DE102004049938B4 - Device and method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object - Google Patents

Device and method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object Download PDF

Info

Publication number
DE102004049938B4
DE102004049938B4 DE102004049938A DE102004049938A DE102004049938B4 DE 102004049938 B4 DE102004049938 B4 DE 102004049938B4 DE 102004049938 A DE102004049938 A DE 102004049938A DE 102004049938 A DE102004049938 A DE 102004049938A DE 102004049938 B4 DE102004049938 B4 DE 102004049938B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
vibration
actuator
model
unit
force
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102004049938A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102004049938A1 (en
Inventor
Christoph Dipl.-Ing. Runde
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102004049938A priority Critical patent/DE102004049938B4/en
Publication of DE102004049938A1 publication Critical patent/DE102004049938A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102004049938B4 publication Critical patent/DE102004049938B4/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/02Hand grip control means
    • B25J13/025Hand grip control means comprising haptic means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/08Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085Force or torque sensors
    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09BEDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B19/00Teaching not covered by other main groups of this subclass
    • G09B19/24Use of tools

Abstract

Vorrichtung zur Simulation haptisch wahrnehmbarer Vibrationen eines Objektes (1), mit einer Objekthalterung (7), in die das Objekt (1) fixierbar und über einen Kraft-Momenten-Sensor (6) mittel- oder unmittelbar mit einer Aktuatoreinheit (3) verbunden ist, einem Vibrationsaktuator (5), der zumindest mit der Objekthalterung (7) in Wirkverbindung steht sowie mit einer Ausweite- und Ansteuereinheit (8), die sowohl die Aktuatoreinheit (3) als auch den Vibrationsaktuator (5) unter Zugrundelegung von zumindest von dem Kraft-Momenten-Sensor (6) erzeugten Messsignalen ansteuert, wobei
– das Objekt (1) über wenigstens ein manuell bedienbares Eingabemittel verfügt, über das wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Betriebszustände des Gerätes simuliert wählbar sind,
– ein Sensor zur Erfassung des Eingabemittels vorgesehen ist, der ein den gewählten Betriebszustand repräsentierendes Sensorsignal generiert, das der Ausweite- und Ansteuereinheit (8) zur Ansteuerung der Aktuatoreinheit (3) sowie des Vibrationsaktuators (5) zuführbar ist, und
– in der Ausweite- und Ansteuereinheit (8) ein Vibrationsmodellimplementiert ist, in dem objektspezifische Vibrationsmusterinformationen enthalten...
Device for simulating haptically perceptible vibrations of an object (1), having an object holder (7) into which the object (1) can be fixed and connected directly or indirectly to an actuator unit (3) via a force-moment sensor (6) a vibration actuator (5) at least operatively connected to the object holder (7), and an expanding and driving unit (8) that controls both the actuator unit (3) and the vibration actuator (5) based on at least the force Torque sensor (6) generates generated measuring signals, wherein
The object (1) has at least one manually operable input means, by means of which at least two mutually distinguishable operating states of the device can be selected simulated,
A sensor for detecting the input means is provided, which generates a sensor signal representing the selected operating state, which can be fed to the expansion and control unit for controlling the actuator unit and the vibration actuator;
In the expansion and control unit (8), a vibration model is implemented, in which object-specific vibration pattern information contains ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Simulation haptisch wahrnehmbarer Vibrationen eines Objektes.The The invention relates to a device and a method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object.

Bei der Entwicklung und Neukonstruktion technischer Kleingeräte, die portabel ausgebildet und für den Handbetrieb vorgesehen sind, wie bspw. Bohrmaschinen, Schleifgeräte, Motorsägen, um nur einige zu nennen, die sowohl für den privaten als auch für den professionellen Einsatzbereich konzipiert sind, spielt neben den technisch funktionellen Eigenschaften der Geräte auch und insbesondere das durch das Design des Gehäuses bedingte äußere Erscheinungsbild eine entscheidende Rolle, die zweifelsohne nicht zuletzt auch einen großen Einfluss auf die Kaufentscheidung hat. Eingedenk dieser Tatsache werden große Anstrengungen und Aufwendungen in Kauf genommen, das entsprechende Gehäusedesign sowohl unter funktionellen Aspekten sowie auch unter Aspekten der geschmacklichen Akzeptanz durch das jeweilige Zielpublikum zu wählen. Bei der Festlegung eines speziellen Gehäusedesigns gilt es jedoch neben dem rein äußeren Erscheinungsbild, das einer optischen Beurteilung eines Käuferpublikums standhalten muss, auch die Gehäuseergonomie zu berücksichtigen, letztere wird von einem Benutzer des Kleingerätes über die haptischen Wahrnehmungssinne wahrgenommen, die sich aus dem Temperatur-, Schmerzempfinden, der taktilen Wahrnehmung sowie den Haltungssinnen (Stellung, Bewegung, Gleichgewicht, Kraft) zusammensetzen.at the development and redesign of small technical devices that portable and designed for the manual operation are provided, such as. Drills, grinders, chainsaws to just to name a few, both for the private and for the professional Are designed in addition to the technical functional characteristics the devices also and in particular the external appearance due to the design of the housing a crucial role, which undoubtedly not least also one huge Has an influence on the purchase decision. Mindful of this fact be great Efforts and expenses accepted, the corresponding housing design both from a functional point of view as well as under aspects of taste acceptance by the respective target audience. at However, the definition of a special housing design, it applies next the purely external appearance, which must withstand a visual assessment of a buyer's audience, also the housing ergonomics to take into account the latter is used by a user of the small appliance via the haptic perception senses perceived, arising from the temperature, pain, the tactile perception as well as the attitudes (position, movement, Balance, strength).

Durch das taktile Wahrnehmungsvermögen können bei Berührungen von Objekten, vorzugsweise mit der Hand, Oberflächenstrukturen, Rauhigkeit sowie auch Vibrationen erfasst werden. Insbesondere das Vermögen Vibrationen höchst sensitiv zu erfassen, verleiht der Frage nach den sog. vibro-taktilen Eigenschaften Hand getragener motorisch angetriebener Kleingeräte eine große Bedeutung.By the tactile perception can be at touches of objects, preferably by hand, surface texture, roughness as well also vibrations are detected. In particular, the assets vibration maximum sensitive to the question, gives the question of the so-called vibro-tactile Features Hand carried powered small appliances one size Importance.

Die vibro-taktilen Eigenschaften von in Betrieb befindlichen motorisch angetriebenen Kleingeräten bestimmen sich durch die im Gerät auftretenden mechanischen Schwingungsfrequenzen, den zugehörigen Schwingungsamplituden sowie der zugehörigen Wellenform bspw. in Form einer Rechtecks-, Sinus- oder Sägezahnschwingung.The vibro-tactile characteristics of powered motor powered small appliances determine themselves by the in the device occurring mechanical vibration frequencies, the associated vibration amplitudes and the associated Waveform, for example, in the form of a rectangular, sinusoidal or sawtooth wave.

Zwar werden in an sich bekannter Weise beim Entwurf und der Designauslegung von Gehäuseprototypen handgetragener, angetriebener Kleingeräte Aspekte der Geräteergonomie überprüft, wie bspw. das Gewicht, auftretende Kräfte und Momente, die bei der Handhabung des Prototypens gewichtsbedingt entstehen, sowie die Größe und Lage der Griffe und Schalter sowie deren Erreichbarkeit und Bedienbarkeit, doch lassen sich die vibro-taktilen Eigenschaften mit den heutigen Mitteln kaum oder überhaupt nicht überprüfen. Eine derartige Überprüfbarkeit würde eine vibro-taktile Mensch-Maschine-Schnittstelle voraussetzen, anhand derer die betriebsbedingten Schwingungseigenschaften und ihre unmittelbaren Auswirkungen auf das taktile Wahrnehmungsvermögen eines jeweiligen Benutzers untersucht werden können. Im Rahmen derartiger Untersuchungen können bspw. Kombinationen von Schwingungsfrequenzen und Amplituden aufgefunden werden, die äußerst störend durch den Benutzer wahrgenommen werden können, wodurch letztlich die Akzeptanz eines derartigen Produktes auf dem Markt entscheidend beeinträchtigt werden kann.Though are used in a manner known per se in the design and the design interpretation of housing prototypes hand-held, powered small appliances aspects of the device ergonomics checked, such as. the weight, occurring forces and moments that are weight-related in handling the prototype arise, as well as the size and location the handles and switches as well as their accessibility and operability, but the vibro-tactile properties can be compared with today's Means barely or at all do not check. A such verifiability would one presuppose vibro-tactile man-machine interface, based those of the operational vibration characteristics and their immediate ones Effects on the tactile perception of a given user can be examined. In the context of such investigations, for example, combinations of vibration frequencies and amplitudes are found which are extremely disturbing perceived by the user can be ultimately, the acceptance of such a product on the market decisively impaired can be.

Trotz ihrer augenscheinlichen Relevanz existieren derzeit keine Mensch-Maschine-Schnittstellen, die die Auswirkungen mechanischer Erregungen, die durch das Kleingerät und den an diesem vorgesehenen Griffen auf den Benutzer übertragen werden, darstellen können.In spite of their apparent relevance, there are currently no human-machine interfaces that the effects of mechanical excitations caused by the small appliance and the be transmitted to the user at this intended handles represent can.

Durchaus bekannt sind matrixförmig ausgebildete taktil wahrnehmbare Nadel-Displays zur Darstellung von Symbolen bspw. der Blindenschrift, die mit den Fingern ertastbar sind. Weiterbildungen derartiger matrixförmiger taktiler Displays, die sich derzeit im Forschungsstadium befinden, zielen auf die variable, digitale Gestaltung von Oberflächenstrukturen ab, die gleichfalls mit den Fingern ertastet werden können.absolutely are known matrix trained tactile perceptible needle displays for displaying symbols For example, the Braille, which are palpable with your fingers. further developments such matrix-shaped tactile displays currently in the research stage, aim at the variable, digital design of surface structures which can also be felt with the fingers.

Eine weitere grundsätzliche Alternative für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Erfassung taktiler Vibrationsreize stellen Vibrationsaktuatoren als Zusatzausstattung zu Datenhandschuhen dar, letztere dienen lediglich der Erfassung der Gelenkstellungen der Hand sowie der Finger, wobei die längs der Finger angebrachten Vibrationsaktuatoren, bestehend aus Elektromotörchen mit Exzentern, lediglich unterschiedlich schnell betrieben werden können, also unterschiedliche Frequenzen ausgeben. Amplituden und Wellenformen sind nicht einstellbar.A more fundamental Alternative for one Human-machine interface for detecting tactile vibration stimuli provide vibration actuators as an accessory to data gloves The latter are merely for detecting the joint positions the hand as well as the finger, whereby the along the fingers attached Vibrating actuators, consisting of electric motors with eccentrics, only can be operated at different speeds, ie different Spend frequencies. Amplitudes and waveforms are not adjustable.

