Forschung zur theoretischen Entwicklung und experimentellen Validierung rekon-figurierbarer haptischer Schnittstellen für Virtual Reality (ReHaPy)

Zusammenfassung

Virtual Reality (VR) findet zunehmend auch Anwendung in der Fertigungstechnik, u.a. bei der computer-unterstützten Konstruktion (CAD), dem virtuellen Prototyping, der virtuellen Inbetriebnahme und virtuellen Montage. Herkömmliche Monitore, Tastaturen und Mäuse werden für die Interaktion mit der VR benutzt, aber neuartige VR-Verfahren verlangen neue Interaktionstechniken. Haptische Schnittstellen können definiert werden als duale Interfaces (Input als auch Output), die dem Benutzer eine Kraftrückmeldung bezüglich seiner Bewegungen geben oder umgekehrt. Mit anderen Worten, als Analogie zu visuellen Schnittstellen, Sehen ist für das Licht, was Haptik für die Berührung ist. Mit haptischen Schnittstellen kann der User (Bediener, Konstrukteur, etc.) die VR-Umgebung nicht nur sehen, er kann sie auch fühlen.

Viele Veröffentlichungen betonen die Vorteile der haptischen Geräte bei verschiedenen fertigungstechnischen Anwendungen, wie z.B. der virtuellen Montage, der virtuellen Fertigung, dem virtuellen Prototyping und der virtuellen Instandhaltung. Diese neuartigen Schnittstellen machen das Arbeiten mit VR komfortabler und praktischer. Bei der virtuellen Montage werden haptische Schnittstellen genutzt, um die manuellen Montagezeiten besser voraussagen zu können und sie durch die Optimierung der Montagewege zu reduzieren. Der virtuelle schnelle Prototypenbau von Drehknöpfen mit haptischem Feedback ist ein kostengünstiges Verfahren für das ‚Human-in-the-loop-testing‘. Haptische Geräte vervollständigen die Interaktion, indem sie neuartige VR-Methoden für die Fertigungstechnik mit Kraftrückmeldung anwenden und so die VR konkreter und, infolgedessen, die Arbeit des Ingenieurs effizienter machen.

Die Entwicklung eines haptischen Interfaces, die in verschiedenen Szenarien stattfinden kann, eröffnet neue Forschungsrichtungen in der Fertigungstechnik. Neue Methoden der Roboterprogrammierung mit virtuellen Lernverfahren können erforscht werden. Auch Forschungen betreffend die Schulung von Arbeitern für verschiedene Fertigungs- und/oder Montageprozesse, wo menschliches Versagen zu erheblichen Schäden führen kann, können zum Teil kostengünstiger mit VR durchgeführt werden.

Rekonfigurierbare Systeme basierend auf ihren modularen Eigenschaften erfüllen unterschiedliche Anforderungen auf ökonomische Art und Weise. Ein rekonfigurierbares haptisches Interface wird den Vorteil haben, dass es den verschiedenen Erfordernissen unterschiedlicher VR-Interaktionsszenarien kosteneffizient genügen kann.

Neue Simulationsmethoden in Echtzeit ermöglichen die Simulation von Kollisionen mit reduzierter Rechnerleistung. Um das Potenzial der haptischen Schnittstellen voll auszuschöpfen, müssen sie normalerweise an VR-Umgebungen mit hoher Rechnerkapazität angebunden sein, wo die Dynamik der virtuellen Welt in Echtzeit simuliert wird. Im Fall von Haptik ist nur ein Teil der Berechnungen der virtuellen Welt notwendig, hauptsächlich Kollisionssimulationen. Kollisionen die in der Steuerungsarchitektur der haptischen Schnittstelle simuliert werden, ermöglichen die Nutzung des vollen Potenzials des haptischen Interfaces ohne die Notwendigkeit einer kostspieligen VR-Umgebung mit hoher Rechenleistung.

Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Erforschung und Entwicklung einer rekonfigurierbaren haptischen Schnittstelle einschließlich Kollisionssimulation in Echtzeit in ihrem Steuerungssystem. Um diese Ziele zu erreichen, ist das Fachwissen aus verschiedenen Disziplinen gefordert. Mechanische Struktur und Steuerungssysteme fallen in die Gebiete Mechatronik und Robotik, während VR und Echtzeitsimulationen der Kybernetik zuzuordnen sind.