projekt.thermobjekt@roman.Vogl

Die Konstruktion besteht aus einer Basis, die auf dem Handrücken des Betrachtter aufliegt. Mit Hilfe der Greifer, die geöffnet und geschlossen werden können, wird die Basis mit der Hand fixiert. Die einzelnen Elementen sind drehbar miteinander Verbunden. Wenn an dem Zugseil Kraft ausgeübt wird, krümmen sich die Elemente zusammen, und legen sich gleichmäßig auf die Oberfläche der Handfläche auf und über über die auf den Elementen montierten Polster lechten Druck darauf aus. Die Hand ist nun mit der Basis verbunden (siehe Bild). Wenn das Zugseil entlastet wird, öffnet die Rückzugfeder den Greifer.

Auf der Basis sind für jeden Finger ein Auslege montiert. Das Element 1 (siehe Bild) wird an den dafür vorgesehenen Aufnahme montiert. Es besitzt zwei Freiheitsgrade, unzwar Rotation in der z und y Achse. Die Rotation über die z Achse wird über einen kleinen Potentiometer abgenommen. Element 2 besteht aus einen Seilzug - Schlittensystem, mitdem es möglich ist den Winkel zwischen den zwei Schenkeln zu messen. Element 3 ist an dem Finger montiert. Durch diesen Aufbau ist es möglich alle Winkeln jedes Gelenkes der einzeilnen Finger zu messen, und deren absolte Position zu bestimmen.

Eine weiter Überlegung über mein ThermObjekt ging in Richtung Roboterhand. Damit meine ich, das die Hand nicht nur mit Senoren ausgestattet ist die die Bewegung abnehmen, und über den einen Rückgabekanal (Wäremempfindung) Information übertragen, sonder auch mit steuerbaren beweglichen Einheiten wie z.b Motoren bestückt ist. Es könnte der Handschuh den Betrachter bewegen, bzw. er könnte eigene Formen abtasten, ohne einen Betrachter. Er könnte beginnen, wenn kein Betrachter da ist, sich um das Thermobjekt zu kümmern. Er könnte es streicheln, putzen, und seine “Haltungsschäden” korrigieren. Er könnte aber auch das Objekt vernichten, ausradieren, und ein Neues formen, wie Kinder mit Knetmasse. Es könnte vorbeigehende Betrachter animieren, ihn deren Hand zu “leihen”. Die Überlegung geht auch in die Richtung, ein System zu entwickeln, bei den Sensor und steuerbares Element eine Einheit ergeben, und entsprechend der Verwendungszweckes benutzt werden kann, wie z.b Motor der durch einfaches Umschalten zu einen Generator wird. Aber in dieser Hinsicht, muss erst überlegt werden, wie die Bewegungen der einzelnen Finger abgenommen werden kann, ohne viel an Bewegungsfreiheit zu verlieren.

Die Potetiometer-Lösung
Einerseit könnte diese Bewegungen wie die Raumpositionsbestimmungs-System funktionieren, so das über Feder gespannte aufgerollte Seile Drehpotentiometer bewegen. Dieses System ist vom Aufbau der Sensoren am einfachsten. Die Werte sind absolut zu lesen, so das sich Messfehler nicht addieren, außerdem sind das keine Zustandstwerte und keine Momentaufnahmen, was natürlich sehr vorteilhaft ist. Eine weitere Idee, die in diese Kategorie passt sind natürlich Linearpotentiometer.

Die Pneumatik-Zylinder Lösung
Eine andere Überlegung ging in Richtung Pneumatikzylinder, bei dem durch die Bewegung entstehenden Durchfluss gemessen wird. Diese Variante muss getestet werden, weil sie viele Probeleme beinhalten kann. Es müssen Zylinder verwendet werden, die sehr leichtgängig sind, und kaum Widerstand haben, außerdem sind Durchflussmesser eher teuer. Die Messwerte sind nur Momentaufnahmen - es werden nur Impulse gemessen, und sie ist relativ vorherrig gemessenen Wert wodurch sich Messfehler und Messungenauigkeiten addieren würden. Weiters ist zu beachten dass Luft ein Medium ist, das sich verdichten lässt wodurch weitere Fehler und Ungenauigkeiten entstehen können. Der Vorteil besteht darin, dass die Möglichkeit besteht, die Zylinder auch mit Druckluft anzusprechen, und zu bewegen. Wobei beim bewegen der Zylinder wird die Bestimmung der Position der einzelnen Punkte sehr schwer und Ungenau, weil kein Rückkanal mehr da ist, der den Ist-Wert angibt. Ideal ist dann eine Mischung aus den beiden Überlegungen. Ein Zylinder zum Bewegen der einzelnen Fingergelenken, und ein Paralell zu jeden Zylinder laufenden Linearpotentiometer.