Auch existieren sog. haptische Mensch-Maschine-Schnittstellen, mit denen entweder durch eine künstliche Ansteuerkinematik, in Form eines sog. Außen- bzw. Exo-Skelettes Bewegungsvorgänge ganzheitlich oder lediglich in Teilbereichen auf den menschlichen Körper übertragen werden können, oder mit denen andererseits in Form sog. kraftausgebender Gelenkarmsysteme objektabhängige Kräfte bspw. bei manueller Betätigung auf die menschliche Hand ausgegeben werden können. Derartige kraftausgebende Gelenkarmsysteme werden bspw. bei Teleoperationen eingesetzt und dienen zum taktilen Nachempfinden eines mikrochirurgischen Eingriffes im Wege einer chirurgischen Operation, die an einem getrennten Ort vom Operateur durchgeführt wird. Ebenso ermöglichen derartige Gelenkarmsysteme die Ausführung von Experimenten oder Vorgängen an einem extraterrestrischen Ort, wie bspw. in einem erdumlaufenden Labor, bspw. die Weltraumstation ISS, von einem erdgebundenen Standort aus, wobei dem Benutzer die am Ort der Manipulation auftretenden Momente und Kräfte durch das kraftausgebende Gelenkarmsystem simuliert wiedergegeben werden.Also exist so-called haptic man-machine interfaces with which either by an artificial Ansteuerkinematik, in the form of a so-called. External or exo-skeletal movement processes holistic or only in partial areas on the human body can be transmitted, or with those on the other hand in Form so-called force-releasing Gelenkarmsysteme object-dependent forces can be output, for example. With manual operation on the human hand. Such force-releasing Gelenkarmsysteme be used, for example, in teleoperations and are used for tactile Recognition of a microsurgical procedure by means of a surgical operation performed at a separate location by the surgeon. Likewise, such articulated arm systems allow experiments or operations to be carried out at an extraterrestrial location, such as in a ground-based laboratory, such as the space station ISS, from a terrestrial location, where the user experiences moments and forces occurring at the point of manipulation by the force-giving Articulated arm system can be reproduced simulated.

Je nach mechanisch stabiler Auslegung derartiger kraftausgebender Gelenkarmsysteme, die auch als haptische Robotersysteme ausgebildet sein können, können die Kraft- und Momentenbeträge entsprechend skaliert werden.ever mechanically stable design of such force-releasing articulated arm systems, which can also be designed as haptic robot systems, the Force and torque amounts accordingly be scaled.

Aus der Druckschrift US 2002/0119432 A1 geht ein zahnmedizinischer Trainingssimulator hervor, mit dem Zahnmedizinstudenten in erster Linie die Handhabung von medizinischen Instrumenten, wie bspw. Bohrern, Pickeln, Skalpellen oder Zangen, an vom System simulierten Zähnen erlernen sollen. Darüber hinaus eignet sich das System auch zur Vermittlung von zahnmedizinische Behandlungsmethoden. Die beschriebene Vorrichtung soll dabei eine möglichst realistische Simulation der haptisch wahrnehmbaren Kräfte und Momente, die bei der Handhabung eines solchen medizinischen Instrumentes während der Behandlung auftreten, ermöglichen. Hierzu soll der Trainingssimulator insbesondere die am realen medizinischen Instrument während der Behandlung auftretenden bzw. wahrnehmbaren Kräfte aber auch Vibrationen (beim Einsatz eines Bohrers) nachbilden. Der Trainingssimulator umfasst hierzu eine haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle, einen Computer sowie ein Anzeigegerät. Der Computer steuert dabei sowohl die M-M-Schnittstelle sowie das Anzeigegerät.Out The publication US 2002/0119432 A1 is a dental training simulator especially with the dental students handling of medical instruments, such as, for example, drills, pimples, scalpels or pliers to learn about system-simulated teeth. Furthermore the system is also suitable for teaching dental Treatment methods. The device described is intended to be a preferably realistic simulation of haptic perceptible forces and Moments involved in handling such a medical instrument during the Allow treatment to occur. For this purpose, the training simulator in particular the real medical Instrument during but the treatment occurring or perceptible forces also simulate vibrations (when using a drill). The training simulator includes a haptic man-machine interface, a computer as well a display device. The computer controls both the M-M interface and the Display.

In dem Dokument DE 101 30 485 C2 wird ein programmierbarer Gelenksimulator beschrieben. Dieser medizinische Trainingssimulator dient dem Kraft- und Bewegungsfeedback zum Nachbilden veränderter biomechanischer Eigenschaften menschlicher oder tierischer Körperabschnitte mit Gelenken. Der offenbarte Simulator umfasst einen Modellkörper, eine an einer Aktuatoreinheit angebrachte Modellkörperhalterung, einen mit der Aktuatoreinheit verbundenen Kraft- und Momentensensor, eine Ansteuereinheit, eine Displayvorrichtung und ein Lautsprechersystem über das spezifische Geräusch-, Ton- oder Sprachinformationen ausgegeben werden können.In the document DE 101 30 485 C2 a programmable joint simulator is described. This medical training simulator is used for power and motion feedback to simulate altered biomechanical characteristics of human or animal body sections with joints. The disclosed simulator includes a model body, a model body mount attached to an actuator unit, a force and moment sensor connected to the actuator unit, a drive unit, a display device, and a speaker system via which specific sound, sound or voice information can be output.

Weiterhin sind durch die Dokumente US 5,898,599 A und WO 98/19222 A1 weitere haptische Mensch-Maschineschnittstellen bekannt, die über eine Aktuatoreinheit mit zumindest drei unabhängig ansteuerbaren Freiheitsgraden vertilgen.Furthermore, through the documents US 5,898,599 A and WO 98/19222 A1 discloses other haptic human-machine interfaces which can be eradicated via an actuator unit with at least three independently controllable degrees of freedom.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, haptisch wahrnehmbare Vibrationen eines Objektes, bspw. in Form eines motorisch angetriebenen Kleingerätes, das portabel ausgebildet und somit manuell handhabbar ist, zu simulieren. Die Simulation dient in erster Linie zur Prototypenfertigung derartiger Kleingeräte noch bevor ein Prototyp unter vollständiger Ausbildung seines technischen Innenlebens realisiert ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren soll den Entwicklern und Konstrukteuren derartiger handgetragener und motorisch angetriebener Kleingeräte helfen, die ergonomische Auslegung des Gerätegehäuses unter dem Aspekt der vibro-taktilen Eigenschaften zu optimieren.Of the Invention is based on the object, a device and a Specify method with which it is possible to perceive haptic Vibrations of an object, for example in the form of a motor-driven Small appliance, designed to be portable and thus manually manageable to simulate. The Simulation serves primarily for the prototype production of such small appliances even before a prototype with complete training of its technical interior is realized. The device according to the invention and the method is meant to be more hand-held to developers and designers and power-driven small appliances help the ergonomic Design of the device housing under the To optimize the aspect of vibro-tactile properties.

Auch soll die lösungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren den Entwicklungsaufwand sowie die damit verbundenen Kosten deutlich reduzieren, so gilt es insbesondere für den Prototypenbau neben den bisher bekannten Forderungen hinsichtlich funktioneller Eigenschaften sowie optischem Erscheinungsbild auch die auf den Benutzer wirkenden haptischen Eigenschaften mit zu berücksichtigen, noch bevor ein kostenaufwendiger Prototyp hergestellt ist.Also should the solution according to the device as well the procedure the development effort as well as the associated Reduce costs significantly, it applies in particular for the prototype construction in addition the previously known requirements in terms of functional properties as well as the visual appearance and the haptic effect on the user Properties to consider with, yet before a costly prototype is made.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 12 ist ein Verfahren zur Simulation haptisch wahrnehmbarer Vibrationen eines Objektes. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie insbesondere der Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.The solution the object underlying the invention is specified in claim 1. The subject of claim 12 is a method of simulation haptic perceptible vibrations of an object. The idea of the invention advantageous further-forming features are the subject of the dependent claims and in particular the description with reference to the embodiment refer to.

Die Vorrichtung zur Simulation haptisch wahrnehmbarer Vibrationen eines Objektes, weist eine Objekthaltung auf, in die das Objekt vorzugsweise lösbarfest fixierbar ist und über einen Kraft-Momenten-Sensor mittel- oder unmittelbar mit einer Aktuatoreinheit verbunden ist. Die Aktuatoreinheit kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Roboter mit einem Manipulatorendarm darstellen, an dem über die Objekthalterung das Objekt fixiert ist. Die Robotereinheit ist vorzugsweise als ein Sechsachs-Knickarmroboter ausgeführt, an dessen Manipulatorenendarm das Objekt translatorisch sowie rotatorisch um alle Raumachsen frei verschwenkt und positioniert werden kann. Die Vorrichtung verfügt überdies über einen Vibrationsaktuator, der zumindest mit der Objekthalterung in Wirkverbindung steht, so dass das Objekt mit einem vorgebbaren Vibrations- bzw. Schwingungsmuster beaufschlagt werden kann. Zur Ansteuerung sowohl des Vibrationsaktuators als auch der Aktuatoreinheit ist eine Auswerte- und Ansteuereinheit vorgesehen, die unter Zugrundelegung von zumindest von dem Kraft-Momenten-Sensor herrührenden Messsignalen die Aktuatoreinheit sowie den Vibrationsaktuator ansteuert. Das Objekt verfügt dabei über wenigstens ein manuell bedienbares Eingabemittel, über das wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Betriebszustände des Gerätes simuliert wählbar sind. Weiterhin ist ein Sensor zur Erfassung des Eingabemittels vorgesehen, der ein den gewählten Betriebszustand repräsentierendes Sensorsignal generiert, das der Auswerte- und Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Aktuatoreinheit sowie des Vibrationsaktuators zuführbar ist. Schließlich ist in der Auswerte- und Ansteuereinheit ein Vibrationsmodell implementiert, in dem objektspezifische Vibrationsmusterinformationen enthalten sind, aus denen unter Vorgabe eines objektbezogenen Betriebszustand zur Ansteuerung des Vibrationsaktuators eine bestimmte Vibrationsmusterinformation, bestehend aus Frequenz, Amplitude selektierbar ist.The device for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object has an object position in which the object is preferably fixable in a detachable manner and is connected via a force-moment sensor directly or indirectly to an actuator unit. In a preferred embodiment, the actuator unit may represent a robot with a manipulator end arm, on which the object is fixed via the object holder. The robot unit is preferably designed as a six-axis articulated robot, on whose manipulator end arm the object can be freely pivoted and positioned in a translatory and rotational manner about all spatial axes. The device also has a vibration actuator, which is at least in operative connection with the object holder, so that the object can be subjected to a predeterminable vibration or vibration pattern. For driving both the vibration actuator and the actuator unit, an evaluation and control unit is provided, which actuates the actuator unit and the vibration actuator on the basis of measurement signals originating at least from the force-moment sensor. The object has at least one manually operable input means via which at least two mutually distinguishable operating states of the device can be selected simulated. Furthermore, a sensor for detecting the input means is provided, which generates a sensor signal representing the selected operating state, which can be fed to the evaluation and control unit for controlling the actuator unit and the vibration actuator. Finally, in the evaluation and control unit, a vibration model is implemented, in which object-specific vibration pattern information is included, from which under specification of an object-related operating state for driving the vibration actuator, a specific vibration pattern information consisting of frequency, amplitude can be selected.

Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, ein Formmodell eines im Einzelnen noch zu entwickelnden Prototypens eines manuell bedienbaren, motorisch angetriebenen Kleingerätes unter weitgehend realitätsnahen Betriebsbedingungen unter dem Aspekt der Überprüfung der bei dem im Einzelnen noch zu konstruierenden Kleingerätes zu erwartenden vibro-taktilen Eigenschaften zu simulieren. Zu diesem Zwecke ist der Vibrationsaktuator motorisch, vorzugsweise elektromotorisch antreibbar und vermag Schwingungsformen bzw. Vibrationen unterschiedlicher Frequenzen, Amplituden sowie Wellenformen zu generieren, die mittel- oder unmittelbar auf das Objekt übertragen werden. Zur kontrollierten Schwingungsanregung des Vibrationsaktuators vermittels dem letztlich ein möglichst realitätsnahes Schwingungsmuster zu erzeugen ist, das dem eines zu entwickelnden motorisch angetriebenen Kleingerätes nachempfunden sein soll, ist in der Auswerte- und Ansteuereinheit ein sog. Vibrationsmodul implementiert, in dem objektspezifische Vibrationsmusterinformationen enthalten sind, aus denen unter Vorgabe eines objektbezogenen Betriebszustandes zur Ansteuerung des Vibrationsaktuators eine bestimmte Vibrationsmusterinformation, bestehend aus Frequenz, Amplitude sowie Wellenform, selektierbar ist. Das Vibrationsmodell basiert auf theoretisch oder empirisch gewonnenen Schwingungsinformationen, die das zu entwickelnde bzw. zu konstruierende Kleingerät unter Vorgabe bestimmter technischer Komponenten, wie bspw. Art und Anzahl der motorischen Antriebe, Form, Größe und Anordnung von Griffteilen bzw. Griffflächen oder der Zusatz von Werkzeug- oder Zusatzkomponenten, in seinen Schwingungs- bzw. Vibrationseigenschaften zu beschreiben vermögen.With Help the device according to the solution Is it possible, a form model of a prototype to be developed in detail a manually operated, motorized small device under largely realistic Operating conditions under the aspect of verification of the particular still to be constructed small appliance to simulate expected vibro-tactile properties. To this Purposes is the vibration actuator motor, preferably electric motor drivable and capable of vibration modes or vibrations of different Generate frequencies, amplitudes and waveforms that or transferred directly to the object become. For controlled vibration excitation of the vibration actuator by means of which ultimately one possible realistic To create a vibrational pattern, that of one to be developed motor-driven small appliance is to be modeled, a so-called vibration module is implemented in the evaluation and control unit, in the object-specific vibration pattern information included are from which under specification of an object-related operating condition for Actuation of the vibration actuator a specific vibration pattern information, consisting of frequency, amplitude and waveform, is selectable. The vibration model is based on theoretical or empirical Vibration information that the small device to be developed or constructed under Specification of certain technical components, such as type and number the motor drives, shape, size and arrangement of handle parts or grip surfaces or the addition of tool or auxiliary components, in its vibration or to describe vibration properties.

Die im Vibrationsmodell enthaltenen Vibrationsmusterinformationen sind in einer Datenbankstruktur abgespeichert und können daher schnell abgerufen werden. Da manuell bedienbare, motorisch angetriebene Kleingeräte zumeist über am Gerät vorgesehene Eingabemittel verfügen, über die bspw. eine stufenlose Drehzahlregelung vorgenommen werden kann, sind an dem als Formmodell ausgebildeten Objekt entsprechend der Ausbildung des späteren Prototyps geeignete Eingabemittel vorgesehen, deren Position bzw. Stellung sensorisch erfassbar sind. Je nach Betätigung und Vorwahl eines Eingabemittels wählt das Vibrationsmodell eine passende Vibrationsmusterinformation aus, mit der der Vibrationsaktuator angesteuert wird, um letztlich das über die Objekthalterung mit dem Vibrationsaktuator verbundene Formmodell in geeignete Schwingungen zu versetzen. Durch Berühren des in Schwingungen versetzten Formmodells, das simulativ einem bestimmten Betriebszustand des zu simulierenden Kleingerätes entspricht, an den hierfür vorgesehenen Griff- oder Berührflächen kann ein subjektiver Eindruck über die vibro-taktilen Eigenschaften des Gerätes vermittelt werden, so dass letztlich eine Beurteilung über die haptischen Eigenschaften eines zu entwertenden elektrischen Kleingerätes möglich ist.The vibration pattern information contained in the vibration model stored in a database structure and can therefore be retrieved quickly become. Since manually operated, motor-driven small appliances usually provided on the device Have input means over the For example, a stepless speed control can be made, are on the formed as a form model object according to the Training of the later Prototype suitable input means whose position or Position are detected by sensors. Depending on the operation and preselection of an input device choose that Vibration model from a suitable vibration pattern information, with which the vibration actuator is driven to ultimately that over the Object holder connected to the vibration actuator shape model into suitable vibrations. By touching the vibrationally shaped model, simulatively a given Operating state of the small appliance to be simulated corresponds to the handle provided for this purpose. or touch surfaces can a subjective impression about the vibro-tactile properties of the device are conveyed, so that ultimately a judgment about the haptic properties of an electrical value to be depreciated small appliance possible is.

So sind im Vibrationsmodell, das im Falle eines drehzahlvariablen Kleingerätes eng mit einem Drehzahlmodell vernetzt ist, eine Vielzahl unterschiedlicher Vibrationsmusterinformationen abgespeichert, die sowohl Betriebszustände eines Kleingerätes beschreiben, bei denen das Kleingerät ausschließlich in Kontakt mit der das Kleingerät führenden oder haltenden Hand eines Benutzers steht, oder auch bei denen das zu simulierende Kleingerät in Kontakt mit weiteren Objekten gebracht ist, bspw. im Falle einer zu simulierenden Schlagbohrmaschine über einen entsprechenden Bohraufsatz in eine Wand bestimmter Härte getrieben wird. Auch letztere Fälle sind in dem Vibrationsmodell enthalten, die das Vibrations- bzw. Schwingungsverhalten eines zu simulierenden Kleingerätes in Abhängigkeit bestimmter Zusatzwerkzeuge, wie bspw. unterschiedliche Bohrerdurchmesser, sowie in Abhängigkeit von Art und physikalischer Festigkeit von mit dem zu simulierenden Kleingerät in Kontakt tretenden Objekten beschreiben, wie bspw. eine Wand, in die ein Bohrer eindringt. Der letztbeschriebene Fall, der einer gezielten Kollision des zu simulierenden Kleingerätes mit einem Objekt entspricht, erfordert eine durchaus komplexe Informationszusammenfügung um ein weitgehend realistisch nachempfindbares Vibrationsmuster zur Ansteuerung des Vibrationsaktuators zu generieren. So gilt es zum einen nach entsprechender Wahl eines Zusatzwerkzeuges, eines zu bearbeitenden Objektes sowie einer vorgegebenen Drehzahl mit der das Kleingerät betrieben wird, die Kraft zu ermitteln, mit der ein Benutzer das zu simulierende Kleingerät gegen ein fiktives Objekt, bspw. eine Wand andrückt. Die Kraftmessung erfolgt mithilfe des Kraft-Momenten-Sensors der mittel- oder unmittelbar mit dem als Formmodell ausgebildeten Objekt verbunden ist. In Abhängigkeit der von dem Benutzer auf das zu simulierende Kleingerät in Form des vorstehend genannten Formmodells einwirkenden Kraft, eines angenommenen Werkzeugaufsatzes sowie einer angenommenen Materialhärte eines zu bearbeitenden Gegenstandes, bspw. eine Gipswand, wird eine fiktive Drehzahl ermittelt, die eine reale Maschine in der vorgegebenen Konstellation annehmen würde, woraus sich eine bestimmte Vibrationsmusterinformation im Rahmen des Vibrationsmodells ergibt, mit der der Vibrationsaktuator angesteuert wird.Thus, in the vibration model, which is closely networked in the case of a variable speed small appliance with a speed model, stored a variety of vibration pattern information describing both operating conditions of a small appliance in which the small appliance is exclusively in contact with the small appliance leading or holding a user's hand, or in which the small device to be simulated is brought into contact with further objects, for example. In the case of a percussion drill to be simulated via a corresponding drilling attachment in a wall of certain hardness is driven. The latter cases are also contained in the vibration model, which describe the vibration or vibration behavior of a small appliance to be simulated as a function of certain additional tools, such as different drill diameters, and depending on the type and physical strength of objects in contact with the small appliance to be simulated , such as a wall into which a drill penetrates. The last-described case, which corresponds to a targeted collision of the small appliance to be simulated with an object, requires a thoroughly complex combination of information in order to generate a largely realistic, sensitive vibration pattern for controlling the vibration actuator. Thus, on the one hand, after an appropriate choice of an additional tool, an object to be machined and a predetermined speed operated with the small appliance, to determine the force with which a user presses the small appliance to be simulated against a fictitious object, for example. A wall. The force measurement is performed by means of the force-moment sensor which is directly or indirectly connected to the object designed as a molded model. Depending on the force acting on the simulator to be simulated in the form of the above-mentioned mold model, an assumed tool attachment and an assumed material hardness of an object to be machined, for example. A gypsum wall, a fictitious speed is determined, which is a real machine in the given Constellation would assume, resulting in a specific vibration pattern information in the context of the vibration model, with which the vibration actuator is driven.

Um einem Benutzer eine möglichst realitätsnahe Simulation eines im Einsatz befindlichen Kleingerätes zu ermöglichen, bedarf es neben der gezielt kontrollierten Schwingungsansteuerung des das Kleingerät simulierenden Formmodells, zusätzlich auch einer Simulation der durch die Masse des simulierenden Kleingerätes hervorgerufenen Gewichtskraft sowie der durch die Betriebssituation bzw. Betriebsweise durch das simulierte Kleingerät hervorgerufenen Kraftmomente, insbesondere in Fällen, in denen das simulierte Kleingerät in Kollision mit wenigstens einem weiteren Objekt gelangt. Zur Gewichtskraft- sowie Momentensimulation gilt es die Aktuatoreinheit, der in einer bevorzugten Ausführungsform als Sechsachsroboter ausgebildet ist, entsprechend anzusteuern. Da die Aktuatoreinheit in der lösungsgemäßen Vorrichtung ein Teil der mechanischen Eigenschaften des zu simulierenden Kleingerätes darstellt, müssen zur Ansteuerung der Aktuatoreinheit ein mechanisches Modell sowie einige physikalische Größen des zu simulierenden Kleingerätes zugrunde gelegt werden. So gilt es mit der Aktuatoreinheit jene Gegenkräfte sowie Gegenmomente zu generieren, die ein Benutzer in einer bestimmten Betriebssituation von dem zu simulierenden Kleingerätes zu erwarten hat.Around a user as possible realistic To enable simulation of a small appliance in use, is required in addition to the specifically controlled vibration control of the small appliance simulating form model, in addition also a simulation of the caused by the mass of the simulating small appliance Gravity as well as by the operating situation or mode of operation through the simulated small appliance caused moments of force, especially in cases where the simulated small appliance comes into collision with at least one other object. For weight As well as torque simulation, it applies the actuator unit, which in one preferred embodiment as Six-axis robot is trained to control accordingly. Because the Actuator unit in the device according to the invention represents part of the mechanical properties of the small appliance to be simulated, have to for controlling the actuator unit, a mechanical model and some physical quantities of the to be simulated small appliance be based on. So it applies with the actuator unit those opposing forces as well Generate counter moments that a user in a particular Operating situation to be expected from the small appliance to be simulated Has.

