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Entwicklung und Untersuchung vibrotaktiler Muster im Kontext der Mensch-Maschine-Interaktion
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2020) Schwalk, Matti; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit liefert einen systematischen Ansatz, um die Basis für eine taktile Sprache am Beispiel des Fahrzeugsitzes grundlegend zu erforschen. Dabei wird zunächst ein übertragbares, methodisches Vorgehensmodell generiert sowie die Taktile Sitz-Matrix (TSM) mit 25 Vibrationsmotoren in der Rückenlehne und 16 Vibrationsmotoren in der Sitzfläche als Prüfstand für die Realisierung entwickelt. Die Methode beschreibt im Kern die folgenden drei Schritte zur Generierung einer taktilen Sprache: Erkennbarkeit vibrotaktiler Muster (Syntax-Ebene); Bedeutung vibrotaktiler Muster (Semantik-Ebene); Lernen und Abrufen vibrotaktiler Muster (Pragmatik-Ebene). Jede dieser drei Ebenen wird in einer separaten Versuchsreihe behandelt und jeweils mit einem definierten Probandenkollektiv ohne Vorprägung evaluiert, wobei insgesamt 21 Hypothesen überprüft werden. Als Nutzungskontext wird die Fahrer-Fahrzeug-Interaktion im PKW gewählt. In Versuchsreihe 1 (N=24) wird systematisch und umfassend untersucht, welche taktilen Muster vom Menschen generell erkannt und unterschieden werden können. Die Untersuchung von insgesamt 146 Mustern mit unterschiedlichen Darbietungsarten und Motoranordnungen liefert grundlegende Aussagen zur Eignung von konkreten vibrotaktilen Mustern und Musterarten. Auf dieser Basis werden die Reizmuster für Versuchsreihe 2 (N=24) ausgewählt, welche erstmals in diesem Umfang semantische Verknüpfungen zwischen taktilen Mustern und expliziten Informationen auf Basis von intuitiven Zuordnungen der Versuchsteilnehmer liefert. Die Probanden bewerten die insgesamt 184 Muster-Informations-Kombinationen in „beiden Richtungen“. Dabei werden den einzelnen taktilen Mustern jeweils passende Informationen (aus einer definierten Auswahl) zugeordnet und umgekehrt, je nachdem was der Proband intuitiv als semantisch zugehörig bewertet. Dadurch werden geeignete Muster-Informations-Kombinationen identifiziert, die als Basis für Versuchsreihe 3 (N=30) dienen. Dabei werden 24 Informationen mit zugehörigen Mustern definiert, welche von den Probanden gelernt und anschließend in neun unterschiedlich großen Musterpools abgerufen werden. Durchschnittlich werden dabei alle Reizmuster 360-mal abgefragt und generell sehr hohe Erkennungsraten bis zu 100 % erreicht. Auf Basis der Ergebnisse wird davon ausgegangen, dass eine Anzahl von mindestens 14 vibrotaktilen Mustern in kurzer Zeit (ca. 1 min pro Muster) gelernt und in einem Nutzungskontext zuverlässig eingesetzt werden kann. Subjektiv kommt es dabei weder zu einer deutlichen Unter- noch zu einer Überschätzung bzgl. der Erkennung taktiler Hinweisreize seitens der Versuchsteilnehmer. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass durch vibrotaktiles Feedback auch komplexe Informationen effektiv und effizient übermittelt werden können, um damit den Nutzer bei der Bewältigung seiner Aufgaben zu unterstützen. Vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten werden dabei insbesondere in der multimodalen Kombination der taktilen Muster mit visuellen und/oder akustischen Reizen gesehen. The present work provides a systematic approach to explore the basis of tactile language development using the example of the vehicle seat. Initially, a transferable, methodical approach is generated and the Tactile Seat Matrix (TSM) with 25 vibration motors in the backrest and 16 vibration motors in the seating surface is developed as a test bench for realisation. In essence, the method describes the following three steps for the generation