NEFF Design Workshop: Schwebende Kugel

Aufgabenstellung

Der NEFF Design Workshop sollte neue haptische Interaktionskonzepte für Küchengeräte hervorbringen. Ziel war es Prototypen für zukünftige Geräte zu entwickeln und umzusetzen. Diese Prototypen sollten in bestehende Küchengeräte der Marke NEFF integriert werden und auf der Munich Creative Business Week Mitte Februar der Öffentlichkeit präsentiert werden.

Konzeptphase

Da NEFF außer dem haptischen Aspekt keine speziellen Anforderungen an die Prototypen stellte, ging der Umsetzung eine Konzeptphase voraus. Nachdem die sechs teilnehmenden Studenten in drei zweier Teams eingeteilt worden waren, wurde im Team-internen Brainstorming eine Vielzahl von Ideen entwickelt. Im Sinne von „alles kann, nichts muss“ entwarfen wir verschiedene, kreative Konzepte zu den drei Geräteklassen: Kochfeld, Ofen und Dunstabzugshaube. Dabei nutzten wir die Designmethode des Brainstormings und klassifizierten unsere Ideen in sogenannten Affinity Diagrams – sprich, nach Ähnlichkeit und Zusammenhängen/Beziehungen.

In dieser ersten Phase des Kreationsprozesses war es besonders wichtig, sich noch nicht zu sehr über die Machbarkeit Gedanken zu machen, sondern möglichst frei und kreativ Einfälle zu sammeln. Nach eineinhalb-stündigem Ideenfinden konnte jede Gruppe mindestens zwei Dutzend neue Konzepte vorstellen. Diese wurden mit allen Kursteilnehmern diskutiert und bewertet, um dann die beste(n) Idee(n) für die Umsetzung zu wählen.

Entwicklung der „schwebenden Kugel“

Nachdem  jede Gruppe ein oder mehrere Projekte ausgewählt hatte, machten wir uns ab Ende Oktober daran unsere Ideen umzusetzen. An mehreren „Bastelnachmittagen“ in der Woche entwickelten wir schrittweise Prototypen zu unseren Konzepten. Ende Dezember hatte jede Gruppe ein oder zwei Hardware-Prototypen, die das entwickelte Konzept funktionstüchtig darstellen konnten. Von hier an war es die Aufgabe des Modellbauers von NEFF, den Prototypen einen professionellen Feinschliff zu verpassen, bzw. neue, auf unseren Entwicklungen basierende Prototypen zu konstruieren, die in die Küchengeräte von NEFF eingebaut werden sollten.

Die Idee

Wir, Simon Mang und Julia Polleti (Gruppe 2), hatten uns in der Konzeptphase für unsere Idee „Schwebende Kugel“ entschieden. Das Konzept sieht folgendermaßen aus:

Eine über der Dunstabzugshaube schwebende Kugel zeigt dem Nutzer die Gebläsestufe an. Je höher die Kugel fliegt desto höher ist das Gebläse eingestellt, je niedriger sie schwebt desto geringer ist die Sogleistung der Haube. Der Nutzer hat zudem die Möglichkeit mit der Dunstabzugshaube zu interagieren und die Abzugsleitung zu steuern, indem er die Kugel auf ein höheres Level anhebt bzw. absenkt. Die „schwebende Kugel“ vereint somit Ein- und Ausgabe in einem Gerät. Im Vergleich zu einfachen Touchoberflächen hat der Nutzer hierbei etwas „zum Anfassen“ und weiß intuitiv Bescheid auf welche Gebläsestufe er die Dunstabzugshaube einstellt. Sowohl haptisch wie auch visuell bekommt er vom Gerät Rückmeldung welche Aktion ausgelöst wird.

Motivation der Idee

Heutzutage sind Touchoberflächen allgegenwärtig, sei es bei Smartphones, bei Fahrkarten- und Bankautomaten oder im Auto. Der Küchenbereich zieht bezüglich solcher Neuerungen oft spät nach. Das liegt zum Einen daran, dass die Küche kein Gebrauchsgegenstand ist, den man sich öfters, nachdem man ihn nur wenige Monate oder Jahre genutzt hat, neu kauft. Zum Anderen gibt es bei Küchenherstellern, im Gegensatz zu Computer- und Smartphone-Herstellern oder Autobauern, noch selten eigene Abteilungen für das Thema Mensch-Maschine-Interaktion, die derartige Entwicklungen fördern.

