Haptic Interfacespercro.sssup.it/marcello/didattica/AA2010/17_Haptic... · 2011. 4. 8. · •Haptic Pen 5d •Grab •Haptic desk •Pure form Hand EXOS •Pinch •Controlli primari

RealtRealtàà Virtuale: il presente, il passato, il futuroVirtuale: il presente, il passato, il futuroInterfacce ApticheInterfacce Aptiche

Haptic Haptic InterfacesInterfaces

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


OverviewOverview

�� CosCos’è’è un Interfaccia Aptica?un Interfaccia Aptica?

�� Origini StoricheOrigini Storiche

�� ClassificazioneClassificazione

�� Misuratori di performanceMisuratori di performance

�� ApplicazioniApplicazioni

�� Rassegna di dispositiviRassegna di dispositivi

�� Motion Base Motion Base SimulatorsSimulators


CosCos’’e` une` un’’IAIA

Interfaccia Aptica: Dispositivo robotico che Interfaccia Aptica: Dispositivo robotico che èè capace di capace di

esercitare in modo interattivo degli stimoli che inducono esercitare in modo interattivo degli stimoli che inducono

percezioni tattili. percezioni tattili.

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


�� Il mouse: Il mouse: ��ÈÈ un interfaccia?un interfaccia?

��Conferisce informazioni tattili?Conferisce informazioni tattili?

��Le informazioni tattili sono Le informazioni tattili sono

programmabili?programmabili?

Mouse: IA = Foglio:Schermo Mouse: IA = Foglio:Schermo

Cosa contraddistingue unCosa contraddistingue un’’IAIA


Classificazione

�� TattiliTattili (Display Tattili): (Display Tattili):

Permettono di trasmettere sensazioni Permettono di trasmettere sensazioni

attraverso i recettori tattili della pelle attraverso i recettori tattili della pelle

(rugosit(rugositàà e rilievi di superfici, temperatura, ...) e rilievi di superfici, 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.. )


Interfacce Aptiche CinesteticheInteragiscono con lInteragiscono con l’’utente attraverso lutente attraverso l’’apparato sensoriale apparato sensoriale cinesteticocinestetico::

�� Recettori di posizione e velocitRecettori di posizione e velocitàà

�� Recettori di forza e deformazioneRecettori di forza e deformazione

Disposti sotto la pelle, in corrispondenza delle articolazioni eDisposti sotto la pelle, in corrispondenza delle articolazioni e nei muscoli nei muscoli

(pi(piùù rilevanti)rilevanti)

Il sistema nervoso centrale Il sistema nervoso centrale ““elaboraelabora”” tutte le informazioni stimando le tutte le informazioni stimando le

forze risultanti e generando la sensazione di forza ad esso legaforze risultanti e generando la sensazione di forza ad esso legatata

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.


Come si presentanoCome si presentano

F

Motors with postition sensors


Origini StoricheOrigini Storiche

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.


VarietVarietàà di IAdi IA

-- Il progetto di unIl progetto di un’’ IA non IA non èè un task tecnicamente un task tecnicamente semplice.semplice.

-- Il nostro sistema sensoriale impone delle specifiche Il nostro sistema sensoriale impone delle specifiche estremementeestrememente severesevere

Quindi:Quindi:

Ogni applicazione deve essere analizzata e lOgni applicazione deve essere analizzata e l’’IA deve IA deve essere opportunamente essere opportunamente scelatascelata o talvolta o talvolta riprogettata per riprogettata per sosddifaresosddifare i requisitii requisiti

Esistono molti tipi di interfacce aptiche


ClassificazioniIn base al numero dei Gradi Di Libertà:

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

• High DOF (HDOF): Fino a 6GDL possono arrivare 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)

In base al tipo di cinematica:

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

• Parallela: Costituite da catene cinematiche chiuse

• Mista


DOFDOF

Low

Manopole Aptiche

Very high

10 DoF

high

5 DoF


ParellelaParellela e Serialee Seriale

Seriale

Parallela


Ancora ClassificazioniIn 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)

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”;

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


Single/MultipointSingle/Multipoint

Single

Multipoint

Task Replica


DesktopDesktop--AntropomorfeAntropomorfe

Desktop

Antropomorfa


Parametri di Performance

• 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


Applicazioni delle IA

• 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.


Rassegna di alcuni Dispositivi

•PHANToM (Personal HAptic iNTerface Mechanism)

•Delta Haptic Devide

•Virtuose

•Cybergrasp

•Rutger-Master II

PERCRO HI:

•Haptic Pen 5d

•Grab

•Haptic desk

•Pure form Hand EXOS

•Pinch

•Controlli primari di un simulatore di guida

•EXOSkeleton

•Pure_Form_Arm_Exos (Light-Exos)

•HFF (Hand_Force_Feedback)


PHANToM®

Sviluppato dal M.I.T., è un’interfaccia a cinematica seriale

in grado di esercitare forze nello spazio..Viene commercializzato dalla Sensable Tech.

Esiste anche un modello a 6 g.d.l dotato di un polso sferico attuato all’estremità.


Delta Haptic Interface -Cinematica parallela (Delta) sviluppata presso l’EPFL

-Struttura cinematica traslante-E in grado di esercitare forze nelle tre direzioni


Virtuose

-Sviluppato presso il laboratorio CEA (Francia)

- Commercializzato da Haption

- 6 g.d.l.

- Cinematica Seriale

- Compensazione meccanica della gravità


Cybergrasp

Commercializzato dalla Virtual Tech.

- Interfaccia aptica di tipo Multiple Point,

VHDOF, antropomorfa (Hand exos);- è in grado di generare forze sulle falangi

permettendo di riprodurre le sensazioni

cinestetiche coinvolte nell’afferraggio di

oggetti;- è costituito da un sistema di tracking

(Virtual Glove) e da un sistema di

generazione di forze separati;

- soluzioni costruttive: cavi inguainati,


Rutger-Master II

- Progettato presso Rutger University,

- Utilizza pistoni pneumatici

- è molto leggero e possiede un elevato rapporto PKF/Mass

- I movimenti delle dita sono limitati dalla collocazione dei pistoni

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OFFENDING COMMAND: f‘~

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