Dem zur Ansteuerung der Aktuatoreinheit zugrundeliegenden mechanischen Modell, das sog. Kraft-Momenten-Modell, ist eine Masse m vorzugeben, die dem zu simulierenden Kleingerät entspricht. Mit der angenommenen Masse m sowie der mittels des Kraft-Momenten-Sensors gemessenen Kraft F, die der Benutzer auf das als Formmodell ausgebildete Objekt ausübt, lässt sich die Soll-Beschleunigung a sowie die Soll-Geschwindigkeit v des zu simulierenden Kleingerätes ermitteln.the for controlling the actuator unit underlying mechanical Model, the so-called force-moment model, is a mass m to pretend which corresponds to the small device to be simulated. With the assumed Mass m and the measured by means of the force-moment sensor Force F, which the user to the formed as a model model object exerts let yourself the desired acceleration a and the desired speed v of the simulating small appliance determine.

Darüber hinaus gilt es das Trägheitsmoment J des tatsächlich zu realisierenden Kleingerätes entsprechend vorzugeben, um mittels des mit dem Kraft-Momenten-Sensor gemessenen Drehmomentes M, das seitens des Benutzers auf das Formmodell ausgeübt wird, die Soll-Winkelbeschleunigung α sowie die Soll-Winkelgeschwindigkeit ω eines tatsächlich realisierten Kleingerätes zu ermitteln. Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Kinematikparameter a, v, α sowie ω, die sich allesamt im Wege einfacher physikalischer Gesetzmäßigkeiten ableiten lassen, lässt sich ein Kraft-Momenten-Modell erstellen, mit dem die freie Handhabbarkeit eines Kleingerätes in realistischer Weise simuliert werden kann.Furthermore it is the moment of inertia J of fact to be realized small appliance pretend to be measured by means of the force-moment sensor Torque M exerted by the user on the shape model, the desired angular acceleration α and the desired angular velocity ω of an actually realized small appliance to investigate. With the help of the kinematic parameters described above a, v, α and ω, which are all in the way of simple physical laws let derive create a force-moment model, with the free manageability a small appliance can be simulated in a realistic way.

Im Falle einer kontrolliert, durch den Benutzer simuliert herbeigeführten Kollision des durch das Formmodell simulierten Kleingerätes, müssen zur vollumfänglichen kinematischen Nachbildung einer diesbezüglichen Betriebssituation zusätzliche Parameter in das Kraft-Momenten-Modell einfließen, auf dessen Grundlage die Aktuatoreinheit zur Generierung weitgehend realitätsnaher Gegenkräfte bzw. Gegenmomente angesteuert werden kann. Im einem derartigen Kollisionsfall müssen bspw. zusätzliche Reibungskräfte zwischen dem simulierenden Kleingerät und einem in Kollision geratenen Objekt berücksichtigt werden. Sei bspw. angenommen, dass es sich bei dem zu simulierenden Kleingerät um eine Bohrmaschine handelt, so wird beim Aufsetzen des rotierenden Bohraufsatzes auf eine Wand ein Rückstellmoment gebildet, das es sich in geeigneter Weise zu berücksichtigen gilt. Dieses Rückstellmoment wird mit dem im Wege des Kraft-Momenten-Sensors erfassten Momente aufsummiert und unter Berücksichtigung des Trägheitsmomentes der Bohrmaschine ausgewertet. Je nach Größe der ermittelten Kraftmomente in Abhängigkeit des vorhandenen Trägheitsmomentes könnte eine Drehbewegung des zu simulierenden Kleingerätes erfolgen, die durch die Aktuatoreinheit, d. h. dem Roboter selbst ausgeführt wird. Sämtliche Bewegungen des zu simulierenden Kleingerätes mit Ausnahme der vorstehend beschriebenen Vibrationen, werden von der Aktuatoreinheit realisiert, so bspw. die Sollgeschwindigkeit sowie Sollbeschleunigung.in the Trap of a controlled, simulated by the user induced collision of the simulated by the mold model small appliance, must be to the full extent kinematic simulation of a related operating situation additional Parameters into the force-moment model, on the basis of which Actuator unit for generating largely realistic against forces or counter moments can be controlled. In such a collision case have to for example, additional frictional forces between the simulating small appliance and an object in collision. Be for example. Assume that the small appliance to be simulated is a drill is acted on, so when putting on the rotating drill attachment on a wall a restoring moment formed, which should be considered in a suitable manner. This restoring moment is summed up with the detected by means of the force-moment sensor moments and considering the moment of inertia evaluated the drill. Depending on the size of the determined moments of force dependent on the existing moment of inertia could a rotational movement of the small appliance to be simulated by the actuator unit, d. H. the robot itself is executed. All Movements of the small appliance to be simulated with the exception of the above described vibrations are realized by the actuator unit, so, for example, the target speed and target acceleration.

Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Modelle, nämlich das Vibrationsmodell, das Drehzahlmodell sowie das Kraft-Momenten-Modell, die allesamt in der Auswerte- und Ansteuereinheit modulartig implementiert sind und jeweils als Datenbankstrukturen ausgebildet sind, in denen die kinematischen und vibro-taktilen Eigenschaften des zu realisierenden Kleingerätes abgespeichert sind, lassen sich die von einem Benutzer taktil wahrnehmbaren Eigenschaften simulieren.With Using the models described above, namely the vibration model, the speed model and the force-moment model, all in the evaluation and control unit are implemented in a modular manner and each formed as a database structures in which the kinematic and vibro-tactile properties of the small appliance to be realized stored are, can simulate the tactile perceptible by a user properties.

Eine Erweiterung der lösungsgemäßen Vorrichtung sieht zusätzlich ein sog. Soundmodell vor, mit dem über ein geeignetes Lautsprechersystem eine dem zu simulierenden Kleingerät nachgebildete Geräuschkulisse generierbar ist. Das Soundmodell, das wie alle übrigen Modelle vorzugsweise in der Ausweite- und Ansteuereinheit implementiert ist, jedoch nicht notwendigerweise sein muss, generiert aus der fiktiven Drehzahl, die aus dem Drehzahlmodell gewonnen wird, einen spezifischen Klang, der von einem zu realisierenden Kleingerät zu erwarten ist. In Erweiterung berücksichtigt das Soundmodell darüber hinaus zusätzlich am Kleingerät angebrachte Zusatzkomponenten, wie bspw. Werkzeugaufsätze sowie Art und Härte von mit dem Kleingerät zu bearbeitende Gegenstände sowie letztlich auch die von dem Benutzer auf das zu simulierende Kleingerät aufgebrachte Kraft. In Abhängigkeit der vorstehenden Einflussgrößen wird aus der Vielzahl der im Soundmodell abgespeicherten Geräuschmusterinformationen eine Geräuschkulisse selektiert, die über ein entsprechendes Lautsprechersystem zur akustischen Darstellung gebracht wird. Welche spezielle Geräuschmusterinformation zu einer bestimmten Konstellation, die aus den zuvor angeführten Eingangsgrößen definiert ist, ist in einer Datenbank abgespeichert und kann schnell abgerufen werden.An extension of the device according to the invention additionally provides a so-called sound model with which a sound system simulated to the small appliance to be simulated can be generated by means of a suitable loudspeaker system. The sound model, like all other models, preferably in the Extender and drive unit is implemented, but need not necessarily be generated from the fictitious speed, which is derived from the speed model, a specific sound that can be expected from a small device to be realized. In addition, the sound model additionally takes into account additional components attached to the small appliance, such as, for example, tool attachments and the type and hardness of objects to be machined with the small appliance and ultimately also the force applied by the user to the small appliance to be simulated. Depending on the above influencing variables, a set of sounds is selected from the multitude of noise pattern information stored in the sound model, which is brought to the acoustic representation via a corresponding loudspeaker system. Which special noise pattern information for a specific constellation, which is defined by the input variables mentioned above, is stored in a database and can be called up quickly.

In einer weiteren Erweiterung der lösungsgemäßen Vorrichtung ist ein sog. Szenenmodell vorgesehen, das vorzugsweise gleichsam aller anderen Modelle modulartig in der Auswerte- und Ansteuereinheit integriert ist. Das Szenenmodell umfasst die räumliche und geometrische Beschreibung des zu simulierenden Kleingerätes in seiner äußeren Formgebung ggf. mit allen an dem Kleingerät anzubringenden Zusatzkomponenten. Alle im Szenenmodell enthaltenen Graphikinformationen sind über ein geeignetes Projektionssystem, bspw. unter Verwendung eines Beamersystems auf einer Projektionsfläche für einen Benutzer visuell wahrnehmbar darstellbar. Neben der graphischen Darstellungsmöglichkeit des zu simulierenden Kleingerätes, dessen Position, Gestalt und Farbgebung vom Benutzer frei wählbar sind, enthält das Szenenmodell auch Gegenstände, die mit dem Kleingerät zu bearbeiten sind, wie bspw. im Falle einer zu simulierenden Schlagbohrmaschine, eine zu bohrende Wand, im Falle einer Motorsäge, einen zu sägenden Ast oder zu fällenden Baum, oder im Falle einer Schleifvorrichtung ein zu schleifendes Brett. Die Position des simulierten Kleingerätes innerhalb der auf der Projektionsfläche graphisch dargestellten virtuellen Welt kann durch den Benutzer mit Hilfe eines geeigneten Eingabemittels, bspw. eines Joysticks verändert werden. Aus den geometrischen Informationen des Szenenmodells lässt sich ermitteln, ob ein simulierter Kontakt zwischen dem simulierten Kleingerät und einem in der virtuellen Bilddarstellung dargestellten Gegenstand stattfindet. Diese Information ist von Bedeutung für die Ansteuerung der als Roboter ausgebildeten Aktuatoreinheit, die diese Kollision als Blockade in der Bewegung des Formmodells darstellt. Die daraus resultierende Kraft bzw. Gegenkraft, die ein Benutzer auf das Formmodell ausübt und letztlich Auswirkungen hat auf Vibrationen, Drehzahl und Geräusch hat, geht als selektive Steuergröße in das Drehzahl-, Sound- sowie in das Vibrationsmodell ein.In a further extension of the device according to the invention is a so-called scene model provided, preferably as it were of all other models modular in the evaluation and control unit is integrated. The scene model includes the spatial and geometric description of the small appliance to be simulated in its external shape if necessary with all at the small appliance to be attached additional components. All included in the scene model Graphic information is about a suitable projection system, for example using a beamer system on a projection screen for one User visually perceptible. In addition to the graphic display option of the small appliance to be simulated, whose position, shape and color are freely selectable by the user, contains the scene model also contains objects, the one with the small appliance are to be processed, such as in the case of a simulated impact drill, a wall to be drilled, in the case of a power saw, a branch to be sawn or to be paid Tree, or in the case of a grinding device to be ground board. The position of the simulated small appliance within the on the projection screen graphically represented virtual world can be assisted by the user a suitable input means, for example. A joystick are changed. From the geometric information of the scene model can be determined whether a simulated contact between the simulated small device and a takes place in the virtual image representation represented object. These Information is important for the control of the actuator designed as a robot, the represents this collision as a blockade in the movement of the form model. The resulting force or drag that a user on the shape model exercises and ultimately has effects on vibration, speed and noise, goes as a selective control variable in the Speed, sound and in the vibration model.

