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Formgedächtnislegierung/Aktuator Verkehrsinformationen dank haptischem Autositz spüren

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Antriebe, die drucktaktile Signale erzeugen, könnten im Automobil für zusätzliche Fahrerinformations- und Assistenzsystemen genutzt werden. Im Forschungsprojekt Smart-Haptics wird derzeit der haptische Autositz mit Formgedächtnis-Aktuatoren entwickelt und getestet.

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Druckhaptische Signale können im Automobilcockpit so genutzt werden, dass z.B. eine Positions- bzw. eine Richtungsandeutung durch die Anordnung von haptischen Aktuatoren erfolgt.
Druckhaptische Signale können im Automobilcockpit so genutzt werden, dass z.B. eine Positions- bzw. eine Richtungsandeutung durch die Anordnung von haptischen Aktuatoren erfolgt.
(Bild: Kunststoffverarbeitung Hoffmann)

Eine Handynachricht oder ein Unfall auf der gegenüberliegenden Straßenseite genügen: Der Autofahrer wird abgelenkt und dann kracht´s. Ablenkungen des Fahrers während der Autofahrt gehören zu den häufigsten Gründen für Verkehrsunfälle. Modere Fahrzeuge sind daher mit unterschiedlichen Fahrerinformations- und Assistenzsystemen ausgestattet um die Aufmerksamkeit des Fahrers auf Ereignisse im Verkehr zu richten. Diese unterstützenden Systeme kommunizieren mit dem Fahrer zumeist durch optische und akustische Signale.

Schnelle Reaktion dank druckhaptischer Signale

Eine neuartige Ergänzung hierzu ist die Nutzung druckhaptischer Signale. Damit sind aktive Reizstimulationen gemeint, die als Druckkraft über Sitzflächen, Hand-, Arm- oder auch Fußbereiche an den Fahrer übermittelt werden. Ein Steuergerät entscheidet im Einsatzfall ob ein Warnsignal an den Fahrer gesendet werden soll und aktiviert einen Aktuator der eine Bewegung so erzeugt, dass ein Druck auf den menschlichen Körper entsteht. Ein druckhaptisches Signal kann auch dann wahrgenommen werden, wenn die optische und akustische Wahrnehmung des Fahrers durch andere Informationen genutzt wird. Ein entscheidender Vorteil haptischer Wahrnehmung ist ihre Verarbeitungsgeschwindigkeit im menschlichen Nervensystem, die auch mit zunehmendem Alter kaum an Leistung einbüßt und daher deutlich schneller verarbeitet werden kann als optische und akustische Signale.

Richtungsandeutung mit haptischen Aktuatoren

Da ein modernes Automobilcockpit heutzutage durchaus mehr als 30 verschiedene optische und über 20 verschiedene akustische Signale erzeugen kann, muss auch eine Zuordnung des Signals zu seiner Bedeutung stattfinden. Druckhaptische Signale können so genutzt werden, dass z.B. eine Positions- bzw. eine Richtungsandeutung durch die Anordnung von haptischen Aktuatoren erfolgt. Wird z.B. der linke Teil des Rückens eines Fahrers durch einen Druckreiz stimuliert, so wird die Information „Links“ dem Fahrer intuitiv mitgeteilt. So kann beispielsweise vor einem überholenden Fahrzeug von Links gewarnt werden, auch wenn der Fahrer sich kurz vor dem Ausscheren optisch oder akustisch ablenken lässt. Das Signal „Links“ kann der Fahrer in der Situation nicht ignorieren.

Skizziert man diese Art der Maschine-Mensch Schnittstelle in den Fahrzeugsitz, so stellt man schnell fest, dass viele Aktuatoren erforderlich wäre, um sicher zu stellen, dass eine bündige Verbindung zwischen dem haptischen Aktuator und dem Fahrer erfolgt. Schließlich sitzt jeder anders und man müsste zahlreiche ergonomische Positionen ermöglichen. Daher benötigt man Aktuatoren, die bei elektrischer Schaltung, Drücke auf den menschlichen Körper erzeugen. Zudem sollten die Aktuatoren klein und leicht sein, damit sie im Sitz nicht stören und das Gesamtgewicht des Automobils nicht zu sehr beeinträchtigen.

Bild 1 zeigt das Konzept für den Anwendungsfall des Überholwarners:

Bild 1: Konzept eines Überholwarners mit haptischer Informationsübertragung über den Autositz.
Bild 1: Konzept eines Überholwarners mit haptischer Informationsübertragung über den Autositz.
(Bild: Kunststoffverarbeitung Hoffmann)

Ein Sensorsystem überwacht den Verkehr links hinter dem Fahrzeug. Versucht der Fahrer auszuscheren, wenn sich gerade ein anderes Fahrzeug auf der Überholspur befindet, wird im Fahrzeugsitz eine Druckkraft auf den Rückenbereich des Fahrers erzeugt. Die Annäherung, bzw. der geringer werdende Abstand zum eigenen Fahrzeug wird über eine lineare Erhöhung der Druckintensität an den Fahrer weitergegeben.

