La Percezione del Tatto - percro.sssup.itpercro.sssup.it/marcello/didattica/18_Haptics.pdf · che...

Realtà Virtuale: il presente, il passato, il futuroRealtà Virtuale: il presente, il passato, il futuro Interfacce ApticheInterfacce Aptiche

Haptic InterfacesHaptic Interfaces

http://percro.sssup.it/~marcello/didattica [email protected]


InterfacciaInterfaccia ApticaAptica:: DispositivoDispositivo roboticorobotico cheche èè capacecapace didi

esercitareesercitare inin modomodo interattivointerattivo deglidegli stimolistimoli cheche induconoinducono

percezionipercezioni tattilitattili..

HAPTICS: “The science of appling touch to human interaction with computers” (Haptics Comunity)

Interfacce Interfacce apticheaptiche


TattiliTattili (Display(Display Tattili)Tattili)::

PermettonoPermettono didi trasmetteretrasmettere sensazionisensazioni

attraversoattraverso ii recettorirecettori tattilitattili delladella pellepelle

(rugosità(rugosità ee rilievirilievi didi superfici,superfici,

temperatura,temperatura, ......))

• Cinestetiche (o Propriocettive): Trasmettono sensazioni di forza (FFD)

risultante su parti del corpo dell’utente. La distribuzione superficiale delle forze viene filtrata (forze di inerzia,forze risultanti di contatto, campi di forza.. )

ClassificazioneClassificazione


InteragisconoInteragiscono concon l’utentel’utente attraversoattraverso l’apparatol’apparato sensorialesensoriale

cinesteticocinestetico::

RecettoriRecettori didi posizioneposizione ee velocitàvelocità

RecettoriRecettori didi forzaforza ee deformazionedeformazione

DispostiDisposti sottosotto lala pelle,pelle, inin corrispondenzacorrispondenza delledelle articolazioniarticolazioni ee

neinei muscolimuscoli (più(più rilevanti)rilevanti)

IlIl sistemasistema nervosonervoso centralecentrale “elabora”“elabora” tuttetutte lele informazioniinformazioni

stimandostimando lele forzeforze risultantirisultanti ee generandogenerando lala sensazionesensazione didi forzaforza

adad essoesso legatalegata

Funzionalità fondamentali di un’IAC:

• Esercitare una forza e/o coppia nota e controllabile;

• Misurare la posizione della parte del corpo dell’utente

coinvolta nell’interazione.

Interfacce Interfacce ApticheAptiche CinesteticheCinestetiche


Come si presentanoCome si presentano

F

Motors with postition sensors


The Raymond Goertz con il primo manipolatore meccanico master-slave M1 (a sinistra) e con il primo manipolatore master-slave elettrico E1 (a destra)

Le prime IA vennero sviluppate nell’ambito della teleoperazione in applicazioni di manipolazione di sostanze radioative.

Origini storicheOrigini storiche


In base al numero dei Gradi Di Libertà:

• Low DOF (LDOF): Fino a 3DOF, i più comuni generano forze in tre direzioni dello spazio.

• High DOF (HDOF): Fino a 6DOF, possono generare forze e coppie nello spazio.

• Very High DOF (VHDOF): Più di 6GDL servono per particolari applicazioni in cui è necessario esercitare forze in vari punti del corpo (ed esempio Esoscheletri per braccio, gamba o mano)no)

In base al tipo di cinematica:

• Seriale: Costituite da link disposti in serie collegati da giunti

• Parallela: Costituite da catene cinematiche chiuse

• Mista

ClassificazioniClassificazioni


DOFDOF

Low

Manopole Aptiche

Very high

10 DoF

high

5 DoF


Cinematica Parallela e SerialeCinematica Parallela e Seriale

Seriale

Parallela


• Workspace o MotionRange : Lo spazio in cui l’utente o la parte del corpo dell’utente si può muovere durante l’interazione.

• Forza di picco (PKF) e forza di picco continua (CPKF): Sono rispettivamente la forza massima esercitabile dall’IA sull’utente e la forza massima continua.

• Rigidezza meccanica: spostamento dovuto deformazione della struttura meccanica a fronte di una forza unitaria.

• Inerzia e attrito percepito: Sono caratteristiche meccaniche che vengono difficilmente compensate dal sistema di controllo e quindi devono essere ridotte al minimo in fase di progetto.

• Forma del tensore dell’inerzia percepita: Il tensore di inerzia deve essere rotondo in modo da garantire la codirezionalità di forze e accelerazioni

• Peso del dispositivo: Per i dispositivi portabili.

• Precisione: Di posizionamento e di forza

Parametri di PerformanceParametri di Performance


In base ai punti di contatto

- Single Point: il sistema è connesso e può esercitare forze sull’utente

attraverso un solo punto di contatto;

- Multiple Point: i punti di contatto sono almeno due (esempio pollice

indice);

- Task Replica: L’HI è connessa all’utente grazie ad un utensile di

forma analoga a quello necessario ad eseguire le operazioni (esempio

penna o strumento chirurgico)

Altre classificazioniAltre classificazioni


Punti di contattoPunti di contatto

Single

Multipoint

Task Replica


In base alla morfologia costruttiva:

Antropomorfe: Riproducono fedelmente la struttura cinematica

dell’arto con il quale interagiscono.

