AKTORIK

© Gangadhar Mamillapalli

Der Lehrstuhl für Akustik und Haptik verfügt über langjährige Erfahrung mit elektrodynamischen, elektrotaktilen, piezoelektrischen, elektroaktiven Polymer- und Biegewellen-Haptikaktoren. Darüber hinaus wurden mehrere technologische Lösungen mit elektrotaktilen, elektrodynamischen und elektroaktiven Polymeraktoren für verschiedene Anwendungen wie Touchscreens, Multimediasysteme, Bedienfelder in Fahrzeugen, Haushaltsgeräte und digitale Musikschnittstellen entwickelt.

Die Simulation von taktilem Feedback, abgesehen vom grundlegenden vibrierenden Feedback, ist eines der Hauptanliegen der letzten Zeit im Bereich der Haptik. Die vibrotaktile Rückmeldung wurde bis vor kurzem bei Spielkonsolen und Mobiltelefonen zur Übertragung der einfachen Vibration verwendet. In den letzten Jahren wird vibrotaktiles Feedback neben anderen taktilen Rückkopplungssystemen auch gezielt zur Darstellung von Texturen eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Rendering-Methoden kann vibrotaktiles Feedback auch für taktile Displays und Teleoperationssysteme natürliche, intuitive und reichhaltige Informationen zu relativ geringen Kosten erzeugen. Die anderen Texturwiedergabemethoden werden im Abschnitt Oberflächenhaptik ausführlich behandelt. Die einzelnen Effekte des vibrotaktilen Feedbacks spielen in einem taktilen Display durchaus eine Rolle. Liegt die Frequenz unter 5 Hz, wird sie als kinästhetische Bewegung wahrgenommen. Von 10 bis 60 Hz kann es als Bewegung oder als Schlag wahrgenommen werden. Zwischen 100 und 350 Hz kann sie als sanfte Vibration wahrgenommen werden. Inspiriert von den aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der vibrotaktilen Rückkopplung haben wir uns der vibrotaktilen Rückkopplung zugewandt, um mit Hilfe eines elektrodynamischen Schüttlers Stofftexturen wiederzugeben.

Aktuatoren für vibrotaktiles Feedback

Vibrotaktile Aktoren haben eine kompakte Größe und eine bemerkenswerte Skalierbarkeit, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl für viele Hardware-Designs mit unterschiedlichen Designanforderungen macht. Im Bereich der haptischen Technologie sind vibrotaktile Aktoren besonders für tragbare Geräte wünschenswert, da sie sich leicht am menschlichen Körper befestigen lassen. Einige der häufig verwendeten Arten von vibrotaktilen Aktoren sind Motoren mit exzentrischer rotierender Masse (ERM), lineare Resonanzaktoren (LRA), Aktoren aus elektroaktivem Polymer (EAP), Aktoren aus dielektrischem Elastomer (EDA), Aktoren aus Formgedächtnislegierungen (SMA) und piezoelektrische Aktoren.

Elektroaktive Polymeraktoren bestehen aus Polymeren, die ihre Form oder Größe ändern, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Wenn sie ihre Form oder Größe ändern, wird eine Vibration erzeugt. Diese Aktuatoren bieten eine recht statische Betätigung und sind klein genug, um in kleine Geräte eingebaut zu werden.

Aktoren aus dielektrischen Elastomeren bieten einzigartige und interessante Eigenschaften für haptische Anwendungen. Aufgrund der großen erreichbaren Dehnung, der hohen Energiedichte und der kurzen Reaktionszeit bieten sie vielversprechende Vorteile für akustische Anwendungen. Dieser Aktuator wurde in einer neuen Studie am Lehrstuhl, "Dielektrischer Elastomer-Lautsprechertreiber", verwendet, um ein haptisches taktiles Feedback zu geben.

Flüssige dielektrische Aktoren (HASEL-Aktuatoren) können in einem kompakten Formfaktor eine relativ große Amplitude und ein breitbandiges vibrotaktiles Feedback ausgeben. Das dynamische Verhalten und die neue Kontrollstrategie dieser Art von Aktoren werden derzeit am Lehrstuhl untersucht.

Piezotechnik wird in vielen Bereichen unseres Alltags eingesetzt. Sie ist in Uhren, Miniaturlautsprechern, Gyroskopen und vielem mehr verbaut. Eine neue Entwicklung ist die Anwendung in der Haptik. Durch die hohe Miniaturisierbarkeit ist es möglich kleine, leichte Vibrationsmotoren zu bauen. Im Vergleich zu herkömmlichen elektrodynamischen Motoren besitzen die piezoelektrischen Motoren eine geringere Latenz, einen niedrigeren Energieverbrauch und können dabei höhere Kräfte erreichen. Außerdem können sie breitbandig, das heißt in verschiedenen Frequenzen betrieben werden. Ein Nachteil sind jedoch ihre eher geringen Auslenkungen. Nichtsdestotrotz sind die Piezomotoren auf Grund ihrer Eigenschaften für eine Vielzahl haptischer Anwendungen interessant. Beispielsweise könnten sie Handydisplays direkt zum Schwingen anregen und so Oberflächentexturen nachbilden oder sie können in textile Wearables integriert werden. Auch für die Anwendung in integrierten Bedienelementen bergen sie ein hohes Potential. Am Lehrstuhl ergründen wir daher neue und nützliche Anwendungsgebiete für diese spannende Technologie.

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Kraft-Feedback

© AHA_Pablo

Die Haptik beschränkt sich jedoch nicht nur auf Vibrationsfeedback-Stimuli, sondern einige Anwendungen erfordern die Implementierung von Kraft- oder kinästhetischem Feedback. Besonders praktisch ist dies bei der Teleoperation von Robotern, der virtuellen Realität (VR) und der erweiterten Realität (AR). Diese Art der Rückmeldung konzentriert sich auf die Anwendung realer Kräfte auf die Haut und den Körper, mit dem Ziel, die Bewegung zu beeinflussen. Das übliche Ziel in der Haptik sind die Hand und die Finger, um die Interaktion mit realen oder virtuellen Objekten nachzubilden. Die Art der Interaktion kann von einem Objekt zum anderen sehr unterschiedlich sein. Eine der Herausforderungen besteht darin, verschiedene Objekte mit unterschiedlicher Steifigkeit nachzubilden, z. B. das Halten eines Glases (sehr steif und ohne Verformung) im Vergleich zum Halten eines Stressballs (weich und stark verformbar).  Einer der Forschungsschwerpunkte unseres Lehrstuhls liegt auf der Entwicklung von Antriebssystemen, die zu diesem Zweck eingesetzt werden können, mit besonderem Schwerpunkt auf tragbaren Systemen. Zwar gibt es Antriebs- und Steuersysteme, die eine solche Interaktion durchführen können, doch ist es eine Herausforderung, dies mit einem kompakten, leichten Design zu erreichen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei Systemen mit kinästhetischem Feedback ist die Fähigkeit, die freie Bewegung des Probanden zu ermöglichen und gleichzeitig ein Kraftfeedback zu geben, wenn dies erwartet wird. Teil unserer Forschung ist es, neuartige Mechanismen wie die im Bild gezeigte bidirektionale Kupplung zu entwickeln, die in der Lage sind, Betätigungssysteme zu verbessern, um solche Eigenschaften zu ermöglichen.

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