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    Virtual Reality Systems Group / Prof. Dr. Bernd Fröhlich
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    Haptische Spacemouse

    Haptik – taktiler Sinn / Kinästhetik

    • Die Dinge zu begreifen bedeutet auch anfassen, berühren bzw. haptische Interaktion.
    • Dies geschieht durch Manipulation und „Force Feedback“.
    • Der Informationsfluß ist dabei nur 20-30 bit/s, dafür benötigt man aber eine Bandbreite von bis zu 10 kHz (starre Körper).
    • Dabei findet eine Kraftübertragung lokal über Körperkontakt statt.

    Haptisches Interface

    • Dieses ist Ein- und Ausgabegerät zugleich.
    • Deshalb besteht es aus Sensoren, Aktoren und einer Steuerung.

    Sensoren

    Spacemouse

    • Die Spacemouse ist ein Kraftmessgerät mit 6 Freiheitsgraden.
    • Sie besitzt eine geringe Auslenkung von ca. 1.6 mm.
    • Dabei ist diese proportional zur aufgebrachten Kraft.
    • Das Koordinatensystem der Space-Mouse ist absolut.

     

     

    Idee

    • Gegenkraft zur Auslenkungskraft der Spacemouse aufbringen d.h. die Auslenkung verhindern bzw. einschränken
    • Dadurch soll auch die Simulation von starren Wänden ermöglicht werden.
    • Zur Steuerung closed-loop-Steuerung durch auslesen der Spacemouse-Daten direkt auf Atmel.

    Aktoren

    Hubmagneten

    • Eine Spule erzeugt ein Magnetfeld welches auf den in ihr befindlichen Anker eine Kraft ausübt.
    • Diese fällt exponentiell mit der Auslenkung.
    • In unserem benötigten Hubbereich von 1,5 mm beträgt sie ungefähr 3N.

    Voice-Coil-Motoren / Tauchspulenaktuatoren

    • Voice-Coil-Motoren haben ein nahezu lineares Verhalten im gesamten Hubbereich.
    • Dieser kann bis zu 20 mm betragen.
    • Ein weiterer Vorteil sind die weichen Endanschläge.
    • Großer Nachteil ist jedoch der hohe Preis von ca 400 €.

    Aufbau/Kommunikationswege

    • Die Haptische Spacemouse besitzt eine Closed-Loop Steuerung d.h. die Dekodierung der Spacemouse-Daten findet direkt auf dem Atmel statt.
    • Die Spacemouse liefert Daten mit 50Hz und schränkt damit die Force-Feedback Bandbreite ein.

     

     

    serielle Schnittstellen

    UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter

    • Es ermöglicht eine Datenübertragung über 2 Kabel in beide Richtungen mit fester Taktrate. (z.B. die serielle Schnittstelle am PC)

    MAX3110E – UART mit SPI Schnittstelle

    • Das SPI besteht aus 4 Kabeln und ermöglicht eine synchrone Master / Slave Datenübertragung.
    • SS: SlaveSelect - signalisiert Übertragungsbeginn und -ende
    • SCK: SourceClock – Taktrate zur Synchronisation der Übertragung
    • MOSI: MasterOutSlaveIn - zur Datenübertragung
    • MISO: MasterInSlaveOut - zur Datenübertragung

    Anwendung

    • Eine erste Möglichkeit wäre das spürbarmachen von Objektkollisionen in 3D-Umgebungen.
    • Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Haptische Desktop. Beim Bewegen der Maus über eine Fenstergrenze ist z.B. ein Widerstand spürbar.
    • Unsere Demo-Anwendung:
    • In einem umzäunten Bereich kann eine kleine Box umher geschoben werden.
    • Wenn die Box die Wand berührt, wird über die serielle Schnittstelle eine Nachricht an die Haptische Spacemouse geschickt.
    • Daraufhin bringen die Hubmagneten eine Gegenkraft auf und die Closed-Loop tritt in Kraft um nachzuregeln.
    • Für die Physiksimulation verwenden wir ODE eine Physik Engine für Dynamic/Collision Detection.
    • Zur Darstellung benutzen wir die drawstuff Bibliothek die bei ODE mitgeliefert ist. (ein openGL wrapper)

    Ergebnisse / Ausblick

    • Die Hubmagneten zeigten im genutzten Bereich kein spürbares exponentielles Verhalten.
    • Kollisionen mit virtuellen Objekten erzeugen ein haptisches Feedback.
    • Um die Closed-Loop Bandbreite zu erhöhen könnte man eine Spacemouse mit höherer Datenrate verwenden.
    • Weiterhin könnte man das Gerät um eine dritte Translationsachse erweitern, müsste dafür aber den mechanischen Aufbau überdenken.
    • Um die Größe zu reduzieren könnte man ausserdem Voice-Coil-Motoren benutzen.
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