Die haptische Technologie ist eine einzigartige Form der Mechatronik, die mechanische, elektrische und computergestützte Komponenten umfasst. Durch hochentwickelte Sensoren und Aktuatoren bietet sie den Nutzern eine bessere Interaktion mit Maschinen als herkömmliche Systeme. Mit Hilfe von haptischen Systemen erhalten Nutzer vom Computer optische und akustische Informationen sowie taktile Rückmeldungen wie Berührung, Druck, Gewicht, Beschaffenheit und Wärme. Auf diese Weise wird eine tiefere, greifbare Verbindung mit unseren Geräten geschaffen, die unsere Interaktion mit Applikationen auf eine andere Ebene hebt. In diesem Blogbeitrag erfahren Sie, wie haptische Systeme in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden können. Zudem stellen wir die neuesten Design-Techniken für haptisches Feedback vor.

Anwendungsbereiche für haptische Systeme

Zunächst schauen wir uns aktuelle und zukünftige Anwendungen der Haptik an und überlegen, warum wir haptische Technologien brauchen oder wollen.

Medizintechnik

Im medizintechnischen Bereich können Ärzte z. B. die Berührungen einer Roboterhand erfühlen und so die Steuerung und Sicherheit verbessern. Bei chirurgischen Techniken wie der laparoskopischen Chirurgie können Chirurgen mit Hilfe haptischer Technologien kleinere Schnitte setzen, die für den Patienten schneller heilen. Mit ferngesteuerten Handgeräten und einer Kopplung mit Video kann ein Chirurg heikle Operationen mit größerer Präzision als je zuvor durchführen. Ein Chirurg muss wissen, wie viel Kraft ein Skalpell ausübt. Zu viel, und der Einschnitt ist zu tief. Zu wenig, und der Einschnitt ist zu flach. Ebenso muss ein Chirurg wissen, ob er im Begriff ist, ein Blutgefäß nur aus dem Weg zu schieben oder es zu durchtrennen. Hier ist die Rückmeldung der eigenen ausgeübten Kraft von entscheidender Bedeutung.

Gaming

Bei Gaming-Anwendungen bietet die Haptik dem Benutzer im Gegensatz zu Joysticks und Tastaturklicks eine tatsächliche Rückmeldung, die er über die Widerstandskraft der Steuerung wahrnehmen kann, so dass er auch das Gefühl von Texturen und anderen physikalischen Phänomenen erfährt. Bisher werden Mikromotoren, Piezoaktuatoren, Flüssigkeitsübertragungen und Luftdruck verwendet, um mit dem Benutzer physisch zu interagieren. Die Entwicklung mit diesen haptischen Technologien unterscheidet sich jedoch stark von der Entwicklung anderer, traditionellerer Maschinenkonzepte.

Die Hersteller von Bauelementen haben sich auf diese Anforderungen eingestellt und bieten den Entwicklern, die noch keine Erfahrung mit der haptischen Technologie haben, Entwicklungssysteme und Applikationen zur Unterstützung an. Eine Schlüsseltechnologie für haptische Designs sind Beschleunigungssensoren. Sie werden in Headsets zur Steuerung des Sichtfeldes, in Handschuhen zur Überwachung der Handbewegung und in ferngesteuerten Baugruppen für Roboter eingesetzt, um Informationen über die Kraft zu liefern.

Viele Bauelemente-Hersteller bieten Beschleunigungsmesser für OEM-Applikationen und Development Kits, Anwendungshinweise und Referenzdesigns an. Aufgrund der weiten Verbreitung von Beschleunigungsmessern in Mobiltelefonen sind diese mehrachsigen Bauteile zudem kostengünstig und problemlos bei normalen Distributoren und Herstellern erhältlich. Ein typisches Development Kit für Beschleunigungsmesser enthält mehrachsige Sensoren und eine Computerschnittstelle wie USB, I2C, SPI oder UART. Die Ausgänge können digital oder analog sein, und Messbereiche von bis zu 16 G sind keine Seltenheit.

Unterhaltungselektronik

Bei Anwendungen, die eine komplexe Bewegungserfassung und -verarbeitung erfordern, werden in haptischen Designs zunehmend Trägheitsmesseinheiten (Inertial Measurement Units, IMUs) eingesetzt. IMUs sind im Wesentlichen eine Kombination aus Beschleunigungsmessern, Gyroskopen und Magnetometersensoren. Diese hochintegrierten und extrem stromsparenden Sensoren können für zahlreiche Applikationen mit hohen Leistungsanforderungen angepasst werden, beispielsweise für Wearables, kopfgeführte Geräte, Smartphones, Kameras, Drohnen und AR/VR/MR-Headsets. Mit sofort einsatzbereiten Software-Algorithmen stellen IMUs ein robustes Paket von Smart-Sensor-Systemen dar, das Lage, Position und Geschwindigkeit einfach berechnen kann. Das kann für die Positionsverfolgung und die Aktivitäts-/Gestenerkennung mit hoher Präzision und geringer Latenzzeit verwendet werden.