Die lösungsgemäße Vorrichtung erlaubt unter Anwendung vorzugsweise aller vorstehender Einzelmodelle einen weitgehend realitätsnahen Eindruck einem Benutzer zu vermitteln, so dass eine Beurteilung eines Kleingerätes sowohl durch haptische, akustische als auch durch visuelle Wahrnehmung durch den Benutzer möglich ist. Der Vorteil der lösungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, virtuell darstellbare Prototypen in ihren auf einen Benutzer mit all seinen Sinnen gesamtheitlich wirkenden Eigenschaften zu testen und zu beurteilen, ohne dabei den entwicklungstechnisch und kostenintensiven Aufwand einer tatsächlichen Realisierung eines Geräteprototypen leisten zu müssen. Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorrichtung können somit Entwicklungsprozesse von den angesprochenen Kleingeräten beschleunigt und vor allem kostenreduziert werden.The solution according to the device allowed using preferably all of the above individual models a largely realistic Impart impression to a user, leaving an appraisal a small appliance through haptic, acoustic as well as through visual perception the user possible is. The advantage of the device according to the invention is to have virtually representable prototypes in their on one User with all his senses holistic-looking properties to test and evaluate, without losing the developmental and costly effort of an actual realization of a device prototypes to have to afford. With the help of the device according to the solution can thus speeding up development processes of the mentioned small appliances and, above all, be cost-reduced.

Der lösungsgemäßen Vorrichtung liegt ein lösungsgemäßes Verfahren zur Simulation haptisch wahrnehmbarer Vibrationen eines Objektes zugrunde, das sich durch die nachfolgenden Verfahrensschritte auszeichnet. Zunächst gilt es ein manuell betätigbares Objekt, das einem simulierten Kleingerät entspricht bereitzustellen, vorzugsweise ein Formmodell anzufertigen, das an eine Aktuatoreinheit, vorzugsweise in Form eines Sechsachsroboters gefügt wird, durch den das Objekt dreidimensional sowohl translatorisch als auch rotatorisch auslenkbar ist. Das an die Aktuatoreinheit angefügte Formmodell wird ferner mit einem Vibrationsaktuator mittel- oder unmittelbar gekoppelt, so dass das zu untersuchende simuliert darzustellende Kleingerät gezielt in Schwingungen bzw. Vibrationen versetzt werden kann. Zur Simulation bestimmungsgemäßer Betriebszustände, die das zu beurteilende Kleingerät einnehmen kann, wird der Vibrationsaktuator mit vorgebbaren Schwingungsmustern beaufschlagt, so dass ein Benutzer die vibrotaktilen Eigenschaften des zu simulierenden Kleingerätes unmittelbar erfahren und beurteilen kann.Of the solution according to the device is a solution according to the method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object underlying, which is characterized by the subsequent process steps. First it is a manually operable To provide an object that corresponds to a simulated small appliance, preferably to make a shape model which is attached to an actuator unit, preferably in the form of a six-axis robot is added, through which the object is three-dimensional both translational and rotationally deflectable. The appended to the actuator unit Mold model is also medium or directly with a vibration actuator coupled so that the examined to be simulated darzustellende small appliance can be selectively placed in vibration or vibration. to Simulation of intended operating conditions, the take the small appliance to be assessed can, the vibration actuator with predetermined vibration patterns so that a user can enjoy the vibrotactile properties of the to be simulated small appliance can experience and assess directly.

Um die vibro-taktilen Eigenschaften des zu simulierenden Kleinobjektes möglichst realitätsnah darzustellen, wird die Aktuatoreinheit, an der das zu simulierende Kleingerät in Form eines Formmodelles angebracht ist, unter Zugrundelegung von auf das zu simulierende Kleingerät einwirkenden Kräfte und Momente sowie einer vorgebbaren Masse und eines Trägheitsmomentes des zu simulierenden Kleingerätes angesteuert. Die Ansteuerung des Vibrationsaktuators erfolgt dabei unter Zugrundelegung des Schwingungsmusters des manuell bedienbaren Formmodells. Dabei ist in der Ausweite- und Ansteuereinheit ein Vibrationsmodell implementiert, in dem objektspezifische Vibrationsmusterinformationen enthalten sind, aus denen unter Vorgabe eines objektbezogenen Betriebszustand zur Ansteuerung des Vibrationsaktuators eine bestimmte Vibrationsmusterinformation, bestehend aus Frequenz, Amplitude selektiert wird.In order to present the vibro-tactile properties of the small object to be simulated as realistically as possible, the actuator unit on which the small appliance to be simulated is mounted in the form of a mold model, on the basis of acting on the small appliance to be simulated forces and moments and a predetermined mass and an inertial moment of the small appliance to be simulated. The activation of the vibration actuator takes place on the basis of the vibration pattern of the manually operable mold model. In this case, a vibration model is implemented in the expansion and control unit, in the object-specific vibration pattern information are contained, from which under specification of an object-related operating state for driving the vibration actuator, a specific vibration pattern information, consisting of frequency, amplitude is selected.

Auf diese Weise erhält der Benutzer den Eindruck als würde er das zu simulierende Kleingerät selbständig in der Hand halten, wobei die durch den Vibrationsaktuator im Formmodell hervorgerufenen Vibrationen einen realistischen Betriebszustand simulieren. Mittels geeignet wählbaren Vibrationsmustern sowie die Aktuatoreinheit ansteuernden Bewegungsmustern kann der das Formmodell in der Hand haltende Benutzer einen Eindruck des zu simulierenden Kleingerätes erhalten, der das gesamte Einsatzspektrum des Kleingerätes umfasst. So erfühlt bzw. erfährt der Benutzer die Vibrationseigenschaften eines Kleingerätes unter Niedrig- oder Volllastbedingungen. Ebenso erfühlt der Benutzer das Kleingerät im Falle vollständiger Kontaktfreiheit oder in Wechselwirkung mit einem beliebig vorgebbaren Gegenstand, gegen das das Kleingerät simuliert geführt wird.On get that way the user the impression as would he independently simulates the device to be simulated in hold the hand, passing through the vibration actuator in the mold model caused vibrations a realistic operating condition simulate. By means of suitable selectable Vibrationsmustern and the actuator unit driving motion patterns the user holding the model in the hand can make an impression of the small appliance to be simulated obtained, which covers the entire range of applications of the small appliance. That's how it feels or learns the user under the vibration characteristics of a small device under Low or full load conditions. Likewise, the user feels the small device in the case complete Freedom of contact or in interaction with any predetermined Subject against which the small appliance is simulated.

In vorteilhafter Erweiterung des lösungsgemäßen Verfahrens ist es möglich mit Hilfe eines Lautsprechersystems eine Geräuschkulisse zu generieren, die betriebsabhängig einen simulierten Einsatz eines entsprechenden Kleingerätes repräsentiert. Um zusätzlich einen visuellen Eindruck eines neuartigen Kleingerätes zu verschaffen, wird überdies dem Benutzer über eine geeignet angebrachte Projektionsfläche ein virtuell darstellbares Abbild des zu testenden Kleingerätes innerhalb einer funktionsspezifischen Szene, in der das Kleingerät nutzerspezifisch eingesetzt werden kann, projiziert. Der Blickwinkel sowie die Position des graphisch dargestellten Kleingerätes innerhalb der virtuell dargestellten Szene kann von dem Benutzer mit Hilfe eines geeigneten Eingabemittels, wie bspw. Joysticks frei gewählt werden.In Advantageous extension of the method according to the invention Is it possible generate a background noise with the help of a loudspeaker system the company-dependent represents a simulated use of a corresponding small appliance. Around additionally to give a visual impression of a novel small appliance, will also to the user a suitably mounted projection screen a virtually representable Image of the small appliance to be tested within a function-specific scene in which the small appliance is used for specific purposes can be projected. The angle of view as well as the position of the graphically illustrated small appliance within the virtual scene can be viewed by the user with the help of a suitable input device, such as joysticks free chosen become.

Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der dem Verfahren zugrunde liegenden Vorrichtung betrifft die Temperaturwahrnehmungsfähigkeit des Benutzers. So sind die Kleingeräte motorisch angetrieben, wodurch sie zum einen in Vibrationen versetzt werden, zum anderen jedoch betriebsbedingt auch einer Erwärmung unterliegen, die es gleichfalls gilt, simuliert für den Benutzer wahrnehmbar darzustellen. Hierzu sind in den Griffbereichen des Formmodells Heizelemente vorgesehen, die die Griffbereiche bzw. -flächen in Abhängigkeit der Betriebsdauer und Leistung erwärmen. Somit ist es dem Benutzer möglich, einen Eindruck zu gewinnen, in welcher Weise sich das zu simulierende Kleingerät während eines funktionsbestimmten Einsatzes erwärmt. Auch die Temperaturwahrnehmung ist neben der taktilen Wahrnehmung ein Wahrnehmungssinn des übergeordneten haptischen Wahrnehmungsempfindens.A further embodiment of the method according to the invention and the The method underlying apparatus relates to the temperature perception ability the user. So the small devices are driven by a motor, whereby On the one hand they are put into vibration, on the other hand operationally also a warming which it also applies simulates perceptible to the user display. These are in the grip areas of the form model Heating elements provided, the grip areas or areas in dependence to increase the service life and performance. Thus it is the user possible, to gain an impression of how the device to be simulated during a heated functionally specific use. Also the temperature perception is in addition to the tactile perception a sense of perception of the parent haptic sense of perception.

Kurze Beschreibung der ErfindungShort description of invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The Invention will be described below without limiting the general inventive concept of exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawings. It demonstrate:

1 schematisierte Darstellung einer lösungsgemäß ausgebildeten Testvorrichtung zur Beurteilung von vibro-taktilen Eigenschaften eines Objektes am Beispiel einer Schlagbohrmaschine sowie 1 Schematic representation of a solution according trained test device for the assessment of vibro-tactile properties of an object using the example of a percussion drill and

2 Darstellung aller Systemkomponenten mit ihren logischen Verknüpfungen. 2 Display of all system components with their logical links.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to execute the Invention, industrial applicability

In 1 ist ein Systemaufbau zur Simulation haptisch wahrnehmbarer Vibrationen eines Objektes 1 dargestellt, das als Formmodell einer Schlagbohrmaschine ausgebildet ist. Das das äußere Design einer Schlagbohrmaschine wiedergebende Formmodell 1 weist für einen Benutzer 2 bedienbare Eingabemittel auf, wie bspw. einen Drehzahlregler, über den der Benutzer 2 eine Solldrehzahl simulativ vorgeben kann. Selbstverständlich handelt es sich beim dem Formmodell 1 lediglich um eine Designhülle in der keinerlei elektrische Komponenten enthalten sind, so dass auch der Drehzahlregler lediglich eine funktionstüchtige Attrappe darstellt.In 1 is a system structure for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object 1 represented, which is designed as a molded model of a percussion drill. The shape of the outer design of a percussion drill 1 points to a user 2 operable input means, such as a speed controller, via which the user 2 can predetermine a desired speed simulatively. Of course, this is the shape model 1 only a design cover in which no electrical components are included, so that the speed controller is merely a working dummy.

