Haptische Aktorelemente mit elektrorheologischen Flüssigkeiten

28.08.2008

Ausgangssituation
Technologien und Methoden zur Darstellung Virtueller Realität verzeichnen in zahlreichen Anwendungsbereichen eine zunehmende Verbreitung. In der menschlichen Wahrnehmung spielt für das Eintauchen in die künstliche Welt neben Sehen und Hören auch das Tasten eine zentrale Rolle. In diesem Zusammenhang kommt dem Befühlen von Objekten unterschiedlicher oder lokal variierender Festigkeit eine wesentliche Bedeutung zu.

So kann ein Arzt mit Hilfe des Tastbefundes (Palpation) krankhafte Veränderungen an Organen, beispielsweise Tumore, feststellen. Durch die externe Detektion der Konsistenz von Gewebe im Körper – ähnlich wie bei der Ultraschall-Diagnostik – und die virtuelle Darstellung außerhalb des Körpers würden die Einsatzmöglichkeiten der Palpation als schonende Diagnosemethode erweitert werden.

Die getrennte Erfassung, Speicherung und virtuelle Darstellung von Gewebekonsistenzen lässt sich ebenso für die Ferndiagnose in der Telemedizin, die Beurteilung von Gewebeveränderungen und für das Erlernen der Palpation nutzen.
Daneben besteht der Wunsch, auch einfachere haptische Eindrücke mit geeigneten Technologien darzustellen. Dies betrifft die Wahrnehmung von Kräften bei der Bewegung von Gegenständen in einer virtuellen Welt (Force Feedback), aber auch bei der Handhabung von Bedienelementen wie Druckschaltern oder Drehknöpfen. Hierbei kann es beispielsweise notwendig sein, Druckpunkte, Anschläge oder Einrastpunkte flexibel darzustellen. Zur Erzeugung solcher Funktionen existieren gegenwärtig noch wenig ausgereifte oder aufwändige Technologien.

Lösungsweg
Elektrorheologische Flüssigkeiten (ERF) bieten vielfältige Möglichkeiten zur Realisierung von Aktorelementen mit unterschiedlichen Funktionen. Die Konsistenz derartiger Materialien lässt sich durch ein starkes elektrisches Feld schnell und reversibel verändern. Beim Anlegen der Spannung wird die ERF innerhalb von einigen Millisekunden gelartig und geht nach dem Abschalten der Spannung wieder in den flüssigen Ausgangszustand zurück.
Mit Hilfe dieses elektrorheologischen Effekts lassen sich Widerstandskräfte generieren, die von der Hand des Benutzers wahrgenommen werden. Die Kräfte können durch eine entsprechende Software situationsabhängig gesteuert werden. Da es sich dabei um ein mechatronisches System handelt, kommt der Abstimmung zwischen den Materialeigenschaften der ERF und den mechanischen wie auch elektrischen Komponenten eine wesentliche Bedeutung zu.

Am Fraunhofer ISC werden ERF entwickelt, die für haptische Anwendungen genutzt werden. Haptische Aktorelemente bis hin zu Funktionsmustern werden im Rahmen von Machbarkeitsstudien aufgebaut. Auf dieser Basis wurde beispielsweise ein Joystick mit Kraftrückkopplung aufgebaut, der einen Cursor auf einem Bildschirm steuert.
Trifft der Cursor ein bestimmtes Feld, so spürt der Bediener einen erhöhten Widerstand gegenüber der Bewegung, d. h., die Bewegung wird nicht nur optisch, sondern auch haptisch vermittelt nach dem Prinzip „you feel what you see“. Ein derartiges System könnte aber auch eine Unterstützung für Sehbehinderte liefern, die mit dem Computer arbeiten („you feel what you cannot see“).

Gegenüber einzelnen Aktorelementen zur Bedienung von Geräten ist die haptische Darstellung der Oberfläche von Objekten mit weitaus mehr Aufwand verbunden. Hierzu ist die Verbindung einer Vielzahl von Aktorelementen in einem Array notwendig, um die erforderliche lokale Auflösung zu erreichen und dem Benutzer einen realitätsnahen Eindruck beim Ertasten des virtuellen Objekts zu vermitteln. Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundprojekts wird gegenwärtig ein haptisches Aktorarray entwickelt, das aus zahlreichen Zellen mit etwa zwei Millimeter Durchmesser besteht, deren erfühlbare Festigkeit durch eine ERF erzeugt wird.

Während am Fraunhofer ISC eine ERF mit den hierfür erforderlichen Eigenschaften entwickelt wird, stellt das Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM) die Tastzellen mit mikrotechnischen Fertigungsmethoden her. Die individuelle elektrische Ansteuerung der elektrorheologischen Tastaktoren wird von der Fachhochschule Regensburg realisiert. Ein Sensorsystem ermittelt mit dem Verfahren der Ultraschallelastographie Konsistenzdaten von realen Objekten, die sich anschließend auf dem Aktorsystem virtuell darstellen lassen. Entwickelt wird das Sensorsystem an der Ruhr-Universität Bochum. Mit diesem Gesamtsystem wird in dem Verbundprojekt eine neuartige Technologieplattform geschaffen, auf der anschließend neue Produkte entstehen sollen.

Nutzungsperspektiven
Besonders interessante Nutzungsmöglichkeiten des haptischen Sensor-Aktor-Systems werden in der Medizintechnik gesehen. Stellvertretend für andere Anwendungen sei die Palpation von Organen genannt, sowohl in der vergleichenden Diagnose oder in der Telemedizin als auch zur Simulation in der Ausbildung. Darüber hinaus ergeben sich erfolgversprechende Perspektiven für die Unterhaltungsindustrie. Bei elektronischen Spielen oder in Multimedia-Präsentationen können grafische und akustische Darstellungen um haptische Elemente erweitert werden.

Einsetzen lassen sich haptische Sensoren auch in der Informations- und Kommunikationstechnik sowie im elektronischen Handel. So können Informationen haptisch über Touch Panels übertragen werden, was für die Bedienung von Geräten (Mensch-Maschine-Schnittstelle) oder für die Arbeit blinder oder sehbehinderter Menschen am Computer von großer Bedeutung ist.

Für den elektronischen Handel ist die Möglichkeit interessant, auch den haptischen Eindruck von Produkten zukünftig über das Internet zu übertragen. Schließlich ergeben sich weitere Nutzungsperspektiven des haptischen Sensor-Aktor-Systems in der Telerobotik.

Ansprechpartner
Dr. Holger Böse
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