Virtual Reality zum Anfassen : VR-System mit robotergestütztem haptischem Feedback : VR system with robotic haptic feedback

Abstract

Virtuelle Umgebungen werden dank stetig besser werdender Hardware immer realistischer. Die Immersion wird aber oft durch fehlendes oder unzureichendes haptisches Feedback bei der Interaktion mit virtuellen Objekten gestört. Bestehende Ansätze für haptisches Feedback, wie spezielle Eingabegeräte, Exoskelette oder Simulatoren, können dieses Problem nur eingeschränkt beheben, da das dargebotene Feedback entweder sehr rudimentär ist, die Bewegungsfreiheit eingeschränkt ist oder nur einzelne Anwendungen unterstützt werden. Einen Lösungsweg beschreiben spezielle haptische Feedbacksysteme, die mit unterschiedlichen Methoden, unter anderem auch Requisiten physical props, verschiedene virtuelle Objekte in der Realität darstellen. Die existierenden Systeme haben allerdings einen großen Platzbedarf oder schränken aufgrund technischer Limitierungen die Bewegungsfreiheit innerhalb der virtuellen Welt ein. Diese Diplomarbeit beschreibt die Konzipierung und Implementierung eines immersiven VR-Systems, das durch einen Roboterarm Requisiten in Reichweite der Benutzerin bzw. des Benutzers platziert und so haptisches Feedback bereitstellen kann. Dazu wurde im Zuge der Umsetzung ein Framework erstellt, das gebrauchsfertige VRProdukte mit einem eigens angefertigten Roboter kombiniert. Eine eingesetzte Bewegungsplattform erlaubt die Simulation von uneingeschränkten Welten auf geringem Platz. Die einzelnen Softwarekomponenten werden gemeinsam mit einer Robotiklösung zu einem leicht zu verwendenden Unity3D-Framework verbunden, das als Basis für neue Anwendungen mit robotergestütztem haptischem Feedback dienen kann. Das System ist so konzipiert, dass es möglich ist, den verwendeten Roboterarm zu einem späteren Zeitpunkt leicht auszutauschen. Ebenso ist es möglich, nur ein Subset der unterstützten Hardwarekomponenten zu verwenden. Die durchgeführte Benutzerstudie und die technische Evaluierung belegen die Funktionsfähigkeit des erstellten Prototypen und zeigen Tendenzen zu positiven Auswirkungen von haptischem Feedback auf die VR-Erfahrung auf. Für eine gefahrlose Verwendung des Systems, werden Sicherheitsvorkehrungen beschrieben, deren Angemessenheit ebenfalls in der Benutzerstudie bestätigt werden konnte.

Continuously improving hardware increases the realism in VR However, the immersion is often disturbed due to the lack of appropriate haptic feedback when interacting with virtual objects. Existing approaches like haptic input devices or exoskeletons cannot fully solve this problem, as the provided feedback is either too simple or user movement is restricted. Simulators can provide suitable haptic feedback but they cannot be used for different applications. There are special haptic feedback systems that do not suffer most of these constraints. They use varying methods, e.g. physical props, to simulate the sensation during the interaction with an object. The main drawback of existing feedback systems is that the required physical space increases with larger virtual worlds. This thesis describes the design and the implementation of an immersive VR system that provides haptic feedback by using a robotic arm to position physical props around the user. As a basis for the system, a framework was developed that combines various out-of-the-box VR components with a custom-built robotic arm. A locomotion platform enables virtual worlds of unlimited size on a constant physical space. The system provides an easy to use Unity3D framework wrapping the required software libraries and a robotics system. This framework builds the basis for creating new VR applications with robotic haptic feedback. The framework allows to use only a subset of the supported VR devices without changing the application and also enables later modifications on the robotic arm. The performed technical evaluation and user study prove the functional capability of the system and indicate positive effects of haptic feedback on the VR experience. Safety guidelines for the use of the systems are specified to minimize the risk when using the system. The user study proves that these guidelines are satisfactory.