Haptic Interfacespercro.sssup.it/marcello/didattica/AA2010/17_Haptic... · 2011. 4. 8. ·...
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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]
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RealtRealtàà Virtuale: il presente, il passato, il futuroVirtuale: il presente, il passato, il futuroInterfacce ApticheInterfacce Aptiche
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
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RealtRealtàà Virtuale: il presente, il passato, il futuroVirtuale: il presente, il passato, il futuroInterfacce ApticheInterfacce Aptiche
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)
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�� 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
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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.. )
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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.
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Come si presentanoCome si presentano
F
Motors with postition sensors
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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.
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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
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RealtRealtàà Virtuale: il presente, il passato, il futuroVirtuale: il presente, il passato, il futuroInterfacce ApticheInterfacce 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
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DOFDOF
Low
Manopole Aptiche
Very high
10 DoF
high
5 DoF
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ParellelaParellela e Serialee Seriale
Seriale
Parallela
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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.
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Single/MultipointSingle/Multipoint
Single
Multipoint
Task Replica
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DesktopDesktop--AntropomorfeAntropomorfe
Desktop
Antropomorfa
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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
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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.
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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)
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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.
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Delta Haptic Interface -Cinematica parallela (Delta) sviluppata presso l’EPFL
-Struttura cinematica traslante-E in grado di esercitare forze nelle tre direzioni
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Virtuose
-Sviluppato presso il laboratorio CEA (Francia)
- Commercializzato da Haption
- 6 g.d.l.
- Cinematica Seriale
- Compensazione meccanica della gravità
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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,
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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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