ΑΠΤΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΤΟΠΑΛΟΓΛΟΥ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Επιβλέπων Καθηγητής Χάταλης Μιλτιάδης. Τµήµα Πληροφορικής

Transcript

1 ΑΠΤΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΤΟΠΑΛΟΓΛΟΥ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Επιβλέπων Καθηγητής Χάταλης Μιλτιάδης Τµήµα Πληροφορικής Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Θεσσαλονίκη Ιούνιος

2 2006, Τοπάλογλου Παρασκευή Η έγκριση της µεταπτυχιακής εργασίας από το Τµήµα Πληροφορικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει απαραιτήτως και αποδοχή των απόψεων του συγγραφέα εκ µέρους του Τµήµατος (Ν.5343/32 αρ.202 παρ.2). 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας βιβλιογραφικής εργασίας είναι να µελετήσει τη χρήση της αφής σαν ένα επιπλέον µέσο επικοινωνίας του ανθρώπου µε τον υπολογιστή καθώς και την απτική αλληλεπίδραση σα µέσο για την καλύτερη και πιο πλήρη κατανόηση και χρήση εικονικών περιβαλλόντων. Για το σκοπό αυτό γίνεται παρουσίαση του τρόπου µε τον οποίο η φυσιολογία του ανθρώπου χρησιµοποιεί και εκµεταλλεύεται την αφή για τη συλλογή πληροφοριών και για την κατανόηση του περιβάλλοντος και των αντικειµένων που αυτό περιέχει. Παρουσιάζονται αρκετές από τις πιο πετυχηµένες και πρόσφατες συσκευές που επιτρέπουν στο χρήστη να επικοινωνήσει µέσω της αφής µε τον υπολογιστή ή να βιώσει µε απτικό τρόπο εικονικά περιβάλλοντα. Παρουσιάζονται επίσης επιλεγµένες ε- φαρµογές της απτικής τεχνολογίας σε µερικούς από τους τοµείς στους οποίους έχει βρει εφαρµογή. Τέλος, γίνεται αναφορά στις µελλοντικές κατευθύνσεις και εξελίξεις που πρόκειται να έχει το σχετικά πρόσφατο ερευνητικό αυτό πεδίο. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΟΡΟΛΟΓΙΑ Εισαγωγή Γενικά Φυσιολογία του δέρµατος Ιδιοϋποδεκτικότητα και Κιναισθησία Αίσθηση της αφής Χαρακτηριστικά της απτικής αλληλεπίδρασης Αίσθηση της ανάδρασης Βαθµοί ελευθερίας Τρόπος απτικής αλληλεπίδρασης Χώρος εργασίας Απτικές Συσκευές Γενικά Κατηγορίες απτικών συσκευών FEELEX FEELEX FEELEX Απόδοση του FEELEX Εφαρµογές του FEELEX PHANTOM Μηχανισµός λειτουργίας του PHANTOM ηµιουργία εικονικών κόσµων Αντίληψη του εικονικού κόσµου PANTOGRAPH Τεχνικά χαρακτηριστικά του Pantograph Μηχανισµός και φυσικό µοντέλο λειτουργίας FCS HapticMaster Ο αλγόριθµος λειτουργίας Ο µηχανισµός λειτουργίας Μονάδα ελέγχου Το λογισµικό του FCS HapticMaster Απτική απόδοση Fingertip Haptic Display Μηχανισµός λειτουργίας και τεχνικά χαρακτηριστικά Απόδοση απτικής συσκευής VisHap Σχεδίαση και υλοποίηση του VisHap Απόδοση VisHap Morpheotron Μηχανισµός λειτουργίας Απόδοση απτικής συσκευής Haptic Paddle Μηχανισµός λειτουργίας και τεχνικά χαρακτηριστικά Απόδοση απτικής συσκευής

5 2.11 Snaptic Paddle Περιγραφή της συσκευής Έλεγχος του συστήµατος και απόδοση Απτική συσκευή 5 βαθµών ελευθερίας Σχεδιασµός και µηχανισµός λειτουργίας Απόδοση απτικής συσκευής Haptic Master Τεχνικά χαρακτηριστικά και µηχανισµός λειτουργίας Απόδοση συσκευής Εφαρµογές απτικής τεχνολογίας Γενικά Απτική αλληλεπίδραση για εφαρµογή σε λαπαροσκοπικά εργαλεία Περιγραφή συστήµατος Μοντελοποίηση Απόδοση της εφαρµογής Συνδυασµός ακουστικής και απτικής αλληλεπίδρασης Το υλικό του ακουστικού απτικού συστήµατος Σύνθεση ήχου Σύνθεση απτικών δυνάµεων Απόδοση ακουστικού απτικού συστήµατος Ενοποίηση CyberGrasp και PHANTOM Αρχιτεκτονική της εφαρµογής Απόδοση της εφαρµογής Εφαρµογή για την υποβοήθηση ατόµων µε προβλήµατα όρασης Αρχιτεκτονική της εφαρµογής Απόδοση της εφαρµογής ηµιουργία ψηφιακών σχηµάτων µέσω απτικής αλληλεπίδρασης Αρχιτεκτονική του συστήµατος Απόδοση συστήµατος Επίλογος...81 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 ΟΡΟΛΟΓΙΑ Haptics Proprioception Kinesthesia Force feedback Tactile feedback Degrees of freedom Exoskeleton Desktop haptic device Wearable haptic device Tool-type haptic device Object-oriented haptic device Programmable keyboard Rotary controllers Flexible screen Actuator Projector Multi-modal Virtual probe Modular Απτικός τρόπος επικοινωνίας Ιδιοϋποδεκτικότητα Κιναισθησία ύναµη ανάδρασης Ανάδραση αίσθησης επιφάνειας Βαθµοί ελευθερίας Εξωσκελετική απτική συσκευή Επιτραπέζια απτική συσκευή Απτική συσκευή που φοριέται Απτική συσκευή µε µορφή εργαλείου Απτική συσκευή µε αντικειµενοστραφή προσέγγιση Προγραµµατιζόµενο πληκτρολόγιο Ελεγκτές περιστροφής Εύκαµπτη οθόνη Ενεργοποιητής Συσκευή προβολής Πολυ-αισθητηριακή Εικονικό µέσο εξερεύνησης Αρθρωτό 6

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1Εισαγωγή 1.1 Γενικά Στο παρελθόν η επικοινωνία ανθρώπου-υπολογιστή γινόταν στην αρχή µε τη χρήση κειµένου και αργότερα µε τη χρήση εικόνων και ήχων. Με την εισαγωγή και τη χρήση εικόνων και ήχων αυξήθηκε πολύ η ποιότητα και η ποσότητα της πληροφορίας που µπορούσε να παρουσιάσει ο υπολογιστής στον άνθρωπο. Η επικοινωνία δε γινόταν πια µε τον απλό και λιτό τρόπο της εµφάνισης κάποιων γραπτών µηνυµάτων αλλά µε έναν πιο φιλικό και κατανοητό προς το χρήστη τρόπο. Η διαρκής εξέλιξη της τεχνολογίας µας οδήγησε στο να εφευρίσκουµε συνεχώς νέους τρόπους επικοινωνίας µε τον υπολογιστή. Μια από τις πρόσφατες εξελίξεις στον τρόπο αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή είναι η χρήση της αφής µε σκοπό την πιο ολοκληρωµένη επικοινωνία. Χρησιµοποιώντας την αφή, προσθέτουµε µία ακόµα αίσθηση, η οποία µαζί µε την όραση και την ακοή, διευρύνει και εµπλουτίζει την επικοινωνία µας µε τον υπολογιστή. Πλέον, µας δίνεται η δυνατότητα πέραν της οπτικής και ακουστικής επαφής µε ένα αντικείµενο να έχουµε και απτική επαφή. Μπορούµε να αισθανθούµε το αντικείµενο και να πάρουµε πληροφορίες όπως η υφή ή η σκληρότητά του. Αν και το πεδίο του απτικού τρόπου επικοινωνίας (haptics) είναι σχετικά πρόσφατο έχουν ήδη ερευνηθεί και δηµιουργηθεί αρκετοί διαφορετικοί τρόποι απτικής επικοινωνίας. Ανάλογα µε το πεδίο εφαρµογής διάφορες συσκευές έχουν αναπτυχθεί µε τα δικά της χαρακτηριστικά η κάθε µία, µε σκοπό την όσο δυνατόν καλύτερη µεταφορά απτικής πληροφορίας. Για παράδειγµα, έχουν αναπτυχθεί συσκευές όπως ένα ειδικό γάντι, χειρουργικό ψαλίδι ή διατάξεις που µεταφέρουν πληροφορίες απευθείας στο γυµνό χέρι του χρήστη. Ο κατάλογος των ειδικών απτικών συσκευών διαρκώς διευρύνεται καθώς η έρευνα στο συγκεκριµένο τοµέα συνεχίζεται. Η εισαγωγή της αφής στην επικοινωνία µε τον υπολογιστή ωφέλησε πολλούς επιστηµονικούς τοµείς και κατηγορίες ανθρώπων. Η ιατρική είναι ένας από αυτούς τους τοµείς, καθώς σηµαντικός αριθµός εφαρµογών αναπτύχθηκαν για να βοηθήσουν τους ιατρούς τόσο στη διάγνωση ασθενειών όσο και στην εκπαίδευση νέων ιατρών. Οι χειρουργικές επεµβάσεις 7

8 και η ανίχνευση όγκων αποτελούν δύο µόνο από τους τοµείς στους οποίους χρησιµοποιείται η απτική επαφή. Άνθρωποι µε προβλήµατα όρασης µπορούν µε τη χρήση των απτικών επιφανειών να επικοινωνούν καλύτερα µε τους υπολογιστές. Στο µέλλον πολύ περισσότερες εφαρµογές ανα- µένεται να εµφανιστούν καθώς οι δυνατότητες που προσφέρει η απτική επικοινωνία είναι πάρα πολλές. Η παρούσα εργασία είναι οργανωµένη ως εξής: στο κεφάλαιο 1, αναφέρονται πληροφορίες για τη φυσιολογία του ανθρώπινου οργανισµού, την αίσθηση της αφής και χαρακτηριστικά της απτικής αλληλεπίδρασης. Στο κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται κάποιες από τις πιο σηµαντικές απτικές συσκευές. Αναφέρονται τα χαρακτηριστικά και η σχεδίαση τους και παρουσιάζονται πληροφορίες για την απόδοση της κάθε µιας. Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται επιλεγµένες εφαρµογές της απτικής αλληλεπίδρασης σε διάφορους τοµείς. Περιγράφεται η αρχιτεκτονική της κάθε εφαρµογής, αναφέρονται πληροφορίες για τη σχεδίασή της και παραθέτονται τα αποτελέσµατα από τη χρήση τους. Τέλος, στο κεφάλαιο 4, γίνεται αναφορά στις µελλοντικές κατευθύνσεις και εξελίξεις της απτικής τεχνολογίας. 1.2 Φυσιολογία του δέρµατος Ένα από τα σηµαντικότερα όργανα του ανθρώπου, άµεσα συνδεδεµένο µε την αφή, είναι το δέρµα [1], [2]. Το δέρµα είναι ένα από τα µεγαλύτερα και πιο σηµαντικά όργανα του σώµατος, το οποίο κατέχει µια επιφάνεια 2 m 2, και µας προσφέρει µια πληθώρα από σηµαντικές λειτουργίες. Με το δέρµα µπορούµε να αισθανθούµε, για παράδειγµα, τη θερµοκρασία ή την επαφή µε άλλους ανθρώπους ή αντικείµενα. Το δέρµα µας προστατεύει από αλλαγές στη θερµοκρασία, από την υπεριώδη ακτινοβολία του ήλιου και από αλληλεπιδράσεις όπως πίεση ή χτύπηµα. Επιπλέον, προστατεύει τους υποκείµενους ιστούς από φυσική καταστροφή, από τους µικροοργανισµούς και από αφυδάτωση. Ακόµα, αποτελεί την κύρια πηγή σύνθεσης βιταµίνης D υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός, είναι υποδοχέας ερεθισµάτων για τις αισθήσεις της αφής, της πίεσης, του πόνου καθώς και για την αίσθηση της αλλαγής της θερµοκρασίας. Μέσω του δέρµατος επιτελείται η λειτουργία της αφής, καθώς περιέχει ένα πλήθος εξειδικευµένων κυττάρων, υποδοχέων και νευρικών απολήξεων, τα οποία στέλνουν σήµατα στο κεντρικό νευρικό σύστηµα. 8

9 Εικόνα 1 Φυσιολογία του δέρµατος Το δέρµα (βλέπε Εικόνα 1) αποτελείται από τρία στρώµατα. Συγκεκριµένα, το πρώτο στρώµα είναι ένα εξωτερικό λεπτό στρώµα, χωρίς αγγεία, που ονοµάζεται επιδερµίδα. Το δεύτερο είναι ένα εσωτερικό παχύτερο και µε αγγεία στρώµα, που ονοµάζεται δερµίδα. Τέλος, το τρίτο και βαθύτερο στρώµα του δέρµατος ονοµάζεται υποδόριο στρώµα και προσκολλάει το δέρµα στους ιστούς και τα όργανα. Η επιδερµίδα είναι το στρώµα το οποίο είναι ορατό στην επιφάνεια του δέρµατος. Αποτελείται από κύτταρα, τα οποία είναι τοποθετηµένα το ένα πάνω στο άλλο δηµιουργώντας διαφορετικές υποστρώσεις. Συγκεκριµένα, η επιδερµίδα αποτελείται από τέσσερα κύρια είδη κυττάρων. Τους κερατινοκύτες, που είναι τα πιο πολυάριθµα κύτταρα και είναι υπεύθυνα για την παραγωγή µιας χηµικής πρωτεΐνης, της κερατίνης, τους µελανοκύτες που είναι κύτταρα µε χρωστικές ιδιότητες, είναι υπεύθυνα για την παραγωγή µιας ουσίας της µελανίνης και ευθύνονται για το χρωµατισµό του δέρµατος. Ακόµα, αποτελείται από τα Langerhans κύτταρα τα οποία είναι λίγα σε αριθµό και είναι ευαίσθητα στην υπεριώδη ακτινοβολία. Τέλος, αποτελείται από τα Merkel κύτταρα τα οποία βρίσκονται στο κάτω µέρος της επιδερµίδας. Οι βάσεις τους βρίσκονται σε επαφή µε επιπεδοποιηµένα τµήµατα του πέρατος των αισθητηριακών νευρώνων (Merkels discs) και λειτουργούν σαν υποδοχείς αφής. Η δερµίδα έχει πολύ µεγαλύτερο πάχος από την επιδερµίδα. Προσφέρει στο δέρµα ελαστικότητα, µηχανική αντοχή και συµµετέχει στη ρύθµιση της θερµοκρασίας του σώµατος. Επιπλέον, περιέχει αισθητήρια όργανα για την αφή, την πίεση, τη θερµοκρασία και τον πόνο. Συγκεκριµένα, η δερµίδα διαιρείται σε δύο περιοχές και αποτελείται από συνδετικό ιστό, ο 9

