Optimierung des Entwicklungsprozesses von handbetätigten Bewegungseinheiten durch Simulation digitaler Prototypen in einem universellen haptischen Feedbacksystem

Kölling, Thomas; Paris, Jascha; Hüsing, Mathias GND; Corves, Burkhard GND

Der Konstruktions- und Entwicklungsprozess von Bewegungseinheiten ist klassisch in eine Folge von verschiedenen Phasen gegliedert, die stark iterativ durchlaufen wird. Eine wiederkehrende Aufgabe ist die Bewertung und Beurteilung, um alle Anforderungen angemessen umzusetzen. Handbetätigte Mechanismen stellen definitionsgemäß eine Schnittstelle zum Menschen dar und bedürfen daher einer ergonomiegerechten Gestaltung. Die Bewertung dieser Aspekte ist häufig schwierig. Auch gängige Normen und Richtlinien geben nur Aufschluss über statische max. Größen, ohne Aussagen über Bedienbarkeit und Komfort zu treffen. Der Einsatz eines haptischen Feedbacksystems (HFS) kann sowohl die Bewertung einer Lösung als auch den direkten Variantenvergleich maßgeblich unterstützen und vereinfachen. Dabei wird ein Modell des zu entwickelnden Mechanismus simuliert und mittels eines Feedbackgeräts für den Entwickler haptisch dargestellt. Die Verwendung derartiger digitaler Prototypen ermöglicht eine umfassende Einschätzung bereits in frühen Entwicklungsphasen und spart den Fertigungsaufwand von physischen Prototypen. Somit kann der Entwicklungsprozess entscheidend verbessert und die Qualität des Produkts gesteigert werden. Anhand von kommerziellen Desktopgeräten können grundlegende Ansätze erprobt werden. Aus Sicht der Getriebetechnik stellt dabei sowohl die für das haptische Feedback verwendete Struktur als auch die in der Simulation nachgebildete Getriebeanwendung einen Mechanismus dar. Die Anwendung bestimmt Aufbau und Parametrierung des Simulationsmodells. Aus den verschiedenen Laufgraden, der Nutzerimpedanz und den Vorteilen einer Störgrößenkompensation ergeben sich Anforderungen an die Regelung. Bisher erfüllt kein System alle Anforderungen, sodass die Neuentwicklung eines universellen HFS sinnvoll scheint. Die Entwicklung erfolgt anhand einer hinsichtlich Arbeitsraum, Kraft und Steifigkeit optimierenden Struktur und Maßsynthese. Die ausgestaltete HFS-Zelle bietet alle genannten Vorteile.

The design process of motion devices follows a iterative sequence of different stages. Recurring tasks during and after every stage are especially the evaluation and assessment to fulfill all requirements adequately. Furthermore manually actuated mechanisms must be designed in accordance with ergonomics. However the evaluation of ergonomics is particularly difficult and even standards and guidelines only provide information about maximum values without concerning comfort and usability. Haptic feedback systems (HFS) may be used to evaluate a solution or to compare different variants directly and easily. The feedback device offers the opportunity to feel the simulated model of future mechanism. With such kind of digital prototypes engineers are able to gain comprehensive ratings in very early development stages. Not only can the quality of the future product be improved decisively but also the process itself. Some basic approaches can be tested with commercial desktop devices. The HFS includes two mechanisms: The robotic mechanism used to provide feedback and the one to design determining the simulation model. Parameters for the simulation are specified by the application. Requirements for the control result from different degrees of freedom, user impedances and advantages of interference compensation. Up to now no system fulfills all requirements hence the new development of a universal HFS seems reasonable. Principal aims of the synthesis are the optimization of working area, force, stiffness and mass. The designed HFSCubicle provides all advantages mentioned.

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Kölling, Thomas / Paris, Jascha / Hüsing, Mathias / et al: Optimierung des Entwicklungsprozesses von handbetätigten Bewegungseinheiten durch Simulation digitaler Prototypen in einem universellen haptischen Feedbacksystem. Ilmenau 2013.

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