Steuerung komplexer Bewegungen im Raum

3D-Joystick: Mit einer Hand alles im Griff

| Redakteur: Ines Stotz

Mit dem SpaceMouse Module können unter anderen Drohnen gesteuert werden.
Mit dem SpaceMouse Module können unter anderen Drohnen gesteuert werden. (Bild: ©TimSiegert-batcam - stock.adobe.com)

Industrielle Anlagen und medizinische Geräte lassen sich auf vielfältige Weise steuern, etwa mittels Touch-Panels, Joysticks oder Trackballs. Das SpaceMouse Module von Megatron hat diesen Geräten einiges voraus, denn es erlaubt die intuitive Steuerung komplexer 3D-Bewegungen mit nur einer Hand. Neue Bedienkonzepte eingeschlossen.

Die Geschichte des SpaceMouse Module reicht weit zurück: Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen arbeiteten Ende der 1970er Jahre an der Steuerung eines Roboterarms im kartesischen Raum und erprobten dafür verschiedene Techniken. Schon bald kamen die Experten zu dem Ergebnis, dass ein in einen Ball integrierter sechsachsiger Kraft-Drehmoment-Sensor die beste Lösung dafür sei.

In den folgenden Jahren zeigten die ersten Versuche an Prototypen, dass die 3D-Maus nicht nur ein ideales Eingabegerät für die Roboter-Steuerung war. Sie eignete sich auch hervorragend für die Bedienung der immer populärer werdenden 3D-Grafik-Systeme (CAD). Für den Vertrieb der Maus auf dem europäischen Markt gründete das DLR deshalb die Firma SpaceControl. 1993 gelang dann nicht nur die Steuerung eines Roboterarms an einer Raumfähre, es kam auch zur Zusammenarbeit von DLR und SpaceControl mit der Firma Logitech. Das Unternehmen sollte das SpaceMouse Module in Amerika und Asien vertreiben. Dank des Engagements des im selben Jahr gegründeten Logitech-Tochterunternehmens 3Dconnexion entwickelte sich die 3D-Maus dann auch innerhalb kurzer Zeit zum Standard-Bedienelement für CAD-Programme.

Großes Potential in der Automatisierungs- und Medizintechnik

Um neue Zielgruppen in der industriellen Automatisierung und in der Medizintechnik zu erschließen, suchte 3Dconnexion im Jahr 2014 schließlich nach einem Partner mit dem nötigen Branchen- und Applikations-Know-how. Die Wahl fiel auf Megatron, denn die Putzbrunner sind seit über 50 Jahren Spezialisten für die individuelle Anpassung von mechatronischen Bauelementen an industrielle Anwendungen. In enger Abstimmung mit Kunden und Herstellern werden die Produkte so modifiziert, dass sie die jeweiligen Anforderungen bestmöglich erfüllen. „Das SpaceMouse Module ist eine einzigartige Bedieneinheit, weil sie die Grenze zwischen Mensch und Maschine aufhebt“, sagt Marco Ahrens, Produktmanager bei Megatron.

Der Bedarf für den 3D-Joystick dürfte groß sein, denn die herkömmlichen Befehlseingabe-Geräte bieten jeweils nur begrenzte Möglichkeiten. So eignen sich Touch-Displays zwar gut für die einmalige, kurze Eingabe von Befehlen oder das Starten von vordefinierten Abläufen. Komplexe Bewegungsabläufe lassen sich mit ihnen aber nicht steuern. Joysticks wiederum sind genau dafür ideal, können aber nicht wie das SpaceMouse Module drei Translationen und drei Orientierungen gleichzeitig steuern. Und Trackballs verfügen über lediglich zwei Freiheitsgrade, weswegen sie sich zum Beispiel für die Bildschirm-Navigation an Ultraschallgeräten eignen, aber nicht für die Steuerung von Bewegungen im Raum.