10 οποίος περιέχει κολλαγόνο και ελαστικές ίνες και από έναν αριθµό άλλων δοµών. Η ανώτερη επιφανειακή περιοχή της δερµίδας (papillary layer) είναι συνδετικός ιστός που περιέχει λεπτές ελαστικές ίνες. Αυτό το στρώµα περιέχει σχηµατισµούς σε σχήµα δαχτύλου, που ονοµάζονται δερµατικές θηλές (dermal papillae). Κάποιοι από αυτούς περιέχουν τριχοειδή αγγεία αίµατος. Άλλοι περιέχουν σωµάτια αφής, τα Meissner s σωµάτια, που είναι νευρικές απολήξεις ευαίσθητες στην αφή. Η βαθύτερη περιοχή της δερµίδας, το δικτυωτό στρώµα (reticular layer), αποτελείται από πυκνό, ακανόνιστο ιστό µε δεσµίδες από µεγαλύτερο κολλαγόνο και από κάποιες τραχείς ελαστικές ίνες. Μεταξύ των ινών µπορεί να υ- πάρχουν αιµοφόρα αγγεία, νεύρα κ.α. Η τελευταία περιοχή του δέρµατος είναι το υποδόριο στρώµα που αποτελείται από χαλαρό συνδετικό ιστό και πολύ λίπος. Λειτουργεί ως προστατευτικό στρώµα και βοηθάει στη µόνωση του σώµατος. Το υποδόριο στρώµα του δέρµατος είναι αυτό που προσκολλάει το δικτυωτό στρώµα της δερµίδας στις υποκείµενες δοµές, όπως τα κόκαλα και τους µύες. Ε- πιπλέον, αυτό το στρώµα περιέχει νευρικές απολήξεις ευαίσθητες στην πίεση, οι οποίες ονοµάζονται Pacini σωµάτια. Στο εσωτερικό του δέρµατος βρίσκεται πληθώρα από υποδοχείς και σω- µάτια τα οποία λειτουργούν σαν αισθητήρες µεταβιβάζοντας πληροφορίες προς το κεντρικό νευρικό σύστηµα [3], [4]. Πρόκειται για όργανα που λαµβάνουν πληροφορίες. Πιο συγκεκριµένα, οι υποδοχείς λαµβάνουν πληροφορίες για διεγέρσεις ή αλλαγές στο εσωτερικό του οργανισµού ή στο εξωτερικό περιβάλλον. Με τους υποδοχείς, το νευρικό µας σύστηµα ελέγχει διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες. Όταν συµβαίνει µια αλλαγή, οι υποδοχείς µπορούν να εγγυηθούν µια απόκριση προκειµένου ο οργανισµός να διατηρήσει σταθερή εσωτερική κατάσταση (οµοιοστασία). Όλοι οι υποδοχείς συνδέονται µε αισθητηριακούς νευρώνες. Όταν ένας υποδοχέας αποκρίνεται σε µια διέγερση, ένα σήµα στέλνεται µέσω του αισθητηριακού νευρώνα στο κεντρικό νευρικό σύστηµα (εγκέφαλο ή νωτιαίο µυελό). Εκεί η διέγερση ταυτοποιείται και σε περίπτωση που µια απόκριση απαιτείται για να διατηρηθεί η οµοιοστασία, στέλνονται τα κατάλληλα σήµατα στους νευρώνες. Ο ρόλος των υποδοχέων είναι να µετατρέπουν τα διάφορα είδη διεγέρσεων σε κατάλληλης συχνότητας νευρικό σήµα το οποίο µεταφέρεται µέσω των ανάλογων κάθε φορά νευρικών οδών. Παρουσιάζουν διαφορετικά επίπεδα προσαρµογής βασιζόµενα στην ανταπόκρισή τους στα διαφορετικά ερεθίσµατα. Ακόµα, οι υποδοχείς διαφοροποιούνται µεταξύ τους ανάλογα µε το που βρίσκονται ή µε το είδος της διέγερσης που ανιχνεύουν. Οι κατηγορίες των υποδοχέων µε βάση το που βρίσκονται είναι οι εξής: 10

11 Εξωϋποδοχείς: πρόκειται για υποδοχείς της αφής, πίεσης, θερµοκρασίας κ.α. Εσωϋποδοχείς: είναι υποδοχείς δίψας, γεύσης κ.α. Ιδιοϋποδοχείς: βρίσκονται στους µυϊκούς τένοντες, στις αρθρώσεις και στο εσωτερικό αυτί και παρέχουν πληροφορίες για τη θέση και τις ενέργειες των αρθρώσεων και πληροφορίες για την ισορροπία του ανθρώπινου σώµατος. Οι κατηγορίες των υποδοχέων µε βάση τον τύπο της διέγερσης που ανιχνεύουν είναι οι εξής: Μηχανοϋποδοχείς: ανιχνεύουν µηχανική πίεση και παρέχουν πληροφορίες για τις αισθήσεις της αφής, της πίεσης, της ιδιοϋποδεκτικότητας (proprioception), δηλαδή της αντίληψης της θέσης και της κίνησης των τµηµάτων του σώµατος, της ισορροπίας κ.α. Θερµοϋποδοχείς. Υποδοχείς ερεθισµάτων πόνου. Φωτοϋποδοχείς. Χηµειοϋποδοχείς. Στους µηχανοϋποδοχείς ανήκουν διάφορα είδη σωµατίων µε ξεχωριστά χαρακτηριστικά και ιδιαίτερο ρόλο το καθένα. Όλα, άλλα λιγότερο, περισσότερο ή καθόλου, χρησιµεύουν στην ανίχνευση των αισθήσεων της αφής, της πίεσης και της δόνησης. Ακόµα, ανάλογα µε τον τύπο τους βρίσκονται σε αφθονία ή όχι σε διάφορες περιοχές του δέρµατος. Ένα είδος υποδοχέων αποτελούν τα σωµάτια Meisner s. Αντιλαµβάνονται τις αισθήσεις της αφής, της πίεσης και τις δονήσεις χαµηλής συχνότητας. Προσαρµόζονται γρήγορα, µέσα σε ένα δευτερόλεπτο από τη διέγερση. Είναι µέτριου µεγέθους δοµές και βρίσκονται σε µεγάλο αριθµό στα άκρα των δαχτύλων και γενικά σε επιφανειακές θέσεις. Άλλο είδος υποδοχέων αποτελούν οι δίσκοι Merkel. Πρόκειται για υποδοχείς αφής και πίεσης και είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι. Επιπλέον, έχουν µικρό µέγεθος και εµφανίζουν χαµηλή προσαρµοστικότητα. Τα σωµάτια Ruffini αποτελούν ένα άλλο είδος υποδοχέων. Βρίσκονται σε µεµονωµένους συνδέσµους στο βάθος της δερµίδας. Πρόκειται για µεγάλες δοµές που προσαρµόζονται αργά. Προσφέρουν την αίσθηση της πίεσης, είναι ευαίσθητα σε µηχανικές τάσεις και στις κινήσεις των αρθρώσεων. Κάθε σωµάτιο αντιλαµβάνεται ένα τµήµα της κίνησης και η διέγερση από πολλά σωµάτια χρησιµοποιείται από το νευρικό σύστηµα. Παρέχουν επίσης πληροφορίες για την εσωτερική αρθρική πίεση, καθώς και για το εύρος και την ταχύτητα των κινήσεων των αρθρώσεων. 11

12 Ένα άλλο είδος υποδοχέων είναι τα σωµάτια Pacini που είναι τοποθετη- µένα στα βαθύτερα στρώµατα του δέρµατος, στο υποδόριο στρώµα. Προσαρµόζονται γρήγορα και έχουν πολύ χαµηλό κατώφλι ενεργοποίησης. Προσφέρουν την αίσθηση της βαθιάς πίεσης και της δόνησης υψηλής συχνότητας. Ενεργοποιούνται σε ακραίες θέσεις της άρθρωσης και στην αλλαγή της ταχύτητας. Μέσω αυτών µπορούµε να αντιληφθούµε αρθρικές κινήσεις, αφού είναι ευαίσθητοι στις επιταχύνσεις τέτοιων κινήσεων. Τα σωµάτια Pacini λειτουργούν σαν υποδοχείς πίεσης και επιτρέπουν να ανιχνεύσουµε ένα αντικείµενο που το κρατάµε στο χέρι µέσω του βάρους του. Ακόµη ένα είδος υποδοχέων είναι οι ελεύθερες νευρικές απολήξεις. Βρίσκονται στους µύες, σε συνδέσµους και στα διάφορα στρώµατα του δέρ- µατος και είναι ευαίσθητοι στην αφή, την πίεση και τον πόνο. Επίσης, σηµατοδοτούν µηχανική παραµόρφωση του µαλακού ιστού. Επιπλέον, έχουν µικρό µέγεθος και µικρή προσαρµοστικότητα. Ένα άλλο είδος υποδοχέων πολύ σηµαντικών για την αίσθηση της ιδιοϋποδεκτικότητας είναι τα τενόντια όργανα Golgi. Έχουν χαµηλό κατώφλι ενεργοποίησης και µικρή προσαρµογή. Είναι υπεύθυνα για την αναγνώριση της θέσης και την σταθερότητα της άρθρωσης. Ενεργοποιούνται σε κάθε αλλαγή της κατεύθυνσης και της πίεσης. Επιπλέον, τα όργανα Golgi είναι ευαίσθητα στην τάση των συνδέσµων και ενεργοποιούνται στις διατάσεις των µυών. 1.3 Ιδιοϋποδεκτικότητα και Κιναισθησία Ο άνθρωπος χρειάζεται να έχει πληροφορίες σχετικά µε τη θέση στην οποία βρίσκονται τα διάφορα µέλη του σώµατος του προκειµένου να φέρει σε πέρας πολλές απλές και καθηµερινές δραστηριότητες. Από την πιο απλή ενέργεια ως την πιο σύνθετη απαιτείται να συνεργαστούν ένα ή περισσότερα µέλη του σώµατός µας και αυτό δε θα ήταν δυνατό χωρίς την παραπάνω γνώση. Για κάτι τόσο απλό όπως το να πιάσουµε ένα ποτήρι νερό χρειάζεται να γνωρίζουµε τόσο τη θέση του ποτηριού όσο και τη θέση στην οποία βρίσκεται το χέρι µας σε σχέση µε το σώµα µας και σε σχέση µε το χώρο, αλλά και το να έχουµε επίγνωση της στάσης του χεριού. 12

13 Πληροφορίες σχετικές µε τη θέση και την στάση του σώµατος παρέχονται από τα διάφορα είδη υποδοχέων που αναφέρθηκαν προηγουµένως. ύο έννοιες που αφορούν τη θέση του σώµατος είναι η ιδιοϋποδεκτικότητα (proprioception) και η κιναισθησία (kinesthesia). Με τις δύο αυτές αισθήσεις ο άνθρωπος µπορεί να κινείται και να αλληλεπιδρά στον περιβάλλοντα χώρο του. Με τον όρο ιδιοϋποδεκτικότητα εννοούµε την αίσθηση της θέσης και της κίνησης των άκρων και του σώµατος χωρίς τη χρήση της όρασης. Πρόκειται για την αντίληψη της θέσης που µπορούµε να έχουµε για το σώµα µας ακόµα και όταν έχουµε κλειστά τα µάτια µας ή σε απόλυτο σκοτάδι. Ο όρος κιναισθησία αναφέρεται στην αίσθηση της κίνησης των άκρων. Κάποιοι ερευνητές θεωρούν ότι η ιδιοϋποδεκτικότητα και η κιναισθησία είναι ίδιες έννοιες αλλά υπάρχουν αρκετοί που τις διαφοροποιούν. Συγκεκριµένα, υποστηρίζουν ότι η ιδιοϋποδεκτικότητα εµπεριέχει την αίσθηση της ισορροπίας ενώ η κιναισθησία όχι. Για παράδειγµα, ένα άτοµο το οποίο εξαιτίας κάποιας πάθησης έχει χάσει την αίσθηση της ιδιοϋποδεκτικότητας δεν έχει την αίσθηση της ισορροπίας. Παρόλα αυτά, µπορεί να µετακινηθεί χρησιµοποιώντας την κιναισθησία αλλά για να το επιτύχει αυτό πρέπει να κοιτάζει τα άκρα του για να καταφέρει να περπατήσει. Ένα άτοµο χρησιµοποιώντας την αίσθηση της ιδιοϋποδεκτικότητας µπορεί να περπατήσει σε απόλυτο σκοτάδι χωρίς να χάσει την ισορροπία του. Ακόµα, η ικανότητα της οδήγησης αυτοκινήτου βασίζεται στη χρήση της ιδιοϋποδεκτικότητας αφού σε αντίθετη περίπτωση θα έπρεπε να κοιτάµε τη θέση που βρίσκονται τα πόδια µας σε σχέση µε τη θέση των πεντάλ. Οι πληροφορίες που αφορούν στην ιδιοϋποδεκτικότητα παρέχονται µε τη χρήση διάφορων υποδοχέων συµπεριλαµβανοµένων των υποδοχέων Ruffini και των σωµατίων Pacini. Επίσης, σηµαντικό ρόλο στην ιδιοϋποδεκτικότητα παίζουν τα όργανα Golgi. 1.4 Αίσθηση της αφής Η λειτουργία των απτικών επιφανειών στηρίζεται στη χρήση της αφής ως µέσο αλληλεπίδρασης µεταξύ υπολογιστή και ανθρώπου. Η αφή, αν και δε θεωρείται από πολλούς ερευνητές µία από τις σηµαντικές αισθήσεις, στην πραγµατικότητα τη χρησιµοποιούµε καθηµερινά στη ζωή µας. Εί- µαστε συνηθισµένοι να χρησιµοποιούµε τα χέρια µας για να εξερευνήσουµε και να αλληλεπιδράσουµε µε τα αντικείµενα τριγύρω µας, να δε- 13

14 χόµαστε µέσω της αφής πληροφορίες από το περιβάλλον και να αποκτούµε καλύτερη αντίληψη του κόσµου που µας περιβάλλει. Όλοι οι οργανισµοί έχουν την ικανότητα να αλληλεπιδρούν µε ενεργό τρόπο µε το περιβάλλον τους. Όµως από όλα τα είδη µόνο τα ανώτερα έχουν τη δυνατότητα να χειρίζονται αντικείµενα και κάποια από αυτά τα αντικείµενα να τα χρησιµοποιούν σαν εργαλεία. Ο χειρισµός των αντικειµένων προϋποθέτει την ικανότητα της επαφής τόσο µε µικρά όσο και µε µεγαλύτερα αντικείµενα και τη δυνατότητα του να πιάνουµε τα αντικείµενα µε πολλούς διαφορετικούς τρόπους. Πιάνοντας τα αντικείµενα έχουµε τη δυνατότητα να συλλέξουµε ένα πλήθος πληροφοριών που διαφορετικά δε θα µας ήταν διαθέσιµες, όπως για παράδειγµα την απαλότητα, την τραχύτητα, το βάρος. Επιπρόσθετα, έχουµε τη δυνατότητα να συνδυάσουµε και να συµπληρώσουµε τις πληροφορίες αυτές µε στοιχεία που προέρχονται από τις υπόλοιπες αισθήσεις µας και κυρίως την όραση [5]. Η αφή είναι ίσως η πιο πολύπλοκη ανθρώπινη αίσθηση γιατί τα όργανα της κατανέµονται σε όλο το σώµα, ενσωµατωµένα στο δέρµα, στους µύες και στις αρθρώσεις. Επιπλέον, το εύρος της αντίληψης που σχετίζεται µε την αφή είναι πολύ ποικίλο. Υπάρχει θερµική, χηµική, µηχανική αντίληψη και αντίληψη αδράνειας. Για κάθε µια από αυτές τις διαφορετικές µορφές απτικής αντίληψης, υπάρχουν οµάδες από ειδικούς υποδοχείς που αποκρίνονται στο συγκεκριµένο ερέθισµα. Για παράδειγµα, υπάρχουν διαφορετικοί υποδοχείς για αίσθηση θερµού και ψυχρού. Ακόµα και µέσα στην υποοµάδα της αντίληψης που προέρχονται από µηχανικό ερέθισµα όπως είναι η πίεση, τουλάχιστον τέσσερις ξεχωριστοί τύποι υποδοχέων εµπλέκονται στην ανίχνευση του είδους της πίεσης που εφαρµόζεται, µικρή ή µεγάλη, συνεχή ή µεταβαλλόµενη [6]. Το κύριο µέσο µε το οποίο εκτελούµε τις λειτουργίες της αφής είναι το χέρι. Το χέρι είναι ένα σύνθετο σύστηµα που περιλαµβάνει αρθρωτή δο- µή, νεύρα και µύες. Πρόκειται για ένα όργανο µε µοναδική λειτουργία, καθώς συνδυάζει χαρακτηριστικά συσκευής εισόδου και εξόδου ταυτόχρονα [7]. Με το χέρι µπορούµε να αντιληφθούµε πληροφορίες για τα αντικείµενα που βρίσκονται τριγύρω µας, πληροφορίες όπως η τραχύτητα της επιφάνειας ή το πόσο συµπαγές είναι ένα αντικείµενο. Σε αυτήν την περίπτωση το χέρι λειτουργεί σα συσκευή εισόδου. Όταν ενεργοποιούµε τους µύες του χεριού προκειµένου να µετακινήσουµε ένα αντικεί- µενο ή να του αλλάξουµε το σχήµα πιέζοντάς το, τότε το χέρι λειτουργεί σα συσκευή εξόδου. Αν και το χέρι είναι ένα τόσο βασικό όργανο, η λειτουργία του δεν είναι πλήρως κατανοητή. Για το λόγο αυτό είναι δύσκολο να υλοποιηθούν απτικές συσκευές για την αλληλεπίδραση του ανθρώπου µε τον υπολογιστή. 14