Bis heute werden Küchengeräte häufig noch über „normale“ Knöpfe bedient. Wir wollten uns von diesem Bedienkonzept lösen und auch einen Schritt weiter gehen, als es Konzepte mit Touchtechnologie tun: Das Interaktionskonzept der „schwebenden Kugel“ sollte es möglich machen die Dunstabzugshaube ohne Knöpfe steuern zu können. Das Nutzungserlebnis sollte somit verbessert, die Bedienung erleichtert und das Design der futuristischen Steuerung an die moderne Marke NEFF angepasst werden.

Umsetzung

Unser erster und wichtigster Schritt beim Prototypenbau war es herauszufinden, wie wir einen geeigneten Luftstrom erzeugen konnten, in dem der Ball ruhig in der Luft gehalten wird. Dafür experimentierten wir mit verschiedensten Lüftern und Gebläsen, die wir später ansteuern wollten. Unser erster Versuch war ein kleiner Turm aus Pappe, in den wir einen PC-Lüfter setzten. Da dieser zu schwach war, um unseren Tischtennisball in der Luft zu halten, setzten wir mehrere Lüfter übereinander in den Turm.

Auch das brachte leider nicht den gewünschten Erfolg. Da wir wussten, dass man mit einem Fön einen Tischtennisball in der Luft halten konnte, bestand unser nächster Schritt darin verschiedene Föne zu kaufen und auseinander zu bauen. Um einen perfekten Luftstrom zu erhalten, der einen Tischtennis- oder einen Styroporball in der Luft halten kann, brauchten wir aber nicht nur eine passende Luftzufuhr. Wichtig war es auch, die vom Fön erzeugte Luft im Inneren der Dunstabzugshaube so an die Öffnung zu lenken, dass der Strom immer noch stark und gerade genug war, um die Kugel ruhig in der Luft zu halten. Auch in diesem Punkt haben wir viel experimentiert, von Trinkhalmen über Papp- bis hin zu Abflussrohren. Letztere waren dann auch die Lösung unseres Problems.

Mit verschiedenen Rohrteilen aus dem Baumarkt bauten wir uns ein Kanalsystem, das die Luft vom hinteren Teil der Esse, wo der Föhn angebracht war, bis zum vorderen Teil umleitete, an dem die Luft durch eine kleine Öffnung austreten sollte. Das Rohrsystem bauten wir in eine vom Modellbauer zur Verfügung gestellte Kiste mit den Ausmaßen der NEFF Dunstabzugshaube. Soweit zum Bastelteil.

Um die Menge der Luftzufuhr über die Kugel steuern zu können, mussten wir unser System technisch mit einem Arduino Mikrocontroller und einem Infrarot-Abstandssensor ausstatten. Die technische Umsetzung könnt ihr dem folgenden Abschnitt entnehmen

Technische Details

Nachdem unsere ersten Versuche mit den PC-Lüftern nicht von Erfolg gekrönt waren, sattelten wir wie oben erwähnt auf Föne um. Genauer gesagt, bedienten wir uns nur des Gebläses. Die Heizspiralen entfernten wir und konnten den Elektromotor ab sofort mit einem 12V Netzteil betreiben.

Um die vom Ventilator erzeugte Luftmenge zu steuern, bedienten wir uns des Prinzips der Puls-Weiten-Modulation (PWM). In einem festgelegten Zeitintervall variierten wir dabei die Zeitspanne, die der Elektromotor an- bzw. abgeschaltet war. Je länger der Motor angeschaltet war, desto mehr Luft bewegte der Ventilator und je länger er abgeschaltet war, desto weniger Luft strömte von unten an die Kugel. Das heißt also, je größer das An-Intervall, desto höher schwebte die Kugel und vice versa. Die Länge dieser Zeitintervalle herauszufinden kostete uns nicht wenige Nerven und Zeit. Am Ende legten wir das Gesamtintervall auf 200 ms fest und veränderten die An/Aus Zeitspanne von 0 – 200ms. Zu spät erfuhren wir vom Elektroniker des Modellbauers, dass man dieses Intervall sogar noch verkürzen hätte können, um das “Hüpfen” des Balles im leicht wabernden Luftstrom weiter einzudämmen.