Die im Weiteren unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Vorrichtung ermöglicht es dem Benutzer 2 einen haptischen Eindruck von der als Formmodell 1 ausgebildeten Schlagbohrmaschine unter simulierten Betriebszuständen zu erhalten, um letztlich eine Aussage darüber anstellen zu können, ob das vorliegende Gehäusedesign im Zusammenwirken mit dem im Inneren des Gehäuses unterzubringenden elektrischen Komponenten mit ergonomisch günstigen vibrotaktilen Eigenschaften verbunden ist.The following with reference to 1 described device allows the user 2 a haptic impression of the as a model of shape 1 trained impact drill under simulated operating conditions to ultimately be able to make a statement about whether the present housing design is connected in conjunction with the housed inside the housing electrical components with ergonomically favorable vibrotactile properties.

Hierzu sieht die in 1 dargestellte Mensch-Maschine-Schnittstelle eine Aktuatoreinheit 3 in Form eines Roboters, vorzugsweise eines Sechsachs-Roboters vor, an dessen Manipulatorendarm 4 ein Vibrationsaktuator 5 angebracht ist. Der Vibrationsaktuator 5 ist endseitig mit einem Kraft-Momenten-Sensor 6 verbunden, dem über eine Objekthalterung 7 das die Schlagbohrmaschine 1 repräsentierende Formmodell angebracht ist. Alternativ zu der in 1 angegebenen Anordnung des Kraft-Momenten-Sensors 6 ist es ebenso möglich, den Kraft-Momenten-Sensor 6 zwischen dem Manipulatorendarm 4 und dem Vibrationsaktuator 5 anzubringen. Um das die Schlagbohrmaschine repräsentierenden Formmodell 1 in einen für den Benutzer 2 als realitätsnah wahrnehmbaren Schwingungs- bzw. Vibrationszustand zu versetzen, damit der Benutzer 2 einen haptischen Eindruck erhält, dass er die simuliert dargestellte Schlagbohrmaschine 1 eigenhändig sowie eigentragfähig in den Händen hält, bspw. in einem simulierten Betriebszustand, bei dem die Schlagbohrmaschine mit einer über den Drehzahlregler vorgegebenen Drehzahl betrieben wird, ist der Vibrationsaktuator 5 zur Erzeugung der geräte- und drehzahlspezifischen Vibrationen entsprechend anzusteuern. Ebenso gilt es den Roboter 3 in einer Weise anzusteuern, so dass der Benutzer 2 den Eindruck hat, dass er die simuliert dargestellte Schlagbohrmaschine 1 freitragend in den Händen hält, d. h. der Benutzer 2 muss das Eigengewicht der Schlagbohrmaschine 1 in seinen Händen spüren sowie auch die von der Schlagbohrmaschine 1 abgegebenen, vom Betriebszustand abhängigen Kraft- und Drehmomente, die auf die Hände des Benutzers 2 einwirken. Wird bspw. die simuliert dargestellte Schlagbohrmaschine virtuell gegen eine Wand gedrückt, so sind der Roboter 3 sowie auch der Vibrationsaktuator 5 in entsprechender Weise anzusteuern, so dass der Benutzer 2 über sein sensitives Wahrnehmungsvermögen der Hände den Eindruck erhält, dass er die Schlagbohrmaschine unter erhöhtem Kraftaufwand gegen eine Wand zu treibt.This is what the in 1 illustrated human-machine interface an actuator 3 in the form of a robot, preferably a six-axis robot, on its manipulator end arm 4 a vibration actuator 5 is appropriate. The vibration actuator 5 is end with a force-moment sensor 6 connected, via an object holder 7 that the impact drill 1 representing molding model is attached. Alternatively to the in 1 specified arrangement of the force Mom th sensor 6 It is also possible, the force-moment sensor 6 between the Manipulatorendarm 4 and the vibration actuator 5 to install. To the impact model representing the impact model 1 in one for the user 2 as a realistically perceptible vibration or vibration state to enable the user 2 a haptic impression that he receives the simulated impact drill 1 by hand and self-supporting in the hands holds, for example. In a simulated operating condition in which the percussion drill is operated at a predetermined speed via the speed controller, is the vibration actuator 5 for generating the device and speed-specific vibrations to control accordingly. Likewise, it is the robot 3 in a way to drive, so that the user 2 the impression that he has the simulated impact drill 1 cantilevered in the hands, ie the user 2 must be the dead weight of the hammer drill 1 feel in his hands as well as those of the percussion drill 1 delivered, depending on the operating state of the forces and torques on the hands of the user 2 act. If, for example, the simulated impact drill is pressed virtually against a wall, then the robot is 3 as well as the vibration actuator 5 in a similar way, so that the user 2 his sensitive perception of the hands gives the impression that he is driving the impact drill against a wall with increased effort.

Zur realitätsnahen Simulation eines gerätespezifischen Betriebszustandes sind der Roboter 3, der Vibrationsaktuator 5, der Kraft-Momenten-Sensor 6 sowie ggf. an der simuliert dargestellten Schlagbohrmaschine 1 angebrachte Eingabemittel, deren Position bzw. Einstellung sensorisch erfassbar sind, mit einer Ausweite- und Ansteuereinheit 8 verbunden, über die die einzelnen Systemkomponenten in entsprechender Weise angesteuert werden. Auf die logische Kopplung aller in 1 dargestellten Komponenten sei im Weiteren auf die schematisierte Systemkomponentendarstellung in 2 verwiesen.For a realistic simulation of a device-specific operating state, the robot 3 , the vibration actuator 5 , the force-moment sensor 6 as well as possibly on the simulated percussion drill 1 attached input means whose position or setting can be detected by sensors, with an expanding and driving unit 8th connected via which the individual system components are controlled in a corresponding manner. On the logical coupling of all in 1 In the following, the illustrated components should be referred to the schematized system component representation in FIG 2 directed.

Zusätzlich ist der dargestellte Systemaufbau durch einen Projektor 9 sowie einer Projektionsfläche 10 ergänzt, auf die der Projektor 9 eine virtuelle Szene abbildet, die einer bestimmungsgemäßen Betriebssituation der Schlagbohrmaschine 1 entspricht. Der Benutzer 2 sieht auf der Projektionsfläche 10 seine in der virtuellen Umgebung virtuell umgesetzten Hände, die die Schlagbohrmaschine 1 ergreifen. Die auf der Projektionsfläche 10 dargestellte virtuelle Szene wird auf der Grundlage der von dem Benutzer 2 auf das Formmodell 1 einwirkenden Kräfte ermittelt, die mit Hilfe des Kraft-Momenten-Sensors 6 erfasst werden. Auf diese Weise ist es möglich, auch virtuelle Szenarien optisch wahrnehmbar darzustellen, bei denen der Benutzer 2 die Schlagbohrmaschine mit einem entsprechend vorgesehenen Werkzeugaufsatz gegen eine Wand führen kann. Um das Wahrnehmungsspektrum des Benutzers zu vervollständigen, ist ein Lautsprechersystem 11 vorgesehen, mit dem eine von der auf der Projektionsfläche 10 virtuell dargestellten Betriebssituation abhängige Geräuschkulisse generiert wird, so dass der Benutzer 2 letztlich sowohl die vibrotaktilen Eigenschaften der Schlagbohrmaschine 1, einen optischen Eindruck über die im Betrieb befindliche Schlagbohrmaschine 1 sowie einen akustischen Eindruck über die zu erwartenden Geräusche, die von einer derartigen Schlagbohrmaschine ausgehen, vermittelt bekommt.In addition, the illustrated system construction is by a projector 9 as well as a projection surface 10 complements the projector 9 depicts a virtual scene, the intended operating situation of the percussion drill 1 equivalent. The user 2 looks on the screen 10 his in the virtual environment virtually converted hands, the impact drill 1 take. The on the projection screen 10 The virtual scene displayed is based on that of the user 2 on the shape model 1 acting forces determined using the force-moment sensor 6 be recorded. In this way it is possible to visualize even virtual scenarios in which the user 2 the impact drill can lead with a suitably provided tool attachment against a wall. To complete the perceptual spectrum of the user is a speaker system 11 provided with one of the on the projection screen 10 virtually illustrated operating situation dependent noise is generated, allowing the user 2 ultimately both the vibrotactile properties of the hammer drill 1 , a visual impression of the impact drill in operation 1 and gives an acoustic impression of the expected noise emanating from such a percussion drill.

In 2 sind in einer Übersichtsdarstellung alle logischen Verknüpfungen der Systemkomponenten dargestellt, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer lösungsgemäßen Vorrichtung zur Beurteilung der Vibrationseigenschaften handgetragener Kleingeräte, dargestellt am Beispiel einer Schlagbohrmaschine, aufweist. Ausgehend vom Benutzer 2 können die am Formmodell der Schlagbohrmaschine 1 vorgesehenen Schalter- und Reglerstellungen, die ein entsprechender Prototyp vorsieht, durch den Benutzer 2 geändert werden. Die sensorisch erfassten Schalterstellungen fließen in ein Drehzahlmodell ein, das aus einer aktuellen Drehzahl sowie den Benutzereingaben eine neue Drehzahl bestimmt, die entweder höher oder niedriger als die aktuelle Drehzahl sein kann. Die neu durch das Drehzahlmodell ermittelte Drehzahl findet Eingang in ein Soundmodell sowie in ein Vibrationsmodell. Das Soundmodell steuert die akustische Ausgabe, das Vibrationsmodell stellt die richtige Frequenz, Amplitude sowie Wellenform ein, mit der der Vibrationsaktuator angesteuert wird. Somit hört der Benutzer den Betrieb der simuliert dargestellten Schlagbohrmaschine sowie spürt die Vibrationen des Gerätes über seine Hände.In 2 are shown in an overview of all logic operations of the system components, which has a preferred embodiment of a device according to the invention for assessing the vibration characteristics hand-held small devices, shown using the example of a percussion drill. Starting from the user 2 can the on the form model of the hammer drill 1 provided switch and regulator positions, which provides a corresponding prototype, by the user 2 be changed. The sensor-sensed switch positions are incorporated into a speed model that determines from a current speed and the user inputs a new speed that may be either higher or lower than the current speed. The newly determined by the speed model speed is included in a sound model and in a vibration model. The sound model controls the acoustic output, while the vibration model sets the correct frequency, amplitude and waveform to drive the vibration actuator. Thus, the user hears the operation of simulated illustrated impact drill and feels the vibration of the device over his hands.