15 Σύστηµα απτικής αλληλεπίδρασης Ανιχνευτές Άνθρωπος Χρήστης Αντίληψη Υπολογιστής Απτική συσκευή Εργαλεία αλληλεπίδρασης Μηχανισµός αντίληψης και κίνησης Εγκέφαλος Μηχανισµός κίνησης Ενέργειες Εικόνα 2 ιάγραµµα απτικής αλληλεπίδρασης Η απτική αλληλεπίδραση µεταξύ ενός ατόµου και ενός υπολογιστή απαιτεί µια ειδική απτική συσκευή (Εικόνα 2). Η συσκευή αυτή βρίσκεται ανάµεσα στον άνθρωπο και το εικονικό περιβάλλον και λειτουργεί σαν ενδιάµεσος συνδετικός κρίκος. Οι λειτουργίες που επιτελεί είναι δύο: α) µπορεί να µετατρέψει την κίνηση του ατόµου σε πληροφορίες που να µπορούν να εισαχθούν στον υπολογιστή και β) µπορεί να µετατρέψει την έξοδο του υπολογιστή σε φυσικές δυνάµεις και ερεθίσµατα που θα γίνονται αντιληπτά από τον άνθρωπο. Υπάρχουν πολλών διαφορετικών ειδών απτικές συσκευές που επιτρέπουν αλληλεπίδραση µε το χέρι, το βραχίονα, ή ακόµα και µε όλο το σώµα. Οι απτικές συσκευές από µόνες τους δεν µπορούν να προσφέρουν την αίσθηση της αφής. Χρειάζεται να υπάρχει ένα εξειδικευµένο λογισµικό, το οποίο συνήθως εκτελείται σε ένα υ- πολογιστή. Με το λογισµικό αυτό δηµιουργείται ο υποτιθέµενος εικονικός κόσµος και βάσει του εικονικού κόσµου η απτική συσκευή παρέχει τη δυνατότητα της απτικής αλληλεπίδρασης του χρήστη µε το περιβάλλον. Φυσικά υπάρχουν και απτικές συσκευές που ενσωµατώνουν επεξεργαστές στο εσωτερικό τους για την εκτέλεση όλων των υπολογισµών που έχουν να κάνουν µε την απτική αλληλεπίδραση και οι οποίες προφανώς δε χρειάζονται την ύπαρξη του εξωτερικού υπολογιστή, παρά µόνο για την οπτικοποίηση του εικονικού περιβάλλοντος [8]. Ο εικονικός κόσµος που δηµιουργείται για την απτική αλληλεπίδραση θα πρέπει να περιέχει αντικείµενα. Εξάλλου, οι άνθρωποι κατά κύριο λόγο αλληλεπιδρούν µε τα αντικείµενα. Οι πρώτες προσπάθειες απόδοσης των εικονικών αντικειµένων δεν ήταν ολοκληρωµένες και τα αντικείµενα ή- ταν πολύ απλά. Συνήθως απλά γεωµετρικά σχήµατα µε επίπεδες επιφάνειες. Καθώς η έρευνα στο χώρο της απτικής αλληλεπίδρασης εξελισσόταν, έγινε εφικτό να δηµιουργηθούν απτικές συσκευές που να µπορούν να αποδώσουν εικονικά αντικείµενα µε πιο σύνθετα γεωµετρικά σχήµατα και χαρακτηριστικά όπως ακµές, κορυφές και κυρτές ή κοίλες επιφάνειες 15

16 [9]. Συνδυάζοντας αυτά τα απλά γεωµετρικά σχήµατα µπορούν να δηµιουργηθούν αναπαραστάσεις αντικειµένων του πραγµατικού κόσµου και µε τον τρόπο αυτό η αίσθηση της απτικής αλληλεπίδρασης να είναι πλήρης. Για µια ρεαλιστική απτική αλληλεπίδραση απαιτείται να ικανοποιούνται διάφορα τεχνικά χαρακτηριστικά. Έτσι, για παράδειγµα, για να αναπαρασταθεί η ακαµψία ενός εικονικού περιβάλλοντος µε σταθερό τρόπο, απαιτείται µια µεγάλη συχνότητα ελέγχου. Συγκεκριµένα, στα απτικά περιβάλλοντα έχει επιτευχθεί συχνότητα της τάξης του 1 KHz, επιτρέποντας την ικανοποιητική αλληλεπίδραση µεταξύ ανθρώπου και εικονικών αντικειµένων. Νέες προσεγγίσεις υιοθετούνται, που επιτρέπουν ακόµα µεγαλύτερη συχνότητα και επιτυγχάνουν ακόµα µεγαλύτερη σταθερότητα και ακαµψία στα αντικείµενα του εικονικού κόσµου [10]. 1.5 Χαρακτηριστικά της απτικής αλληλεπίδρασης Ανεξάρτητα από το είδος και την λειτουργία µιας απτικής συσκευής υ- πάρχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά ανάµεσα σε όλες τις απτικές συσκευές. Τα χαρακτηριστικά αυτά, ουσιαστικά µετρούν την ποιότητα της απτικής αλληλεπίδρασης και για το λόγο αυτό είναι πολύ σηµαντικά στη σχεδίαση και τη λειτουργία της κάθε απτικής συσκευής. Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά που αφορούν την απτική αλληλεπίδραση είναι η αίσθηση της ανάδρασης, οι βαθµοί ελευθερίας, ο τρόπος απτικής αλληλεπίδρασης και ο χώρος εργασίας Αίσθηση της ανάδρασης Η απτική αλληλεπίδραση µε το εικονικό περιβάλλον συµπεριλαµβάνει δύο διαφορετικούς τύπους ανάδρασης: την ανάδραση δύναµης (force feedback) και την ανάδραση αίσθησης επιφάνειας (tactile feedback). Το πιο σηµαντικό χαρακτηριστικό της απτικής αλληλεπίδρασης είναι η αίσθηση της ανάδρασης µέσω της άσκησης δύναµης. Καθώς η απτική αναπαράσταση των αντικειµένων είναι εικονική και γίνεται στον υπολογιστή, για να είναι ολοκληρωµένη η αίσθηση της αλληλεπίδρασης θα πρέπει ο χρήστης να αισθάνεται στοιχεία όπως το βάρος ενός αντικειµέ- 16

17 νου, την αντίσταση από το αντικείµενο καθώς το πιέζει, την παραµόρφωση του αντικειµένου, την αδράνεια του αντικειµένου, περιορισµούς στην κίνηση του αντικειµένου κ.α. Εποµένως, η απτική συσκευή θα πρέπει να ασκεί στο χρήστη δυνάµεις ανάδρασης ώστε να µεταφέρει τα χαρακτηριστικά αυτά του αντικειµένου στο χρήστη [11]. Μέσω της δύναµης ανάδρασης ο χρήστης αντιλαµβάνεται τις δυνάµεις που ασκούνται από τις µετακινήσεις της απτικής συσκευής. Οι δυνάµεις αυτές γίνονται αντιληπτές κυρίως µέσα από τις µυοσκελετικές δυνάµεις αλλά επίσης και µέσω του δέρµατος στο σηµείο που αγγίζει την απτική συσκευή. Η δύναµη ανάδρασης επεκτείνει τις δυνατότητες των συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας, αυξάνει την παραγωγικότητα στην επίλυση προβληµάτων που έχουν να κάνουν µε τη διάταξη στέρεων σωµάτων και γενικά προσφέρει δυνατότητες που δε θα µπορούσαµε να τις έχουµε µε τη χρήση µόνο γραφικών [12]. Η ανάδραση από την αίσθηση επιφάνειας επιτρέπει στους χρήστες να αισθάνονται χαρακτηριστικά των εικονικών αντικειµένων όπως την πτύχωση των εικονικών επιφανειών, τις ακµές, τη θερµοκρασία και την ολισθηρότητά τους. Στην περίπτωση της ανάδρασης από την αίσθηση επιφάνειας ο χρήστης µπορεί να αισθανθεί τις δυνάµεις που εφαρµόζονται µέσω αισθητήρων που βρίσκονται στο εσωτερικό του δέρµατος και ονο- µάζονται υποδοχείς. Ένας τρόπος µε τον οποίο µπορούµε να υλοποιήσουµε την ανάδραση από την αίσθηση επιφάνειας είναι µέσω διατάξεων ακίδων τις οποίες ο χρήστης µπορεί να ακουµπήσει µε το χέρι του. Οι α- κίδες µπορούν να υπερυψωθούν ή να χαµηλώσουν ελαφρά για να προσφέρουν την αίσθηση ενός εικονικού αντικειµένου µε αφή. Η ανάδραση δύναµης αν και προσφέρει µία πολύ ισχυρή αίσθηση απτικής αλληλεπίδρασης δεν περιέχει τον πλούτο των πληροφοριών που συλλέγονται µέσω της ανάδρασης από την αίσθηση επιφάνειας. Απτικές συσκευές οι οποίες συνδυάζουν και τους δύο τύπους ανάδρασης µπορούν µε καλύτερο τρόπο να προσοµοιώνουν ρεαλιστικά εικονικά περιβάλλοντα και να προσφέρουν ευρύτερη αντίληψη στους χρήστες. Συµπληρωµατικά µε τους δύο τύπους ανάδρασης λειτουργεί και η αίσθηση της ιδιοϋποδεκτικότητας. Η αίσθηση της ιδιοϋποδεκτικότητας προέρχεται από τις δυνάµεις που οι µύες µας ασκούν εσωτερικά του σώµατός µας. Η δύναµη ανάδρασης περιέχει ένα κοµµάτι ιδιοϋποδεκτικότητας αφού οι κινήσεις του χρήστη στην απτική συσκευή δηµιουργούν δυνά- µεις που ο ίδιος τις αισθάνεται. Ακόµα και συσκευές εισόδου του υπολογιστή που δεν ανήκουν στην κατηγορία των απτικών συσκευών, όπως το ποντίκι και το πληκτρολόγιο, χρησιµοποιούν την αίσθηση της ιδιοϋποδεκτικότητας. 17

18 1.5.2 Βαθµοί ελευθερίας Ένα δεύτερο χαρακτηριστικό που σχετίζεται µε την απτική αλληλεπίδραση είναι οι βαθµοί ελευθερίας (Degrees of Freedom DOF). Οι βαθ- µοί ελευθερίας είναι ένας έµµεσος τρόπος περιγραφής της πολυπλοκότητας µιας απτικής συσκευής. Όπως έχει αναφερθεί και προηγουµένως, οι απτικές συσκευές διαφέρουν σηµαντικά ανάλογα µε το είδος της αλληλεπίδρασης που υποστηρίζουν και µε το είδος της κίνησης που µπορούν να εκτελέσουν. Ένας βαθµός ελευθερίας αντιστοιχεί σε µία κατεύθυνση κίνησης. Οι συνήθεις βαθµοί ελευθερίας αντιστοιχούν στην κίνηση δεξιά αριστερά (κίνηση στον ά- ξονα X), πάνω κάτω (κίνηση στον άξονα Y), µπροστά πίσω (κίνηση στον άξονα Ζ) και σε περιστροφές γύρω από αυτούς τους άξονες. Έχουν γίνει υλοποιήσεις απτικών συσκευών που προσφέρουν από ένα βαθµό ελευθερίας µέχρι και περισσότερους από έξι βαθµούς ελευθερίας. Οι συσκευές µε πολλούς βαθµούς ελευθερίας έχουν σηµαντικά πιο πολύπλοκη σχεδίαση και απαιτούν εξειδικευµένο υλικό. Οι απτικές συσκευές έχουν διάφορους βαθµούς ελευθερίας. Για παράδειγµα, µια κοινή συσκευή ποντικιού έχει δύο βαθµούς ελευθερίας: µπορεί να κινηθεί αριστερά ή δεξιά, και επίσης µπορεί να κινηθεί µπροστά ή πίσω, αποδίδοντας δύο ανεξάρτητες µετρήσεις θέσης για είσοδο στον υ- πολογιστή. Όµοια, η γνωστή συσκευή παιχνιδιού joystick µπορεί να γείρει δεξιά και αριστερά ή µπροστά και πίσω. Ούτε το ποντίκι, ούτε το joystick είναι απτικές συσκευές, καθώς παρέχουν µόνο είσοδο στον υπολογιστή. Προσθέτοντας κινητήρες ή άλλους µηχανισµούς κίνησης σε αυτές τις συσκευές τους δίνουµε τη δυνατότητα για απτική αλληλεπίδραση, καθώς µπορούν να χρησιµοποιηθούν και σαν συσκευές εισόδου αλλά και σαν συσκευές εξόδου. Πιο εξειδικευµένες συσκευές µε περισσότερους βαθµούς ελευθερίας παρέχουν καλύτερη απτική επικοινωνία. Για παράδειγµα, το ανθρώπινο χέρι είναι ένα σύστηµα το οποίο παρουσιάζει εξαιρετικά µεγάλη πολυπλοκότητα στην κίνησή του. Για τη δηµιουργία ενός αντίστοιχου µηχανικού συστήµατος θα χρειαζόταν µεγάλη προσπάθεια. Μπορεί όµως σχετικά εύκολα να δηµιουργηθεί ένα σύστηµα που να προσοµοιώνει τις κινήσεις του χεριού, δηλαδή τις κινήσεις του ώµου, του αγκώνα και του καρπού, µε ικανοποιητική ακρίβεια, αν θεωρήσουµε τρία διαφορετικά υποσυστή- µατα µε λιγότερους βαθµούς ελευθερίας το καθένα [13]. Το κάθε υποσύστηµα θα αναλαµβάνει την αναπαράσταση µιας σχετικά απλής κίνησης αλλά συνδυασµένα όλα µαζί θα λειτουργούν σα µία συσκευή αρκετών βαθµών ελευθερίας. 18

19 Άλλες απτικές συσκευές σχεδιάζονται και υλοποιούνται έτσι ώστε να προσοµοιώνουν και τις κινήσεις των δάχτυλων του χεριού. Συνήθως, τα απτικά δάχτυλα σχεδιάζονται ώστε να είναι παρόµοια µε τα ανθρώπινα δάχτυλα όσον αφορά τη γεωµετρία και την ικανότητα κίνησης. Τα τρία δάχτυλα που χρησιµοποιούνται είναι ο αντίχειρας, ο δείκτης και το µεσαίο δάχτυλο. Τα άλλα δύο δάχτυλα δε χρησιµοποιούνται για να απλοποιηθεί η σχεδίαση των συσκευών. Το κάθε δάχτυλο έχει τρεις αρθρώσεις και συνεπώς 3 βαθµούς ελευθερίας [14] Τρόπος απτικής αλληλεπίδρασης Ήδη έχουν συµπληρωθεί αρκετά χρόνια έρευνας πάνω στον τοµέα της απτικής αλληλεπίδρασης και οι συσκευές που έχουν δηµιουργηθεί είναι πλέον πολυάριθµες. Ο τρόπος µε τον οποίο ο άνθρωπος αλληλεπιδρά α- πτικά µε το περιβάλλον του είναι ποικιλόµορφος. Μπορούµε να ακου- µπήσουµε κάτι µε ένα δάχτυλο ή µε περισσότερα, µπορούµε να αρπάξουµε κάτι µε ολόκληρη την παλάµη, µπορούµε να αισθανθούµε κάτι µε σχεδόν οποιοδήποτε σηµείο του δέρµατός µας, µπορούµε να συλλέξουµε πληροφορίες για ένα αντικείµενο ψηλαφίζοντάς το ή ακουµπώντας το ακόµη και µε το πόδι µας. Ανάλογα, οι ερευνητές έχουν δηµιουργήσει ποικιλία απτικών συσκευών που καλύπτουν σχεδόν όλους τους προαναφερθέντες τρόπους απτικής αλληλεπίδρασης. Ο πιο συνηθισµένος τρόπος απτικής αλληλεπίδρασης και αυτός που οι περισσότερες απτικές συσκευές προσφέρουν στο χρήστη, είναι η δυνατότητα να χειριστεί ένα αντικείµενο, χωρίς απαραίτητα να το πιάσει αλλά απλά πιέζοντας το µε το δείχτη του χεριού του. Οι περισσότερες απτικές συσκευές λειτουργούν προσφέροντας αυτή τη βασική δυνατότητα µόνο. Κάποιες απτικές συσκευές δίνουν τη δυνατότητα στο χρήστη να πιάσει το εικονικό αντικείµενο χρησιµοποιώντας τον αντίχειρα και τουλάχιστον ένα ακόµα δάχτυλο, για παράδειγµα το παράµεσο. Επιπλέον, ο χρήστης µπορεί να µετακινήσει το αντικείµενο από ένα σηµείο σε ένα άλλο του εικονικού περιβάλλοντος. Βέβαια, υπάρχουν και περιπτώσεις όπου η α- πτική αλληλεπίδραση γίνεται συνδυάζοντας τις παραπάνω δυνατότητες ή χρησιµοποιώντας και άλλες προσεγγίσεις, µε αποτέλεσµα να προσφέρεται πιο ολοκληρωµένη αίσθηση αλληλεπίδρασης στο χρήστη [15]. Ένας από τους πρώτους τρόπους απτικής αλληλεπίδρασης είναι µε τη χρήση γαντιού (glove). Ο χρήστης φορούσε ένα γάντι το οποίο συνδεόταν µε ένα υπολογιστή και µέσω του γαντιού αλληλεπιδρούσε απτικά µε τον εικονικό κόσµο που δηµιουργούσε ο υπολογιστής. Αυτός ο τρόπος απτικής αλληλεπίδρασης λόγω και της ευκολίας στην υλοποίηση διατηρείται 19