Zudem sind diese mehrachsig programmierbaren intelligenten Sensorsysteme aufgrund von Skaleneffekten und der weiten Verbreitung von IMUs in Smartphones, Kameras, Drohnen und anderen Bauelementen kostengünstig und problemlos bei Distributoren und Herstellern erhältlich. Genau wie Beschleunigungsmesser enthalten typische IMU Development Kits einen Mehrachsensensor, Umgebungssensoren und eine Computerschnittstelle wie USB, I2C, SPI oder UART.

Design-Techniken für haptische Systeme

Mit der Vielzahl der Anwendungen für haptische Technologien entstehen auch verschiedene Design-Techniken, die von den Entwicklern immer weiter verfeinert und entwickelt werden. Einige haptische Designs verwenden mikrofluidische Techniken, bei denen Flüssigkeiten in einer Reihe von Kammern ein- und ausgepumpt werden. Diese Techniken eignen sich auch für die Erzeugung von Gefühlen auf der Haut. In den meisten Fällen werden auf Mikromotoren basierende Pumpen, Mikroventile und Kapillarrohre verwendet. Die Technologie der Motorsteuerung ist inzwischen ausgereift, und es sind zahlreiche Development Kits für die Motorsteuerung erhältlich, mit denen sich diese mikrofluidischen Anwendungen realisieren lassen.

Operationsverstärker- und Mikrocontroller Designs

Mikromotoren arbeiten stromsparend und können typischerweise mit Operationsverstärkern betrieben werden, um die Motoren bidirektional anzusteuern. In Applikationen, in denen Operationsverstärker allein nicht ausreichen, um die Mikromotoren anzutreiben, können Mikrocontroller mit Motorsteuerungsfunktionen wie Hochstrom-Treibern, Pulsweitenmodulation (PWM), mehreren Timern und sogar Analogausgängen eingesetzt werden, um die vielen Motoren, Pumpen oder Mikroventile anzusteuern.

Digitale Signalverarbeitung

Prozessoren mit Fähigkeiten zur digitalen Signalverarbeitung (DSP) sind besonders geeignet für die Ansteuerung von Mikromotoren und die Überwachung der Gegen-EMK, die zur Messung des Widerstands von digital erfassten Drücken verwendet werden kann. Development Boards enthalten beispielsweise einen Prozessor und gegebenenfalls ein Array mit Leistungstransistoren. Haptische Designs, bei denen DSPs zum Einsatz kommen, bieten ein enormes Potenzial für immersive Erlebnisse bei Gaming, Filmen, Musik und vielem mehr. Durch die Ergänzung audiovisueller Inhalte mit taktilen Vibrationen können haptische Designs die sensorische Stimulation verbessern und das Nutzererlebnis steigern. Prozessoren mit DSP-Fähigkeiten können komplexe Filteralgorithmen für die präzise Motorsteuerung mehrerer Motoren in der Applikation durchführen. Darüber hinaus können diese Motorsteuerungstechniken auch für Systeme verwendet werden, die auf Luftdruck und Flüssigkeitspumpen basieren. Diese Technologie kann auch für den Antrieb von Mikro-Piezo-Aktuatoren angepasst werden, die elektromechanische Empfindungen erzeugen können, oder auch für den Antrieb von Ultraschall-Emittern und Piezo-Aktuatoren.

Ultraschall-Haptik

Eine weitere innovative haptische Technologie nutzt Ultraschall-Wellen aus einem Ultraschall Array, die sich zu einer wahrnehmbaren Kraft verbinden. Hierbei erzeugen fokussierte Ultraschallwellen haptische Empfindungen in der Luft, so dass Menschen ein haptisches Feedback an den Händen erfahren können, ohne dass ein physischer Kontakt mit einem Bauteil besteht. Diese Technologie wurde bisher in erster Linie für taktile Rückmeldungen genutzt, z. B. beim Drücken einer virtuellen Taste, doch ihr Anwendungsbereich wächst und umfasst nun auch größere Flächen des Körpers, die stimuliert und beeinflusst werden können.

Für die nächste Generation der hochauflösenden (HD) Haptik wird mehr als nur Hardware benötigt. Die Einbindung von Software in zukünftige Designs haptischer Systeme wird entscheidend sein, um die Grenzen reiner Hardware-Lösungen zu überwinden.

Fazit

Haptisches Design ist eine relativ neue Disziplin, aber es gibt bereits Development Tools und Anleitungen für Entwickler. Je mehr haptische Produkte auf den Markt kommen, desto mehr Development Kits und Applikationen wird es geben. Die Entwicklung haptischer Technologien in den Bereichen Medizin, Industrie, Robotersteuerung und Fernreparatur wird von entscheidender Bedeutung sein, doch im Gaming-Bereich wird diese Technologie noch schneller und weiter vorangetrieben. Sofort einsetzbare Anwendungen in größeren Stückzahlen werden die haptische Technologie vorantreiben, so dass Spezialanwendungen einfacher entworfen werden können, was wiederum Möglichkeiten für zukünftige Innovationen und Anwendungen schafft.

Referenzen

• Kern, Thorsten A. und Christian Hatzfeld. 2023. „Development of Haptic Systems.“ In Engineering Haptic Devices, herausgegeben von Thorsten A. Kern, Christian Hatzfeld und Alireza Abbasimoshaei, 133–149. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-031-04536-3_4