Die Pneumatik-Elastfinger Lösung
Ein Elastfinger kann man sich wie einen elastischen Schlauch vorstellen, der eine vorder und eine Rückseite besitzt. Die Rückseite ist faltenbalgähnlich aufgebaut und somit leicht dehnbar, während die Vorderseite glatt und wenig elastisch ist, so dass sie kaum gedehnt werden kann. Wenn der Elastfinger nun mit Druckluft angesprochen wird, tritt aufgrund der verschiedenen Dehnung eine Biegung der Finger in Richtung der glatten Seite auf. Dieses Prinzip könnte anstatt den Zylinder eingesetzt werden. Einerseits als bewegendes Element anderseits wiederrum durch messung des Durchflusses als Sensoreinheit. Wobei diese Variante wahrscheindlich die Ungenaueste ist.

Eine weitere Möglichkeit wäre die verwendung von Dehnmesstreifen…. es sind in diesen Bezug noch einige Dinge durchzudenken und zu recherchieren… auch die Verwendung von Motoren zum bewegen der Fingerelemente….

Die Konstruktion besteht aus drei Ringen, die über Seilen im Raum gehängt werden. Diese Seile sind gespannte Stahlseile, die über vorgespannte Feder aufgerollt werden. Ihre Aubgabe besteht einerseits darin die Konstruktion im Raum zu halten, andererseits die Bewegung in x, y, und z -Achse zu regestrieren. Das geschieht auf dem Prinzip der Triangulation - dabei werden die Entfernungen von drei verschiedenen Punkten im Raum zu einen bestimmten Punkt gemessen, und dadurch die position bestimmt. Diese Technik wird meistens mit elektromagnetischen Wellen angewandt, wo die Zeit gemessen wird. In diesen Fall kann ich die Entfernungsmessung direkt über die gespannten Stahlseile abnehmen, indem ich winkeländerungen über drehpotentiometer von den drehachse der Rollenaufwicklungen der einzlenen Seile abnehme, und dadurch die Längenänderung rückrechne. Damit wäre einmal die Position der Ringe im Raum bestimmt. Der Ring besteht wie schon erwähnt aus drei Ringen. Der äußerste Ring ist mit dem mittleren Ring über eine Drehachse in der x-Richtung verbunden, und der mittlere Ring ist mit dem inneren Ring mit einer Drehachse in der y-Achse verbunden. Damit kann ich diese Drehbewegungen ebenfalls über einfache Potentiometer bestimmen. Der innerste Ring besteht eigentlich aus zwei Ringen. Diese beiden Ringe können sich ineinander in der z - Achse drehen, wie z.B normale Kugellager. Damit kann ich mit dieser Konstruktion die Position in x,y,und z Richtung bestimmen, und darüber hinaus durch die anordnung der Ringe, die Drehbewegungen in x,y und z Achse. Das sind alle 6 Freiheitsgrade die benötigt werden um einen Punkt und deren Ausrichtung im Raum zu bestimmen. Diese Konstruktion könnte als Positionsbestimmung verwendet werden, oder wenn ich mit Beschleunigungssensoren arbeite, als einfache Aufhängung, um aus der geplanten “Handschuh” eine Rauminstallation zu machen. Verbunden ist die Hand mit der Konstruktion mit einer Schelle, die unterhalb des Handgelenks liegt. Sie besteht aus zwei Halbschalen, und wird beim schließen leicht an die Hand angepresst.

Um die position der gesamten Hand im Raum bestimmen zu können, benötige ich ein Sensoreinheit , die sechs freiheitsgrade bestimmen kann. Dieses Sensoreinheit muss mit drei Neigungssensoren und drei Beschleunigungssensoren ausgestattet sein. Es gibt von der Firma Spark fun electronics eine Sensoreinheit, die genau diesen Anforderungen gerecht wird. Die IMU 6-DOF unit besteht aus einen drei achsen accelerometer von Freescale (typ. MMA7260Q) und drei iMEM`s Neigungssensoren, und einen PIC16F88 zum auslesen der Sensordaten. Die Messdaten können über integrierten Bluetooth mit einer Baudrate von 57600bps an den Rechner übertragen werden. In dieser Hinsicht wäre es gut die komplette kommunikation von computer und Handschuh über Bluetooth laufen zu lassen. Mit einer größe von 51×51x23mm ist diese Einheit auch sehr klein, und für meine zwecke gut geeignet.

um das interface zu gestalten, ist es wichtig vorerst einmal festzulegen welche bewegungen eine menschliche hand ausführen kann. dafür betrachte ich jedes gelenk der hand einzeln, und bestimme deren freiheitsgrad. Bei Gelenken beschreibt Freiheitsgrad die Anzahl und Art der möglichen Bewegungen, die das Gelenk ausführen kann. Dabei stehen einen starrer Körper insgesamt sechs möglichen Freiheitsgrade zur Verfügung, drei für die Translation und drei für die Rotation.
Freiheitsgrade im Raum:
Verschiebung
- x-Achse
- y-Achse
- z-Achse
Drehung um
- x-Achse
- y-Achse
- z-Achse

Innerhalb eines Gelenks lassen sich jedoch nur maximal fünf Freiheitsgrade technisch umsetzen.

