Technik kurz erklärt Die Entwicklung der 3D-Maus

In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir jede Woche ein Meisterwerk der Konstruktion vor. Heute: Die 3D-Maus.

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Heute vor allem in Konstruktionsbüros zu finden, kommt die 3D-Maus ursprünglich aus der Raumfahrt. Ihre Geschichte beginnt Ende der Siebziger Jahre im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), als im Institut für Robotik und Mechatronik Versuche zur Steuerung eines Roboterarmes im kartesischen Raum gestartet wurden.

Steuerkugel konnte Roboterarm in alle Richtungen steuern

Ein in einer Steuerkugel integrierter, sechsachsiger Kraft-Drehmoment-Sensor mit drei Kraft- und drei Drehmomentkomponenten erwies sich 1981 als die optimale Lösung dafür. Die Steuerkugel registrierte die linearen und rotatorischen Verschiebungen, wie sie durch die Kräfte und Momente einer menschlichen Hand erzeugt werden. Diese wurden dann rechnerisch in translatorische und rotatorische Bewegungen umgewandelt. Der erste verwendete Kraft-Momenten-Sensor basierte auf der Dehnungsmessstreifen-Technologie, die in die Kunststoff-Steuerkugel integriert war.

Roboter im Weltall von 3D-Maus-Vorläufer ferngesteuert

Die ersten Prototypen, die zwischen 1982 und 1985 entstanden, zeigten, dass sich die Steuerkugel nicht nur hervorragend als Steuergerät für Roboter eignet, sondern auch für das erste 3D-Grafiksystem, das damals auf den Markt kam. 1985 präsentierte das DLR das erste preisgünstige optische Messsystem, das sechs eindimensionale Positionsdetektoren nutzte.

An Bord der Raumfähre Columbia flog 1993 erstmalig in der Raumfahrtgeschichte ein kleiner Roboter namens Rotex mit in den Weltraum, welcher von der Erde aus über die „DLR Steuerkugel“ – dem Vorläufer der Spacemouse – ferngesteuert wurde.

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Drei Übungen beugen Mausarm vor

Spacemouse – die erste 3D-Maus

Nach intensiver einjähriger Arbeit war das Ergebnis die erste Spacemouse, in den USA auch als „Magellan“ bekannt.

• Das verschleißfeste und driftfreie optoelektronische 6-Komponenten-Messsystem wurde so optimiert, dass die gesamte Elektronik auf nur einer Seite einer winzigen Platine in der Controllerkappe untergebracht ist.

• Die Spacemouse benötigte zudem nur wenige Milliampere Strom, der über die serielle Schnittstelle eines beliebigen PC oder einer Standardmaus-Schnittstelle zugeführt wurde.

• Die elektronische Schaltung wurde im Vergleich zu den zuvor erwähnten Steuerkugeln um den Faktor fünf vereinfacht.

Diese anspruchsvolle mechanische Optimierung führte schließlich zu drei einfachen Spritzgussteilen, nämlich dem Grundgehäuse, einem Kappengriff mit dem Messsystem im Inneren und dem kleinen Neun-Tasten-Tastatursystem.

Eckdaten: Die Spacemouse Classic

Erste Spacemouse

Veröffentlichung am 30. Januar 1993

Sensor mit 6 Freiheitsgraden (6DoF)

Insgesamt neun programmierbare Tasten

Serieller Anschluss

Wenige Milliampere Strom benötigt

Vereinfachte Elektronische Schaltung

Optischer Sensor erkennt Eingaben von 4 µm

Die Kerntechnik der 3D-Mäuse, die adaptive Mikro-Präzisions-Sensortechnologie, wurde über die Jahre von 3D-Connexion weiterentwickelt und verkleinert.

Das Kernstück heutiger 3D-Mäuse ist weiterhin die Controller-Kappe mit dem optischen Sensor mit 6 Freiheitsgraden (6DoF), der Eingaben von 4 µm erkennen kann – das entspricht 0,04 Prozent eines menschlichen Haares.

So funktioniert eine 3D-Maus

Die Controller-Kappe steuert drei translatorische Freiheitsgrade (X, Y und Z) und drei rotatorische Freiheitsgrade (A, B und C). Durch sanftes Drücken, Ziehen, Drehen oder Kippen der Controller-Kappe können Anwender Kameraansichten oder ein 3D-Modell gleichzeitig bewegen, vergrößern oder verkleinern und rotieren. Gleichzeitig können mit der Standardmaus Auswahl-, Entwurfs- und Bearbeitungsaufgaben durchgeführt werden.

Auf jeder Taste sind Standardfunktionen für unterstütze Anwendungen hinterlegt. Diese Belegung kann über den Treiber individuell konfiguriert werden. Die Eingabe erfolgt entweder über Quick Makro (Eingabe eines Shortcuts), Makro (Eingabe mehrerer Shortcuts hintereinander) oder über die Auswahl von Befehlen über den vordefinierten Befehlsbaum.

Es gibt auch 3D-Mäuse, die die hinterlegten Befehle zusätzlich auf einem LCD-Farbdisplay visualisieren.

Was bringt eine 3D-Maus?

Anwender können mit 3D-Mäusen effizienter konstruieren, da sie mit zwei Händen gleichzeitig arbeiten. Die notwendigen Schritte zum Drehen und Bearbeiten eines Modells können mit 3D-Maus gleichzeitig und nicht wie bei einem herkömmlichen Maus-Tastatur-Setup nur hintereinander ausgeführt werden.

So kann der Anwender beispielsweise eine Funktion mit der normalen Maus auswählen und währenddessen die Drehbewegung mit der 3D-Maus ausführen. Diese Schritte laufen in einer flüssigen Bewegung gleichzeitig ab und müssen nicht mehr durch nacheinander folgende Mausklicks ausgeführt werden. Auch die Shortcuts helfen nach der Eingewöhnung, schneller zu arbeiten.

Die Mäuse können für alle gängigen CAD-Anwendungen eingesetzt werden. Da diese in sich variieren, lassen sich die Geräte auch individuell zu jedem Programm konfigurieren.

Ergonomische Vorteile einer 3D-Maus

In einem Untersuchungsbericht zur Ergonomischen Bewertung der 3D-Maus stellte das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO ergonomische Vorteile der 3D-Maus fest.

• Dadurch, dass der Anwender beim Arbeiten mit einer 3D-Maus beide Hände gleichzeitig einsetzt, werden Fingerbewegungen um 28,6 Prozent pro Stunde reduziert. Außerdem legt der Anwender die Hände parallel auf den Schreibtisch, wodurch sich eine aufrechte und somit gesündere Körperhaltung ergibt.

Für Konstrukteure, die an fünf Tagen pro Woche acht Stunden oder länger am Bildschirm arbeiten, stellt das eine deutliche Entlastung für Handgelenke, Schultern und Nacken dar.

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