Modelle zur Synthese taktiler Reize
Creators: name: Tarnowsky, Andreas
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2018
Subjects: subject: Tactile perception
subject: Structural mechanics of the fingertip
subject: Reconstruction of tactile stimuli
subject: Taktile Wahrnehmung
subject: Strukturmechanik der Fingerkuppe
subject: Rekonstruktion taktiler Reize
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau::621 | Angewandte Physik::621,3 | Elektrotechnik, Elektronik

description: Mit Hilfe taktiler Displays können vielfältige Gefühlseindrücke erzeugt werden. Obwohl mittlerweile eine Vielzahl von - oftmals mechanischen - Ansätzen zur Stimulation der in der Haut eingebetteten Rezeptoren zur Verfügung steht, existieren nur wenige systematische Arbeiten, welche das strukturmechanische Zusammenspiel zwischen Display und dem zu stimulierenden Areal untersuchen. Ebensowenig wird dieser Zusammenhang berücksichtigt, wenn die taktilen Eindrücke einer realen Oberfläche durch solch ein Display nachgebildet werden sollen. So wird zumeist entweder versucht die Topographie einer Oberfläche direkt nachzubilden oder es werden - bei den sogenannten vibrotaktilen Ansätzen - variierende Frequenzmuster auf den Finger übertragen, welche z. B. einen bestimmten Rauheitseindruck vermitteln sollen. Diese Arbeit, welche im Kontext des DFG geförderten Projekts "Taktile Displays für Virtual-Reality-Anwendungen" entstanden ist, hat das Ziel die Bandbreite der darstellbaren taktilen Eindrücke im Vergleich zu bestehenden Ansätzen zu vergrößern. Eine idealerweise wahrnehmungsäquivalente Darstellung eines realen Zielreizes soll dabei mittels mechanischer taktiler Displays erreicht werden. Hierzu wird mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation die Strukturmechanik der menschlichen Fingerkuppe nachgebildet und der Einfluss einer kontaktierenden Oberfläche bzw. eines taktilen Displays auf diese untersucht. Das Ziel ist es, die rezeptorseitig auftretenden, zeitlich variablen Anregungsmuster, welche während des Überstreichens einer Oberfläche entstehen, mit Hilfe des taktilen Displays nachzubilden. Die Anregungsmuster werden in vereinfachter und abstrahierter Form in einer "taktilen Karte" gespeichert und können zu einem späteren Zeitpunkt im Rahmen einer interaktiven Erkundung mit dem taktilen Display approximativ resynthetisiert werden. Eine Simulation der zu erwartenden neuronalen Aktivität der verschiedenen Mechanorezeptoren erlaubt es zudem, die mit dem Display erreichte Reiznachbildung mit dem ursprünglichen Stimulus zu vergleichen und die Darstellungsgüte zu bewerten. Durch Simulation verschiedener hypothetischer Displays können auch mechanische Anforderungen an künftige taktile Displays formuliert werden. Um das vorgestellte Modell auch im realen Versuch bewerten zu können wird in dieser Arbeit zudem eine Ansteuerungselektronik, sowie ein einfaches taktiles Display beschrieben, welches in der Lage ist das Ansteuerungsmodell interaktiv abzubilden. Mit Hilfe einer Reihe experimenteller Untersuchungen kann so gezeigt werden, dass das verwendete FE-Modell in der Lage ist, das reale Verhalten eines Fingers in ausreichender Güte nachzubilden. Trotz der geringen Auflösung des eingesetzten taktilen Displays, kann die grundlegende Korrektheit des Modellansatzes gezeigt werden.
description: With the help of tactile displays, a variety of sensations can be generated. Even though a large number of - usually mechanical - approaches for the stimulation of the receptors that are embedded in the skin are available, there are only few systematic studies that investigate the structural-mechanical interaction between the display and the area to be stimulated. Neither is this relationship taken into account if the tactile impressions of a real surface are to be reproduced by such a display. In most cases, either the topography of a surface is directly recreated or - with so-called vibrotactile approaches - varying frequency patterns are transferred to the finger, which, for example, are intended to convey a certain impression of roughness. This work, which was created in the context of the DFG-funded project "Tactile Displays for Virtual Reality Applications", aims to increase the range of representable tactile impressions in comparison to existing approaches. Ideally, a perceptual equivalent representation of a real stimulus should be achieved by the use of a mechanical tactile display. A finite element simulation is used to simulate the structural mechanics of the human fingertip and to investigate the influence of a contacting surface or a tactile display respectively on it. With the aid of the tactile display, the aim is to reproduce the time variable excitation patterns emerging on the receptor side during sliding contact with the surface. These patterns are stored in a simplified and abstracted format that is called a "tactile map" and are later on reconstructed approximatively using the tactile display within an interactive scenario. Additionally a simulation of the expected neuronal activity of the mechanoreceptors allows to compare the resynthesized stimuli created through the display with the original ones. This way, the overall quality of the display specific reconstruction process can be evaluated. By simulating a set of hypothetical displays, mechanical requirements for future tactile displays can also be specified. In order to be able to evaluate the presented model in a real world experiment, this work also describes an electronic control system as well as a simple tactile display, which is able to interactively perform the model calculations. With the help of a series of experimental studies it can be shown that the FE model is capable of reproducing the real behavior of a finger with sufficient accuracy. Despite the low resolution of the tactile display being used, the basic correctness of the model approach can be shown up to a certain extend.