Aufbau der Hand:
Die Hand besteht aus der Handwurzel (Carpus) mit den beim Menschen 8 Handwurzelknochen (Kahnbein, Mondbein, Kopfbein, Großes Vieleckbein, Kleines Vieleckbein, Dreieckbein, Erbsenbein, Hakenbein), der Mittelhand (Metacarpus) mit den bis zu 5 Mittelhandknochen und den beim Menschen 5 Fingern (Digiti manus - Daumen (Pollex), Zeigefinger (Index), Mittelfinger (Medius), Ringfinger (Anularius), Kleiner Finger (Digitus minimus)) mit 14 Fingerknochen (zwei für den Daumen und je drei für die anderen vier Finger). die hand besteht einerseits aus Scharniergelenk (Ginglymus), die nur eine Bewegungsachse besitzen (nur beugen und strecken), und Sattelgelenk (Articulatio sellaris) - Daumen-Grundgelenk; besitzen zwei Bewegungsachsen.

im bild wird gezeigt, wo welche freiheitsgrade sind. bei diesen koordinatensystem haben die gelenke mit einen freiheitsgrad, die möglichkeit sich um die y-Achse zu drehen, und die gelenke mit zwei freiheitsgraden, die möglichkeit sich um die y- und z Achse zu drehen.
Für das Design des Interfaces ist nun zu berücksichtigen, das es in summe 10×1 + 6×2 = 22 zu bestimmende freiheitsgrade gibt. Das heißt, das das microcontroller-system die möglichkeit bietet 22 senoren abzulesen.
Wobei die gesamte hand an sich noch sechs freiheitsgrade besitzt, die über beschleunigungssensoren bestimmt werden soll.

ursprünglich war die idee, dass jeder einzelne Fingerspritze mit einen eigenen 3-Achsen Beschleunigungssensor ausgestattet wird. Mit versuchen von 2-Achsen Beschleunigungssensoren, kam ich zu den entschluß, dass diese art der umsetzung unmöglich ist. Das Problem bei den Beschleunigungssensoren ist, dass sie relativ arbeiten und nicht einen Zustand regestrieren, sonder nur zustandsänderungen. Das nächste Problem ist, dass sie beschleunigungen regestrieren in x,y und z achse, aber nicht ob es sich bei der beschleunigung um eine drehung oder eine translation handelt. Es ist also nicht möglich eindeutige Positionsbestimmung mit einen 3-Achsen-Beschleunigungssenor durchzuführen. Darum stehen in moment folgende Alternative zur Verfügung: es wird die hand mit einen 3-Achsen Beschleunigungsensor und einen 3-Achsen-Rotationssenor ausgestattet, der die Position der gesamten Hand im Raum regestrieren soll. Die rotation (beugung) der einzelnen Fingergelenkte werden mit mittels Drehpotentiometer oder Biegesenoren oder Dehnmessstereifen abgenommen, um dann die Positionen der einzeilnen Fingerkuppeln berechnen zu können.

Der erste Ansatz zur Umsetzung der Idee in eine Installation. Die Person bekommt einen Handschuh angelegt. Bei diesen Handschuh sind an allen fünf Finger an der Unterseite Peletrierelemente angebracht. Diese ermöglichen es über Spannung Wärme zu erzeugen. Auf der Oberseite sind Beschleudigungs/Tilt Sensoren angebracht, die die Position der einzelnen Finger im Raum bestimmen. Mit hilfe dieser Daten kann dann über Microcontroller der Computer abhängig von der Position der einzelnen Finger, die entsprechenden Peletrierelemente erwärmen. Das Programm innerhalb des Computers soll in OpenGL geschrieben werden. Es existiert dort im Computer ein virtuelles lebendiges Objekt, und eine virtuelle Hand, die sich analog der realen Hand bewegt. Mithilfe von Kolisionsabfragen und -erkennungen, werden die jeweiligen Peletrierelemente aktiv, und ermöglichen so das virtuelle Objekt über Wärme zu erfühlen. Der Datenaustausch zwischen Handschuh und Computer erfolgt über ein Funkmodul, die Stromversorgung der Sensoren, Controller und Peletrierelemente sollen in der entgültigen ausgearbeiteten Installation ebenfalls über Batterien erfolgen, damit der Hanschuh eine eigenständige Einheit ist, und kabellos angelegt werden kann.