20 ακόµη και υπάρχει ένα µεγάλο πλήθος απτικών συσκευών µε τη µορφή γαντιού. Οι εξωσκελετικές απτικές συσκευές αλληλεπίδρασης (exoskeleton) είναι συσκευές οι οποίες µπορούν να προσαρτηθούν τόσο στο χέρι όσο και σε άλλα τµήµατα του ανθρώπινου σώµατος όπως ο βραχίονας, ο ώµος ή ο µηρός. Πρόκειται για µεταλλικές κατασκευές οι οποίες µοιάζουν µε το σκελετό του ανθρώπινου σώµατος και για αυτό τους δόθηκε η ονοµασία εξωσκελετικές. Μία άλλη οµάδα απτικών συσκευών έχει τη µορφή εργαλείων. Συνήθως έχουν τέτοια µορφή και σχήµα ώστε να µοιάζουν µε κάποιο εργαλείο από το συγκεκριµένο χώρο από τον οποίο προέρχονται, όπως για παράδειγµα ένα χειρουργικό ψαλίδι ή ένα νυστέρι. Άλλες φορές έχουν τη µορφή ενός βολικού αντικειµένου όπως ένα στυλό. Γενικά ο χώρος της απτικής αλληλεπίδρασης είναι ακόµη πολύ ενεργός και δραστήριος και προκύπτουν συνεχώς νέες ιδέες και διαφορετικές συσκευές. Επιπλέον, πέραν των προσπαθειών για σχεδιασµό νέων συσκευών απτικής αλληλεπίδρασης δίνεται προσοχή στο συνδυασµό και στον εµπλουτισµό της απτικής αλληλεπίδρασης µε πρόσθετες δυνατότητες ώστε να παρέχει περισσότερες πληροφορίες στο χρήστη. Συγκεκριµένα, στις µαθηµατικές ή επιστηµονικές εφαρµογές, είναι πιθανό ο χρήστης να χρειάζεται να µάθει και τιµές δεδοµένων. Για παράδειγµα, ο χρήστης µπορεί να επιθυµεί να µάθει την τοποθεσία του απτικού περιβάλλοντος στο σύστηµα συντεταγµένων της γραφικής παράστασης των δεδοµένων ή τις µέγιστες και ελάχιστες τιµές των δεδοµένων. Όµως, η αναπαράσταση αριθµών σε ένα καθαρό απτικό περιβάλλον είναι πολύ δύσκολη και δεν επιτυγχάνεται χωρίς τη χρήση του συστήµατος Braille ή κάποιας ανάλογης µε αυτό αναπαράστασης. Μια εναλλακτική πρόταση είναι η χρήση της φωνής. Χρησιµοποιώντας ένα µετατροπέα κειµένου σε φωνή, κάθε αριθµός που λαµβάνεται από τα δεδοµένα µπορεί να εκφωνηθεί µέσω ε- νός συστήµατος αναπαραγωγής φωνής, προκειµένου να γίνει αντιληπτός από το χρήστη [16]. Η δηµιουργία µιας ρεαλιστικής απτικής αλληλεπίδρασης εµπλέκει πολλές παραµέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Έτσι, εκτός από τα µηχανικά και υπολογιστικά τµήµατα που πρέπει να υλοποιήσουν οι δηµιουργοί µιας απτικής συσκευής, ιδιαίτερη προσοχή δίνεται και στην αναπαράσταση των αντικειµένων του εικονικού περιβάλλοντος µε τρόπο που να διευκολύνει το χρήστη στη διαδικασία της απτικής αλληλεπίδρασης και της αντίληψης των αντικειµένων. Για παράδειγµα, όταν οι άνθρωποι εξερευνούν ένα αντικείµενο του φυσικού κόσµου οι πληροφορίες αποθηκεύονται στον εγκέφαλο µε έναν ιεραρχικό τρόπο. Έτσι, στην αρχή αποθηκεύονται οι πιο βασικές πληροφορίες που αφορούν το αντικείµενο και 20

21 στη συνέχεια οι πιο λεπτοµερείς πληροφορίες. ηλαδή, όταν αγγίζει, ψηλαφίζει ή γενικά εξερευνεί ένα αντικείµενο ένας άνθρωπος πρώτα ενδιαφέρεται να αντιληφθεί τα πιο γενικά χαρακτηριστικά του, όπως το σχήµα του και, µετά, λεπτοµέρειες της υφής ή της τραχύτητας της επιφάνειας του αντικειµένου. Σαν αποτέλεσµα, αναπτύσσονται τεχνικές απεικόνισης που να περιγράφουν τα αντικείµενα και τα δεδοµένα σε απτικό περιβάλλον µε τον παραπάνω τρόπο αντίληψης του ανθρώπου [17] Χώρος εργασίας Οι απτικές συσκευές διαχωρίζονται και ως προς το χώρο που προσφέρουν για απτική αλληλεπίδραση. Υπάρχουν συσκευές οι οποίες προσφέρουν ένα περιορισµένο χώρο για αλληλεπίδραση, χώρος ο οποίος δεν ξεπερνάει σε όγκο ένα τµήµα του γραφείου στον οποίο εργαζόµαστε µε ένα υπολογιστή. Άλλες απτικές συσκευές προσφέρουν µεγαλύτερη ευελιξία δίνοντας στο χρήστη τη δυνατότητα να κινείται σε πιο µεγάλο απτικό περιβάλλον. Τέλος, υπάρχουν συσκευές που καταλαµβάνουν πολύ µεγάλο χώρο, όπως τµήµα ενός δωµατίου, για να προσφέρουν ακόµη µεγαλύτερη δυνατότητα για απτική αλληλεπίδραση και να εξυπηρετήσουν συγκεκρι- µένες εφαρµογές [18]. 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2Απτικές Συσκευές 2.1 Γενικά Ένα απτικό σύστηµα απαιτεί δύο υποσυστήµατα: µία απτική συσκευή και ένα υπολογιστικό σύστηµα που επικοινωνεί µε τη συσκευή. Η απτική συσκευή συνήθως περιλαµβάνει τα απαραίτητα εργαλεία απτικής αλληλεπίδρασης τα οποία συνήθως είναι συνδεµένα µε αισθητήρες και µηχανισµούς κίνησης. Ο κύριος σκοπός της απτικής συσκευής είναι να αναπαράγει την αίσθηση της αφής στο χρήστη. Το υπολογιστικό σύστηµα τροφοδοτείται από τους αισθητήρες της απτικής συσκευής και σκοπός του είναι να ενεργοποιήσει το µηχανισµό κίνησης ώστε να προσφέρει στο χρήστη την εµπειρία της απτικής αλληλεπίδρασης [19]. Τόσο η γραφική απεικόνιση ενός αντικειµένου όσο και η απτική αναπαράστασή του έχουν σκοπό να µεταφέρουν µία αίσθηση αλληλεπίδρασης στο χρήστη. Για το λόγο αυτό έχουν κοινά χαρακτηριστικά όπως η αναπαράσταση του σχήµατος ενός αντικειµένου αλλά διαφέρουν ριζικά σε άλλα σηµεία όπως τα µοντέλα αναπαράστασης, οι µαθηµατικές τεχνικές και η υλοποίηση. Αν όλα τα επιµέρους στοιχεία του απτικού συστήµατος έχουν ικανοποιητική ακρίβεια τότε το σύστηµα µπορεί να δηµιουργήσει µία έντονη ε- µπειρία αλληλεπίδρασης µε εικονικά αντικείµενα τα οποία ο χρήστης αισθάνεται σαν πραγµατικά. Η απόδοση της εικονικής πραγµατικότητας µε τρόπο ρεαλιστικό περιέχει τη δυσκολία του υπολογισµού και της δηµιουργίας δυνάµεων οι οποίες θα λειτουργήσουν σαν απόκριση της αλληλεπίδρασης µε τα εικονικά αντικείµενα. Η ικανοποιητική ακρίβεια στη λειτουργία της απτικής συσκευής είναι προαπαιτούµενο για τη σωστή λειτουργία πολλών εφαρµογών. Τα πιο σηµαντικά χαρακτηριστικά που καθορίζουν την ποιοτική λειτουργία µιας απτικής συσκευής είναι η δηµιουργία εικονικών δυνάµεων σε απόκριση πραγµατικών δυνάµεων, η δηµιουργία δύναµης που θα συµπεριφέρεται οµοιόµορφα σε όλες τις επιτρεπόµενες κινήσεις, η σωστή αλληλεπίδραση µε το εικονικό περιβάλλον και ο υψηλός ρυθµός ανανέωσης της ασκού- µενης δύναµης. 22

23 2.2 Κατηγορίες απτικών συσκευών Οι απτικές συσκευές παρουσιάζουν σηµαντικές διαφοροποιήσεις ως προς το σκοπό τον οποίο εξυπηρετούν και τον τρόπο µε τον οποίο είναι κατασκευασµένες. Για το λόγο αυτό µία και µόνο κατηγοριοποίηση των απτικών συσκευών δε θα ήταν ικανή για να καλύψει µε ακρίβεια τις διαφορετικές συσκευές. Ανάλογα λοιπόν µε την πλευρά που κάποιος αντιµετωπίζει µία απτική συσκευή, η συσκευή αυτή µπορεί να ανήκει σε µία ή περισσότερες διαφορετικές κατηγορίες. Ένας διαχωρισµός των κατηγοριών των απτικών συσκευών µπορεί να γίνει µε βάση το εάν µία συσκευή είναι προσαρτηµένη στο γραφείο, στο χρήστη ή σε κάποιο άλλο σταθερό σηµείο [20], [21]. Στη γενική περίπτωση οι συσκευές χωρίζονται σε: επιτραπέζιες απτικές συσκευές (desktop haptic devices) απτικές συσκευές που φοριούνται (wearable haptic devices) Στην κατηγορία των επιτραπέζιων απτικών συσκευών ανήκουν συσκευές οι οποίες είναι ικανές να ασκήσουν µεγάλες δυνάµεις ή έχουν µεγάλο µέγεθος σαν κατασκευές. Επιπλέον, στην κατηγορία αυτή µπορούν να συ- µπεριληφθούν και συσκευές µικρότερου µεγέθους οι οποίες όµως απαιτείται να βρίσκονται σταθερές σε κάποιο ακίνητο σηµείο. Στην κατηγορία των απτικών συσκευών που φοριούνται ανήκουν συσκευές οι οποίες µε κάποιο τρόπο µπορούν να προσαρτηθούν σε κάποιο σηµείο του ανθρώπινου σώµατος. Για παράδειγµα, σε αυτή την κατηγορία ανήκουν οι συσκευές στις οποίες η αλληλεπίδραση γίνεται χρησιµοποιώντας γάντι. Μια άλλη κατηγοριοποίηση [22] των απτικών συσκευών είναι σε: εξωσκελετικές απτικές συσκευές (exoskeleton) σε απτικές συσκευές µε µορφή εργαλείου (tool-type) απτικές συσκευές µε αντικειµενοστραφή προσέγγιση (objectoriented) Οι εξωσκελετικές απτικές συσκευές είναι ένα σύνολο από ενεργοποιητές οι οποίοι είναι προσαρτηµένοι εξωτερικά στο χέρι ή σε κάποιο σηµείο του σώµατος του χρήστη. Οι συσκευές αυτές έχουν χρησιµοποιηθεί σε µεγάλο βαθµό στον τοµέα της Ροµποτικής σα συσκευές που επιτρέπουν χειρισµό από απόσταση. Η ιδέα όµως χρησιµοποιήθηκε και στο χώρο της 23

24 απτικής αλληλεπίδρασης. Οι απτικές συσκευές µε µορφή εργαλείου περιλαµβάνουν εκείνες τις συσκευές στις οποίες το µέσο της αλληλεπίδρασης έχει τη µορφή ενός εργαλείου. Είναι συνήθως οι πιο πρακτικές υλοποιήσεις µιας απτικής συσκευής αφού το µέσο της αλληλεπίδρασης δε χρειάζεται να είναι προσαρτηµένο στο χέρι του χρήστη. Σε ειδικές περιπτώσεις που η µορφή του εργαλείου είναι άµεση αναπαράσταση ενός πραγµατικού εργαλείου από κάποιο χώρο εργασίας, οι απτικές συσκευές αυτές έ- χουν το πλεονέκτηµα της εύκολης εξοικείωσης του χρήστη µε την απτική συσκευή. Τέλος, οι απτικές συσκευές µε αντικειµενοστραφή προσέγγιση προσπαθούν να προσοµοιώσουν το σχήµα εικονικών αντικειµένων κινώντας ή παραµορφώνοντας κάποια κινητά στοιχεία που διαθέτει η συσκευή. Στην περίπτωση αυτών των συσκευών ο χρήστης µπορεί να έρθει σε φυσική επαφή µε το εικονικό αντικείµενο αγγίζοντας την επιφάνειά του. Οι παραπάνω κατηγοριοποιήσεις έχουν γίνει µε βάση τα χαρακτηριστικά των ίδιων των απτικών συσκευών. Πολλές φορές όµως, είναι χρήσιµο να γίνεται κατηγοριοποίηση όχι µε βάση την απτική συσκευή αλλά τον το- µέα εφαρµογής της. Φυσικά, οι κατηγοριοποιήσεις στην περίπτωση αυτή δεν είναι εξαντλητικές αφού δεν είναι δυνατό να αναφερθούν όλοι οι δυνατοί τοµείς εφαρµογής των απτικών συσκευών, αλλά µια τέτοια κατηγοριοποίηση είναι χρήσιµη αφού επιτρέπει την παρουσίαση πολλών α- πτικών συσκευών µε µεγάλες διαφοροποιήσεις µεταξύ τους. Μερικές, ενδεικτικές, κατηγορίες στην περίπτωση κατηγοριοποίησης µε βάση το χώρο εργασίας είναι οι: τηλεχειρισµός και τηλεπαρουσία, µελέτη απτικών παραµέτρων, υποκατάσταση αισθήσεων, δηµιουργία τρισδιάστατων επιφανειών, ψυχαγωγία, συσκευές Braille για άτοµα µε προβλήµατα ό- ρασης κ.α. [23]. Ο χώρος των απτικών συσκευών είναι ένα δραστήριο πεδίο στο οποίο εµφανίζονται διαρκώς νέες ιδέες και νέες προσεγγίσεις. Τα όρια των παραπάνω κατηγοριοποιήσεων είναι ασαφή και παρουσιάζεται µεγάλη διασπορά στις τεχνικές σχεδίασης και υλοποίησης των απτικών συσκευών. Για παράδειγµα έχουν δηµιουργηθεί συσκευές όπως προγραµµατιζόµενα πληκτρολόγια (programmable keyboard), που προσφέρουν την αίσθηση της δύναµης ανάδρασης, ελεγκτές περιστροφής (rotary controllers), στις οποίες ένα περιστρεφόµενο κοµβίο παρέχει απτική αλληλεπίδραση ενώ ταυτόχρονα αποτελεί παράδειγµα απλής και λειτουργικής σχεδίασης, ή συσκευές που ενισχύουν τη ροπή και ταυτόχρονα βασίζονται στην αλληλεπίδραση πολλών δαχτύλων [24]. 24