Die technische Umsetzung des PWM-Prinzips realisierten wir über eine klassische Mosfetschaltung. So konnten wir über die Ausgabe-Pins des Arduino den Stromfluss zu den Elektromotoren unterbrechen und wieder freigeben.

Wesentlich aufwändiger war hingegen die Höhe zu bestimmen, in der die Kugel schwebte bzw. in welcher sie abgelegt wurde. Grundsätzlich bedienten wir uns eines Infrarot-Distanz-Sensors, den wir unten im Austrittsrohr installierten. Die teilweise stark schwankenden Sensorwerte glätteten wir mit einem selbst implementierten Medianfilter. Dieser verlangsamte zwar die Reaktionszeit unseres Systems geringfügig (da immer eine bestimmte Anzahl an Werten gesammelt werden musste, bevor der Median berechnet werden konnte), erhöhte aber die Zuverlässigkeit der Distanzmessung enorm.

In einem letzten, testintensiven Schritt mussten wir die gemessenen Abstandswerte den richtigen Zeitintervallen zuordnen. Hier war Fingerspitzengefühl gefragt. Denn einmal auf einer bestimmten Höhe abgelegt sollte die Kugel schließlich auch dort schweben bleiben. Die Ventilatoren mussten schnell genug die richtige Menge Luft liefern, damit die Kugel nicht in eine der unteren Messstufen absank. Dass wir hier zu späterer Stunde nicht mehr allzu gut auf unsere Freundin, die Schwerkraft zu sprechen waren, darf uns niemand verübeln.

Um dem Nutzer noch zusätzliches Feedback zu geben beleuchteten wir die schwebende Kugel von unten mit LEDs. Jeder Gebläsestufe ordneten wir eine Farbe zu. In einem vorangegangenem Schritt hatten wir bereits Messwerte des Distanzsensors auf Zeitintervalle der Motoren abgebildet. Hatten wir erst einmal geklärt wie die uns unbekannten RGB-LEDs gepolt waren, war die bunte Beleuchtung der Kugel kein Problem mehr.

Schwierigkeiten

Wie bereits weiter oben erwähnt war das Projekt “Schwebekugel” mit allerlei Schwierigkeiten und Problemen verknüpft. Lösungen zu finden verlangte kreatives Denken in den Bereichen Elektronik, Mechanik und Informatik.

Als erstes stellten sich uns die Föne in den Weg. Meistens werden deren Schalen mit speziellen Schrauben zusammengehalten oder sie sind komplett aus Plastik gegossen. Um den Motor aus seinem Gehäuse zu befreien behalfen wir uns mit Sägen, Hämmern, Klemmen und sonstigem, grobmotorischem Werkzeug. Anfangs dachten wir es reiche den Motor irgendwie frei zu bekommen. Denkste! Schon beim ersten Anlauf erkannten wir dass die Halterung des Motors essenziell für die Luftzufuhr des Ventilators ist und uns selbst gebaute Halterungen nicht weiterhalfen. Von da an gingen wir etwas filigraner vor und hatten bald zwei lauffähige Elektromotoren zur Hand.

Als nächstes mussten wir uns auf dem Feld der Aerodynamik einarbeiten. Denn bald hatten wir erkannt, dass ein mehrfach umgelenkter Luftstrom (Rohrsystem!) bei weitem instabiler ist als einer der aus einem einfachen Rohr vor einem Fön strömt. Bald war uns auch klar, dass die Länge des Austrittsrohrs eine entscheidende Rolle spielt. Das Problem hierbei: Das Rohr durfte nicht zu weit aus der Dunstabzugshaube herausragen. Also testeten wir verschiedene Rohrdurchmesser, Verengungen und Austrittsöffnungen. Die Einsicht am Ende war ernüchternd. Am besten funktionierte es mit einem einfachen T-Stück aus dem Baumarkt. Unsere selbst entworfenen Lösungen waren aufgrund der beschränkten Möglichkeiten zu ungenau gearbeitet.

Im vorigen Punkt hatten wir bereits erläutert, welche Probleme wir mit dem Auslesen der schwankenden Sensordaten hatten. Ein Medianfilter dämpfte diese Schwankungen zwar, jedoch blieb die Schwierigkeit jedem Messbereich eine gewisse Luftmenge zu zuordnen. Leider konnten wir auch hier auf keine Erfahrungswerte zurückgreifen und so blieb uns nur übrig zu testen, testen, testen! Grafische Visualisierungen der Messwerte und Motorlaufleistung via Processing waren hierbei eine gute Hilfestellung.

