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In Freiheitsgraden fliegen

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3D-CAD-Systeme, besonders auf kostengünstigen NT-Rechnern, laufen den 2D-CAD-Systemen den Rang ab. Eine aus der Raumfahrt abgewandelte „intuitive Mensch-Maschine-Schnittstelle und Bedienerführung“ verbessert den Konstruktionsprozeß und beschleunigt alle 3D-CAD-Systeme erheblich.

Autoren: Prof. Dr.-Ing. G. Hirzinger, Dipl.-Ing. B. Gombert; beide Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Robotik und Systemdynamik, Oberpfaffenhofen

Immer öfter konstruiert man heute neue Produkte am Rechner mit 3D-CAD-Systemen so, wie es der natürlichen Vorstellung entspricht, nämlich räumlich, dreidimensional, wenn auch meist auf Flächendarstellung basierend.
Sechs Raumfreiheitsgrade
Immer mehr Beachtung findet vor diesem Hintergrund das Thema „intuitive Mensch-Maschine-Schnittstelle und Bedienerführung“. Ein 3D-Grafik-Objekt kann in sechs Raumfreiheitsgraden bewegen, nämlich in drei Freiheitsgraden x, y, z translatorisch sowie in drei Freiheitsgraden rotatorisch (Drehung um die x, y, z-Achse), Bild 1 (rechts). Der Raum ist zwar nur dreidimensional, hat aber sechs Bewegungsfreiheitsgrade.
In der 3D-Frühzeit vermutete man, der Mensch habe Probleme, sechs Freiheitsgrade gleichzeitig zu steuern. So entstanden die insbesondere bei „Catia“ lange Zeit z.T. standardmäßig mitgelieferten „Dial-boxes“ mit je einem Drehknopf für jeden Freiheitsgrad.
Schon Anfang der 80er Jahre wurde als Alternative im DLR-Institut der Verfasser eine sog. Steuerkugel zur räumlichen Geschwindigkeitssteuerung von Robotern und 3D-Grafik-Objekten entwickelt und patentiert, bei der ein „sechsdimensionales“ Meßsystem (heute rein optoelektronisch) kleine Auslenkungen des (quasi fest mit dem Tisch verbundenen) Steuergriffs durch die menschliche Hand erfaßt und in Geschwindigkeitskommandos aller sechs Freiheitsgrade umsetzt. Federkräfte bringen es nach Loslassen immer wieder in die Nullposition zurück und damit z.B. das 3D-Grafik-Objekt zum Stillstand.
3D-Eingabegerät Space Mouse
Vor einigen Jahren wurde die DLR-Steuerkugel zur sog. Space Mouse (Bild 1) weiterentwickelt, die nach wie vor ein technisch unübertroffenes, drift- und alterungsfreies opto-elektronisches Meßsystem enthält; vor allem aber finden Anwender die flache, dem Workstation-Design angepaßte Steuerkappe günstiger, weil die Hand ohne Abwinkelung der Handwurzel flach aufliegt und feinfühliges Manipulieren der Kappe mit den Fingerkuppen sich als optimal herausgestellt hat, während das sich aufdrängende Umschließen einer Kugel mit der Hand starres und verkrampftes Arbeiten mit Handgelenk und Schulter zuläßt.
Ein solches Interface, über das man nicht nur die räumliche Bewegungsrichtung, sondern über kleine Druck/Zug-Änderungen auch die Geschwindigkeit vorgibt, entspricht nach heutigem Stand der Technik am besten der natürlichen sensomotorischen Verhaltens- und Reaktionsweise des Menschen. Das Anfassen der Space Mouse-Kappe entspricht praktisch dem Anfassen des 3D-Objekts, das man mit kleinen Auslenkungen der Kappe völlig intuitiv im Raum herumfliegen lassen kann.
Folgende Beobachtungen scheinen in diesem Zusammenhang bemerkenswert:
– Kleine Kinder mit wenig Rechner-Erfahrung steuern mit einer Space Mouse 3D-Grafikobjekte auf Anhieb so, als hätten sie jahrelange Übung. Erfahrene Programmierer, die täglich viele Stunden mit der 2D-Maus arbeiten, brauchen manchmnal eine Viertelstunde und länger, bis sie den Umstieg von zwei auf sechs Freiheitsgrade verinnerlicht haben