Der Benutzer kann überdies Kräfte auf die simuliert dargestellte Schlagbohrmaschine ausüben, die von einem Kraft-Momenten-Sensor erfasst und gemessen werden. Diese von dem Benutzer 2 auf die Schlagbohrmaschine 1 ausgeübte Kraft wird tiefpassgefiltert, um die von dem Vibrationsaktuator auf die Schlagbohrmaschine 1 einwirkenden hochfrequenten Vibrationen auszufiltern. Der somit selektierte niederfrequente Kraftanteil wird zusammen mit vorgebbaren Daten hinsichtlich des Gewichtes m sowie des Trägheitsmomentes J der simuliert dargestellten Schlagbohrmaschine einem Kraft-Momenten-Modell zugeführt, das aus diesen Daten die resultierende örtliche Soll-Beschleunigung a sowie die Soll-Position des die Schlagbohrmaschine repräsentierenden Formmodells ermittelt. Diese Daten werden dem Roboter zugeführt, der letztlich die Position des die Schlagbohrmaschine repräsentierenden Formmodells anfährt.The user can also exert forces on the simulated impact drill, which are detected and measured by a force-torque sensor. This from the user 2 on the percussion drill 1 applied force is low-pass filtered to that of the vibration actuator on the percussion drill 1 filter out high-frequency vibrations. The thus selected low-frequency component of force is fed together with specifiable data with respect to the weight m and the moment of inertia J of the impact drill shown simulated a force-torque model from these data, the resulting local target acceleration a and the desired position of the impact drill representing Form model determined. These data are fed to the robot, which ultimately approaches the position of the mold model representing the impact drill.

Auch die Ausgangssignale des am Roboter befindlichen Kraft-Momenten-Sensors werden durch einen Tiefpassfilter geleitet, um zu vermeiden, dass höherfrequente Kräfte, die durch das Festhalten der hochfrequent schwingenden Masse durch den Benutzer erzeugt werden, auf die Antriebseinheit des Roboters rückgeführt werden.Also the output signals of the robot located force-moment sensor are passed through a low-pass filter to avoid that higher-frequency forces, the by holding the high-frequency oscillating mass by the User generated to be returned to the drive unit of the robot.

Des Weiteren ist es für den Benutzer 2 möglich, insofern er noch eine Hand frei zur Verfügung hat, seine eigene Position bzw. Blickwinkel mittels eines Joysticks in einer auf einer Projektionsfläche dargestellten virtuellen Umgebung zu verändern. Die Navigation umfasst dabei sowohl zumindest das virtuelle Abbild der Hände des Benutzers als auch das dreidimensional nachgestellte Modell der zu testenden Schlagbohrmaschinen. Bei der Navigation mit Hilfe des Joysticks werden also der Blickwinkel des Beobachters sowie das dreidimensionale Modell der zu testenden Schlagbohrmaschine gemeinsam bewegt. Eine derartige Kombination aus virtuellem Beobachter und einem an diesen gekoppelten Gegenstand bzw. Werkzeug wird in der Sprache der Virtual Reality auch als Head-Up-Display (HUD) bezeichnet. Somit kann das dargestellte Modell des zu testenden Gerätes als ein HUD betrachtet werden.Furthermore, it is for the user 2 possible, insofar as he still has a hand free to change his own position or angle by means of a joystick in a virtual environment shown on a projection screen. The navigation comprises both at least the virtual image of the user's hands as well as the three-dimensional model of the impact drills to be tested. When navigating with the help of the joystick so the observer's perspective and the three-dimensional model of the impact drill to be tested are moved together. Such a combination of a virtual observer and an object or tool coupled thereto is also referred to in the language of virtual reality as a head-up display (HUD). Thus, the illustrated model of the device under test can be considered a HUD.

Die mit Hilfe des Kraft-Momenten-Modells bestimmte Beschleunigung, Bewegung und Position der zu testenden Schlagbohrmaschine wird auch an ein Szenenmodell weitergegeben, das zusammen mit der Position des Benutzers eine graphische 3D-Szene generiert und über einen Projektor auf einer Projektionsfläche optisch wahrnehmbar darstellt. Auf diese Weise kann der Benutzer einerseits den Einsatz des virtuellen Prototyps virtuell erfassen, andererseits sind auch typische Arbeitssituationen der Schlagbohrmaschine darstellbar. So ist es bspw. denkbar, dass der Benutzer seine virtuell dargestellte Schlagbohrmaschine an eine Wand heranführt und beginnt ein Loch zu bohren. Die damit einhergehende Belastungssituation wird mit dem Kraft-Momenten-Modell umgesetzt, wobei die sich verändernden Kraftverhältnisse weitergeleitet werden an das Sound-, Vibrations- und Drehzahlmodell, wodurch sich letztlich die Geräuschkulisse, die auf den Benutzer über das Formmodell einwirkenden Kräfte und Momente sowie das Vibrationsmuster der virtuell nachgestellten Schlagbohrmaschine ändern.The with the help of the force-moment model certain acceleration, movement and position of the impact drill to be tested is also on Scene model passed along with the position of the user a graphic 3D scene generated and over represents a projector visually perceptible on a projection screen. On This way, the user can on the one hand the use of the virtual Virtual prototyping on the other hand are also typical work situations the impact drill representable. So it is, for example, conceivable that the user his virtually illustrated impact drill to a Bringing in the wall and starts to drill a hole. The associated stress situation is implemented with the force-moment model, with the changing power relations forwarded to the sound, vibration and speed model, which ultimately causes the background noise, which over to the user the forces acting on the shape model and moments as well as the vibration pattern of the virtually imitated Change impact drill.

Insgesamt lassen sich mit dem vorgeschlagenen Aufbau sehr umfassende Wahrnehmungsaspekte eines virtuellen Prototyps eines handgetragenen, motorangetriebenen Kleingerätes darstellen. Neben der graphischen und akustischen Darstellung finden insbesondere haptische und taktile Eigenschaften Berücksichtigung. Der lösungsgemäße Ansatz, einen in seinem Ausgangsverhalten parametisierbaren Vibrationsaktuator zu verwenden, ermöglicht im Gegensatz zu allen heute verfügbaren technischen Möglichkeiten die direkte, subjektive Bewertung unterschiedlicher Vibrationszustände durch den Benutzer selbst.All in all can be with the proposed structure very comprehensive perceptual aspects a virtual prototype of a hand-held, motor-driven small appliance represent. In addition to the graphic and acoustic representation especially haptic and tactile properties considered. The solution-based approach, a parameterizable in its output behavior vibration actuator to use unlike anything available today technical possibilities the direct, subjective evaluation of different vibration states the user himself.

11
Objekt, FormmodellObject, shape model
22
Benutzeruser
33
Aktuator, Roboteractuator robot
44
Manipulatorendarmmanipulator intestine
55
Vibrationsaktuatorvibration actuator
66
Kraft-Momenten-SensorForce-torque sensor
77
Objekthalterungobject holder
88th
Ausweite- und AnsteuereinheitAusweite- and drive unit
99
Projektorprojector
1010
Projektionsflächeprojection
1111
Lautsprecherspeaker

Claims (15)