Als wir endlich einen lauffähigen und alle wichtigen Funktionen umfassenden Prototypen auf die Beine gestellt hatten, gingen wir daran ihn optisch zu verschönern. Und schon taten sich die nächsten Schwierigkeiten auf. Die Einstellungen für die Luftmenge waren nichtig, als wir einen lackierten (und logischerweise schwereren) Ball einsetzen. Und die Messwerte des Distanzsensors änderten sich als wir den Ball mit wechselndem Licht beleuchteten. Man kann also auch an einer Universität lernen, dass Theorie und Praxis bei Zeiten weit auseinander liegen.

Zusammenarbeit mit Modellbauer

Im November 2011 sind wir das erste Mal zum Modellbauer von NEFF, Herrn Nagel und dem Team von Designobjekte, gefahren. Es war sehr interessant, seine Werkstätten, die technische Ausstattung und die ausgestellten Prototypen zu sehen.

Bis Ende Dezember sollten wir funktionsfähige Prototypen für unsere Konzepte entwickeln, die das Modellbauer-Team dann in NEFF-Geräte einbauen, bzw. neue Prototypen kreieren sollte, die auf unseren basierten. Doch auch darüber hinaus bis zum Zeitpunkt der Präsentation konnten wir die Hilfe des Modellbauers in Anspruch nehmen. So brauchten wir für unseren Prototypen eine Kiste mit Maßen einer NEFF Dunstabzugshaube, um unser Rohrsystem perfekt einpassen zu können. Wir machten eine technische Zeichnung der gewünschten Kiste mit Google Sketchup und schickten sie an Designobjekte.

Ende Dezember gaben wir unsere Prototypen beim Modellbauer ab, der von da an den Feinschliff übernahm. Anfang 2012 fuhren wir noch weitere drei Male in seine Werkstatt am Ammersee um die voranschreitende Fertigung der Prototypen zu betrachten und wenn nötig zu korrigieren.

Abschlusspräsentation

Als Abschluss des Workshops war eine Präsentation Anfang Februar auf der Munich Creative Business Week (MCBW) angesetzt. Im Rahmen dieser, von der BSH Gruppe organisierten, Veranstaltung stellten Studenten der LMU, TU und anderer Universitäten Münchens ihre Projekte vor. Auch Studenten aus Ankara waren vor Ort, um ihre Ideen zur Küche der Zukunft vorzustellen.

An zwei Tagen präsentierten wir unsere im Workshop entwickelten und vom Modellbauer in letzter Sekunde fertiggestellten Prototypen der Öffentlichkeit. Im Gegensatz zu den hauptsächlich konzeptionellen Projekten der anderen Studenten konnten die Besucher unsere Geräte anfassen und ausprobieren. Schnell stellte sich ein “Deutsches-Museum-Effekt” ein und die Gäste bedienten begeistert unsere Prototypen und verglichen gespannt die Unterschiede der einzelnen haptischen Ausgabemedien.

Für uns entpuppte sich die Präsentation als perfekte Möglichkeit zum Usability-Testing. Die Besucher hinterfragten die Konzepte konstruktiv, gaben Verbesserungsvorschläge und offenbarten das eine oder andere Benutzungsdefizit. So wurde uns zum Beispiel erst während der Präsentation klar, dass eine Hausfrau/ein Hausmann mit 1,6 Meter Körpergröße Schwierigkeiten damit hatte die Kugel wieder einzufangen, sobald sie auf höchster Gebläsestufe schwebte.

Auch wenn uns die Füße nach scheinbar endlosen Stunden der Präsentation weh taten, wir unsere Konzepterklärungen bald selbst nicht mehr hören konnten und die Prototypen an kleineren Konditionsschwächen litten, waren wir doch sehr glücklich auf der MCBW die ideale Plattform für die Präsentation unseres Werkes gefunden zu haben.

Wir bedanken uns bei NEFF für die Ermöglichung dieses Projekts und bei Herrn Prof. Butz  und insbesondere bei Hendrik Richter für die Betreuung. Allen Studenten, die in folgenden Semestern am NDW teilnehmen werden, wünschen wir viel Spaß und Erfolg!

Julia und Simon

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