Antriebe, die drucktaktile Signale erzeugen

Möglich wird dies durch den Einsatz intelligenter Aktuatoren, deren Drähte aus sogenannten Formgedächtnislegierungen (FGL), auch bekannt als Nitinol, bestehen. Die Drähte aus dieser Nickel- und Titanlegierung sind im Stande bei Erwärmung eine verhältnismäßig hohe Kraft und einen moderaten Stellweg zu erzeugen. Ein Draht aus einer FGL von 1 mm Durchmesser und 300 mm Länge, kann bis zu 30 kg Zugkraft bei einem Stellweg von 15 mm erzeugen. Dabei wiegt der Nitinol-Draht weniger als 10 g. Ein elektromotorischer Aktuator gleicher Leistungsklasse könnte mehr als das 10-fache wiegen.

Gleichzeitig arbeiten die Aktuatoren auf Basis von Nitinol geräuschfrei, ohne elektromagnetische Interferenzen und mit einer automobiltauglichen Reproduzierbarkeit. Im Automobil haben sich solche Aktuatoren schon seit Jahren als elektrische Ventile im Autositz oder als adaptive Lüftungselemente in Heckklappen von Sportwagen behauptet.

Bild 2 zeigt schematisch die Eigenschaften einer Formgedächtnislegierung in Drahtform.

Bild 2: Schematische Funktionsweise von Formgedächtnis-Aktuatoren.
Bild 2: Schematische Funktionsweise von Formgedächtnis-Aktuatoren.
(Bild: Kunststoffverarbeitung Hoffmann)

Der mit einer Stahlfeder vorgespannte FG-Draht kann über eine elektrische Stromquelle (z.B. Batterie) erwärmt werden. Dabei wandelt der FGL-Draht seine Gefüge auf Materialebene von einer weichen martensitischen Struktur zu einer harten austenitischen Struktur um. Die warme einprogrammierte Form ist die verkürzte Form. Durch die Umwandlung wird die Stahlfeder um die Kontraktion des FGL-Drahtes gedehnt. Das entspricht dem Stellweg des oben beschriebenen haptischen Aktuators.

Projekt Smart-Haptics

Ziel des Projektes Smart-Haptics ist es, Antriebe zu entwickeln, die drucktaktile Signale erzeugen, die den Autofahrer auf Gefahren hinweisen – beispielsweise durch Antippen auf die Schulter. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Details

Wird der elektrische Strom deaktiviert, dehnt die Stahlfeder das abkühlende FGL-Drahtmaterial wieder bis zum ursprünglichen Startzustand. Interessant ist bei der Umwandlung der elektrische Widerstand des Formgedächtnisdrahtes. Dieser ändert sich mit der Gefügestruktur. Damit kann eine Zuordnung des elektrischen Widerstandes zum Stellweg erfolgen, sodass die elektrische Widerstandsänderung als integrierter Positionssensor genutzt werden kann.

Mit dem intelligenten Material ist es möglich entsprechende Stellleistungen in den Autositz zu integrieren. Bild 3 zeigt den schematischen und realen Testaufbau des haptischen Aktuators aus dem Entwicklungsprojekt Smart-Haptics.

Bild 3: Blick in den haptischen Sitz mit eingebauten druckhaptischen Aktuatoren.
Bild 3: Blick in den haptischen Sitz mit eingebauten druckhaptischen Aktuatoren.
(Bild: Kunststoffverarbeitung Hoffmann)

Aufbau der intelligenten Aktuatoren

Jeder Aktuator ist so aufgebaut, dass er im Rückenbereich zwei Zonen (links und rechts) aktivieren kann. Die Nitinol-Elemente sind als flexible Bowdenzugaktuatoren (1) ausgeführt. In einer Stahlarmierung wird die Seele aus Nitinol-Draht geführt. Zieht sich dieser Draht zusammen, wird im Endeffektor (2) des Aktuators ein Stahlblech (4) verformt. Die Verformung basiert auf einer Verringerung des Abstandes beider Endpole (5) des Stahlbleches (siehe Bild 4).

Bild 4: (links) Schematische Darstellung des haptischen FG-Aktuators mit Wirkprinzip; (rechts) haptische FGAktuatoren in aktiver und inaktiver Position.
Bild 4: (links) Schematische Darstellung des haptischen FG-Aktuators mit Wirkprinzip; (rechts) haptische FGAktuatoren in aktiver und inaktiver Position.
(Bild: Kunststoffverarbeitung Hoffmann)

Durch die Elastizität des Stahlbleches wird eine Konturanpassung zur Ergonomie des Fahrers erreicht.

Durch die Erfassung des elektrischen Widerstandes können alle linearen Zwischenpositionen angefahren und gehalten werden. Somit ist es möglich den Druck auf den Fahrer über eine Elektronik zu regeln. In experimentellen Arbeiten ergaben sich Drücke zwischen 5 N und 35 N, mit einer Genauigkeit von ± 1,7 N. Ein linearer Anstieg der Druckkraft konnte in Versuchen mit Testern deutlich aufgezeigt werden.

Testfahrzeug mit haptischem Autositz ausstatten

Die Ingenieure des Projektes Smart Haptics sind dabei entsprechende Testszenarien zu entwickeln und in der nächsten Phase ein Testfahrzeug mit der Technologie auszustatten. Dann soll zusammen mit Probanden geprüft werden, ob das Erfühlen eines Überholmanövers und einer Parklücke reproduzierbar erfolgen kann.

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