Vorrichtung zur Simulation haptisch wahrnehmbarer Vibrationen eines Objektes (1), mit einer Objekthalterung (7), in die das Objekt (1) fixierbar und über einen Kraft-Momenten-Sensor (6) mittel- oder unmittelbar mit einer Aktuatoreinheit (3) verbunden ist, einem Vibrationsaktuator (5), der zumindest mit der Objekthalterung (7) in Wirkverbindung steht sowie mit einer Ausweite- und Ansteuereinheit (8), die sowohl die Aktuatoreinheit (3) als auch den Vibrationsaktuator (5) unter Zugrundelegung von zumindest von dem Kraft-Momenten-Sensor (6) erzeugten Messsignalen ansteuert, wobei – das Objekt (1) über wenigstens ein manuell bedienbares Eingabemittel verfügt, über das wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Betriebszustände des Gerätes simuliert wählbar sind, – ein Sensor zur Erfassung des Eingabemittels vorgesehen ist, der ein den gewählten Betriebszustand repräsentierendes Sensorsignal generiert, das der Ausweite- und Ansteuereinheit (8) zur Ansteuerung der Aktuatoreinheit (3) sowie des Vibrationsaktuators (5) zuführbar ist, und – in der Ausweite- und Ansteuereinheit (8) ein Vibrationsmodellimplementiert ist, in dem objektspezifische Vibrationsmusterinformationen enthalten sind, aus denen unter Vorgabe eines objektbezogenen Betriebszustandes zur Ansteuerung des Vibrationsaktuators (5) eine bestimmte Vibrationsmusterinformation, bestehend aus Frequenz und/oder, Amplitude selektierbar ist.Device for simulating haptic perceptible vibrations of an object ( 1 ), with an object holder ( 7 ) into which the object ( 1 ) and via a force-moment sensor ( 6 ) directly or indirectly with an actuator unit ( 3 ), a vibration actuator ( 5 ), at least with the object holder ( 7 ) is in operative connection with an expansion and control unit ( 8th ), which both the actuator unit ( 3 ) as well as the vibration actuator ( 5 ) on the basis of at least the force-moment sensor ( 6 ) generates measured signals, wherein - the object ( 1 ) has at least one manually operable input means via which at least two mutually distinguishable operating states of the device are selectable, a sensor for detecting the input means is provided, which generates a selected operating state representing the sensor signal, the extension and control unit ( 8th ) for controlling the actuator unit ( 3 ) as well as the vibration actuator ( 5 ), and - in the expansion and control unit ( 8th ) a vibration model is implemented, in which object-specific vibration pattern information is contained, from which, given an object-related operating state for driving the vibration actuator ( 5 ) a certain vibration pattern information consisting of frequency and / or amplitude is selectable. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (1) ein Formmodell eines manuell bedienbaren, motorisch antreibbaren Gerätes ist.Device according to claim 1, characterized in that the object ( 1 ) is a shape model of a manually operated, motor driven device. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraft-Momenten-Sensor (6) wenigstens einen Dehnungsmesstreifen vorsieht.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the force-moment sensor ( 6 ) provides at least one strain gauge. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (3) eine Robotereinheit mit einem Manipulatorendarm (4) ist, an dem der Kraft-Momenten-Sensor (6) angebracht ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the actuator unit ( 3 ) a robot unit with a manipulator ( 4 ) is where the force-moment sensor ( 6 ) is attached. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationsaktuator (5) elektromotorisch antreibbar ist und Schwingungsformen oder Vibrationen mit unterschiedlichen Frequenzen, Amplituden und Wellenformen generiert, die über die Objekthalterung (7) auf das Objekt (1) übertragbar sind.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the vibration actuator ( 5 ) is driven by an electric motor and generates vibration modes or vibrations with different frequencies, amplitudes and waveforms, which are transmitted via the object holder ( 7 ) on the object ( 1 ) are transferable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekthalterung (7) mit dem Vibrationsaktuator (5) verbunden ist, der über den Kraft-Momenten-Sensor (6) mit der Aktuatoreinheit (3) verbunden ist, oder dass die Objekthalterung (7) mit dem Kraft-Momenten-Sensor (6) verbunden ist, der über den Vibrationsaktuator (5) mit der Aktuatoreinheit (3) verbunden ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the object holder ( 7 ) with the vibration actuator ( 5 ) connected via the force-moment sensor ( 6 ) with the actuator unit ( 3 ), or that the object holder ( 7 ) with the force-moment sensor ( 6 ) connected via the vibration actuator ( 5 ) with the actuator unit ( 3 ) connected is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausweite- und Ansteuereinheit (8) ein Soundmodell implementiert ist, in dem objektspezifische Geräuschmusterinformationen enthalten sind, aus denen unter Vorgabe eines objektbezogenen Betriebszustandes zur Ansteuerung eines Lautsprechersystems (11) eine bestimmte Geräuschsmusterinformation selektierbar ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the expanding and driving unit ( 8th ) a sound model is implemented in which object-specific noise pattern information is contained, from which, given an object-related operating state for driving a loudspeaker system ( 11 ) a certain noise pattern information is selectable. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das manuell bedienbare Eingabemittel einen Drehzahlregler simuliert darstellt, durch den eine Drehzahlregelung eines in dem Gerät enthaltenen Motors simuliert vornehmbar ist, und dass in der Ausweite- und Ansteuereinheit (8) ein Drehzahlmodell implementiert ist, in dem objektspezifische Drehzahlinformationen enthalten sind, aus denen unter Vorgabe einer bestimmten Stellung des Drehzahlreglers zur Ansteuerung des Vibrationsaktuators (5) und/oder des Lautsprechersystems (11) eine bestimmte Drehzahlinformation selektierbar ist.Device according to claim 1 to 7, characterized in that the manually operable input means simulates a speed controller, by means of which a speed control of an engine contained in the device is vornehmbar vornehmbar, and that in the expander and drive unit ( 8th ) a speed model is implemented, in which object-specific speed information is included, from which, given a specific position of the speed controller for controlling the vibration actuator ( 5 ) and / or the speaker system ( 11 ) a specific speed information is selectable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerte- und Ansteuereinheit (8) ein Kraft-Momenten-Modell implementiert ist, in dem objektspezifische Größen wie Masse m und Trägheitsmoment J des Objektes enthalten sind, die zur Bestimmung von Bewegungsgrößen für die Aktuatoreinheit (3) dienen.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the evaluation and control unit ( 8th ) a force-torque model is implemented, in which object-specific variables such as mass m and moment of inertia J of the object are included, which are used to determine movement quantities for the actuator unit ( 3 ) serve. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausweite- und Ansteuereinheit (8) ein Szenemodell implementiert ist, in dem über ein Projektionssystem (9, 10) visuell wahrnehmbare, virtuell darstellbare Informationen enthalten sind, umfassend die Formgebung des Objektes in einer virtuellen Umgebung, und dass ein Navigationsmittel vorgesehen ist, durch das das Objekt (1) in der virtuellen Umgebung navigierbar und eine objektspezifische Betriebsweise simulierbar ist.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the expanding and driving unit ( 8th ) a scene model is implemented in which via a projection system ( 9 . 10 ) Visually perceptible, virtually representable information is included, comprising the shaping of the object in a virtual environment, and that a navigation means is provided, through which the object ( 1 ) can be navigated in the virtual environment and an object-specific mode of operation can be simulated. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausweite- und Ansteuereinheit (8) ein Kollisions-Modell implementiert ist, in dem in Abhängigkeit einer zwischen dem Objekt (1) und einem Gegenstand auftretenden Kollision Korrekturgrößen für das Kraft-Momenten-Modell enthalten sind, durch die die Bewegungsgrößen für die Aktuatoreinheit (3) beeinflussbar sind.Apparatus according to claim 9 or 10, characterized in that in the expander and drive unit ( 8th ) a collision model is implemented, in which, depending on one between the object ( 1 ) and an object occurring collision correction quantities for the force-moment model are included, by the movement quantities for the actuator unit ( 3 ) can be influenced. Verfahren zur Simulation haptisch wahrnehmbarer Vibrationen eines Objektes (1) gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines manuell betätigbaren Objektes (1), Fügen des Objektes (1) an eine Aktuatoreinheit (3), durch den das Objekt (1) dreidimensional auslenkbar ist, sowie Koppeln eines Vibrationsaktuators (5) mittel- oder unmittelbar an das Objekt (1), – Ansteuern des Vibrationsaktuators (5) mit einem vorgebbaren Schwingungsmuster und – Ansteuern der Aktuatoreinheit (3) unter Zugrundelegung von auf das Objekt (1) einwirkenden Kräften und Momenten sowie einer vorgebbaren Masse m sowie eines Trägheitsmomentes J des Objektes, wobei – das Ansteuern des Vibrationsaktuators (5) unter Zugrundelegung des Schwingungsmusters eines manuell bedienbaren, vorzugsweise motorisch antreibbaren Gerätes erfolgt, wobei das Objekt ein Formmodell des Gerätes ist, und – in einer Auswerte- und Ansteuereinheit (8) ein Vibrationsmodellimplementiert ist, in dem objektspezifische Vibrationsmusterinformationen enthalten sind, aus denen unter Vorgabe eines objektbezogenen Betriebszustandes zur Ansteuerung des Vibrationsaktuators (5) eine bestimmte Vibrationsmusterinformation, bestehend aus Frequenz und/oder, Amplitude selektiert wird.Method for simulating haptic perceptible vibrations of an object ( 1 ) characterized by the following method steps: - providing a manually operable object ( 1 ), Joining the object ( 1 ) to an actuator unit ( 3 ) through which the object ( 1 ) is three-dimensionally deflectable, and coupling a vibration actuator ( 5 ) directly or indirectly to the object ( 1 ), - controlling the vibration actuator ( 5 ) with a predeterminable oscillation pattern and - activation of the actuator unit ( 3 ) based on the object ( 1 ) acting forces and moments and a predetermined mass m and an inertial moment J of the object, wherein - the driving of the vibration actuator ( 5 ) takes place on the basis of the vibration pattern of a manually operated, preferably motor-driven device, wherein the object is a shape model of the device, and - in an evaluation and control unit ( 8th ) a vibration model is implemented, in which object-specific vibration pattern information is contained, from which, given an object-related operating state for driving the vibration actuator ( 5 ) a specific vibration pattern information consisting of frequency and / or amplitude is selected. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern der Aktuatoreinheit (3) nach Massgabe simulierter, weitgehend realistisch nachgestellter Handhabungseigenschaften eines mittels des Objektes simulierten Gerätes erfolgt.A method according to claim 12, characterized in that the driving of the actuator unit ( 3 ) takes place in accordance with simulated, largely realistically trapped handling properties of a device simulated by means of the object. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein akustisch wahrnehmbares Betriebsgeräusch eines durch das Objekt simulierten Gerätes in Abhängigkeit eines vorgebbaren Betriebszustandes des Gerätes künstlich erzeugt wird.Method according to claim 12 or 13, characterized that an acoustically perceptible operating noise of a simulated by the object equipment dependent on a specifiable operating state of the device is generated artificially. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Projektionstechnik eine virtuelle Umgebung für einen Betrachter visuell wahrnehmbar erzeugt wird, in der das Objekt (1) in einer vorgebbaren Umgebung dargestellt wird, und dass das Objekt (1) innerhalb der virtuellen Umgebung mittels eines Eingabemittels navigierbar und in einer vorgegebenen Betriebsweise simuliert anwendbar ist.Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that by means of projection technology, a virtual environment for a Be perceived visually in which the object ( 1 ) in a predeterminable environment, and that the object ( 1 ) within the virtual environment by means of an input means navigable and simulated in a predetermined operation is applicable.
DE102004049938A 2004-10-13 2004-10-13 Device and method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object Expired - Fee Related DE102004049938B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004049938A DE102004049938B4 (en) 2004-10-13 2004-10-13 Device and method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004049938A DE102004049938B4 (en) 2004-10-13 2004-10-13 Device and method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102004049938A1 DE102004049938A1 (en) 2006-04-27
DE102004049938B4 true DE102004049938B4 (en) 2006-11-09

Family

ID=36128783

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004049938A Expired - Fee Related DE102004049938B4 (en) 2004-10-13 2004-10-13 Device and method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004049938B4 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7938009B2 (en) * 2006-02-03 2011-05-10 Immersion Corporation Haptic device testing
JP5809543B2 (en) * 2011-11-29 2015-11-11 株式会社日立製作所 Safety experience device for hand-held rotary tools
CN103454055B (en) * 2013-09-16 2015-11-04 中国地质大学(北京) Vibration test platform at the bottom of drilling tool hole
CN106293089B (en) * 2016-08-15 2023-04-25 南京信息工程大学 Vibration sensing device and working method based on same
EP3696740B1 (en) * 2019-02-14 2024-01-10 Braun GmbH System for assessing the usage of an envisaged manually movable consumer product

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998019222A1 (en) * 1996-10-25 1998-05-07 Immersion Human Interface Corporation Mechanical interface having multiple grounded actuators
US5898599A (en) * 1993-10-01 1999-04-27 Massachusetts Institute Of Technology Force reflecting haptic interface
US20020119432A1 (en) * 2000-10-03 2002-08-29 Ranta John F. Methods and apparatus for simulating dental procedures and for training dental students
DE10130485C2 (en) * 2001-06-25 2003-06-26 Robert Riener Programmable joint simulator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5898599A (en) * 1993-10-01 1999-04-27 Massachusetts Institute Of Technology Force reflecting haptic interface
WO1998019222A1 (en) * 1996-10-25 1998-05-07 Immersion Human Interface Corporation Mechanical interface having multiple grounded actuators
US20020119432A1 (en) * 2000-10-03 2002-08-29 Ranta John F. Methods and apparatus for simulating dental procedures and for training dental students
DE10130485C2 (en) * 2001-06-25 2003-06-26 Robert Riener Programmable joint simulator

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004049938A1 (en) 2006-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6049788B2 (en) Virtual tool operation system
DE10130485C2 (en) Programmable joint simulator
EP1417547B1 (en) Interface apparatus with cable-driven force feedback and four grounded actuators
EP1500067B1 (en) Method and device for learning and training dental treatment techniques
US20020119432A1 (en) Methods and apparatus for simulating dental procedures and for training dental students
Crison et al. Virtual technical trainer: Learning how to use milling machines with multi-sensory feedback in virtual reality
DE102004049938B4 (en) Device and method for the simulation of haptic perceptible vibrations of an object
US20210312834A1 (en) Vibrotactile Method, Apparatus and System for Training and Practicing Dental Procedures
Thurfjell et al. Haptic interaction with virtual objects: the technology and some applications
DE102017204351A1 (en) Manually actuated tactile input / output device and its operating method and data processing system
DE112004001937T5 (en) Haptic input device for generating control information
WO2005001793A2 (en) Fixed birth simulator having an interactive optical display
McJunkin Transparency improvement for haptic interfaces
Achberger et al. Touching data with PropellerHand
KR102127664B1 (en) Cooperative simulation system for tooth extraction procedure based on virtual reality and method thereof
Sharma et al. Technology based on touch: Haptics technology
JP2022009382A (en) Joint structure
Pratticò et al. A breakdown study of a mockup-based consumer haptic setup for virtual reality
Bonneau et al. Surgicobot: Surgical gesture assistance cobot for maxillo-facial interventions
Yongming et al. A simulation system for training telerobotic spine surgery
WO2017178313A1 (en) Controlling and configuring unit and method for controlling and configuring a microscope
Vicentini et al. Perceptual issues improve haptic systems performance
Nillahoot et al. The development of a virtual simulator for a novel design surgical tool in endoscopic endonasal transsphenoidal surgery
Picasso et al. HAPTIC AND VISUAL SIMULATION OF BONE DISSECTION
Hamza-Lup et al. Haptic Feedback Systems in Medical Education

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee