Haptische Technologien - VDC-Whitepaper - VDC Fellbach

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Haptische Technologien - VDC-Whitepaper - VDC Fellbach
VDC-Whitepaper
Haptische Technologien

Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde
Franziska Jöckel
Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach
Auberlenstr. 13
70736 Fellbach
www.vdc-fellbach.de

    © Competence Centre for Virtual Reality and Cooperative Engineering w. V. – Virtual Dimension Center (VDC)
Haptische Technologien - VDC-Whitepaper - VDC Fellbach
Grundlagen
Grundlagen             Haptik-Systeme         Anwendungsfelder           Marktanalyse         Zusammenfassung

  Grundlagen
    VR hatte immer den Anspruch, möglichst multi-modal zu sein, also viele Sinneskanäle
     anzusprechen, um so das Erleben möglichst realistisch werden zu lassen
    Die Haptik ist die Lehre der Haut- und Haltungssinne (abgeleitet vom griechischen Wort
     "haptós" oder "haptikós", was "fühlbar" bedeutet)
    Die Hautsinne (somatosensorisches System) ermöglichen es dem Menschen
        o Temperatur (Warm- und Kalt-Rezeptoren),
        o Schmerz (freie Nervenendungen (Norizeptoren))
        o und taktile Reize (Druck  Merkel-Zellen und Ruffini-Körperchen, Berührung  Meissner-
          Körperchen und Haarfollikelrezeptoren, Vibrationen  Vater-Pacini-Körperchen) der Haut
          wahrzunehmen.

                                                                                              Quelle: VDC Fellbach

                                                                                                           2
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Grundlagen
Grundlagen             Haptik-Systeme          Anwendungsfelder   Marktanalyse   Zusammenfassung

  Grundlagen
    Auch die die Haltungssinne können weiter
     unterteilt werden:
        o Der Stellungssinn generiert Informationen über die
          Position des Körpers im Raum und die Stellung der
          Gelenke und des Kopfes (Ruffini-Körperchen)
        o Der Bewegungssinn ermöglicht die
          Bewegungsempfindung und das Erkennen der
          Bewegungsrichtung
        o Der Kraftsinn liefert Informationen über den
                                                                                 Quelle: VDC Fellbach
          Spannungszustand von Muskeln und Sehnen
        o Das Gleichgewichtsorgan im Innenohr ermöglicht
          die vestibuläre Wahrnehmung

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Grundlagen
Grundlagen           Haptik-Systeme         Anwendungsfelder        Marktanalyse                       Zusammenfassung

  Grundlagen
     Das Ziel der haptischen Technologien in der
      virtuellen Realität ist zum einen die Ausgabe der
      Kräfte aus der virtuellen Welt (haptisches Rendering)
      und zum anderen die Annahme und Übertragung
      von Benutzereingaben durch die taktilen oder
      kinästhetischen Eingabegeräte
     Typischerweise besteht ein haptischer Rendering-
      Algorithmus aus zwei Teilen:
      (a) Kollisionserkennung und (b) Kollisionsantwort        Quelle: C. Basdogan, M. A. Srinivasan
     Die in der Abbildung dargestellte haptische Schleife
      erfordert eine Aktualisierungsrate von etwa 1 kHz
      für eine stabile Kraftwechselwirkungen; um dieser
      Anforderung gerecht zu werden, sind rechnerisch
      schnelle Kollisionserkennungs- und
      Reaktionstechniken erforderlich

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Grundlagen
Grundlagen                Haptik-Systeme                Anwendungsfelder                  Marktanalyse             Zusammenfassung

  Grundlagen

  Interaktionsprinzip:
                               Manipulation des Endeffektors des haptischen Schnittstellengeräts

                                 Positionssensoren des Geräts übermitteln ihre Position an den
                                                          Computer

                               Die Position des Endeffektors korreliert mit einem virtuellen Avatar
                                                und aktualisiert ihn entsprechend

                               In bestimmten Zeitintervallen prüft der Computer auf Kollisionen
                                    zwischen dem Endeffektor und den virtuellen Objekten

  Wenn eine Kollision stattgefunden hat, berechnet das
   haptische Wiedergabesystem die Reaktionskräfte / -
                                                                       Solange keine Kollision erkannt wird, werden keine Kräfte
 momente, die an dem Interaktionspunkt auftreten sollten,
                                                                        berechnet und angewendet, und der Benutzer kann das
   und befiehlt den an der Vorrichtung angebrachten
                                                                                    haptische Gerät frei bewegen
     Aktuatoren, sich zu bewegen, was eine taktile
     Wahrnehmung der virtuellen Objekte bewirkt

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Grundlagen
Grundlagen                Haptik-Systeme        Anwendungsfelder   Marktanalyse                Zusammenfassung

  Grundlagen
   Haptik-Systeme in der Virtual Reality verfolgen das Ziel, den Menschen auch haptisch in die
    VR zu integrieren. Dazu sind verschiedene technische Komponenten erforderlich:
       o      Tracking
       o      Verarbeitung der Tracking-Daten
       o      Kollisionsantwort
       o      Haptische Ausgabe
   Problem: Es müssen Mechanismen gefunden werden, um den stabilen Betrieb aktiv-
    angetriebener Haptik-Systeme zu gewährleisten, damit diese nicht permanent zwischen den
    Zuständen „Maximalkraft“ (bei erkannter Kollision) und „kraftlos“ (bei fehlender Kollision)
    oszillieren  Systemisch werden dafür „weiche“ virtuelle Oberflächen benötigt

                                                                        Quelle: VDC Fellbach

                                                                                                       6
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Grundlagen              Haptik-Systeme
                        Haptik-Systeme        Anwendungsfelder    Marktanalyse       Zusammenfassung

  Haptische Geräte
     Haptische Geräte zeichnen sich durch zwei Hauptmerkmale aus: den Freiheitsgrad und die
      haptische Bildwiederholfrequenz
     Der Freiheitsgrad bezieht sich auf die Anzahl der unabhängigen Achsen, um die das Gerät
      Kraft oder Drehmoment ausüben kann; die verfügbaren Geräte reichen von solchen, die
      ungerichtete Kräfte wie Vibrationen erzeugen können, bis zu Geräten mit 6
      Freiheitsgraden, die Kräfte entlang aller drei Raumachsen aktivieren können
     Die haptische Bildwiederholfrequenz repräsentiert die maximale Geschwindigkeit, mit der
      die Gerätehardware Kräfte oder Drehmomente für den Benutzer erzeugen kann
     Folgende Bauarten werden auf den nächsten Folien näher betrachtet:
       o     Reine Eingabesysteme
       o     Taktile Ausgabesysteme
       o     Erdbasierte Kraftausgabe-Systeme
       o     Körperbasierte Kraftausgabe-Systeme
       o     Unbasierte Kraftausgabe-Systeme
       o     Anthropometrische 3D-Menschmodelle

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Grundlagen          Haptik-Systeme
                    Haptik-Systeme                      Anwendungsfelder        Marktanalyse                Zusammenfassung

  Bauarten von Haptik Systemen

  Reine Eingabesysteme
  Eingabesysteme bilden die Funktion des Trackings ab. Sie erfassen die Position und
  Orientierung der Hand sowie die Stellung der Finger. Einsatz verschiedener Technologien:
      Spacemouse                                 Datenhandschuh mit optischen
                                                   Tracking
                                        Quelle: 3D Connexion
                                                                                                               Quelle: A.R.T.
                           6-DOF-Controller Spacemouse
                                                                                               Datenhandschuh mit Infrarot
      3D-Controller                                            RGBD-Kameras

                                              Quelle: Oculus
                                                                                                         Quelle: Leap Motion
                                     Touch-Controller
                                                                                    Gestenerkennung durch Tiefenbildkamera
      Datenhandschuhe mit
                                                                Myoelektrische Mess-Systeme
       Dehnmessstreifen
                                                 Quelle: Hi5
                                                                                                           Quelle: Thalmix Labs
                            Hi5 VR GLOVE und Valve/HTC
                                           Vive Tracker                                                      Myo-Armband

                                                                                                                          8
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Grundlagen             Haptik-Systeme
                       Haptik-Systeme                       Anwendungsfelder              Marktanalyse                     Zusammenfassung

  Bauarten von Haptik Systemen

  Taktile Ausgabesysteme
  Taktile Ausgabesysteme geben lediglich Vibrations- oder Stoßsignale an den Benutzer aus.
  Besonders vorteilhaft sind die teils sehr kleinen Bauformen, nicht notwendige Infrastruktur, die
  einfache Ansteuerung sowie die erzielbare modale Nähe.
      Taktile Westen                                 Taktiler Ultraschall

                                                                                                                        Quelle: Ultrahaptics
                                                                                          Auf Ultraschall basierendes taktiles Ausgabe-
                                               Quelle: IFTECH                                                                     Array
                                      Taktile Weste Araig

      Taktile Handschuhe                                             Braille-Displays

                                     Quelle: CyberGlove Systems                                                         Quelle: FZI Karlsruhe

                      Taktiler Datenhandschuh CyberTouch                                                                 Braille-Display

      Bass-Shaker                                                    Taktile Gelenkarme

                                       Quelle: Algo Sound, Inc.                                                           Quelle: SenseAble

               Vibrationsquelle AST-2B-4 Pro Bass Shaker                                                              Phantom-Display

                                                                                                                                         9
Haptische Technologien - VDC-Whitepaper - VDC Fellbach
Grundlagen          Haptik-Systeme
                    Haptik-Systeme                        Anwendungsfelder       Marktanalyse              Zusammenfassung

  Bauarten von Haptik Systemen

  Erdbasierte Kraftausgabe-Systeme
  Erdbasierte Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass die Gegenkraft durch den Erdboden oder
  mit ihm verbundene Installationen aufgebracht wird. Damit lassen sich echte, absolute Kräfte
  auf den Benutzer übertragen.
  Beispiele für erdbasierte Haptiksysteme sind:
      Joysticks und                               Erdbasierte SPIDARs
        HOTAS

                                                                                                            Quelle: Haption
                                            Quelle: Logitech
                                                                                                Seilzug-Roboter SPIDAR
                      Logitech G Saitek ProFlight X56
                             Rhino Joystick Flightstick

      Gelenkarmsysteme                                            Luft-Druckimpuls

                                                                                                     Quelle: Disney Research
                                            Quelle: Haption
                                                                                                 Disney Research Aireal
                             Gelenkarmsystem Virtuos

                                                                                                                      10
Grundlagen          Haptik-Systeme
                    Haptik-Systeme               Anwendungsfelder          Marktanalyse   Zusammenfassung

  Bauarten von Haptik Systemen
  Körperbasierte Kraftausgabe-Systeme
  Körperbasierte Haptiksysteme zeichnen sich dadurch aus, dass sowohl die auszugebende Kraft,
  als auch die Gegenkraft auf den Körper des Benutzers einwirken. Der Benutzer spürt damit an
  einzelnen Extremitäten Kraft, jedoch kompensieren sich alle auf ihn durch das Haptiksystem
  einwirkenden Kräfte vollständig.
       Arm-Exoskelette

                                                          Quelle: Novint

                                                   Exoskelett XIO
      Finger-Exoskelette

                                                      Quelle: Immersion

                             Force-Feedback-Handschuh CyberGrasp

      Körperbasierte SPIDARs

                                                      Quelle: Haption

                                         Tragbares SPIDAR-System

                                                                                                 11
Grundlagen          Haptik-Systeme
                    Haptik-Systeme                 Anwendungsfelder         Marktanalyse   Zusammenfassung

  Bauarten von Haptik Systemen
  Unbasierte Kraftausgabe-Systeme
  Es gibt einige wenige technische Ansätze, Kräfte und Momente zu erzeugen und dabei auf
  eine Basierung gänzlich zu verzichten. Dieses sind die so genannten unbasierten Haptik-
  Systeme. Systemisch sind diese Aufbauten interessant, da sie keine fixe (einschränkende)
  Infrastruktur zum Erdboden benötigen, aber dennoch absolute (also nicht kompensierte)
  Kräfte bzw. Momente erzeugen können.
       Rückstoßsysteme

                               Force-Feedback-Handschuh nach dem
                                                   Rückstoßprinzip

      Gyros

                                              Quelle: Yano, M. Yoshie, H.
                                              Iwata bzw. Y. Tanaka et al.