25 2.3 FEELEX Το FEELEX αποτελεί µια νέα τεχνική αλληλεπίδρασης που συνδυάζει την απτική αίσθηση µε τα γραφικά των υπολογιστών. Σκοπός του FEELEX είναι να παρέχει στους χρήστες οπτική και απτική πληροφορία µέσω µιας επιφάνειας την οποία µπορούν να αγγίζουν µε το χέρι τους. Για την επαφή αυτή δεν απαιτείται ειδικός εξοπλισµός για το χρήστη καθώς µπορεί να χρησιµοποιεί τµήµα του γυµνού χεριού του συµπεριλαµβανοµένης και ολόκληρης της παλάµης του. Εικόνα 3 Σχηµατικό διάγραµµα του FEELEX Στην Εικόνα 3 φαίνεται το σχηµατικό διάγραµµα του FEELEX. Αποτελείται από µια εύκαµπτη οθόνη (flexible screen), µια διάταξη κίνησης, που ονοµάζεται ενεργοποιητής (actuator) και µια συσκευή προβολής (projector). Η διάταξη κίνησης παραµορφώνει την εύκαµπτη οθόνη στην ο- ποία προβάλλεται µια εικόνα από τη συσκευή προβολής. Ο χρήστης µπορεί να αγγίξει την εικόνα απευθείας και να αισθανθεί το σχήµα και την στερεότητα των αντικειµένων που προβάλλονται. 25

26 2.3.1 FEELEX 1 Μέχρι σήµερα έχουν αναπτυχθεί δύο εκδόσεις του FEELEX. Η πρώτη, το FEELEX 1, αναπτύχθηκε το Στην Εικόνα 4 απεικονίζεται το FEELEX 1. Σχεδιάστηκε για αλληλεπίδραση στην οποία ο χρήστης µπορεί να χρησιµοποιήσει και τις δύο παλάµες του. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε το µέγεθος της οθόνης να είναι 24x24 εκατοστά. Η οθόνη συνδέεται µε µια γραµµική διάταξη κίνησης που παραµορφώνει το σχήµα της. Στην Εικόνα 5 φαίνονται οι ενεργοποιητές. Ο κάθε ενεργοποιητής αποτελείται από ένα περιστρεφόµενο κοχλία ο οποίος οδηγείται από ένα κινητήρα συνεχόµενου ρεύµατος. Ο περιστρεφόµενος κοχλίας µετατρέπει την περιστροφή του άξονα του κινητήρα σε γραµµική κίνηση µιας ράβδου. Ο κινητήρας πρέπει να δηµιουργήσει κίνηση και δύναµη αντίδρασης στην οθόνη. Η διάµετρος του πιο µικρού κινητήρα είναι 4 εκατοστά και επο- µένως χρειάζεται µια 6x6 γραµµική διάταξη κίνησης για να κινήσει την οθόνη. Η εύκαµπτη οθόνη κατασκευάζεται από µια ελαστική στρώση και από µία λευκή νάιλον επικάλυψη. Εικόνα 4 FEELEX 1 Εικόνα 5 Γραµµικός ενεργοποιητής Ο περιστρεφόµενος κοχλίας του µηχανισµού κίνησης έχει µια λειτουργία κλειδώµατος που διατηρεί τη θέση του ακόµα και όταν ο κινητήρας δεν είναι σε λειτουργία. Ένα από τα πιο δύσκολα προβλήµατα αναπαράστασης για µία απτική συσκευή είναι η αναπαράσταση ενός εικονικού τοίχου. Στην προσπάθειά τους να αναπαραστήσουν τη σταθερότητα του τοίχου οι περισσότερες απτικές συσκευές αντιµετωπίζουν ανεπιθύµητες ταλαντώσεις. Ο περιστρεφόµενος κοχλίας δεν αντιµετωπίζει αυτό το πρό- 26

27 βληµα. Ένας µαλακός τοίχος µπορεί να αναπαρασταθεί από µία κίνηση των γραµµικών µηχανισµών κίνησης ελεγχόµενη από τον υπολογιστή και βασισµένη σε δεδοµένα από τους ανιχνευτές δύναµης. Ένας ανιχνευτής δύναµης υπάρχει στην κορυφή κάθε µηχανισµού κίνησης. Η θέση από το πάνω άκρο του µηχανισµού κίνησης µετράται από έναν οπτικό κωδικοποιητή που συνδέεται στον άξονα του κινητήρα. Η µέγιστη κίνηση του µηχανισµού κίνησης είναι 80 χιλιοστά και η µέγιστη ταχύτητα είναι 100 χιλιοστά το δευτερόλεπτο. Το σύστηµα ελέγχεται µέσω ενός υπολογιστή. Οι κινητήρες συνδέονται µέσω µιας παράλληλης µονάδας εισόδου/εξόδου και οι ανιχνευτές δύνα- µης από µια µονάδα µετατροπής αναλογικό σε ψηφιακό. Οι ανιχνευτές δύναµης παρέχουν αλληλεπίδραση µε τα γραφικά. Η θέση και το µέτρο της δύναµης που εφαρµόζεται από το χρήστη ανιχνεύονται από µια 6x6 διάταξη ανιχνευτών. Οι εικόνες προβάλλονται πάνω στην εύκαµπτη οθόνη και αλλάζουν σύµφωνα µε τις ασκούµενες δυνάµεις FEELEX 2 Το FEELEX 2, (βλέπε Εικόνα 6) σχεδιάστηκε για να βελτιώσει την ανάλυση της απτικής συσκευής. Για να καθοριστεί η ανάλυση των γραµµικών µηχανισµών κίνησης, θεωρήθηκε η κατάσταση κατά την οποία ένας ιατρός ψηλαφίζει έναν ασθενή. Μετά από πειράµατα που έγιναν βρέθηκε πως η απόσταση µεταξύ του άξονα των µηχανισµών κίνησης πρέπει να είναι µικρότερη από το φάρδος των δαχτύλων. Με βάση την παρατήρηση αυτή, η απόσταση καθορίζεται στα 8 χιλιοστά. Αυτή η ανάλυση επιτρέπει στο χρήστη να συναντήσει τουλάχιστον ένα µηχανισµό κίνησης όταν αγγίζει µια τυχαία θέση στην οθόνη. Το µέγεθος της οθόνης στο FEELEX 2 είναι 50x50 χιλιοστά, γεγονός που επιτρέπει στο χρήστη να µπορεί να χρησιµοποιήσει τρία δάχτυλα. 27

28 Εικόνα 6 Το FEELEX 2 Εικόνα 7 Μηχανισµός στροφαλοφόρου εµβόλου Για να επιτευχθεί η ανάλυση των 8 χιλιοστών, χρειάστηκε να χρησιµοποιηθεί ένας µηχανισµός στροφαλοφόρου εµβόλου για το µηχανισµό κίνησης (βλέπε Εικόνα 7). Το µέγεθος του κινητήρα είναι πολύ µεγαλύτερο από 8 χιλιοστά, εποµένως ο κινητήρας θα έπρεπε να τοποθετηθεί σε µια θέση µακριά από τη ράβδο. Ο µηχανισµός στροφαλοφόρου εµβόλου µπορεί εύκολα να επιτύχει αυτή τη θέση. Η περιστροφή του άξονα του κινητήρα µετατρέπεται σε γραµµική κίνηση της ράβδου από ένα στροφαλοφόρο και ένα σύνδεσµο. Το πλάτος της κίνησης της ράβδου είναι 18 χιλιοστά και η µέγιστη ταχύτητα 250 χιλιοστά το δευτερόλεπτο. Ο κινητήρας µπορεί να εφαρµόσει µία δύναµη 1,1 Kgf στην κορυφή κάθε ράβδου. Η δύναµη αυτή είναι αρκετή για ψηλάφηση µέσω των δαχτύλων. Η εύκαµπτη οθόνη υποστηρίζεται από 23 ράβδους και οι κινητήρες είναι τοποθετηµένοι σε απόσταση από τις ράβδους. Η διάµετρος της κάθε ράβδου είναι 6 χιλιοστά. Επειδή οι ράβδοι έχουν µικρή διάµετρο η µέτρηση της δύναµης που ασκούν δεν µπορεί να γίνει τοποθετώντας ένα µηχανισµό µέτρησης πάνω από τις ράβδους. Αντί για αυτό µετράται το ηλεκτρικό ρεύµα που λειτουργεί τον κάθε κινητήρα για να επιτευχθεί µια εκτί- µηση της τιµής της ασκούµενης δύναµης. Όταν ο χρήστης εφαρµόζει µια δύναµη σε µια ράβδο το ηλεκτρικό ρεύµα στον κινητήρα αυξάνει για να εξισορροπήσει τη δύναµη. Η µικρότερη τιµή της δύναµης που µπορούµε να αισθανθούµε είναι της τάξης του 40 gf. 28

29 2.3.3 Απόδοση του FEELEX Η απόδοση των απτικών συσκευών συνήθως εκτιµάται µε βάση χαρακτηριστικά όπως το εύρος διακύµανσης της δύναµης, της αντίστασης, της αδράνειας, της τριβής. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι σηµαντικά µόνο όταν η συσκευή προσαρτείται στο δάχτυλο ή στο χέρι. Σε αυτή την περίπτωση, η συσκευή κινείται µε το χέρι ακόµα και αν ο χρήστης δεν αγγίζει τα εικονικά αντικείµενα. Αυτό αλλοιώνει τη χρηστικότητα και το εύρος διακύµανσης της δύναµης που καθορίζουν την ποιότητα της εικονικής αναπαράστασης. Το FEELEX δεν προσαρτείται στο χέρι του χρήστη, είναι τελείως ξεχωριστό, κι έτσι η απόδοσή του καθορίζεται από την ανάλυση και την ταχύτητα των µηχανισµών κίνησης. Η ανάλυση του µηχανισµού κίνησης καθορίζει την οµαλότητα της επιφάνειας και η ταχύτητα του µηχανισµού κίνησης την κίνηση του εικονικού αντικειµένου. Το FEELEX 2 έχει βελτιώσει την ανάλυση και την ταχύτητα κίνησης σε σχέση µε το FEELEX 1. Κάθε ενεργοποιητής του FEELEX 2 έχει µια συχνότητα κίνησης ως 7 Hz, που επιτρέπει την αναπαράσταση της κίνησης ενός πολύ γρήγορα κινούµενου εικονικού αντικειµένου. Με συχνότητα 7 Hz, η οποία είναι πολύ πιο γρήγορη από τη συχνότητα των ανθρώπινων σφυγµών, οι ράβδοι µπορούν να κινήσουν την ελαστική επιφάνεια µε τέτοιο τρόπο που ο χρήστης να αισθανθεί το αντικείµενο να πάλλεται Εφαρµογές του FEELEX Το FEELEX βρίσκει εφαρµογές σε πολλά διαφορετικά πεδία στα οποία χρειάζεται µια απτική συσκευή. Ο ιατρικός χώρος είναι ένας από αυτούς. Το FEELEX σχεδιάστηκε για να είναι ένα προσοµοιωτής ψηλάφησης. Η αναπαράσταση ενός εικονικού όγκου µπορεί να γίνει προβάλλοντας την εικόνα του όγκου στην εύκα- µπτη οθόνη του FEELEX. Ο ιατρός, κατόπιν, µπορεί να ψηλαφίσει τα εσωτερικά όργανα πριν την εγχείριση, ενώ η τεχνική αυτή µπορεί να ε- φαρµοστεί και στην τηλεϊατρική. Η σύνδεση δύο FEELEX µέσω µιας γραµµής επικοινωνίας θα έδινε τη δυνατότητα σε ένα ιατρό να ψηλαφίσει έναν ασθενή από απόσταση. Ένα άλλο πεδίο εφαρµογών είναι αυτός της µοντελοποίησης τρισδιάστατων σχηµάτων. Η τρισδιάστατη µοντελοποίηση απαιτεί απτική ανάδραση αφού οι σχεδιαστές πρέπει να χρησιµοποιήσουν την παλάµη τους ή τις αρθρώσεις των δαχτύλων τους για να σχεδιάσουν ένα προσχέδιο του 29

30 σχήµατος. Αυτή είναι µια διαδικασία που το FEELEX επιτρέπει να εκτελεστεί µε φυσικό τρόπο. Το FEELEX µπορεί να χρησιµοποιηθεί και στις οθόνες αφής. Μια οθόνη αφής µπορεί να εµφανίζει µία διεπαφή χρήστη στην οποία να υπάρχουν εικονικά κουµπιά. Οι χρήστες µπορούν να δουν τα εικονικά κουµπιά. Οι χρήστες µπορούν να δουν τα εικονικά κουµπιά αλλά δεν έχουν τρόπο να τα αισθανθούνε. Κάτι τέτοιο αποτελεί πρόβληµα για ένα τυφλό άνθρωπο. Το FEELEX µπορεί να προσφέρει σε µία τέτοια περίπτωση λύση χωρίς περιορισµούς και προβλήµατα. Τέλος, ένα από τα πιο σηµαντικά πεδία εφαρµογής του FEELEX είναι η αλληλεπιδραστική τέχνη. Μέσω του FEELEX µπορεί να δηµιουργηθεί ένα αλληλεπιδραστικό γλυπτό. Συνήθως στους επισκέπτες ενός µουσείου απαγορεύεται να αγγίζουν τα γλυπτά, αλλά χρησιµοποιώντας το FFE- LEX µπορούν και να τα αγγίξουν αλλά και να τους αλλάξουν µορφή ε- φόσον το επιθυµούν. 2.4 PHANTOM Το PHANTOM [25] είναι µία απτική συσκευή που βασίζεται σε µια διαφορετική φιλοσοφία, κατά την οποία µία συσκευή µετράει τη θέση της άκρης του δαχτύλου του χρήστη και µπορεί να ασκήσει µία ελεγχόµενη δύναµη στην άκρη του δαχτύλου. Η συσκευή επιτρέπει στους χρήστες να αλληλεπιδρούν και να αισθάνονται ένα µεγάλο πλήθος εικονικών αντικειµένων και χρησιµοποιείται για τον έλεγχο συσκευών χειρισµού από απόσταση. Ο τρόπος αλληλεπίδρασης µεταξύ ενός χρήστη και του PHANTOM γίνεται µέσω ενός κλειστού µεταλλικού δακτυλίου που έχει τη µορφή δαχτυλήθρας (βλέπε Εικόνα 8). Ο χρήστης εισάγει το δάχτυλό του στο δακτύλιο και το PHANTOM µπορεί να παρακολουθήσει τη κίνηση του δάχτυλου και να ασκήσει δυνάµεις σε αυτό, δίνοντας την ψευδαίσθηση της αλληλεπίδρασης µε στέρεα αντικείµενα. Τη θέση του δακτυλίου µπορεί να πάρει ένα στυλό, όπως φαίνεται στην Εικόνα 9. Στην περίπτωση αυτή ο χρήστης µπορεί να αισθανθεί στην άκρη του στυλό να αγγίζει τις εικονικές επιφάνειες. Το σύστηµα προσφέρει µια πειστική αίσθηση της επαφής, περιορισµούς της κίνησης, αίσθηση της τριβής και της υφής της ε- πιφάνειας και άλλα χαρακτηριστικά των εικονικών αντικειµένων. 30

31 Εικόνα 8 Το PHANTOM µε τη µορφή δαχτυλήθρας Εικόνα 9 To PHANTOM µε τη µορφή στυλό Η σχεδίαση του PHANTOM βασίστηκε σε τρεις παρατηρήσεις: 1. Η κίνηση και η δύναµη είναι τα δύο πιο βασικά στοιχεία της απτικής αλληλεπίδρασης. Ένα σηµαντικό στοιχείο της ανθρώπινης ι- κανότητας να οπτικοποιεί, να θυµάται και να δηµιουργεί γνωστικά µοντέλα της φυσικής δοµής του περιβάλλοντος προέρχεται από τις απτικές αλληλεπιδράσεις µε αντικείµενα του περιβάλλοντος. Η κιναισθησία, η δύναµη και οι αισθήσεις της αφής µαζί µε τις δυνατότητες κίνησης επιτρέπουν την εξερεύνηση, την αντίληψη και την αναδιάταξη των αντικειµένων στο φυσικό κόσµο. 2. Οι περισσότερο σηµαντικές απτικές αλληλεπιδράσεις εµπεριέχουν µικρή ή µηδενική ροπή. Στο PHANTOM επιλέχθηκε να χρησιµοποιηθεί η άκρη του δαχτύλου για την απτική αλληλεπίδραση µέσω του δακτυλίου επειδή παρατηρήθηκε ότι στο σηµείο αυτό οι αλληλεπιδράσεις µε το περιβάλλον εµπεριέχουν µικρή ή µηδενική ροπή. Η ίδια παρατήρηση ισχύει για την άκρη ενός στυλό. Η άκρη της µύτης του στυλό καθώς αγγίζει µία επιφάνεια έχει σχεδόν µηδενική ροπή. Η σχεδίαση µε µηδενική ροπή απλοποιεί τη µηχανική σχεδίαση του PHANTOM. 3. Ένας µικρός χώρος εργασίας είναι αρκετός. Πολλές σηµαντικές απτικές αλληλεπιδράσεις συµβαίνουν στο χώρο στον οποίο µπορεί να κινηθεί η άκρη του δαχτύλου όταν ο βραχίονας εκτελεί περιορισµένη κίνηση. Το µέγεθος του χώρου εργασίας του PHANTOM 31

