arbeit wird eine Reihe von Verbesserungs- und Ergänzungspotentialen aufgezeigt, die auch der Behebung der genannten Differenzen der Wahrnehmbarkeit zwischen rechnerinternen und realen Flächen dienen sollen. Die durchgeführten Versuche haben ergeben, dass es möglich ist, rechnerinterne Freiformflächen durch eine Folge rechnerextern dargestellter Tangentenebenen haptisch wahrnehmbar zu machen. Mit dem entwickelten Gerät kann also ein Designer an seinem CAS-/CAD-Arbeitsplatz die modellierten Flächen in Echtzeit haptisch wahrnehmen und präziser beurteilen als es durch reine Ansicht der Flächen auf dem Monitor möglich ist. Als Folge einer solchen Erweiterung der Benutzungsschnittstelle von CAS-/CAD-Systemen wird die Notwendigkeit, reale Prototypen zur Beurteilung der rechnerinternen Modelle herstellen zu müssen, abnehmen. Auf diese Weise kann mit geringem Einsatz, verglichen mit kommerziell verfügbaren Geräten, zur notwendigen Senkung der Entwicklungszeiten und Entwicklungskosten beim Styling/Design von Massenprodukten beigetragen werden.
  • In the first period of the industrial age, the functional efficiency of mass products stood in the foreground. Especially with the introduction and spreading of Computer Aided Design this aspect has become manageable to a large extent. Besides, this functional efficiency is promoted both by national laws and by the global competitive situation existing in most cases. As a consequence, the importance of the "Styling" of consumer goods of all kinds has increased, be it coffee machines, vacuum cleaners, or automobiles. In particular, the development of programs for the computer-internal modelling of free-form surfaces rendered a contribution to this change of trends. By upgrading the products' shape, also the importance of "development cycles" in design increased. I.e., after modelling computer-internally and after some optical evaluation at the screen, a real prototype has to be produced to assess the maturity phase of the design. Only in very few cases, this is achieved at first go, i.e. a revision of the shape is necessary in most of the cases. These "development cycles" are both time-consuming and expensive. In order to improve the evaluation of free form surfaces, a device has been developed and evaluated in line with this thesis giving the stylist the possibility to assess the computer-internal surfaces not only optically but haptically as well from his/her desktop thus providing a higher precision. The developed device, called "Haptic Hand", presents the tangent plane of any point of the computer-internal surfaces by the help of a disc tiltable in every direction. With the stylist now transferring a connected sequence of plane values to the disc he/she will be able to perceive and to recognize the surfaces' shape. Additionally, it is possible to lift the disc which thus offers a total of three degrees-of-freedom. The target of this simple concept is to integrate the device with a standard computer mouse into one body, thus obtaining an inexpensive marketable product. In order to prove this thesis of shape perceptibility, two test series were performed. In the first series, five surfaces according to the surface scheme of Koenderink were modelled with a CAD system and were perceived haptically in many variations by several dozens of test persons. The result was that the modelled surfaces could be haptically perceived with an average recognition rate of 80% and an average recognition time of 25 seconds. In a second test series according to "VDA recommendation 4955" surface transitions with discontinuities, tangential and curvature discontinuities were analyzed. The result was, that the majority of the test persons were able to haptically perceive discontinuities of 0,1 mm and more at a surface transition. Similar to this at tangential discontinuities an angle of 1,2° and more could be perceived haptically by the majority of the test persons. The analysis of surfaces with curvature discontinuities demonstrated that the majority of the test persons recognized surface profiles and thus curvature values correctly. Compared to other research done with a commercially available product, the results of the first test series revealed that the proprietary development offers similar performance concerning the haptical presentation of computer-internal free-form surfaces with the advantage of a simpler and thus less expensive design. Yet, the second test series results in the obligation to further explore the remarkable differences between the haptical perceptibility of computer-internal and real surface-transitions. For the proprietary development a patent was claimed to secure its marketing. Finally, improvements and amendments are listed which shall serve for the elimination of the described differences concerning the perceptibility of internal and real surfaces. The test series proved the thesis that it is possible to perceive a surfaces' shape by a sequence of connected tangent planes of surface points. By the help of the developed device it is thus possible for a stylist or a surface designer to perceive the modelled surfaces in real time at his desktop and to assess them more precisely than in a "view-only mode". As a consequence of such an enhancement of the user interface of a CAS-/CAD-system the necessity to produce real prototypes for the assessment of computer-internal models will decrease. Thus, this simple means, compared to commercially available products, can contribute to the necessary reduction of development times and costs during the styling and the design of mass products.

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Metadaten
Author:Jörg Blaurock
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-17875
ISBN:3-8322-3461-6
Advisor:C. W. Dankwort
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2004
Year of Publication:2004
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2004/07/30
Tag:CAD; data output unit ; degree of freedom; free-form surface ; haptic perception ; user interface
GND-Keyword:Benutzeroberfläche ; CAD ; Datenausgabegerät ; Freiformfläche ; Freiheitsgrad; Tastwahrnehmung
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $