NEFF Design Workshop: Integration von haptischem Feedback in die Funktionstasten sowie in das TwistPad des Kochfelds der Firma NEFF

Aufgabenstellung

Im NEFF Design Workshop war die Aufgabenstellung, bestehende Küchengeräte auf ihre   Erweiterbarkeit mit haptischem Feedback zu untersuchen. Wir haben das TwistPad sowie die Funktionstasten des Kochfeldes genauer betrachtet und mit haptischem Feedback versehen, mit dem Ziel die Tasten fühlbar zu machen und ein Umschalten der Heizstufen erspüren zu können. Hierfür wurden jeweils zwei verschiedene Ansätze näher betrachtet und prototypisch umgesetzt.

Auf der Ausstellung: Sven erklärt Prototyp 1, Bernhard Prototyp 2

Ablauf

Im Neff Design Workshop hatten sich sechs ehrgeizige Studentinnen und Studenten des Masterstudiengangs Medieninformatik der LMU München zusammengefunden. Alle waren so ausgewählt worden, dass schon Erfahrung mit dem Bau von Prototypen vorhanden war, zum Beispiel aus dem Blockpraktikum „Sketching with Hardware“. Nach einem Begrüßungsabend im netten Ambiente einer Münchner Kochschule und dem Kennenlernen der aktuellen Neff-Küchengeräte wurden schnell Konzepte entwickelt, wie das Kocherlebnis angenehmer mit haptischem Feedback gestaltet werden kann. Wir als Gruppe 1 haben uns auf die Weiterentwicklung des Kochfeldes festgelegt und das Konzept weiter verfolgt, Tasten und Drehungen spürbar zu machen. Im Folgenden bezieht sich die Bezeichnung „Funktionstasten“ auf die Tasten des Kochfeldes, die mit Funktionen wie An/Aus, Power oder Timer belegt sind. TwistPad ist der Name des einzigen, abnehmbaren Knauf des Kochfelds, durch dessen Kippen eine Platte ausgewählt und durch Drehen ihre Stufe eingestellt werden kann. Die Ideen nahmen dann erste Formen an, als wir unser Konzept mit Hilfe von Arduino-gesteuerten Prototypen umgesetzt haben. Nach einer Vorstellung und Demonstration der Prototypen bei der Firma Neff wurden die Ideen an einen professionellen Modellbauer weitergegeben, der nun die Aufgabe hatte die Konzepte in die vorhandenen Küchengeräte zu integrieren. Der Höhepunkt des Workshops war dann schließlich die Ausstellung der fertigen Prototypen auf der Messe „Munich Creative Business Week“ im Literaturhaus München. Hier konnten wir die Projekte fachkundigen Besuchern vorstellen und deren Reaktionen sehen und Meinungen diskutieren zu den neuartigen Reize und Bedienkonzepte.

Konzeptphase

Zu Beginn des Semesters stand ein Probekochen auf dem Programm. Hierbei sollten wir uns mit den Neff-Küchengeräten vertraut machen und erste Ideen sammeln, an welchen Stellen sich haptisches Feedback eignet und in die aktuellen Neff-Geräte integrieren lässt. Dabei fiel jedem eine Eigenheit auf: sobald man eine der Funktionstasten des Kochfelds betätigt, ertönt ein Piepston. Ebenso verhält es sich beim Drehen des TwistPads, wenn eine Platte ausgewählt oder ihre Heizstufe verstellt wird. Diese Problematik behielten wir während des vorzüglichen Essens im Hinterkopf, denn sie sollte uns weiterhin im Projekt beschäftigen.
Im nächsten Schritt hieß es in einem Brainstorming verschiedene Ideen und Möglichkeiten festzuhalten, über die mit der gesamten Gruppe diskutiert wurden. Wir als Gruppe 1 einigten uns auf die Beseitigung der akustischen Signale und hatten die Ambition sie durch fühlbare Rückmeldungen zu ersetzen. Da die Töne sowohl bei der Bedienung der Funktionstasten als auch des TwistPads auftraten, mussten wir auch zwei verschiedene Konzepte entwickeln, damit jeweils die Funktionstasten und das TwistPad anders erfahren werden können. Während der Konzeptphase bereiteten wir immer wieder kleine Zwischenpräsentationen vor, die mit Hilfe von Zeichnungen und 3D-Modellen die Ideen und Konzepte für die Feedbacksysteme erklären sollten. Somit gab es kontinuierliches Feedback der anderen Gruppenmitglieder und Betreuer und die Ideen aller Gruppen reiften weiter.
Wir verfolgten zum einen die Idee die Funktionstasten spürbar zu machen um Rückmeldung zu erhalten, wenn eine Taste gerdückt wird, und zum anderen eine Rasterung sowie eine Bremse in das TwistPad einzubauen. Damit wollen wir das Gefühl, Widerstand beim Umschalten jeder Stufe, sowie kein überdrehen bei der höchsten Stufen in den TwistPad integrieren. Von beiden Feedbackkonzepten wird nun getrennt auf deren Entwicklungsprozess eingegangen.

Entwicklungsphase

Die Aufgabenstellung besagte ein Küchengerät mit haptischem Feedback auszustatten. Dabei waren prinzipiell Bewegung, Druck, Vibration und Wärme oder Kälte bzw. Kombinationen davon als Feedbackkanäle möglich. Außerdem gab es kreative Ideen die Luft der Dunstabzugshaube für eine Ausgabe zu nutzen (vgl. andere Projekte). Im Folgenden werden die Konzepte und deren Umsetzung für die Funktionstasten und das TwistPad beschrieben.

Funktionstasten:

Auf dem Kochfeld der Firma NEFF sind alle Bedienelemente in die Glasscheibe des Kochfeldes eingelassen. Dadurch ist beim Auswählen der Tasten kein Druckpunkt zu spüren und es gibt darüber hinaus außer eines akustischen Signals derzeit kein Feedback inwiefern die Berührung erkannt wurde oder nicht.

Wir haben uns dieser Problematik angenommen und eine Lösung entwickelt. In unserem Kochfeld spürt man die Tasten auf ähnliche Weise wie herkömmliche Druckschalter. Dennoch bleiben die Tasten in der Glasscheibe wie gehabt verbaut. Hierfür wurden zwei verschiedene Konzepte entwickelt, damit ein Vergleich zwischen den unterschiedlichen Gefühlen stattfinden kann und man selbst seiner persönliche Präferenz möglichst nah kommt. Technisch realisiert wurde diese in Version eins anhand von Hubmagneten in Version zwei durch Vibrationsmotoren.

Umsetzung

Abbildung 1: Links Hubmagnet, rechts Vibrationsmotor

Konzept eins verwendet Hubmagnete (siehe Abbildung 1, links) die unter die Funktionstasten der Kochplatte montiert werden. Wird eine Taste gedrückt schnellt der Schlägel des Hubmagneten nach oben, schlägt von unten gegen das Kochfeld und gibt einen Impuls an die Kochplatte ab. Dieser Impuls wird über die Platte an den Finger weitergegeben. Um den Impuls besser übertragen zu können wird die Kochplatte unter der Taste angefräst, sodass die Kochplatte an dieser Stelle dünner ist. Für ein starkes Feedback gab es eine Version, in der die Taste aus der Platte ausgefräst wurde und somit frei beweglich war und dem Benutzer sogar ein kleines Stück entgegenkommt. Diese Möglichkeit gab das deutlichste Feedback, ließe sich aber in der Realität nicht verwirklichen, da die Glasplatte auf dem Herd durchgehend sein muss. Der klare Vorteil dieser Methode ist, dass ein eindeutiges, klares Feedback gegeben wird, das leicht zu erspüren ist und genau an der Position des Drückens gegeben wird.

Konzept zwei verwendet Vibrationsmotoren (siehe Abbildung 1, rechts) für das haptische Feedback. Diese werden ebenfalls unterhalb der Tasten montiert. Auch hierbei haben wir zu Testzwecken verschiedene Stärken durch unterschiedliche Ausfräsungen ausprobiert.
Zweifellos ist dieses Gefühl bei den Benutzern bereits durch das haptische Feedback von zum Beispiel Mobiltelefonen bekannt. Es ist jedoch nicht so präzise und eher diffus im Vergleich zu dem Impuls aus Konzept eins.

Prototyp

Während der Konzeptphase haben wir einen Prototypen (siehe Abbildung 2) entwickelt. Anhand dieses Prototypen haben wir mit verschiedenen Stärken des haptischen Feedbacks experimentiert. Wir haben jeweils 3 Tasten der beiden Konzepte gebaut. Es wurden jeweils drei Hubmagneten und drei Vibrationsmotoren unter die Testplatte montiert, die drei verschiedene Stärken zum Ausprobieren und Testen zur Verfügung stellten. Ein Tastendruck wurde durch kapazitive Messung von Aluminiumstreifen durch einen Arduino erkannt. Dieser Mikrocontoller leitet die Signale an die Aktuatoren weiter.

Abbildung 2: Selbstgebauter Prototyp für Funktionstasten mit Hubmagneten und Vibrationsmotoren

Den selbstgebauten Prototypen haben wir dann unserem Modellbauer Manfred Nagel übergeben, der nach unseren Vorgaben die Tastenfunktionen in einem professionell wirkenden und dem Originalkochfeld nachempfundenen Prototypen umgesetzt hat. Abbildung 3 zeigt den Prototypen in einem früheren Stadium. Übertragen wurden die unterschiedlichen Stärken des Feedbacks auf verschiedene Tasten: die zwei Funktionstasten an den Seiten wurden ausgefräst, sodass die An/Aus- und Power-Taste ein stärkeres Feedback geben als die vier anderen Tasten zum Auswählen der Kochplatte. Die Versionen von Hubmagneten und Vibrationsmotoren unterscheiden sich nicht wesentlich.

Abbildung 3: Hubmagnete unterhalb der Kochplatte eines früheren Prototypen

Das Konzept und deren Realisierung sind im Prinzip relativ einfach. Sowohl bei der Umsetzung als auch bei der Technik gab es keine größeren Schwierigkeiten. Das folgende Video zeigt eine Taste wie sie in unserem endgültigen Prototypen verbaut ist. Es wurde auf der Messe aufgenommen und zeigt die Funktionalität der Tasten der Hubmagneten-Version.

http://vimeo.com/39530328

Twist-Pad

Das Twist-Pad ist das zentrale Steuerungselement bei NEFF Kochfeldern. Mit ihm wird die Heizstufe aller verfügbaren Kochplatten eingestellt. Das Twist-Pad wird mithilfe eines Magneten auf der Kochplatte gehalten, und kann dadurch auch (beispielsweise zum Putzen oder als Kindersicherung) abgenommen und entfernt werden. Das Verstellen der Heizstufe wird durch ein akustisches Signal mitgeteilt. Ist man an der höchsten bzw. niedrigsten Stufe angelangt, kann das TwistPad (ohne Wirkung und mit demselben Widerstand) weiter gedreht werden.

Wir haben das haptische Gefühl einen mechanischen Drehregler zu bedienen auf das TwistPad übertragen. Dazu gehören der Anschlag nach der höchsten bzw. niedrigsten Stufe, sowie das Gefühl während des Drehens wie bei einer Rasterung weiter zu schalten.

Umsetzung

Für die Realisierung des haptischen Feedbacks für das TwistPad wurden zwei Konzepte entwickelt.

Abbildung 4: Elektromagnet (links) und Elektromagnete unterhalb der Kochplatte (rechts)

Abbildung 5: Innenleben eines Twistpads mit Permanentmagneten

Konzept eins verwendet Elektromagnete (siehe Abbildung 4 links) zur Realisierung der Rasterung und der Bremse. Diese werden seitlich des mittigen Haltemagneten des TwistPads positioniert (siehe Abbildung 4 rechts). Im ausgeschalteten Zustand der Elektromagneten haben dessen Eisenkerne eine leichte magnetische Anziehung zu den am äußeren Rand montierten Permanentmagneten des TwistPads (siehe Abbildung 5). Dadurch spürt der Benutzer beim Drehen des TwistPads eine leichte Rasterung. Im angeschalteten Zustand wird die Anziehung merklich stärker, und das TwistPad wird gebremst.
Um die Stärke der Rasterung beziehungsweise der Bremse feiner justieren zu können, kann als Erweiterung der Abstand der Elektromagnete zur Kochplatte reguliert werden. Hierfür müssen die Magneten unter der Platte nach oben bzw. unten bewegt werden können. Dies lässt sich entweder durch Servo-Motoren realisieren oder durch Gewindeschrauben, die die Elektromagnete nach oben drücken bzw. diese nach unten ziehen (siehe Abbildung 6). Bei dieser variablen Lösung können alternativ die Elektromagnete durch Dauermagneten (Abbildung 7) ersetzt werden, die je nach Situation, (Rastern – weit entfernt, Bremsen – sehr nahe) in unterschiedlichem Abstand zum Kochfeld positioniert werden.

Abbildung 6: TwistPad-Bremse Prototype (frühes Stadium)

Abbildung 7: Höhenverstellbare Permanetmagnete durch Servos; Blick von unter der Platte

Konzept zwei setzt einen Hubmagneten für die Verwirklichung der Rasterung ein (siehe Abbildung 8). Dieser schlägt von unten gegen den Magneten, der das TwistPad hält. Dieser Schlag wird an das TwistPad weitergegeben. Dieser Lösungsansatz realisiert nur eine Rasterung beim Drehen des TwistPads. Eine Bremsung des TwistPads mit dieser Technik nicht möglich ist, kann jedoch aus Konzept eins übernommen werden.

Abbildung 8: Hubmagnet unterhalb des Kochfelds zur Rasterung des TwistPads

Prototyp

Die Entwicklung der TwistPad-Rasterung und -Bremse stellte sich bedeutend schwieriger dar als die der Funktionstasten und bedurfte einer Menge an Ausprobieren und Testen. Letztendlich konnten wir wieder einen rudimentären Prototypen zum Testen vorzeigen (siehe Abbildung 9). Sie verwirklichte beide Konzepte (zur Erinnerung: Elektromagnete und Hubmanget). Die Umsetzung mit den Elektromagneten haben wir zweimal mit unterschiedlich starken Elektromagneten gebaut, da die Bremse nur mit möglichst großen Elektromagneten richtig gespürt werden konnte. Die Rasterung des TwistPads konnte man am besten mit dem Hubmagnet erfahren.

Abbildung 9: Testaufbau für TwistPad-Rasterung und -Bremse; außen mit unterschiedlich starken Elektromagneten, innen mit Hubmagneten

Eine weitere wesentliche Aufgabe ist die Erkennung der Drehung, sowie das Erfassen der Drehrichtung. Wird ein Hallsensor unter die Platte montiert, so kann dieser vorbeikommende, äußere Magnete des TwistPads erkennen. Verdoppelt man nun die Anzahl der Hallsensoren, so kann die Richtung, in die gedreht wird, wahrgenommen werden, je nachdem welcher der Sensoren den Magneten zuerst erkennt. Beides konnte ansatzweise in einer weiteren Version eines TwistPad-Prototypen realisiert werden (siehe Abbildung 10). Eine 7-Segment-LED-Anzeige zeigt dabei die aktuelle Heizstufe an, in der man sich befindet. Dreht man an dem TwistPad, verändert sich die Anzeige dementsprechend.

Abbildung 10: erweiterter Prototyp mit 7-Segment-Anzeige und Erkennung der Drehrichtung

Unsere Entwürfe und Vorstellungen gaben wir dann an unseren Modellbauer weiter, der einige Wochen damit verbrachte die Technik in die dafür vorgesehenen Elemente einzubauen. Das Ergebnis konnte sich durchaus sehen lassen. Insgesamt wurde zwei Prototypen des Kochfelds gebaut, jedes mit einem unterschiedlichen Konzept. Zum Vergleich der unterschiedlichen Gefühle der Konzepte konnte man zum einen vibrierende Funktionstasten und ein TwistPad mit Permanentmagneten in verschiedenen Abständen ausprobieren und zum anderen mit Hubmagneten versehene Funktionstasten und TwistPad. Abbildung 11 zeigt eines der beiden Kochfelder mit dem TwistPad in der Mitte, vier LED-Anzeigen und Auswahltasten für die Platten, sowie zwei Funktionstasten zum An-/Ausschalten bzw. für eine Power-Funktion.

Abbildung 11: fertiger Prototyp des Modellbauers als Ausstellungsstück auf der „Munich Creative Business Week“

Schwierigkeiten

Es hat sich bereits während unserer Konzeptphase abgezeichnet, dass die Elektromagnete zu schwach für eine starke Bremsung des TwistPads sind. Der Modellbauer hat dies dann nochmals für uns überprüft, konnte aber auch kein besseres Ergebnis erzielen. Deshalb wurde für die beiden Endprototypen zur Bremsung das Konzept mit den höhenverstellbaren Permanentmagneten umgesetzt. Auch musste die gesamte Technik auf sehr engem Raum untergebracht werden. Dazu zählten die Magneten, die Hubmagneten, Hallsensoren, Vibrationsmotoren und alle Sensoren zur Erkennung eines Tastendrucks und der TwistPad-Drehung. Des Weiteren mussten die Magneten und Sensoren genau justiert und eingestellt werden. Schließlich mussten alle Einzelprojekte zu einem einzigen funktionierenden Prototypen zusammengebaut werden, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen oder zu beeinträchtigen.

Abschlusspräsentation

Am Ende des Design-Workshops konnten wir die professionell aussehenden und den original Neff-Küchengeräten nachempfundenen Prototypen auf einer Ausstellung im Rahmen der „Munich Creative Business Week“ im Literaturhaus München präsentieren. Dort waren die Prototypen das erste Mal für die Öffentlichkeit zugänglich und so konnten wir unsere Überlegungen zu den Konzepten vorstellen und Feedback zu den Ideen erhalten. Das Publikum war im Allgemeinen sehr angetan von allen Ausstellungsstücken unseres Projekts. Allerdings war es geteilter Meinung, welche der beiden Feedback- Formen sich für sie persönlich angenehmer anfühle. Trotzdem konnte man die gesamte Veranstaltung als großen Erfolg werten, was unser persönlicher Einsatz als auch das Interesse auf der Messe bekundete.

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