32 δεν είναι µεγαλύτερο από αυτό ενός πληκτρολόγιου υπολογιστή ή ενός σηµειωµατάριου. Με βάση την πρώτη παρατήρηση καθορίστηκε ο τύπος της απτικής προσοµοίωσης που θα παρείχε το PHANTOM, η δεύτερη παρατήρηση προσδιόρισε το πλήθος των µηχανισµών κίνησης και η τρίτη παρατήρηση καθόρισε τον όγκο του χώρου εργασίας στον οποίο θα λειτουργεί το PHANTOM Μηχανισµός λειτουργίας του PHANTOM Το PHANTOM µπορεί να θεωρηθεί σαν συνδετικός κρίκος ανάµεσα σε τρεις κινητήρες συνεχόµενου ρεύµατος και στο ανθρώπινο δάχτυλο. Στους κινητήρες έχουν προστεθεί ανιχνευτές οι οποίοι ανιχνεύουν τις τρεις συντεταγµένες κίνησης της άκρης του δαχτύλου. Οι κινητήρες ε- λέγχουν τις δυνάµεις που ασκούνται στο χρήστη κατά τους τρεις άξονες. Οι ροπές από τους κινητήρες µεταδίδονται µέσω καλωδίων σε ένα άκα- µπτο αλουµινένιο σύνδεσµο µικρού βάρους. Στην άλλη άκρη του συνδέσµου υπάρχει ένα στήριγµα που επιτρέπει κίνηση τριών βαθµών ελευθερίας και το οποίο είναι συνδεδεµένο στο δακτύλιο. Το PHANTOM επιτρέπει πλήρη ελευθερία κίνησης στο δάχτυλο του χρήστη καθώς αυτό µπορεί να βρίσκεται σε οποιοδήποτε βολικό προσανατολισµό. Επειδή ο χρήστης µπορεί να αναπαρασταθεί από ένα απλό σηµείο µέσα στο σφαιρικό εικονικό περιβάλλον, συγκρούσεις και δυνάµεις αλληλεπίδρασης µέσα στο εικονικό περιβάλλον είναι εύκολα υπολογίσιµες. Το PHANTOM σχεδιάστηκε µε τέτοιο τρόπο ώστε ο πίνακας µετασχη- µατισµού µεταξύ των περιστροφών των κινητήρων και της µετακίνησης του τελικού σηµείου να είναι σχεδόν διαγώνιος. Ο διαχωρισµός των τριών κινητήρων οδηγεί στο επιθυµητό αποτέλεσµα του εύκολου υπολογισµού της τριβής και της αδράνειας. Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της σχεδίασης του PHANTOM είναι ο τρόπος µε τον οποίο κινούνται οι κινητήρες. Συγκεκριµένα, οι δύο από τους τρεις κινητήρες κινούνται µε τέτοιο τρόπο ώστε να εξισορροπούν τη δοµή του συνδέσµου. Αφού το PHANTOM είναι µε στατικό τρόπο ισορροπηµένο δε χρειάζεται να περιορίζεται το δυναµικό εύρος της συσκευής στην προσπάθεια να ισορροπηθεί η κατασκευή µέσω ροπών από τους κινητήρες. Ο πρώτος άξονας περιστροφής του PHANTOM βρίσκεται απευθείας πάνω από τον καρπό του χρήστη. Αυτό βοηθάει στη µείωση της πολυπλοκότητας της κατασκευής αφού επιτρέπει την ταύτιση του σφαιρικού χώρου εργασίας µε τον παρόµοια σφαιρικό χώρο κίνησης του καρπού του χρήστη. 32

33 2.4.2 ηµιουργία εικονικών κόσµων Για τη δηµιουργία εικονικών αντικειµένων µία απτική συσκευή θα πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύσει την κίνηση του χρήστη, να ανιχνεύσει τη σύγκρουση της άκρης του δαχτύλου του χρήστη µε το εικονικό αντικεί- µενο, να υπολογίσει τις δυνάµεις αντίδρασης σαν αποτέλεσµα της επαφής και της κίνησης και να ασκήσει δυνάµεις στο χρήστη. Το PHAN- TOM επιτρέπει την εστίαση στον υπολογισµό των δυνάµεων αντίδρασης αφού τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά υποστηρίζονται από τον τρόπο κατασκευής του PHANTOM. Αυτή η εστίαση στον υπολογισµό των δυνάµεων αντίδρασης επιτρέπει την εύκολη δηµιουργία κανόνων και νόµων συ- µπεριφοράς που µπορούν να δηµιουργήσουν µία µεγάλη ποικιλία αλληλεπιδράσεων και µας επιτρέπει να συνθέσουµε ρεαλιστικούς εικονικούς κόσµους. Για την προσοµοίωση τοίχων χρησιµοποιείται ο νόµος του Hooke. Οι τοίχοι µπορούν να συνδυαστούν µε διάφορους τρόπους για να δώσουν την αίσθηση πολυεδρικών αντικειµένων. Αλλαγές στην ακαµψία των σχηµάτων µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να δώσουν πολλές παραλλαγές στο πως αισθανόµαστε τα αντικείµενα. Τοπικές µεταβολές στη γεωµετρία της επιφάνειας µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να προσο- µοιώσουν επιφάνειες µε τραχεία ή ακανόνιστη υφή. Τα αντικείµενα µπορούν να αποκτήσουν ιδιότητες όπως η µάζα, ιδιότητες που επιτρέπουν στα αντικείµενα να υφίστανται αλλαγές από το χρήστη όπως µετακίνηση ή µεταφορά εκτός των ορίων του εικονικού περιβάλλοντος. Ο χρήστης µπορεί µε ευκολία να διακρίνει τα ογκώδη αντικείµενα από αυτά µικρής µάζας κάνοντας χρήση της αφής Αντίληψη του εικονικού κόσµου Το PHANTOM προσφέρει µια ολοκληρωµένη αντίληψη του εικονικού κόσµου. Οι χρήστες µπορούν µε εύκολο τρόπο να εξοικειωθούν στην περιήγηση του εικονικού κόσµου ενώ οι ενέργειες µέσα σε αυτόν γίνονται µε αρκετά διαισθητικό τρόπο. Το γεγονός ότι η άκρη του δαχτύλου παρουσιάζεται στον εικονικό κόσµο του PHANTOM σαν ένα σηµείο έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση της απτικής ανάλυσης. Στον πραγµατικό κόσµο η ανάλυση περιορίζεται από τον όγκο του δαχτύλου και οι αισθητήρες αφής του ανθρώπου δεν µπορούν να προσφέρουν πληροφορίες για τµήµατα που να αφορούν µικρότερο όγκο. Αντίθετα µε τον πραγµατικό κόσµο, χρησιµοποιώντας το 33

34 PHANTOM, το µέγεθος του δαχτύλου του χρήστη µπορεί να γίνει τόσο µικρό όσο τα δεδοµένα του διακριτού εικονικού κόσµου επιτρέπουν. 2.5 PANTOGRAPH Μία ακόµα απτική συσκευή η οποία χρησιµοποιεί την άκρη ενός δαχτύλου για να µεταδώσει την απτική αλληλεπίδραση είναι το Pantograph [26]. Στην Εικόνα 10 απεικονίζεται το Pantograph. Πρόκειται για µια συσκευή που σύµφωνα µε τους δηµιουργούς της προσφέρει πολύαισθητηριακή (multi-modal) αλληλεπίδραση ανθρώπου υπολογιστή. Το Pantograph αρχικά σχεδιάστηκε για να απευθυνθεί κυρίως στις ανάγκες των ανθρώπων µε προβλήµατα όρασης ώστε να τους προσφέρει πρόσβαση σε πληροφορίες που απεικονίζονται σε γραφικές διεπιφάνειες, αλλά επιπλέον µπορεί να εφαρµοστεί και σε άλλες περιπτώσεις απτικής αλληλεπίδρασης. Η συσκευή στηρίζεται στην κιναισθητική αντίληψη του ανθρώπου, χρησιµοποιεί ήχο και γραφικά για να ενισχύσει την αλληλεπίδραση ανθρώπου υπολογιστή. Εικόνα 10 Το Pantograph Τεχνικά χαρακτηριστικά του Pantograph Το πιο σηµαντικό, ίσως, χαρακτηριστικό του Pantograph είναι ο µεγάλος χώρος εργασίας. Το Pantograph προσφέρει σα χώρο εργασίας µία ορθο- 34

35 γώνια περιοχή µε διαστάσεις 10 cm x 16 cm στην οποία έχει τη δυνατότητα να ασκήσει οµοιόµορφη απόκριση δύναµης µε µέγιστη τιµή 10 Ν. Η συσκευή προσφέρει δύο βαθµούς ελευθερίας και βασίζεται σε ένα σύνδεσµο που, για να παρέχει απόκριση υψηλού εύρους, εξετάστηκαν µε µεγάλη προσοχή και βελτιστοποιήθηκαν παράµετροι που αφορούν το χώρο εργασίας, την κινηµατική, τη δυναµική και τις δοµικές ιδιότητες της συσκευής. Ταυτόχρονα, λήφθηκαν υπόψη οι εργονοµικές απαιτήσεις που προϋποθέτει µία τέτοια απτική συσκευή Μηχανισµός και φυσικό µοντέλο λειτουργίας Το Pantograph µπορεί µε σωστή χρήση να αναπαραστήσει σε πραγµατικό χρόνο αλληλεπιδράσεις µε αντικείµενα του πραγµατικού κόσµου τα οποία εµφανίζουν διάφορες ιδιότητες όπως το να είναι άκαµπτα ή να µην παρουσιάζουν ταλάντωση. Η απόκριση της συσκευής είναι ικανοποιητικής ποιότητας ώστε να δώσει στους χρήστες την αίσθηση επιφάνειας και την κιναισθητική αντίληψη αντικειµένων άκαµπτων, µε συνεχόµενο περίγραµµα, οξείες ακµές κ.α. Αυτά τα χαρακτηριστικά που προσφέρει το Pantograph το καθιστούν χρήσιµο και σαν γενικής χρήσης διεπιφάνεια. Το Pantograph περιλαµβάνει ένα προσωπικό υπολογιστή χαµηλού κόστους, µία κάρτα µετατροπής αναλογικού σε ψηφιακό και ψηφιακού σε αναλογικό των 12 bit, και δύο γραµµικούς ενισχυτές ισχύος. Παρέχει ε- πικοινωνία µέσω οπτικών, ηχητικών και απτικών καναλιών. Τα ηχητικά σήµατα προκύπτουν µε φυσικό τρόπο και δηµιουργούνται από τα σήµατα των ενεργοποιητών που εφαρµόζονται στους κινητήρες, οι οποίοι µε τη σειρά τους ενεργοποιούν τις µεγάλης συχνότητας φυσικές αντηχήσεις της κατασκευής. Για να περιγραφούν χαρακτηριστικά της διεπαφής όπως, κουµπιά, περιγράµµατα παραθύρων και µπάρες µενού, χρησιµοποιήθηκαν φυσικά µοντέλα. Ένα πεδίο δύναµης υπολογίζεται σαν µια συνάρτηση των τιµών µεταβλητών κατάστασης θέσης και ταχύτητας, στις οποίες ο χρήστης έχει τον έλεγχο. Οι χρήστες µπορούν να εξερευνήσουν το πεδίο δύναµης κινώντας το Pantograph, σαν να επρόκειτο για ένα συµβατικό ποντίκι υπολογιστή. Οι δυνάµεις που ασκεί η συσκευή είναι ικανές να αναπαράγουν µε πιστότητα αλληλεπιδράσεις που συµβαίνουν µεταξύ του δαχτύλου του χρήστη και της επιφάνειας µε κάποια συγκεκριµένα χαρακτηριστικά. Με τον κατάλληλο προγραµµατισµό και χρήση της συσκευής, οι χρήστες µπορούν αντιληφθούν τα φυσικά αντικείµενα µέσω της αφής και της κιναισθησίας. 35

36 Επιπλέον τα διάφορα αισθητηριακά κανάλια παρουσιάζονται ταυτόχρονα και συγχρονισµένα στους χρήστες της συσκευής. 2.6 FCS HapticMaster Το FCS HapticMaster [27] είναι µία απτική συσκευή που προσφέρει µεγάλη ακαµψία, µεγάλες τιµές δύναµης και παρουσιάζει υψηλή ευαισθησία στη δύναµη. Επιπλέον, προσφέρει µεγάλο χώρο εργασίας και µια ε- ξαιρετικά υψηλή απτική ανάλυση. Τυπικές εφαρµογές του FCS HapticMaster περιλαµβάνουν την εικονική πραγµατικότητα, την έρευνα στο πεδίο απτικής αλληλεπίδρασης και την ιατρική. Στην Εικόνα 11 απεικονίζεται το FCS Haptic Master. Εικόνα 11 Το FCS HapticMaster Ο αλγόριθµος λειτουργίας Η λειτουργία του FCS HapticMaster στηρίζεται στη µέτρηση της ασκού- µενης δύναµης από το χρήστη, η οποία µετράται κοντά στο ανθρώπινο χέρι µε έναν ευαίσθητο αισθητήρα δύναµης. Κατόπιν, ένα εσωτερικό µοντέλο υπολογίζει τη θέση, την ταχύτητα και την επιτάχυνση, τις οποίες ένα εικονικό αντικείµενο θα αποκτήσει στο χώρο σαν αποτέλεσµα της δύναµης που ασκεί ο χρήστης. Οι τιµές αυτές δίνονται στο µηχανισµό κίνησης του βραχίονα, ο οποίος κάνει τις απαραίτητες κινήσεις χρησιµο- 36

37 ποιώντας τους συµβατικούς νόµους ελέγχου ενός βραχίονα. Ο γενικός αλγόριθµος λειτουργίας φαίνεται στην Εικόνα 12. Το εσωτερικό µοντέλο υποθέτει µια ποσότητα µάζας έτσι ώστε να αποφευχθούν πολύ µεγάλες επιταχύνσεις. Ο εσωτερικός βρόγχος κίνησης φροντίζει ώστε να ακυρώσει την πραγµατική µάζα και την τριβή του µηχανισµού της συσκευής. Χρήστης δύναµη Αισθητήρας δύναµης Μοντέλο εικονικού κόσµου ΘΤΕ* + Ροµποτικός - Ελεγκτής βραχίονας ΘΤΕ* θέση Αισθητήρες *ΘΤΕ: Θέση, Ταχύτητα, Επιτάχυνση FCS HapticMaster Εικόνα 12 Το γενικό σχήµα ελέγχου του FCS HapticMaster Ο µηχανισµός λειτουργίας Ο µηχανισµός λειτουργίας του FCS HapticMaster αποτελείται από δύο κύρια λειτουργικά τµήµατα: το ροµποτικό βραχίονα, και τη µονάδα ελέγχου. Ο ροµποτικός βραχίονας λειτουργεί σαν το µέσο απεικόνισης της δύναµης, ενώ η µονάδα ελέγχου περιέχει τους ενισχυτές και την υπολογιστική µονάδα. Ο µηχανισµός του ροµποτικού βραχίονα κατασκευάστηκε για να προσφέρει οµαλές κινήσεις, πράγµα το οποίο δηµιουργεί τριβή στις αρθρώσεις. Η τριβή που εµφανίζεται στις αρθρώσεις εξαλείφεται από το βρόγχο ελέγχου τουλάχιστον µέχρι την ακρίβεια που επιτρέπει ο αισθητήρας της δύναµης. Το αποτέλεσµα είναι κινήσεις χωρίς αναπηδήσεις και οµαλή συµπεριφορά στο άκρο του βραχίονα. Ο ροµποτικός βραχίονας είναι έτσι κατασκευασµένος ώστε να επιτρέπει την περιστροφή της βάσης, την κίνησή του πάνω ή κάτω και την κίνησή του µέσα ή έξω. Αυτές οι κινήσεις ουσιαστικά αντιστοιχούν σε τρεις βαθµούς ελευθερίας στην κίνηση του άκρου του βραχίονα, ενώ προσδιορίζουν ένα χώρο εργασίας τριών διαστάσεων. Ο χώρος εργασίας έχει ό- γκο περίπου 80 λίτρα. Το FCS HapticMaster έχει κατασκευαστεί µε τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπει την προσάρτηση διαφορετικών άκρων στο τέλος του ροµποτικού 37

