Fühlbares messen Künstlicher Finger quantifiziert aktive und passive Haptik

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Wie lässt sich eine haptische Rückmeldung präzise messen? Mit einem künstlichen Finger: Dieser misst und quantifiziert aktive und passive Haptik. Gemessen werden Beschleunigung und Schalldruckpegel.

Touch-Oberflächen ersetzen zunehmend mechanische Tasten. Ihr Nachteil: Sie geben kein typisches Klicken zurück. Die Eingabe wird nur visuell oder akustisch bestätigt. Den Tastsinn des Menschen anzusprechen ist mit piezoelektrischen oder elektromagnetischen Aktuatoren möglich. Sie können die Haptik von gewöhnlichen Tasten imitieren, indem sie die Oberflächen vibrieren lassen.

Allerdings können die Aktuatoren nur minimale Schwingungsbewegungen generieren. Damit können sie nicht wie passive Schalter in einem Kraft-Weg-Diagramm darstellen, sondern müssen unter anderem über ihre Beschleunigung und Frequenz beziffert werden.

Damit aktive Haptik neben der passiven quantifiziert werden kann und sich deren subjektive Wahrnehmung mit objektiven Werten beschreiben lässt, hat das Unternehmen Grewus den künstlichen Finger ArFi entwickelt. Dieser misst Beschleunigungen einer Oberfläche unter Krafteinfluss sowie den Schalldruckpegel und nimmt S-Kurven auf.

Der Wunsch nach einer haptischen Rückmeldung

„Kunden wünschen sich die passende Haptik für ihre Anwendungen“, beschreibt es Elisa Santella. Sie ist Geschäftsführerin bei Grewus. Oft wird der Wunsch geäußert, einen bestimmten Schalter oder eine spezifische Taste mithilfe von aktiver Haptik zu imitieren.

Die Rückmeldung ist subjektiv; Empfindungen und Beschreibungen hängen von der jeweiligen Person ab. Sogenannte passive Haptik, wie sie herkömmliche Schalter und Tasten generieren, wird in der Regel mit einem Kraft-Weg-Diagramm, auch S-Kurve genannt, grafisch dargestellt.

Im Gegensatz dazu legt aktive Haptik, die mittels elektromagnetischer oder piezoelektrischer Aktuatoren generiert wird, aber nur einen Weg von etwa 0,3 mm zurück. Daher ist stattdessen die Beschleunigung zu messen und im Zeit- sowie Frequenzbereich zu analysieren. Um aktive Haptik mit einer Belastung der Oberfläche messen und so mit der passiven vergleichen zu können, haben die Spezialisten bei Grewus den ArFi entwickelt.

Kraft- und Beschleunigungssensoren

Das Tool vereint als weltweit erstes Gerät alle notwendigen Messmethoden miteinander: Es verfügt über zwei Beschleunigungssensoren, von denen einer unmittelbar an der „Fingerkuppe“ des Geräts befestigt ist und der zweite frei auf der zu messenden Touch-Fläche platziert wird. Außerdem ist es mit einem Kraftsensor sowie einem Mikrofon ausgestattet.

Dank dieser Konstruktion kann der künstliche Finger alle Messwerte erfassen, die für die Evaluierung von Haptik – und der stets damit in Zusammenhang stehenden Akustik – erforderlich sind, und daraus den objektiven GHIV als einzelnen, vergleichbaren Zahlenwert berechnen. Der GHIV ist der Grewus Haptic Intensity Value, mit dem sich das Wahrgenommene durch einen objektiven Zahlenwert erfassen lässt.

Synchron auf drei Achsen messen

„Wenn wir die aktive Haptik einer Applikation beschreiben, dann bringen uns die technischen Spezifikationen des verwendeten Aktuators allein nicht weiter“, erläutert Santella. „Diese Angaben sind stets normiert und berücksichtigen so nicht die realen Gegebenheiten wie beispielsweise das tatsächliche Gewicht oder die Dämpfung der vom Aktuator in Schwingung versetzten Fläche.“

Zudem weicht die Empfindung eines Fingers, der mit einer bestimmten Kraft auf die Touch-Oberfläche drückt, deutlich von den Messdaten eines ungedämpft auf der Fläche aufliegenden Sensors ab. Aus diesem Grund verfügt der ArFi über zwei Beschleunigungssensoren, die synchron auf drei Achsen x, y, z messen können:

Der erste befindet sich direkt unter dem Finger, der eine genau definierte Kraft auf die Oberfläche ausübt; der zweite kann beliebig auf der Touch-Fläche platziert werden, um die Homogenität der Haptikverteilung zu überprüfen. Da die Resonanzfrequenz der Mechanik vom individuellen Kraftaufwand abhängt, kann der künstliche Finger zwischen 0,1 N, was einer gerade wahrnehmbaren Berührung entspricht, und 10 N erzeugen, also eine Last von etwa 1 kg.

Haptik und Akustik sind gekoppelt

Da die Akustik untrennbar zur Haptik gehört, ist der ArFi ebenfalls mit einem Mikrofon ausgestattet. Es nimmt Nebengeräusche, etwa ein durch nicht fixierte Bauteile bedingtes, ungewolltes Klappern, ebenso auf wie gezielte Töne, beispielsweise das typische Klicken einer mechanischen Taste. Für eine authentische, passive Haptik ist es unerlässlich, den dazugehörigen Sound mit einzubeziehen.

„Jeder kennt das Klick-Geräusch einer Taste“, bekräftigt Santella. „Dabei sorgt das Zusammenspiel mehrerer Sinnesempfindungen – in diesem Fall Haptik und Akustik – dafür, dass ein bestimmter Reiz, also das haptische Feedback, anders wahrgenommen wird.“ Da es sich bei dem künstlichen Finger von Grewus um ein Tool handelt, das den Entwicklungsprozess erleichtern soll, wurde der Fokus auf eine unkomplizierte Handhabung gelegt.

So misst er taktiles Feedback unter Berücksichtigung aller relevanten Werte wie der Beschleunigung unter einem spezifischen Krafteinfluss, der Auslöseschwellen und der begleitenden Akustik vollumfänglich und bereitet sie zur Weiterverarbeitung auf. Auf diese Weise wird es schließlich möglich, die subjektive Empfindung von „präzise“ oder „weich“ mit einem objektiven Zahlenwert zu beschreiben, auf den sich eine spezifische Applikation gezielt hin entwickeln und optimieren lässt.

Stand-alone-Gerät mit Analysesoftware

Das ArFi ist ein Stand-alone-Gerät und lässt sich über einen systemunabhängigen Browser bedienen. Die Software ArFi Haptic Analyser rendert die gemessenen Werte in Diagramme. Alle gemessenen Daten lassen sich im Nachgang analysieren und anpassen sowie zur weiteren Verarbeitung in Formate wie Excel oder CSV exportieren.

Bei einem der automatisch vom ArFi Haptic Analyser berechneten Werte handelt es sich um den erwähnten GHIV. Er basiert auf einer mathematischen Funktion, welche die menschliche Wahrnehmung des vibro-taktilen Feedbacks mit einem Zahlenwert beschreibt. Dieser lässt sich nutzen, um die Intensitäten verschiedener Haptiken zu vergleichen oder nachzubilden.

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