                               Gyro Moment Display oder GyroCube

                                                                                                  12
Grundlagen          Haptik-Systeme
                    Haptik-Systeme        Anwendungsfelder        Marktanalyse                  Zusammenfassung

  Bauarten von Haptik Systemen
  Anthropometrische 3D-Menschmodelle
   Eine andere Herangehensweise zur Evaluation haptischer
    Produkteigenschaften - damit aber doch im Wettbewerb mit
    haptischen Ein-/Ausgabesysemen - ist die Verwendung von
    anthropometrischen 3D-Menschmodellen
   Diese werden standardmäßig in der Fahrzeug- und Textilindustrie
    eingesetzt
   Über länderspezifische Reihenmessungen werden statistisch solide      Die 3D-Menschmodelle Human Builder
                                                                              (Dassault Systèmes), Jack (Siemens
    Daten zur Abbildung ganzer Bevölkerungen (so genannte Perzentile)       PLM) und RAMSIS (Human Solutions)
    erzeugt
   Anthropometrische 3D-Menschmodelle sind in der Lage, valide,
    objektive (d.h. unabhängig vom jeweiligen Nutzer) und belastbare
    Aussagen zu Sichtbarkeit, Erreichbarkeit, Zugänglichkeit, Passform,
    Komfort und/oder Ergonomie zu treffen

                                                                                                         13
Grundlagen          Haptik-Systeme
                    Haptik-Systeme        Anwendungsfelder        Marktanalyse       Zusammenfassung

  Software - Komponenten

  Für den Betrieb eines Haptik-Systems sind verschiedene Software-Komponenten
  essentiell:
     Tracking: Eine Software zur Positionsermittlung aus den Sensordaten des externen
      Trackingsystems und der Finger relativ zur Hand (Tracking-System-Lieferanten).
     Kollisionserkennung: Eine Kollisionserkennung, die ermittelt, ob ein Finger eine 3D-
      Geometrie durchdringt ist erforderlich. Kollisionserkennungen werden vor extreme
      Anforderungen gestellt, da es gilt, ggf. hunderttausende oder Millionen von Polygonen
      (koplanare Fläche in der 3D-Szene) mit weiteren, ggf. hunderttausenden oder Millionen
      von Polygonen auf Kollision zu überprüfen, und zwar zur Laufzeit.
     Haptik-Software: Die Haptik-Software entwickelt aus der erkannten Kollision, ggf. unter
      Verwendung weiterer Informationen (etwa: Eindringtiefe bei Kollision), die
      Kollisionsantwort. Dazu zählen weitere Objekttransformationen, das Greifen, die
      Errechnung des Kraftvektors sowie die haptische Ausgabe.
      Haptik-SDKs beinhalten für gewöhnlich die Kollisionserkennung, umgekehrt kann man aus
      Kollisionserkennungen Haptik SDKs ableiten

                                                                                            14
Grundlagen                  Haptik-Systeme
                            Haptik-Systeme                 Anwendungsfelder                    Marktanalyse                Zusammenfassung

  Aktive versus passive Kraftausgabesysteme
     Im Bereich der Kraftrückkopplung werden aktive und passive haptische Systemen
      unterschieden:
        o    Aktive haptische Systeme besitzen Motoren oder irgendeine andere Art von Aktuator, der aktiv
             angetrieben wird und damit durch sich selbst auf den Menschen einwirkt. Der Aktuator übt so
             beispielsweise von sich aus eine Kraft auf den Menschen aus oder stimuliert dessen Haut.
        o    Passive haptische Systeme hingegen bremsen und blockieren hingegen lediglich die Bewegung des
             Menschen. Damit reflektieren sie also nur die Kraft, die der Mensch auf sie ausübt.
     Vergleich der Vor- und Nachteile:

