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.