38 βραχίονα. Έτσι, ανάλογα µε τους σκοπούς της κάθε εφαρµογής, µπορεί να προστεθεί αυτό ο µηχανισµός που την εξυπηρετεί µε τον καλύτερο τρόπο. Για παράδειγµα, θα µπορούσε να προστεθεί ένα άκρο που να επιτρέπει τρεις επιπλέον περιστροφές, αν κάτι τέτοιο ήταν επιθυµητό Μονάδα ελέγχου Το µοντέλο του εικονικού κόσµου και ο βρόγχος ελέγχου του ροµποτικού βραχίονα εκτελούνται σε ένα προσωπικό υπολογιστή, αποκλειστικά αφιερωµένο στα δύο αυτά καθήκοντα. Ο ρυθµός ανανέωσης του µοντέλου και του βρόγχου ελέγχου φτάνει στα 2500 Hz. Η συχνότητα αυτή είναι κατά προσέγγιση δεκαπλάσια αυτής της συχνότητας κάτω από την οποία ο άνθρωπος αντιλαµβάνεται ασυµφωνίες. Εποµένως είναι αρκετά υψηλή ώστε να εγγυηθεί την ποιότητα που χρειάζεται µια οµαλή και ρεαλιστική απτική εµπειρία. Επιπλέον, µε την χρήση εξειδικευµένου υλικού µειώνεται ο όγκος εργασίας του υπολογιστή που φιλοξενεί την κύρια ε- φαρµογή Το λογισµικό του FCS HapticMaster Το λογισµικό που απαιτείται για την λειτουργία του FCS HapticMaster αποτελείται από ένα προγραµµατιστικό interface για την δηµιουργία των απτικών εικονικών κόσµων, και από ένα λειτουργικό σύστηµα πραγµατικού χρόνου για την αναπαράσταση του εικονικού κόσµου. Η εφαρµογή περιλαµβάνει και χειρίζεται λεπτοµέρειες όπως, τα πρωτόκολλα επικοινωνίας, το βρόγχο ελέγχου, τον έλεγχο σύγκρουσης µε τα εικονικά αντικείµενα κ.α. Το προγραµµατιστικό interface προσφέρει δυνατότητες ελέγχου της α- πτικής συσκευής και της εσωτερικής της κατάστασης και δίνει τη δυνατότητα ορισµού ή τροποποίησης των εικονικών κόσµων. Μπορούν να δηµιουργηθούν διάφορα απτικά εφέ και να οριστούν απλά γεωµετρικά σχήµατα, όπως σφαίρες, κώνοι και κύβοι. Επίσης το interface προσφέρει δυνατότητες ανάγνωσης της µετρούµενης δύναµης, της θέσης και της ταχύτητας. Ο αλγόριθµος ανίχνευσης σύγκρουσης είναι ενσωµατωµένος στο λειτουργικό σύστηµα πραγµατικού χρόνου. Όταν συµβεί µια σύγκρουση του άκρου του ροµποτικού βραχίονα µε ένα εικονικό αντικείµενο, θα πρέπει να δηµιουργηθεί µια κατάλληλη δύναµη και µια µετατόπιση και να παρουσιαστούν στο χρήστη. Η σχέση ανάµεσα στη δύναµη και στη µετατόπιση δίνεται από τις ιδιότητες του αντικειµένου (ακαµψία, ταλάντωση, 38

39 τριβή κ.α.). Στην περίπτωση της σύγκρουσης ο αλγόριθµος ανίχνευσης σύγκρουσης µε µια µέθοδο που βασίζεται σε ποινές, υπολογίζει αυτή τη σχέση δύναµης µετατόπισης Απτική απόδοση Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του FCS HapticMaster φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί: Τεχνικά χαρακτηριστικά του FCS HapticMaster Χαρακτηριστικό Τιµή Χώρος εργασίας m 3 Ανάλυση θέσης m Ακαµψία N/m Τυπική/µέγιστη τιµή δύναµης 100/250 N Ελάχιστη αδράνεια άκρου 2 kg Μέγιστη ταχύτητα 1 m/s Μέγιστη επιβράδυνση 50 m/s 2 Ευαισθησία δύναµης 0,01 Ν Η συνάρτηση µεταφοράς H N( ω) µιας απτικής συσκευής στο άκρο του ροµποτικού βραχίονα µπορεί να εκφραστεί µε το πηλίκο της επιτάχυνσης µε την οποία ζητήθηκε να κινηθεί το άκρο ( a C ) προς τη µετρηθείσα επιτάχυνση ( a M ) am ( ) ( ω) H N ω =, a ( ω) όπου N είναι ο βαθµός ελευθερίας. Αν υποθέσουµε ότι ο αισθητήρας δύναµης είναι αρκετά γρήγορος, τότε η δύναµη στο άκρο του ροµποτικού βραχίονα είναι ανάλογη της επιτάχυνσης στο ίδιο σηµείο. Στην Εικόνα 13 φαίνεται η γραφική παράσταση της συνάρτησης µεταφοράς για την κίνηση πάνω/κάτω και για συχνότητες µέχρι 25 Hz. Η γραφική παράσταση είναι σχεδόν ευθεία µέχρι τα 10 Hz, µε µια εµφάνιση κλίσης στις συχνότητες 10 ως 25 Hz. C 39

40 Εικόνα 13 Η συνάρτηση µεταφοράς για την κατακόρυφη κίνηση του ροµποτικού βραχίονα του FCS HapticMaster Οι περισσότερες απτικές συσκευές όταν προσφέρουν µεγάλο χώρο εργασίας έχουν µικρότερη ακρίβεια στην τοποθέτηση του άκρου του ροµποτικού βραχίονα σε σχέση µε τις συσκευές που προσφέρουν µικρό χώρο εργασίας. Αυτό είναι κάτι το λογικό αν σκεφτεί κανείς ότι για να µπορέσει να έχει την ίδια ακρίβεια µια συσκευή που προσφέρει µεγάλο χώρο εργασίας θα πρέπει οι περιστροφικές κινήσεις των αρθρώσεων να είναι πιο ακριβείς. Το µέγεθος του χώρου εργασίας µπορεί να µετρηθεί µε την απτική ανάλυση η οποία λαµβάνοντας υπόψη τα προαναφερθέντα, ορίζεται σαν: HR= χώρος εργασίας ( ανάλυσηθέσης) 3 Η απτική ανάλυση δίνει µια προσέγγιση του πλήθους των ογκοµετρικών µονάδων (volumetric units - voxels) που η συσκευή µπορεί να απεικονίσει στο χώρο. Η απτική ανάλυση για το FCS HapticMaster φτάνει στα 1, voxels. 2.7 Fingertip Haptic Display Η απτική συσκευή Fingertip Haptic Display (FHD) [28] είναι µια συσκευή που λειτουργεί µε την απτική επαφή των άκρων των δαχτύλων. Ο µηχανισµός του προσφέρει δύο βαθµούς ελευθερίας και είναι βελτιστο- 40

41 ποιηµένος ώστε να παρέχει άνετο χώρο εργασίας και για τα πέντε ανθρώπινα δάχτυλα. Αυτό σηµαίνει πως ακόµη και αν τα δάχτυλα είναι τελείως ανοιχτά ή τελείως κλειστά ο χώρος εργασίας είναι αρκετός. Ο µηχανισµός των ενεργοποιητών της συσκευής προσφέρει χαµηλή ροπή, µικρή αδράνεια και µικρή στατική τριβή επιτρέποντας τη δηµιουργία ενός απτικού συστήµατος µε υψηλή ποιότητα αλληλεπίδρασης, ενώ, ταυτόχρονα, το καθιστά ιδανικό για ένα µεγάλο πλήθος εφαρµογών. Ο τρόπος κατασκευής είναι τέτοιος ώστε πολύ εύκολα να µπορούν να συνενωθούν δύο ή περισσότερες συσκευές για να προσφέρουν απτική αλληλεπίδραση µε χρήση περισσότερων του ενός δαχτύλων, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 14. Εικόνα 14 Το FHD σε διάταξη πολλαπλών δαχτύλων Μηχανισµός λειτουργίας και τεχνικά χαρακτηριστικά Η ανθρώπινη φυσιολογία επιτρέπει την ανίχνευση λεπτοµερειών που µπορούν να είναι τόσο µικρές όσο 1µm. Για το λόγο αυτό, και λαµβάνοντας υπόψη τη γεωµετρία κατασκευής του FHD, η ανάλυση στη κίνηση των αρθρώσεων έπρεπε να είναι της τάξης των 10µrad ή και καλύτερη. Ένας επιπρόσθετος σχεδιαστικός στόχος για το Fingertip Haptic Display ήταν να µείνει η συσκευή αρκετά στενή για να επιτρέπεται η συνένωση αρκετών συσκευών ώστε να υποστηριχθεί η λειτουργία µε χρήση πολλαπλών δαχτύλων. Ο στόχος αυτός επιτεύχθηκε σε µεγάλο βαθµό αφού το τελικό αποτέλεσµα είναι µια συσκευή µε πλάτος περίπου 27 mm. Ταυτόχρονα, υπάρχει αρκετός εσωτερικός χώρος στη συσκευή ώστε να τοποθετηθούν αισθητήρες κίνησης εσωτερικά. Οι αισθητήρες που τελικά τοποθετήθηκαν στο εσωτερικό του FHD επιτρέπουν την εµφάνιση µικρότερων λαθών στην κίνηση και εµφανίζουν µεγάλο βαθµό ανεκτικότητας στη ευθυγράµµιση του µηχανισµού κίνησης. Βασίζονται στην εκποµπή δέσµης λέιζερ και στη χρήση πολλών βο- 41

42 ηθητικών γραµµών πλέγµατος ώστε να µειώσουν τα λάθη ακρίβειας που εισάγει το ίδιο το πλέγµα κατά τον υπολογισµό της απόκλισης της δέσµης λέιζερ. Κάποιες λεπτοµέρειες από τη διάταξη των αισθητήρων φαίνεται στην Εικόνα 15. Εικόνα 15 Ενσωµάτωση του αισθητήρα Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του FHD φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί: Τεχνικά χαρακτηριστικά του FHD Χαρακτηριστικό Τιµή Ροπή ενεργοποιητή 164 Nmm Μέγιστο ρεύµα 1,4 A Ανάλυση ροπής 0,036 Nmm Ανάλυση θέσης άρθρωσης 6 µrad Ανάλυση θέσης ακροδάχτυλου 0,6 µm Η επικοινωνία της απτικής συσκευής γίνεται µε µια κάρτα επέκτασης που βασίζεται στο πρωτόκολλο USB 2.0. Η κάρτα επέκτασης περιλαµβάνει µετρητές για τους αισθητήρες, µετατροπείς από αναλογικό σε ψηφιακό και µετατροπείς από ψηφιακό σε αναλογικό. Οι µετρητές είναι µεγέθους 24 bits για να προσφέρουν υψηλή ανάλυση στις εφαρµογές. Οι µετατροπείς έχουν ανάλυση 16 bits σε εύρος τάσης ±10 V. Ο βρόγχος ελέγχου εκτελείται στον προσωπικό υπολογιστή που φιλοξενεί την εφαρµογή µε ρυθµό εκτέλεσης 1 khz χρησιµοποιώντας λειτουργικό σύστηµα πραγµατικού χρόνου. 42

43 2.7.2 Απόδοση απτικής συσκευής Η επιλογή των επιµέρους δοµικών τµηµάτων που αποτελούν την απτική συσκευή FHD έγινε µε τέτοιο τρόπο ώστε, τελικά, να προσφέρεται στο χρήστη µια απτική αλληλεπίδραση υψηλής ποιότητας. Με τη χρήση ενός θερµικού µοντέλου για την εµφάνιση θερµότητας στους ενεργοποιητές έγινε δυνατή η αναλυτική µελέτη της συµπεριφοράς τους. Με τον τρόπο αυτό µεγιστοποιήθηκε η διαθέσιµη ροπή, ενώ ελαχιστοποιήθηκε η θερµοκρασία που αναπτύσσεται στους ενεργοποιητές. Με την ενσωµάτωση των αισθητήρων θέσης, η απτική συσκευή FHD προσφέρει τη δυνατότητα υποστήριξης πολλών δαχτύλων. Αυτό είναι δυνατόν αφού πολλές συσκευές FHD µπορούν να συνενωθούν µπαίνοντας η µια δίπλα στην άλλη. Έτσι γίνεται πολύ εύκολο να δηµιουργηθεί µια συσκευή από την ένωση τεσσάρων άλλων και να προσφέρει υποστήριξη για το δείκτη, το µεσαίο, τον παράµεσο και το µικρό δάχτυλο. Για να σχεδιαστεί µια πλατφόρµα που θα προσαρµόζεται στα διαφορετικά µεγέθη της ανθρώπινης παλάµης και στις διακυµάνσεις του µεγέθους των δαχτύλων χρειάστηκε να δηµιουργηθεί ένα απλό µοντέλο γεωµετρίας της ανθρώπινης παλάµης. Το αποτέλεσµα φαίνεται στην Εικόνα 14, όπου µε τη συνένωση τεσσάρων συσκευών έχουµε υποστήριξη για τα τέσσερα δάχτυλα εκτός του αντίχειρα. 2.8 VisHap Μια άλλη απτική συσκευή είναι το VisHap [29]. Η φιλοσοφία της δηµιουργίας του στηρίζεται στη παρατήρηση πως οι περισσότερες απτικές συσκευές απαιτούν από το χρήστη να είναι συνδεδεµένος µε κάποιο τρόπο µε την απτική συσκευή. Αυτό απαιτείται ακόµη και αν ο χρήστης δεν αλληλεπιδρά συνεχώς µε τη συσκευή ή ακόµη και αν δεν του ασκείται δύναµη ανάδρασης από τη συσκευή. Αυτή όµως, η συνεχής επαφή, µειώνει την απτική αντίληψη του χρήστη αφού δεν του επιτρέπει να λαµβάνει νέες απτικές πληροφορίες κατά την επαφή του µε τα εικονικά αντικείµενα. Το VisHap ακολουθεί µια διαφορετική προσέγγιση. Χρησιµοποιεί ανίχνευση µέσω όρασης για να ενσωµατώσει τη δύναµη ανάδρασης και την ανάδραση της αίσθησης επιφάνειας και να προσφέρει µια ολοκληρωµένη 43

44 απτική εµπειρία. Το VisHap επιτρέπει στο χρήστη να αλληλεπιδράσει µε συνδυασµούς από πραγµατικά και εικονικά αντικείµενα και προσφέρεται για τη δηµιουργία εικονικών κόσµων µε επαυξηµένες δυνατότητες. Η βασική ιδέα του VisHap είναι να χρησιµοποιηθεί ένα σύστηµα µηχανικής όρασης το οποίο θα παρακολουθεί τις κινήσεις του χρήστη. Με αυτόν τον τρόπο η άµεση φυσική επαφή µε κάποιο απτικό µέσο θα είναι περιττή. Επιπλέον, θα γίνεται εφικτή η αλληλεπίδραση µε φυσικό τρόπο τόσο µε πραγµατικά όσο και µε εικονικά αντικείµενα, συνδυάζοντας ε- νεργητική και παθητική απτική αλληλεπίδραση Σχεδίαση και υλοποίηση του VisHap Το VisHap αποτελείται από τρία τµήµατα: την όραση, το απτικό και το υποσύστηµα κόσµου. Στην Εικόνα 16 φαίνεται το VisHap. Ο χρήστης αλληλεπιδρά µε έναν επαυξηµένο εικονικό κόσµο που αποτελείται από αρκετά εικονικά επίπεδα γύρω από το χώρο εργασίας και ένα παθητικό απτικό αντικείµενο (πρόκειται για ένα πλήκτρο όµοιο µε αυτά ενός τυπικού πληκτρολογίου) που είναι προσαρτηµένο σε µια απτική συσκευή. Το σύστηµα της στερεοσκοπικής κάµερας παρακολουθεί το δάχτυλο του χρήστη στον τρισδιάστατο χώρο. Ο χρήστης µπορεί να παρακολουθήσει τη σκηνή από µια απλή οθόνη υπολογιστή ή ένα οπτικό σύστηµα προσαρµοσµένο στο κεφάλι (κράνος, γυαλιά κ.α.). Εικόνα 16 Η απτική συσκευή VisHap Το υποσύστηµα της όρασης αποτελείται από τη στερεοσκοπική κάµερα και ένα λογισµικό παρακολούθησης της κίνησης. Είναι υπεύθυνο για τη σύλληψη της σκηνής και την παρακολούθηση του δαχτύλου του χρήστη 44