        Aktive Systeme                                                  Passive Systeme
        Vorteile:                                                       Nachteile:
        • Nur aktive, erd-basierte Systeme können externe Kräfte        • Keine externen Kräfte darstellbar, da nur Kraft-reflektierend
        simulieren                                                      • Haptisches Explorieren der Umgebung funktioniert nur,
        • Handschuhe: haptische Exploration auch ohne aktive            wenn adressierte Extremitäten permanent artikuliert werden
        Fingerbewegungen möglich
        Nachteile:                                                      Vorteile:
        • Alle Objekte und Oberflächen mit einer gewissen Elastizität   • Darstellbare Härte größer
        • Tendenziell schwerer aufgrund von Antrieben                   • Tendenziell leichter, da schwere Antriebe entfallen
        • Komplexe Haptik-Software                                      • Einfachere Kollisionserkennung einsetzbar
        • Schutzeinrichtungen, Notaus-Prozedur                          • Keine Sicherheitsmaßnahmen erforderlich

                                                                                                                                    15
Grundlagen             Haptik-Systeme
                       Haptik-Systeme           Anwendungsfelder             Marktanalyse    Zusammenfassung

  Abschätzung der Anwendungsreifegrade verschiedener Haptik-
  Konzepte - TRL
  Der TRL (Technology Readiness Level) ist eine Skala zur Bewertung des Entwicklungsstandes
  von neuen Technologien auf der Basis einer systematischen Analyse. Er gibt auf einer Skala von
  1 bis 9 an, wie weit entwickelt eine Technologie ist. Beschreibung der Stufen (in Klammern
  Zeit bis zur Marktreife):
     TRL 1: Beobachtung und Beschreibung des Funktionsprinzips (8–15 Jahre)
     TRL 2: Beschreibung der Anwendung einer Technologie
     TRL 3: Nachweis der Funktionstüchtigkeit einer Technologie (5–13 Jahre)
     TRL 4: Versuchsaufbau im Labor
     TRL 5: Versuchsaufbau in Einsatzumgebung
     TRL 6: Prototyp in Einsatzumgebung
     TRL 7: Prototyp im Einsatz (1–5 Jahre)
     TRL 8: Qualifiziertes System mit Nachweis der Funktionstüchtigkeit im Einsatzbereich
     TRL 9: Qualifiziertes System mit Nachweis des erfolgreichen Einsatzes

                                                                                                    16
Grundlagen   Haptik-Systeme
             Haptik-Systeme   Anwendungsfelder   Marktanalyse   Zusammenfassung

  Anwendungsreifegrade verschiedener Haptik-Konzepte

                                                                       17
Grundlagen   Haptik-Systeme
             Haptik-Systeme   Anwendungsfelder   Marktanalyse   Zusammenfassung

  Anwendungsreifegrade verschiedener Haptik-Konzepte

                                                                       18
Grundlagen         Haptik-Systeme    Anwendungsfelder
                                     Anwendungsfelder    Marktanalyse                      Zusammenfassung

  Anwendungsfelder

  Mensch-Computer-Interaktion
  Haptische Systeme können als Eingabegeräte, also im
  Sinne eines Mensch-Computer-Interfaces eingesetzt                                            Nutzer mit A.R.T..
                                                                                               Flystick 2
                                                                        Quelle: VDC Fellbach
  werden:
                                                                                               Blick auf die
   3D-Konstruktion mit Spacemäusen                                                            Interaktionsfläche
                                                                                               des
   Navigation und Manipulation in Virtual Reality mit                                         Fabrikplanungs-
                                                                                               tisches des
     3D-Controllern                                                 Quelle: Fraunhofer IPA
                                                                                               Fraunhofer IPA

   Planungstische (tangible Eingaben) zur                                                  Designerin bei
     Fabrikhallenlayout-Planung                                                             der Arbeit mit
                                                                                            einem
   3D-Modellierung mit Force-Feedback-                                                     haptischen
                                                                                            Sketching-
     Gelenkarmsystemen                                                     Quelle: Geomagic System

                                                                                               Implizite Roboter-
   Roboter-Programmierung                                                                     Programmierung
                                                                                               mit
                                                                                               kraftrückkoppelnd
                                                                                               em SPIDAR-System
                                                                                               am Fraunhofer IPA
                                                                        Quelle: VDC Fellbach

                                                                                                      19
Grundlagen        Haptik-Systeme    Anwendungsfelder
                                    Anwendungsfelder   Marktanalyse                       Zusammenfassung

  Anwendungsfelder

  Kraftdarstellung / Kraftdisplay
   Die University of North Carolina setzte bereits
    1967 ein selbst entwickeltes haptisches Display
    mit 6 Freiheitsgraden ein, das molekulare
    Bindungskräfte kräftetechnisch abbilden konnte
   Zur Berechnung diente ein Drahtgittermodell von                                        Haptisches Display
                                                                                           Grope III der
    Molekülen                                                                              University of North
                                                                                           Carolina aus dem
   Einsatzzweck dieses Systems war allein die
                                                                  Quelle: University of
                                                                                           Jahr 1967
                                                                       North Carolina

    anschauliche Darstellung von Bindungskräften in
    der Lehre

                                                                                                  20
Grundlagen        Haptik-Systeme     Anwendungsfelder
                                     Anwendungsfelder   Marktanalyse                            Zusammenfassung

  Anwendungsfelder

  Unterstützung motorischer Körperfunktionen
  Haptik-Systeme, die bestimmte Bewegungsabläufe
  unterstützen und / oder andere Bewegungsabläufe                                                Einsatz des
  einschränken, können als Unterstützungssysteme für                         Quelle: Ottobock    Exoskeletts Paexo

  den Menschen eingesetzt werden:
   Hebehilfen für die Produktion
   Rehabilitation
                                                                                                 “MAHI Exo-II”
                                                                                                 Exoskelett
                                                        Quelle: French, Rose, O‘Malley (2015)

                                                                                                 Einsatz einer
                                                                                                 Haptic
                                                                                                 Workstation zur
                                                                                                 Behandlung von
                                                                                                 Schlaganfall-
                                                                                                 Patienten
                                                                             Quelle: Blundell

                                                                                                       21
Grundlagen         Haptik-Systeme     Anwendungsfelder
                                      Anwendungsfelder     Marktanalyse                   Zusammenfassung

  Anwendungsfelder

  Fernwirkung / Telepräsenz
  Sollen manuelle Operationen, die haptisches Feingefühl                                    Haptisches
  erfordern, über Distanz durchgeführt werden („Tele                                        Telepräsenzsystem
                                                                                            bei AREVA für die
  Operations“), so können zu diesem Zweck haptische                                         Arbeit in
                                                                                            Atomreaktoren
  Ein-/Ausgabegeräte eingesetzt werden:                                   Quelle: AREVA

   Wartung von Atomkraftwerken
   Tele-Medizin                                                                            Tele-chirurgischer
                                                                                            Eingriff mit zwei
                                                                                            Force-Feedback-
                                                                                            Gelenkarm-systemen
                                                                          Quelle: Haption

                                                                                                  22
Grundlagen          Haptik-Systeme      Anwendungsfelder
                                        Anwendungsfelder                    Marktanalyse                            Zusammenfassung

  Anwendungsfelder

  Virtual Prototyping haptischer
  Produkteigenschaften (1/2)
                                                                                                                     Versuchsaufbau
  Das virtuelle Prototyping zielt darauf ab, möglichst                                                               zum Haptik-
                                                                                                                     Prototyping von
  viele Produkteigenschaften und -funktionen in                                                                      Drehschalter

  frühen (digitalen) Phasen der Produktentwicklung         Quelle: Hochschule für Gestaltung, Schwäbisch Gmünd

  bereits überprüfen zu können. So sollen etwaige
  Fehler korrigiert oder auch nur das Produkt                                                                        Versuchsaufbau
                                                                                                                     zum Haptik-
  optimiert werden, bevor teure                                                                                      Prototyping einer
  Produktionsinfrastruktur (z. B. Gießformen,                                           Quelle: Fraunhofer IPK
                                                                                                                     PKW-
                                                                                                                     Kofferraumklappe
  Presswerkzeuge) teuer erstellt wurde.
  Prototyping Anwendungsfelder:
   Prototyping von Tast- und Drehschaltern
   Prototyping von PKW-Heckklappen                                                                                  Prototyping PKW-
                                                                                                                     Innenraum
                                                                                                  Quelle: Daimler
   Prototyping PKW-Innenraum