of a tactile language: recognisability of vibrotactile patterns (syntax level); meaning of vibrotactile patterns (semantic level); learning and retrieving vibrotactile patterns (pragmatic level). Each of these three levels is treated in a separate test series and evaluated with a defined group of participants without any preconditioning. In the process, a total of 21 hypotheses are tested and the driver-vehicle interaction in a passenger car is chosen as context of use. In test series 1 (N=24), it is systematically investigated which tactile patterns can be recognised and distinguished by humans in general. The investigation of a total of 146 patterns with different types of presentation and motor arrangements provides fundamental information on the suitability of specific patterns and pattern types. On this basis, the stimulus patterns for test series 2 (N=24) are selected, which for the first time to this extent provides semantic connections between specific tactile patterns and explicit information on the basis of intuitive assignments of test participants. The subjects evaluate 184 pattern-information combinations in "both directions". Thereby, for each specific tactile pattern they assign suitable pieces of information (from a defined selection) and vice versa, depending on what the participants intuitively determine as semantically suitable. In this way, suitable pattern-information combinations can be identified, which serve as the basis for test series 3 (N=30). This involves 24 defined pieces of information with associated patterns, which are learned by the test persons and then retrieved in nine sample pools of different sizes. On average, all stimulus patterns are presented 360 times and generally high recognition rates of up to 100 % are achieved. On the basis of the results, it is assumed that a minimum number of 14 vibrotactile patterns can be learned in a short period of time (approx. 1 min per pattern) and reliably used within one context of use. Subjectively, there is neither a significant under- nor overestimation regarding the recognition of tactile cues by the test participants. The test results show that vibrotactile feedback can be used to effectively and efficiently transmit complex information in order to support the user in accomplishing his tasks. Promising application possibilities are seen especially in the multimodal combination of tactile patterns with visual and/or acoustic stimuli.
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Entwicklung von gestaltvariablen Bedienelementen zur Überwindung von Nutzungsbarrieren am Beispiel alternsgerechter Drehstellteile
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2018) Janny, Benedikt; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund des sich aktuell vollziehenden demografischen Wandels der deutschen Bevölkerung und einer daraus resultierenden alternden Gesellschaft ergibt sich ein erhöhter Bedarf an alternsgerechter Technik. Bei der Interaktion mit Maschinen und technischen Produkten stellt der Umgang mit Drehbedienelementen sowohl im kraftintensiven als auch im feinmotorischen Betätigungskontext eine erhebliche Problematik für ältere Menschen dar. In vorliegender Arbeit wird deshalb die Auswirkung unterschiedlicher Drehbedienelementgestaltgebung auf die Usability und User Experience aus der Sicht von jüngeren und älteren Nutzern im Rahmen von experimentellen Probandenstudien untersucht. Des Weiteren findet die Erarbeitung einer durchgängigen Methodik zur Gestaltung alternsgerechter, physischer Mensch-Maschine-Schnittstellen statt. Zuletzt erfolgt die Untersuchung adaptierbarer und adaptiver Gestaltungsansätze zur Steigerung der Usability und User Experience bei der Verwendung durch jüngere und ältere Menschen.