SpaceMouse Module bietet völlig neues Bedienkonzept

Das SpaceMouse Module ist deutlich vielseitiger einsetzbar als alle genannten Befehlseingabe-Geräte, denn es verfügt über insgesamt sechs Freiheitsgrade. Dank dieser Ausstattung ist eine vollkommen intuitive Steuerung von komplexen 3D-Bewegungen mit nur einer Hand möglich – bisher waren dazu zwei separate Steuereinheiten nötig.

Kernstück ist ein opto-elektronischer Sensor, der kontaktlos und somit verschleißfrei arbeitet. Diese Technologie ist im Unterschied zu anderen Sensortypen relativ unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern und deshalb in einem sehr breiten Anwendungsspektrum einsetzbar. So eignet sich das Modul unter anderem zur Steuerung räumlicher Bewegungen z. B. von Kanalinspektionsgeräten, gyroskopisch stabilisierten Drohnen, Drehzentren oder Instrumenten in der assistierten Chirurgie. Hier macht sich die hohe Empfindlichkeit des 3D-Joysticks bezahlt: Er reagiert selbst auf kleinste Bewegungen des Fingers oder des Handgelenks und ermöglicht damit hochpräzise Operationen.

Robotersteuerung und -programmierung auch ohne Fachkenntnisse

Ein großes Einsatzgebiet für das SpaceMouse Module ist auch die Mensch-Roboter-Kollaboration. Mit ihr können beispielsweise automatisierte Abläufe ohne Programmierkenntnisse intuitiv geteacht werden. So ist der 3D-Joystick eine Alternative für Unternehmen, die unter dem Fachkräftemangel leiden und gleichzeitig ihre Fertigung stärker automatisieren wollen. Auch die präzise manuelle Führung von Robotern ist mit dem 3D-Joystick möglich, etwa in der PKW-Fertigung bei der Montage von Autodächern und -türen, die zu sperrig und zu schwer für menschliche Arbeiter sind.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Steuerung von Visualisierungen und Simulationen, die etwa in der Medizin- und Dentaltechnik oder an Bearbeitungszentren in der Fertigung eingesetzt werden. Ohne Bedienkappe ist das Modul darüber hinaus auch als Bewegungssensor verwendbar, der kleinste Positionsveränderungen zweier Objekte oder Aufhängepunkte relativ zueinander erfasst. Auf diese Weise lassen sich statische Größen wie Abstände oder Lastenverteilung ebenso messen wie dynamische Parameter (wie Vibrationen, Winddruck, Strömungen). Das SpaceMouse Module eignet sich deshalb für die vorausschauende Wartung in der Industrie, weil sich damit kritische Zustände vorhersagen lassen.

Verschiedene Schnittstellen erleichtern die Einbindung

Der 3D-Joystick ist wahlweise mit einer seriellen UART- oder mit einer USB-Schnittstelle ausgestattet. In der UART-Variante können die Signale anwenderspezifisch interpretiert werden, das USB-Modell wird automatisch als sechsachsiger Joystick erkannt. Ein zusätzlicher Treiber ist bei dieser Ausführung nicht erforderlich, da das Gerät als Input Device gemäß HID 1.1 kommuniziert. Darüber hinaus bietet Megatron eine kundenindividuelle Anbindung des SpaceMouse Module an vorhandene Feldbussysteme an. Die Montage des 3D-Joysticks gestaltet sich dank der geringen Einbautiefe (15 mm) und des Schraubflansches einfach und kostengünstig.

Zahlreiche weitere Anwendungen möglich

Neben den bereits existierenden Einsatzgebieten kann sich Joystick-Experte Marco Ahrens viele weitere Anwendungen vorstellen: So ließen sich etwa Unterwasserfahrzeuge steuern, z. B. bei der Inspektion von Schiffsrümpfen oder Offshore-Installationen. Auch die Behandlung von Tumoren könnte man verbessern, da Ärzte so die Möglichkeit hätten, 3D-Modelle des Gehirns um alle Achsen zu drehen. Weitere zukunftsträchtige Einsatzgebiete sind die Steuerung von Drohnen zur Paketzustellung oder von Handlinggeräten für die Gepäckbeförderung an Flughäfen.

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