Portabili: Non sono dotate di struttura di sostegno “a terra” (la forza

di picco è pertanto bassa)

Desktop: Uno dei link della catena cinematica e’ fisso.

Encountered: L’interfaccia non è sempre in contatto con l’utente, ma

“si fa trovare al posto giusto nel momento giusto”

Altre classificazioniAltre classificazioni


MorfologiaMorfologia

Desktop

Antropomorfa


MorfologiaMorfologia

Encountered

Portabile


• Giochi e divertimenti: joystick con FF, controlli per simulatori

di guida etc.

• Portable/Handeset devices: cellulari, lettori Mp3, Plamari

etc.

• Educazione ed Addestramento: apprendimento della scrittura

e di attività manuali, addestramento di piloti, autisti,

assemblatori etc…

• Industriali: Virtual Prototyping (.e. prove di assemblbilità di

macchine)

• Scientifiche: visualizzazioni di grafici a più di 3 dimensioni.

• Mediche chirurgiche: simulazione ed intervento, riabilitazione

• Teleoperazione: interazione con ambienti remoti

• Beni Culturali: interazione aptica con opere d’arte

• Special Users: Non vedenti, Non udenti, persone con handicap

motori etc.

ApplicazioniApplicazioni


Motion Based Simulators

o Vestibular Interfaces


I dispositivi elettromeccanici utilizzati nei MBS non possono essere definite interfacce aptiche (non riguardano il tatto).

Questi sistemi hanno lo scopo di permettere all’utente di percepire un feedback inerziale (ovvero dei movimenti) in accordo con le azioni e movimenti effettuati nell’ambiente virtuale.

MotionMotion BasedBased SimulatorsSimulators


•Locomozione: utilizzati per addestramento di militari, polizia etc...

•Simulatori di guida: possono simulare vari tipi di veicolo (Auto, TIR, )

•Simulatori per applicazioni particolari: possono simulare la guida di particolari veicoli come Carriponti, scavatori, ruspe etc...

Applicazioni :

•Addestramento ed educazione

•Studi di ergonomia

Nastro trasportatore bidirezionale

Tipologia e applicazioniTipologia e applicazioni


Ricreare in modo esattamente fedele le forze di inerzia non è possibile: l’utente dovrebbe effettivamente compiere gli spostamenti che avvengono nell’ambiente virtuale (in un simulatore di volo ad esempio).

Lo spazio di lavoro dei dispositivi robotici utilizzati nella movimentazione traslazionale dell’utente è limitato. Quindi si utilizzano dei “trucchi” per creare delle illusioni. Il più diffuso è quello di utilizzare il vettore “g” per creare delle accelerazioni orizzontali.

TiltingTilting strategystrategy

Homing: procedura di “reset” allo zero iniziale, utilizzabile anche in tempo reale (a velocità costante e ridotta, dunque “impercettibile”) per riottenere la massima estensione possibile sui movimenti di traslazione.


•L’Haptic Rendering è l’operazione con la quale si

forniscono forze all’utente a partire dalla sua interazione

con l’ambiente virtuale

•In particolare data la posizione del punto di contatto

nell’ambiente virtuale è necessario fornire la forza

generata

•Questa operazione ha grandi similitudini rispetto

all’operazione di Graphic Rendering

HapticHaptic renderingrendering


-- Trovare ilTrovare il punto di contattopunto di contatto Problema di collision detection, con complessità proporzionale alla complessità del modello dell'ambiente virtuale.

- Generazione diGenerazione di forze di contatto.forze di contatto. Crea la "sensazione" dell'oggetto. Le forze di contatto rappresentano la rigidità dell'oggetto, lo smorzamento, l’attrito, la struttura superficiale, ecc

- Frequenza di aggiornamentoFrequenza di aggiornamento Deve essere alta (meglio a 1 kHz o superiore) e la latenza deve essere bassa. Valori inappropriati di entrambe queste variabili possono causare errati comportamenti (superfici rigide percepite come “morbide”) e creare instabilità al sistema (tremolii etc.)

HapticHaptic renderingrendering


L’Haptic Rendering avviene

attraverso un modello molto

semplice a penalizzazione

Più il punto di contatto è

all’interno dell’oggetto più

l’utente percepisce una

forza che si oppone alla

penetrazione

Modello a penalizzazioneModello a penalizzazione


●La forza generata è proporzionale alla penetrazione.

Si possono generare bruschi cambiamenti di

forza su spigoli o quando la direzione cambia

Approccio basato sulla distanzaApproccio basato sulla distanza


L’interazione a punto singolo viene estesa ad una piccola sfera (proxy del dito)

che si muove SEMPRE sulla superficie dell’oggetto. Questa soluzione risolve il

problema di piccoli “buchi” nella superficie dell’oggetto ed evita che il dito entri

nell’oggetto

VirtualVirtual ProxyProxy

La Percezione del Tatto - percro.sssup.itpercro.sssup.it/marcello/didattica/18_Haptics.pdf · che...

Documents

Transcript of La Percezione del Tatto - percro.sssup.itpercro.sssup.it/marcello/didattica/18_Haptics.pdf · che...