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Geometrieanalyse und menschzentrierte Untersuchung zur markenspezifischen Formgebung von Produkten mit unterschiedlicher Aufbaugestalt
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Fischer, Matthias Sebastian; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
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Methodik zur Entwicklung von adaptiven Interfacesystemen in mobilen Maschinen
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Kaufmann, Andreas; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit behandelt die methodische Entwicklung adaptiver Interfacesysteme in mobilen Maschinen. Bei den bereits zur Verfügung stehenden methodischen Ansätzen zur Produktentwicklung, im Speziellen zur Entwicklung von adaptiven Mensch-Maschine-Schnittstellen, existiert keine zufriedenstellende Methodik für den geforderten Anwendungskontext. Diese Forschungslücke wird durch Experteninterviews, die mit der Delphi-Methode durchgeführt werden, validiert. Hierbei werden zusätzlich sämtliche Einflussparameter, die zur Entwicklung von adaptiven Interfacesystemen dienen, erfasst. Außerdem werden Einflussparameter generiert, welche eine Bedienfunktionskategorisierung hinsichtlich einer virtuellen bzw. realen Bedienung ermöglichen. Sämtliche Parameter werden einerseits durch die entwickelten Methoden im Entwicklungsprozess berücksichtigt, dienen andererseits auch als Bewertungsparameter innerhalb dieser Methoden. Die entstandene Methodik setzt sich aus insgesamt fünf neu entwickelten Methoden, der Fokusgenerierung (FG), der Funktions- Zuordnungsmethode (FZM), der Komplexitätsmethode (KM), der Funktions- und Bedienanalyse (FuB) und der Layer-Methode (LM), zusammen. Die FG dient der Fokussierung und Vereinheitlichung der Projekterwartungen und –ziele unterschiedlicher Projektpartner. Resultierend entsteht eine Empfehlung welche der weiteren vier Methoden angewendet werden sollen. In der FZM wird eine Bedienfunktionskategorisierung generiert. Diese beinhaltet eine Empfehlung hinsichtlich des geeigneten Interfaces (real oder virtuell) bei der Umsetzung der betrachteten Funktionen. Die KM ermittelt einen Komplexitätsgrad, welcher eine Gestaltungsempfehlung für die Interfaceentwicklung hinsichtlich deren Komplexität beinhaltet . Die FuB erfasst sämtliche Charakteristiken der Bedienfunktionen, die in dem betrachteten technischen System relevant sind. Mit Hilfe der LM werden Interfacekonzepte generiert, welche hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Bedienfläche, der Anordnung und Ausführung sinnvoll zugeordnet werden. Die Tauglichkeit der entwickelten Methodik wird anhand von sechs verschiedenen Evaluationsprojekten, 16 zu überprüfenden Anforderungen und mit der Hilfe von vier unterschiedlichen Evaluationsarten erfolgreich überprüft.
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Systematische und nutzerzentrierte Generierung des Pkw-Maßkonzepts als Grundlage des Interior- und Exteriordesign
(2010) Müller, Alexander; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Pkw-Maßkonzeption entwickelt, die als Grundlage für das Interior- und Exteriordesign dienen soll. Diese Methodik rückt die Fahrzeugnutzer in den Mittelpunkt der Fahrzeugentwicklung, da mit deren Anwendung Fahrzeuge zentrifugal um die Fahrzeugnutzer konzipiert werden. Um die primäre Transportaufgabe, d.h. den Transport von Fahrzeugnutzern mit ihren Transportgütern, bestmöglich zu lösen, sollte die moderne Pkw-Maßkonzeption unter Berücksichtigung der zuvor definierten Hauptanforderungen systematisch und nutzerzentriert erfolgen. Dazu werden zuerst die Fahrzeugführer ideal positioniert. Grundlage der Pkw-Maßkonzeption ist die Identifikation eines geeigneten Hauptreferenzpunktes. In Abhängigkeit vom gewählten Hauptreferenzpunkt kann ein geeigneter Positionierungsansatz bestimmt und in Bezug auf vorher definierte Anforderungen modifiziert werden. Durch eine Verknüpfung von normierten Fahrzeugabmessungen mit einem digitalen Menschmodell ist zunächst eine systematisch generierte, statische Sitzhaltung zu erarbeiten. Auf dieser statischen Sitzhaltung basierend, werden anschließend kritische Sichtszenarien unter Berücksichtigung kritischer Sichtkegel dargestellt. Der auf der statischen Sitzhaltung der Fahrzeugführer basierende dynamische Raumbedarf wird bestimmt, indem typische und kritische Bewegungsszenarien modelliert werden. Nach der Positionierung der Fahrzeugführer wird auf gleiche Weise der statische und der dynamische Raumbedarf für die Fondpassagiere abgebildet. Es entstehen Hüllvolumina, auf deren Basis zuerst der Volumenbedarf und unter Berücksichtigung weiterer maßkonzeptrelevanter Anforderungen anschließend die Fahrzeuginnenraumabmessungen des Fahrerarbeitsplatzes abgeleitet werden können. Unter Berücksichtigung der primären technischen Funktionsbaugruppen (u. a. alternative Antriebskonzepte) können die Abmessungen des Pkw-Exterior bestimmt werden. Diese Abmessungen betreffen die Karosseriegesamtform des Pkw, die Dimensionierung der Fensterflächen, aber auch die Bemessung von Karosserieöffnungen. Grundlage für die Dimensionierung der Fensterflächen sind Sichtkegel, die mit dem Pkw-Exterior verschnitten werden. Die Basis für die Bestimmung der Abmessungen der Karosserieöffnungen bildet der dynamische Raumbedarf der Fahrzeuginsassen beim Ein- und Ausstieg sowie beim Be- und Entladen. Abschließend wird das Konstruktionsgitter und damit das Fahrzeughauptkoordinatensystems abgebildet. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist in der Generierung eines Gestaltungsrahmens zu sehen, der den Anwender der systematischen und nutzerzentrierten Pkw-Maßkonzeption bei der Maßdefinition unterstützt. Die Definition des Gestaltungsrahmens und damit die Definition von Abmessungen und Abmessungsbereichen gelingt einerseits durch die individuelle Definition von Referenzfahrzeugen oder Referenzfahrzeugkollektiven, andererseits basiert die Definition von Abmessungen und Abmessungsbereichen auf der Anwendung ergonomischer und andersartiger Vorgaben. Dieser Gestaltungsrahmen und die Resultate der digitalen Menschmodellierung dienen als Grundlage für die Maßdefinition einer systematischen und nutzerzentrierten Pkw-Maßkonzeption. Als Grundlage des Interior- und Exteriordesign wird die auf Hauptanforderungen basierende, systematische und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzeption angesehen, aus der unter Anwendung von Fahrzeugabmessungen sowie ergonomischer und andersartiger Vorgaben das Pkw-Maßkonzept entsteht. Die in dieser Abhandlung erstmals beschriebene, systematische und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzeption wurde in einem zweistufigen Prozess evaluiert. Eine allgemeine Evaluation wurde auf Basis einer Expertenbefragung mit 18 relevanten Experten durchgeführt. Im Anschluss an die allgemeine Evaluation konnte eine spezifische Evaluation durchgeführt werden. Dafür wurden auf Basis von Hauptanforderungen systematisch nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzepte von erfolgreichen Fahrzeugkonzepten dreier unterschiedlicher Fahrzeughersteller abgebildet. Die systematische und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzeption wurde auf dieser Grundlage den Fahrzeugherstellern präsentiert und anschließend mit ihren Vertretern diskutiert. Es konnte beobachtet werden, dass systematisch generierte und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzepte im Vergleich zu aktuellen Fahrzeugkonzepten nicht zwangsläufig über größere Exterior-Hauptabmessungen verfügen. Insbesondere auf die Exterior-Abmessungen von Mittel- und Oberklassewagen hat die systematische und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzeption praktisch keinen negativen Einfluss. Durch die Anwendung der systematischen und nutzerzentrierten Pkw-Maßkonzeption können Maßkonzeptvarianten schnell und rational generiert werden. Dies trifft nachweislich insbesondere zu, wenn die Methodik in eine interaktive Software-Anwendung integriert wird. Schnell und rational erzeugte Pkw-Maßkonzeptvarianten können dem Ergonomen in der interdisziplinären Diskussion als Argumentationshilfe dienen.
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Untersuchungen und Gestaltungshinweise für adaptive multifunktionale Stellteile mit aktiver haptischer Rückmeldung
(2011) Hampel, Thomas; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
Die Anzahl an bedienbaren Funktionen eines Produktes geht einher mit der Anzahl an Stellteilen und Anzeigen. Bei zu vielen Stellteilen und Anzeigen wird wegen der steigenden Bedienkomplexität die Benutzerfreundlichkeit stark beeinträchtigt. Um die Komplexität zu reduzieren können viele einzelne Stellteile durch ein adaptives multifunktionales Stellteil ersetzt werden. Mit einem adaptiven multifunktionalen Stellteil lassen sich mehrere Funktionen bedienen. Dank der aktiven Komponenten, mit denen diese Stellteile gekoppelt sind, und den damit verbundenen haptischen Rückmeldemöglichkeiten lassen sich adaptive multifunktionale Stellteile an die Situation, den Benutzer oder die Aufgabe anpassen. Aus diesem Grund lassen sich mit solchen Stellteilen nicht nur Informationen haptisch darstellen, die bislang nur über ein zusätzliches Display dargestellt wurden, sondern es lassen sich auch Eingabefehler reduzieren. Für die optimale Gestaltung eines adaptiven multifunktionalen Stellteils müssen jedoch die Rahmenbedingungen in Abhängigkeit zur Art der haptischen Rückmeldung erforscht und optimiert werden. Aus diesem Grund wurden drei Forschungsschwerpunkte definiert (Stellgenauigkeit, Erkennung von Unterschieden, Komfortbereiche), die in dieser Arbeit näher untersucht wurden. Als Ergebnis der Untersuchungen konnten allgemeine Gestaltungshinweise für adaptive multifunktionale Stellteile mit aktiver haptischer Rückmeldung abgeleitet werden.
