Messtechnische Analyse der menschlichen Kraftwahrnehmung zur Optimierung des Entwurfs haptischer Mensch-Maschine Schnittstellen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Messplatz für die Ermittlung von psychophysikalischen Kennwerten der menschlichen Kraftwahrnehmung entwickelt. Hierzu wurde eine hochdynamische und hochgenaue Kraftquelle auf Basis eines elektrodynamischen Wandlers aufgebaut. Zur Regelung der Kraftquelle kam ein Sensor auf Basis von Halbleiter-DMS und ein analoger PID-Regler zum Einsatz. Der Einfluss des Nutzers auf die Krafteinkopplung wurde mit konzentrierten Parametern eines Netzwerkmodells bestimmt und quantifiziert. Eine Korrektur des systematischen Fehlers für die Bestimmung der Steuergröße sowie der gemessenen Daten wurde vorgenommen. Der systematische Fehler der Kraftdarstellung wurde in Abhängigkeit der Signalfrequenz bestimmt und konnte mit einem Maximum von 5,5 % nach oben abgeschätzt werden. Zur Ermittlung von Wahrnehmungskennlinien wurden psychometrische Verfahren untersucht. Dazu wurde eine Monte Carlo-Simulation durchgeführt, um ein geeignetes Verfahren für die Aufgabenstellung zu identifizieren. Nach Bewertung von Genauigkeit, Effizienz und Robustheit fiel die Wahl auf eine Adaptive Staircase-Methode mit einem 3AFC-Forced-Choice Antwortparadigma. Mit diesem Verfahren wurden die absolute und differentielle Wahrnehmungsschwelle für dynamische Kräfte an neun Frequenzen im Bereich von 5 Hz bis 1000 Hz auf Basis von 29 Probanden untersucht. Die absolute Wahrnehmungsschwelle liegt bei niedrigen Frequenzen bei ca. 20 dB (resp. 1 mN), knickt bei ca. 20 Hz ab und erreicht ihr Minimum bei 160 Hz mit ca. -6 dB. Für höhere Frequenzen liegt sie bei ca. 0 dB mit kleineren Abweichungen. Die differentielle Wahrnehmungsschwelle (JND) wurde sehr nah an der absoluten Wahrnehmungsschwelle untersucht und liegt zwischen 15 und 20 dB, mit deutlich höheren Werten von ca. 40 dB bei einer Frequenz von 1000 Hz. Die Auswertung der Daten und der Vergleich mit existierenden Studien stützt die Hypothese, dass die mechanische Impedanz auch als Kopplungsgröße zwischen den Wahrnehmungsdimensionen für Kraft und Auslenkung genutzt werden kann. Weitere Analysen zeigen die prinzipielle Abhängigkeit der Wahrnehmungsfähigkeiten vom Alter der Testpersonen, der Fingerspitzengröße, der Umgebungstemperatur und teilweise auch von feinmotorischen Tätig- bzw. Fähigkeiten der Probanden. Zur weiteren Untersuchung wurde ein Screening-Versuchsplan aufgestellt und getestet. In diesem Projekt wurden die ersten hochfrequenten Wahrnehmungskennwerte für vibrotaktile Kräfte gemessen. Die Ergebnisse dienen primär zur Anforderungsermittlung beim Entwurf haptischer Mensch- Maschine-Schnittstellen. Durch den nachgewiesenen Zusammenhang von Kraft- und Auslenkungswahrnehmung über die mechanische Impedanz können zudem existierende Wahrnehmungskennwerte in die jeweilig nötige Dimension umgerechnet werden.
Publications
- Design and Evaluation of a Measuring System for Human Force Perception Parameters. Sensors and Actuators: A Physical, 2010.
Hatzfeld, C., Kern, T.A., Werthschützky, R.
- Improving the Prediction of Haptic Impression User Ratings Using Perception-Based Weighting Methods: Experimental Evaluation. In: Haptics: Generating and Perceiving Tangible Sensations. eds. A.M.L. Kappers, et al., Springer, Heidelberg, 2010.
Hatzfeld, C., Kern, T.A., Werthschüzky, R.
- Vibrotactile Force Perception Thresholds at the Fingertip. In: Haptics:
Generating and Perceiving Tangible Sensations. eds. A.M.L. Kappers, et al., Springer, Heidelberg,
2010.
Hatzfeld, C., Werthschützky, R.