                                                                                                                           23
Grundlagen       Haptik-Systeme   Anwendungsfelder
                                  Anwendungsfelder   Marktanalyse                   Zusammenfassung

  Anwendungsfelder

  Virtual Prototyping haptischer
  Produkteigenschaften (2/2)
   Prototyping Montageprozess                                                        Haptische
   Prototyping beidhändiger Montageprozess                                           Montage-
                                                                                      Evaluation bei
                                                                                      Airbus
   Prototyping Textilien                                           Quelle: Haption

                                                                                      Beidhändige
                                                                                      Montagesimulation
                                                                                      ohne Force Feedback
                                                                         Quelle:ESI

                                                                                      Hardware zur
                                                                                      haptischen
                                                                                      Abbildung von
                                                                                      Textilen im Projekt
                                                                                      Haptex
                                                                    Quelle:Haptex

                                                                                             24
Grundlagen         Haptik-Systeme     Anwendungsfelder
                                      Anwendungsfelder      Marktanalyse                       Zusammenfassung

  Anwendungsfelder

  Training haptischer Fähigkeiten und Fertigkeiten
  Es gibt unzählige Arbeitsvorgänge, in denen bestimmte
  haptische Fähigkeiten und Fertigkeiten gefragt sind.                                          Putz-Trainer von
                                                                                                St. Gobain
                                                                           Quelle: St.Gobain
  Hier liegt es nahe, diese Vorgänge mit Hilfe haptischer
  Ein-/Ausgabegeräte virtuell zu trainieren:
   Training für das Verputzen                                                                  Klebstoffbahn-
   Training für Klebstoff-Applikation                                          Quelle: PSA
                                                                                                Trainer

   Montage-Training
   Training für Rhinoskopie, Ophtalmoskopie,
      Ophtalmochirurgie, Arthroskopie, Hysteroskopie,                         Quelle: Airbus
                                                                                                Montage-Trainer
                                                                                                von Airbus
      vitro-retinale Eingriffe, Katarakt, Koloskopie und
      Zahnmedizin                                                                            Ophtalmo-
                                                                                             chirurgische
                                                                                             Simulations-
                                                                                             umgebung eyesi:
                                                                                             Ophtalmo-
                                                                             Quelle: VRmagic Chirurgie

                                                                                                      25
Grundlagen       Haptik-Systeme    Anwendungsfelder
                                   Anwendungsfelder   Marktanalyse                      Zusammenfassung

  Anwendungsfelder

  Spiele, Unterhaltung
   Spiele mit 3D-Controllern                                                             Daten-
                                                                                          handschuh zur
   Spiele mit Datenhandschuh                                        Quelle: Nintendo
                                                                                          Unterhaltung:
                                                                                          der P5

   Spiele mit Force-Feedback-Gelenkarm
   Spiele mit Waffen-Nachbildungen
                                                                                          3D-Controller in
   Spiele mit haptischer Weste                                                           der Form von
                                                                                          Waffen im Einsatz
                                                                           Quelle: Void

                                                                                          Haptische Weste,
                                                                                          die taktiles
                                                                                          Feedback auf den
                                                                                          menschlichen
                                                                                          Rumpf ausübt
                                                                       Quelle: woojer