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Untersuchungen zum hybriden Designprozess in der technischen Produktentwicklung
(2013) Beier, Frank Michael; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Dissertation wird ein neuartiger Ansatz zur wissenschaftlichen Analyse und Optimierung von Designentwicklungsprozessen beschrieben. Dabei steht sowohl die Analyse bestehender Prozesse als auch die Generierung von Verbesserungsvorschlägen für neue Kooperationen im Fokus und wird durch eine detaillierte Strukturierung des allgemeinen Entwicklungsprozesses erreicht. Die wissenschaftliche Betrachtung findet gezielt im Fachbereich des Technischen Designs statt, da insbesondere an dieser Schnittstelle zwischen Ingenieuren und Designern die Notwendigkeit zur Verbesserung der Kooperation und des Informationstransfers erkannt wurde. Als Basis der Strukturierung wird ein sog. hybrides Modell definiert, dem die prozessorientierte Symbiose analoger Tätigkeiten, digitaler Werkzeuge und virtueller Entwicklungsumgebungen zugrunde liegt. Dieses Modell wird im weiteren Verlauf der Arbeit zur Optimierung der Kommunikation, dem Schlüsselindikator für eine erfolgreiche Zusammenarbeit während der Produktentwicklung, eingesetzt. Die eigentliche Detaillierung des Entwicklungsprozesses erfolgt mittels Erweiterung und Aufteilung durch eine sog. Makroebene und mittels Unterscheidung analoger, digitaler und virtueller Arbeitsanteile im Rahmen der dazugehörigen Mikroebene. Basierend auf dieser Detaillierung wird zur Schaffung der Vergleichbarkeit verschiedener Entwicklungsprozesse eine sog. Prozesszahl definiert, durch die darüber hinaus eine Bewertung potentieller und erreichter Verbesserung visualisiert werden kann. Die Konkretisierung des hybriden Modells erfolgt durch die hybride Methode, die sich an allgemeingültigen Entwicklungsmethoden orientiert und speziell die Integration der Kommunikationsgrundsätze berücksichtigt. Damit wird die Optimierung des Informationsaustauschs gewährleistet und damit ein ganzheitlicher Ansatz zur Verbesserung von Kommunikation und Kooperation verfolgt. Basierend auf einer ersten praktischen Adaption konnte eine Evaluation der hybriden Methode durchgeführt werden. Mit dieser Dissertation werden Schwachstellen bisheriger Entwicklungskooperationen aufgezeigt und Lösungsmöglichkeiten zur Behebung dieser Schwachstellen beschrieben. Darüber hinaus werden die Schwachstellen und Lösungsmöglichkeiten quantifiziert und dargestellt. Durch diese Quantifizierung sind die Ergebnisse in Form des hybriden Modells und hybriden Prozesses demnach nicht nur zur Analyse, sondern auch als Lehr- und Kooperationsmodell zu betrachten. Die Evaluation der hybriden Methode hat ergeben, dass dank der sinnvollen Integration innovativer Entwicklungswerkzeuge und virtuellen Entwicklungsumgebungen im Rahmen einer hybriden Designmethode eine ganzheitliche Optimierung des Prozesses erreicht wurde. Als besonderer und nachhaltiger Benefit ist die Schließung der „Kluft zwischen Ingenieuren und Designern“ zu nennen, beruhend auf informatorischen Optimierungen zur Schaffung eines gemeinsamen Verständnisses innerhalb der Produktentwicklung.