– Von einigen Konstrukteuren hört man gelegentlich das Argument: „Ich komme auch am 3D-CAD-System mit der 2D-Maus zurecht, ich muß eben durch Mausklick von den sechs Freiheitsgraden immer wieder zwei andere auf die zwei Maus-Koordinaten umschalten“. Tatsächlich glaubt mancher, mit zwei Fingern vergleichbar schnell Maschine schreiben zu können, wie andere mit dem Mehrfingersystem. Sogar einzelne 3D-CAD-Hersteller weisen darauf hin, daß ihr System auch mit der 2D-Maus funktioniere (und daher kostengünstig sei). Und doch kann niemand die Tatsachen ignorieren
– Sensomotorische Zentren steuern in der linken Hirnhälfte die Leistungen der rechten Körperhälfte und umgekehrt. Durch Veranlagung und Lernprozesse entwickelt meist ein Zentrum seine Verknüpfungen zur entsprechenden Hand (oder zum Bein) besser als das andere. Warum dies, zumindest in der nördlichen Erdhemisphäre, in 90% der Fälle die rechte Hand ist, ist noch nicht völlig klar. Typischerweise entwickelt sich daher die linke Hand als die Betrachtungs- oder Führungshand, und die rechte als die kommunizierende Arbeitshand hoher Präzision (Bild 2). Beide Hände sind von Kindesalter auf trainiert, miteinander abgestimmte Arbeitsabläufe durchzuführen, wie sie z.B. ganz typisch sind für das Öffnen von Flaschen, Schälen von Kartoffeln etc.
Beidhändiges 3D-CAD
Es lohnt sich besonders an 3D-CAD-Arbeitsplätzen, auch die Führungshand einzusetzen. Bei der ergonomisch ungünstigsten Arbeitsweise wird nur mit einer Hand, der (meist rechten) Arbeitshand, an der 2D-Maus gearbeitet, was zur Folge hat, daß Betrachtungs- und Arbeitsabläufe seriell und azyklisch durchgeführt werden.
Diese hintereinander ablaufende Kette von Betrachtungs-, Zuführ- und Zeigearbeiten mit ständiger Unterbrechung von Denkprozessen führt zu einer viel schnelleren Ermüdung des „einarmigen Bedieners“, als wenn man die Arbeitshand von den ständig zu betätigenden Betrachtungsbefehlen (wie z.B. Zoom und Pan, die 50% aller am CAD-System durchgeführten Operationen ausmachen) entlastet und nur mit ihrer eigentlichen Aufgabe betraut, nämlich der Ausführung gezielter Aktionen wie Setzen von Schnitten oder Anwählen von Menü-Funktionen.
Genau hier wird die Bedeutung eines zusätzlichen 3D-Steuergeräts wie der Space Mouse deutlich.
Über dessen Manipulation (bei Rechtshändern typischerweise mit der linken Hand) bildet man am CAD-Arbeitsplatz die Funktion der Betrachter- und Zuführ-Hand nach, weil sie die simultane Steuerung aller sechs Objektfreiheitsgrade erlaubt, während die (typisch rechte) Arbeitshand mit einem Zeigegerät wie herkömmlicher Maus oder Tablett arbeitet (Bild 3).
Catia als Vorreiter
Aus dieser Sicht betrachtet war die Dial-Box, die insbesondere viele Catia-Anwender schon früh zum zweiarmigen Arbeiten veranlaßt hat, ein Schritt in die richtige Richtung und auch der Grund dafür, daß fast die Hälfte aller bisher eingesetzten Space Mäuse an Catia-Systemen installiert ist. Mancher Anwender, der die Dial-Box gewohnt war, wollte weiterhin die Möglichkeit haben, Objekte nur in definierten Achsen zu bewegen. Die Space Mouse wurde daher mit einer Dial-Box-Emulation ausgestattet, bei der man die Achse per Tastendruck auswählt und dann die Kappe als „Drehknopf“ benutzt (genauer als Drehmoment-Sensor). Nach kurzer Eingewöhnungszeit aber wollen die meisten Anwender ihr Objekt simultan in sechs Freiheitsgraden „fliegen“.
Wie alles Neue braucht auch das „Denken und Arbeiten in 3D“ seine Zeit, bis es zur Selbstverständlichkeit geworden ist. Der Siegeszug der intuitiven 3D-Steuerung ist aber nicht mehr aufzuhalten.
Die hier beschriebene Space Mouse ist für alle am Markt verfügbaren 3D-CAD-Systeme liefer- und einsetzbar.
Die SpaceMouse
Vor allem Automobilhersteller haben ausgiebige Vergleichstests gemacht und bei Gebrauch einer Space Mouse nicht nur ca. 25% Zeitgewinn festgestellt, sondern vor allem auch höhere Kreativität und geringere Ermüdung nach einigen Stunden Konstruktion. Inzwischen sind die Gründe dafür geklärt!
Ausführliche Informationen
3D-CAD-Eingabe-
gerät Space Mouse
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