                                                                                                26
Grundlagen           Haptik-Systeme        Anwendungsfelder         Marktanalyse        Zusammenfassung

  Marktanalyse
     Der Haptik-Markt insgesamt ist ein Wachstumsmarkt; im Markt für Haptik-Systeme zum
      Einsatz in Virtual Reality und Augmented Reality gibt es zurzeit wie im gesamten VR/AR-
      Umfeld verstärkte Gründungsaktivitäten
     Haptische Ausgaben durchdringen das Alltagsleben immer stärker; dies resultiert in
      Skaleneffekten für die kostengünstige Herstellung von Komponenten
     Der dynamischere Markt wird mutmaßlich nicht der Markt der taktilen, sondern der Force-
      Feedback-Aktuatoren sein
     Durch die starke Durchdringung der Industrie mit Head Mounted Displays werden auch
      Datenhandschuhe seit wenigen Jahren wieder interessant
     Der VR-Haptik-Markt ist von starkem Wettbewerb und einer hohen Entwicklungsdynamik
      geprägt
     Der VR-Haptik-Markt weist teils eine starke Spezialisierung auf, was die Lösungsfähigkeiten
      angebotener Produkte angeht; in medizinischen Anwendungen ist die Spezialisierung als
      sehr hoch einzustufen

                                                                                               27
Grundlagen          Haptik-Systeme       Anwendungsfelder        Marktanalyse       Zusammenfassung

  Marktanalyse
     Ein am Markt erfolgreiches Produkt wird sich in dem Spannungsfeld zwischen
      o gesteigerter Immersion und User Experience [Nutzenkomponente 1]
      o erzielbarer belastbarer Aussage [Nutzenkomponente 2] und
      o Aufwand der Nutzung, wie z.B. Anschaffung, Preis, Anlegen, Kalibrierung,
           Komforteinschränkung bei der Benutzung, Restriktion Arbeitsraum
           [Aufwandkomponenten] behaupten müssen.
     Konsumentenlösungen im VR-Haptik-Markt waren bislang preisgünstige Komponenten,
      die die Nutzenkomponente 1 in den Vordergrund stellten
     Industrielösungen im VR-Haptik-Markt waren bislang teure Komponenten, die die
      Nutzenkomponente 2 in den Vordergrund stellten; hierunter fanden sich bislang wenige
      Datenhandschuhe (Ausnahme: A.R.T. Fingertracking und weitere)
     Der VR-HMD-Markt war bis vor 5 Jahren äquivalent aufgeteilt, mittlerweile ist ein
      Überschwappen von Consumer-Lösungen mit gesteigerter Leistungsfähigkeit in
      Industrieanwendungen zu sehen; selbst Game Engines werden mittlerweile industriell
      verwendet  Ein Szenario, bei dem dieses auch in der Haptik geschieht, ist denkbar

                                                                                             28
Grundlagen             Haptik-Systeme         Anwendungsfelder        Marktanalyse          Zusammenfassung
                                                                                           Zusammenfassung

  Zusammenfassung

       Technische Komponenten             Bauarten von Haptik-             Anwendungsfelder
         eines Haptik-Systems                  Systemen
      • Tracking                        • Reine Eingabesysteme        • Mensch-Computer
      • Verarbeitung der Tracking-      • Taktile Ausgabesysteme        Interaktion
        Daten                           • Erdbasierte Kraftausgabe-   • Kraftdarstellung
      • Kollisionsantwort                 Systeme                     • Unterstützung motorischer
      • Haptische Ausgabe               • Körperbasierte                Körperfunktionen
                                          Kraftausgabe-Systeme        • Fernwirkung/ Telepräsenz
                                        • Unbasierte Kraftausgabe-    • Virtual Prototyping
                                          Systeme                       haptischer
                                        • Anthropometrische 3D-         Produkteigenschaften
                                          Menschmodelle               • Training haptischer
                                                                        Fähigkeiten und
                                                                        Fertigkeiten
                                                                      • Spiele, Unterhaltung

                                                                                                    29
Quellen
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   Huber-Straßer, Angeliga: Neue Dimensionen der Realität. Eine Analyse der Potenziale von Virtual und Augmented Reality für Unternehmen. KPMG
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   Research and Markets: Global Haptics Technology Market Analysis & Trends - Industry Forecast to 2025. Dublin/Irland: Dezember 2016; online unter
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    machine-interface-global-haptics-market

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