Entwurf eines elektromechanischen Systems für flexibel konfigurierbare Eingabefelder mit haptischer Rückmeldung

Gegenstand der Arbeit ist die Konzeptbildung, Realisierung und Erprobung eines neuartigen Eingabefeldes fur technische Gerate. Im Vordergrund steht dabei die haptische Ruckmeldung fur intuitive Bedienbarkeit.Ausgehend von einer Schwachstellenanalyse aktueller Bediensysteme wird das Konzept des neuen Eingabefeldes abgeleitet. Es ermoglicht menubasierte Bedienstrukturen durch Bereitstellung von Tasten variabel in Anzahl, Grose und Positionierung. Fur eine intuitive Anwendbarkeit erfahrt der Nutzer bei Tastenbetatigung einen haptisch eindeutig wahrnehmbaren Schaltpunkt.Um den Tastsinn des Menschen gezielt ansprechen zu konnen, ist eine ingenieurwissenschaftliche Definition der haptischen Mensch-Maschine-Schnittstelle notwendig. Eine Literaturrecherche und Experimente fuhren zu einer Aufstellung quantitativer technischer Merkmale fur haptische Displays.Das neue Eingabefeld "HapKeys" setzt sich aus matrixformig angeordneten Einzelelementen zusammen. Durch gezielte Ansteuerung werden die Elemente aus der Ebene hervorgehoben und stellen somit bedienbare Tasten dar. Unterschiedlich grose Tasten konnen durch Gruppierung und gleichformige Bewegung benachbarter Elemente erreicht werden.Zur Realisierung des Konzeptes ist jedes Element als individuell geregeltes Sensor-Aktor-System auszulegen. Die systematische Entwicklung des elektromechanischen Gesamtsystems erfolgt durch Bewertung und Auswahl geeigneter Aktoren, Sensoren und Regelungskonzepte.Analytische, numerische und thermische Betrachtungen fuhren zur realisierten Aktorkonstruktion. Die elektrodynamischen Linearantriebe weisen bei einem Bauraum von 10x10x35 mm³ eine Maximalkraft von ca. 1,5 N bei einem Hub von 5 mm auf. Die Auslenkung der Aktoren wird sensorisch durch Reflexlichtschranken mit einer Auflosung zwischen 5 und 35 µm erfasst. Das Regelungskonzept sieht fur jedes Element eine eigenstandige Positionsregelung mit ubergeordneter Sollwert-Vorgabe vor. Grosere Tasten werden realisiert, indem die zugehorigen Elemente auf die gleiche Auslenkung eingeregelt werden. Fur einen haptisch wahrnehmbaren Schaltpunkt muss die Betatigungskraft der Taste in Abhangigkeit deren Auslenkung variiert, also eine Kraft-Weg-Kennlinien dargestellt werden. Dies erfolgt mit Hilfe der Sollpositions-Vorgabe: Aus den Aktorstromen wird auf die Tastenkraft geschlossen und diese mit der Sollkraft verglichen. Bei signifikanter Differenz wird der Sollwert der Positionsregelung korrigiert und somit die Tasten nach oben oder unten verschoben.Der realisierte Prototyp besteht aus 15 Elementen mit je einer Grundflache von 1x1 cm². Er weist die vollstandige Funktionalitat zur Bestatigung des Konzeptes auf: Tasten variabler Grose und Anzahl konnen auf dem Eingabefeld dargestellt werden. Bei Tastenbetatigung erfahrt der Benutzer eine eindeutige haptische Ruckmeldung in Form eines spurbaren Schaltpunktes. Der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie (haptische Charakteristik) kann frei programmiert werden und wird mit einer Abweichung von typischerweise weniger als 150 mN wiedergegeben. Bei mehrelementigen Tasten ist dabei der haptische Eindruck weitgehend unabhangig von der Anzahl der gleichzeitig betatigten Elemente.Neben der quantitativen Charakterisierung des Gesamtsystems kann mit Hilfe subjektiver Beurteilungen durch Versuchpersonen die intuitive Nutzbarkeit des Bedienfeldes aufgezeigt und somit die Zweckmasigkeit der vorgeschlagenen Losung bestatigt werden.