45 σε πραγµατικό χρόνο. Αφού απαιτείται η αντιστοίχηση ανάµεσα στο µοντέλο της όρασης και το απτικό µοντέλο θα πρέπει ότι βλέπουµε να το αντιλαµβανόµαστε και απτικά µε τον ίδιο τρόπο οι δύο κάµερες έχουν ρυθµιστεί µε τέτοιο τρόπο ώστε να είναι εφικτός ο υπολογισµός της θέσης του δαχτύλου στον τρισδιάστατο χώρο για το σύστηµα συντεταγµένων της µιας κάµερας. Για να αυξηθεί ευελιξία του συστήµατος χρησιµοποιήθηκε αυτόµατος εντοπισµός και παρακολούθηση του δαχτύλου χωρίς τη χρήση κανενός διακριτικό σηµαδιού ή ειδικού µέσου όρασης. Το απτικό υποσύστηµα, που αποτελείται από µια απτική συσκευή, είναι ο σύνδεσµος ανάµεσα στον εικονικό κόσµο και το χρήστη. Όταν ο χρήστης είναι µακριά από τα αντικείµενα στο περιβάλλον (το πόσο µακριά καθορίζεται από την τιµή ενός κατωφλίου) η απτική συσκευή είναι ακίνητη και ο χρήστης µπορεί, ελεύθερα, να κινεί το χέρι του στο χώρο. Όταν ο χρήστης βρίσκεται σε επαφή µε ένα εικονικό αντικείµενο, το απτικό υ- ποσύστηµα του προσφέρει την αίσθηση της αλληλεπίδρασης µέσω της δύναµης ανάδρασης. Για να δοθεί η αίσθηση της αλληλεπίδρασης µε διαφορετικά αντικείµενα και κάτω από διαφορετικά σενάρια αλληλεπίδρασης, το απτικό υποσύστηµα δηµιουργεί τις αντίστοιχες δυνάµεις ανάδρασης που χρειάζονται. Για να µπορεί το απτικό υποσύστηµα να προσφέρει την ανάδραση από την αίσθηση επιφάνειας ένα πραγµατικό παθητικό απτικό αντικείµενο είναι τοποθετηµένο στην άκρη της απτικής συσκευής. Το υποσύστηµα κόσµου λειτουργεί σαν επόπτης του υποσυστήµατος της όρασης και του απτικού υποσυστήµατος. Είναι υπεύθυνο για τον ορισµό και τις ρυθµίσεις όλου του εικονικού κόσµου, το προσδιορισµό των ιδιοτήτων όλων των εικονικών και των πραγµατικών αντικειµένων (ιδιότητες όπως θέση, προσανατολισµός, ιδιότητες επιφάνειας κ.α.), την απεικόνιση του εικονικού κόσµου στο χρήστη και τη φροντίδα για την ταύτιση µεταξύ του υποσυστήµατος όρασης και του απτικού υποσυστήµατος. Κάθε στιγµή, ζητά από το υποσύστηµα της όρασης πληροφορίες για τη θέση του δαχτύλου ώστε να µπορέσει να ελέγξει αν το δάχτυλο είναι µέσα στη σκηνή. Αν κάτι τέτοιο συµβαίνει µετασχηµατίζει το διάνυσµα θέσης και ταχύτητας του δαχτύλου στο σύστηµα συντεταγµένων του υποσυστήµατος κόσµου. Όταν το δάχτυλο βρεθεί κοντά σε συγκεκριµένα εικονικά ή πραγµατικά αντικείµενα, πράγµα που σηµαίνει πως είναι πιθανή µια αλληλεπίδραση, αποστέλλει τις θέσεις του δαχτύλου και του αντικει- µένου στο απτικό υποσύστηµα και το ενηµερώνει, ώστε να προετοιµαστεί για την επικείµενη αλληλεπίδραση. Κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης συνεχίζει να στέλνει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες στο απτι- 45

46 κό υποσύστηµα κρατώντας το ενήµερο για την πορεία της αλληλεπίδρασης. Η γραφική αναπαράσταση του περιβάλλοντος γίνεται χρησιµοποιώντας τα τυπικά γραφικά υπολογιστών και τις τυπικές τεχνικές επεξεργασίας βίντεο. Στην εικονική πραγµατικότητα, το βίντεο της σκηνής εµφανίζεται στο χρήστη, αφού προηγουµένως έχει αφαιρεθεί από τις εικόνες η απτική συσκευή και έχει προστεθεί το εικονικό αντικείµενο. Για την επίτευξη καλύτερων αποτελεσµάτων µπορεί να χρησιµοποιηθεί µια οθόνη προσαρτηµένη στο κεφάλι του χρήστη ή να γίνει χρήση εξειδικευµένων γυαλιών Απόδοση VisHap Το VisHap είναι µια ευέλικτη και επεκτάσιµη απτική συσκευή, υποστηρίζει πολλούς τρόπους αλληλεπίδρασης και επιτρέπει την εύκολη ενσω- µάτωση µε επαυξηµένα συστήµατα εικονικής πραγµατικότητας. Το απτικό υποσύστηµα φροντίζει ώστε, στην περίπτωση επαφής µε ένα εικονικό αντικείµενο, να υπάρχει φυσική επαφή µε το απτικό µέσο της συσκευής. Όταν πραγµατοποιηθεί η επαφή, ένας υβριδικός έλεγχος επιτρέπει στο χρήστη να αισθανθεί την εικονική δυναµική σε τέτοια κατεύθυνση που να συµβαδίζει µε την επιφάνεια του αντικειµένου. Ταυτόχρονα, φροντίζει να διατηρείται η θέση του απτικού µέσου ακριβώς πίσω από το δάχτυλο του χρήστη. Το είδος της αλληλεπίδρασης εξαρτάται από το µοντέλο που υπάρχει για το περιβάλλον. Το επαυξηµένο µοντέλο περιβάλλοντος φροντίζει για τον ορισµό της φυσικής διάταξης και τις ιδιότητες των εικονικών και των πραγµατικών αντικειµένων. Το τελικό αποτέλεσµα είναι ότι το VisHap προσφέρει µια ολοκληρωµένη αίσθηση αλληλεπίδρασης που προέρχεται τόσο από την επαφή µε φυσικά αντικείµενα όσο και µε εικονικά. 46

47 2.9 Morpheotron Το Morpheotron [30] είναι µια απτική συσκευή η οποία σχεδιάστηκε ώ- στε να προσφέρει εκτός από τις συνηθισµένες απτικές αλληλεπιδράσεις και την απτική αίσθηση της αλληλεπίδρασης µε καµπύλες επιφάνειες. Πρόκειται για ένα σφαιρικό µηχανισµό δύο βαθµών ελευθερίας που ε- λέγχεται από έναν κινητήρα. Η συσκευή λειτουργεί περιστρέφοντας µία επίπεδη επιφάνεια κάτω από το άκρο του δαχτύλου κατά τη διάρκεια ε- ξερεύνησης µιας εικονικής επιφάνειας. Όλες οι υπόλοιπες πληροφορίες που υπό φυσιολογικές συνθήκες είναι διαθέσιµες αφαιρούνται από το Morpheotron συµπεριλαµβανοµένου και αυτών από την κιναισθησία. Στην Εικόνα 17 φαίνεται το Morpheotron καθώς και η επιφάνεια επαφής του. Το Morpheotron αν και είναι µια σχετικά απλή συσκευή µπορεί να δώσει την αίσθηση της καµπυλότητας µιας επιφάνειας σε επίπεδα συγκρίσιµα µε αυτά της απευθείας φυσικής επαφής µε τα πραγµατικά αντικείµενα και τα ερεθίσµατα που παρέχει στους χρήστες είναι ικανά να δώσουν την ψευδαίσθηση της αλληλεπίδρασης µε τρισδιάστατες επιφάνειες. Εικόνα 17 Το Morpheotron και επιφάνεια επαφής Μηχανισµός λειτουργίας Ο µηχανισµός λειτουργίας του Morpheotron βασίζεται στον προσανατολισµό µίας επιφάνειας γύρω από το κέντρο της περιστροφής το οποίο βρίσκεται στο εσωτερικό του δαχτύλου του χρήστη καθώς αυτό ακουµπά στην επιφάνεια. Η επαφή γίνεται µε το άκρο του δαχτύλου να ακουµπά στην επιφάνεια µε τέτοιο τρόπο ώστε το κόκαλο στο εσωτερικό του δαχτύλου να βρίσκεται όσο πιο κοντά γίνεται προς την επιφάνεια. Καθώς η επιφάνεια αλλάζει προσανατολισµό, µοιάζει σαν η επιφάνεια να γλιστρά πάνω στο δάχτυλο ενώ το κόκαλο στην άκρη του δαχτύλου παραµένει ουσιαστικά ακίνητο. Με αυτό τον τρόπο, το Morpheotron µιµείται την 47

48 παραµόρφωση που προκαλεί ένα αντικείµενο στο δάχτυλο και δηµιουργεί µία ισχυρή αίσθηση του σχήµατος. Το Morpheotron σχεδιάστηκε µε έναν σφαιρικό σύνδεσµο πέντε αξόνων έτσι ώστε ο ενεργός σύνδεσµος να περιστρέφεται γύρω από ένα σταθερό σηµείο το οποίο ονοµάζεται το κέντρο της περιστροφής. Το κέντρο της περιστροφής βρίσκεται 3 mm πάνω από µία µη ολισθηρή επιφάνεια στην οποία ακουµπά το δάχτυλο. Με αυτό τον τρόπο η συσκευή µπορεί να α- πεικονίσει εικονικές επιφάνειες τριών διαστάσεων. Ο µηχανισµός κινείται από µικροσκοπικούς κινητήρες συνεχόµενου ρεύ- µατος και χρησιµοποιεί γρανάζια για τη µετάδοση της κίνησης. Η χρήση γραναζιών επιτρέπει τον προσανατολισµό της επιφάνειας εφαπτοµενικά ως προς το εικονικό αντικείµενο µε το οποίο υπάρχει αλληλεπίδραση. Το Morpheotron µπορεί να ελεγχθεί είτε µε τη χρήση πλατφόρµας µετακίνησης ή και χωρίς αυτή. Σε οποιαδήποτε περίπτωση η θέση επαφής µε µια εικονική επιφάνεια εντοπίζεται χρησιµοποιώντας ένα οπτικό σύστη- µα ανίχνευσης παρόµοιο µε αυτά που υπάρχουν σε υψηλής ποιότητας ποντίκια υπολογιστή. Όταν η συσκευή τοποθετείται πάνω σε µια πλατφόρµα µετακίνησης το οπτικό σύστηµα ανίχνευσης που είναι ενσωµατω- µένο στην κάτω πλευρά της πλατφόρµας δίνει τη θέση επαφής. Αν η πλατφόρµα µετακίνησης δε χρησιµοποιηθεί, η συσκευή είναι ακινητοποιηµένη και η θέση επαφής δίνεται χρησιµοποιώντας το οπτικό σύστη- µα ανίχνευσης ενός ξεχωριστού ποντικιού υπολογιστή. Και µε τους δύο τρόπους λειτουργίας το δάχτυλο που δέχεται την εικονική διέγερση παραµένει σταθερό στην επιφάνεια της συσκευής ενώ η θέση πάνω στην εικονική διέγερση αποκτάται χρησιµοποιώντας µια ποικιλία από µεθόδους εξερεύνησης, όπως πλευρικές και σπειροειδείς κινήσεις, του οπτικού συστήµατος ανίχνευσης. Όταν ο χρήστης εξερευνά επιφάνειες το Morpheotron επιτρέπει την κίνηση σε µία περιοχή µε διαστάσεις 280x280 mm. Παρόλα αυτά, οι πληροφορίες που αφορούν το σχήµα δίνονται σε ένα παράθυρο µε διαστάσεις µόνο 50x50 mm και η επιφάνεια επαφής ακινητοποιείται αν η εξερεύνηση ξεπερνά τα όρια αυτού του παραθύρου Απόδοση απτικής συσκευής Οι περισσότερες απτικές συσκευές βασίζουν τις πληροφορίες σχήµατος και καµπυλότητας στη δύναµη ανάδρασης, υποθέτοντας ότι ένα εικονικό µέσο εξερεύνησης (virtual probe) λειτουργεί σαν ενδιάµεσος ανάµεσα στο ερέθισµα και στο δάχτυλο του χρήστη. Με απεικονίσεις που βασίζονται σε αυτή την υπόθεση, οι πληροφορίες σχήµατος και καµπυλότητας είναι 48

49 στην καλύτερη περίπτωση ανεπαρκείς και µοιάζει σαν κάποιος να προσπαθεί να εξερευνήσει το σχήµα ενός πραγµατικού αντικειµένου χρησι- µοποιώντας ένα στυλό. Στην πραγµατικότητα, η κατανεµηµένη παραµόρφωση των άκρων των δαχτύλων σαν αποτέλεσµα της άµεσης επαφής είναι µεγάλης σηµασίας και αποτελεί το κλειδί για πολλές απτικές εργασίες. Το Morpheotron καταφέρνει να αφαιρέσει όλων των ειδών τις απτικές αλληλεπιδράσεις ε- κτός από αυτή της παραµόρφωσης του άκρου των δαχτύλων και η παρα- µόρφωση αυτή γίνεται µε τέτοιο τρόπο που να αντιστοιχεί µε αυτόν της εξερεύνησης πραγµατικών αντικειµένων. Η Εικόνα 18 δείχνει την ιδέα που προαναφέρθηκε. Εικόνα 18 Η παραµόρφωση των δακτύλων κατά την αντίληψη ενός σχήµατος Στην εικόνα φαίνεται το δάχτυλο καθώς κινείται πάνω σε ένα αντικείµενο προκειµένου να αισθανθούµε το σχήµα του. Αν και πολλές διαφορετικές κινήσεις είναι δυνατές για τη συγκεκριµένη εργασία, οι κινήσεις που αφήνουν το προσανατολισµό του δαχτύλου αµετάβλητο, όπως είναι η κίνηση προς το πλάι, είναι οι πιο συνηθισµένες. Το µόνο απτικό στοιχείο που προσφέρει το Morpheotron, η παραµόρφωση του άκρου το δαχτύλου στην περιοχή επαφής, είναι πολύ αποτελεσµατικό. Μάλιστα, για αντικείµενα µε ακτίνα καµπυλότητας µέχρι 0,25 m, προσφέρει σχεδόν ισοδύναµη αλληλεπίδραση µε αυτή της φυσικής επαφής µε τα αντικείµενα. Παρά το γεγονός πως α) δεν υπήρχαν πληροφορίες που να αφορούν τις αλλαγές στη δύναµη αλληλεπίδρασης λόγω σχή- µατος (µια και ο χρήστης αποφασίζει για τη δύναµη που θα ασκήσει καθώς εξερευνά µία επιφάνεια), β) αφού η επιφάνεια επαφής είναι πάντοτε επίπεδη και εποµένως δεν µπορεί να προσφέρει πληροφορίες που να προέρχονται από αλλαγές στη κίνηση του δαχτύλου και γ) δεν υπάρχουν καθόλου κιναισθητικά στοιχεία σχετικά µε το σχήµα αφού η άκρη του δαχτύλου πάντα κινείται σε ένα επίπεδο ή δεν κινείται καθόλου, η αναγνώριση του σχήµατος των αντικειµένων γίνεται µε τη χρήση του Morpheotron µε µεγάλη επιτυχία. 49

50 2.10 Haptic Paddle Το Haptic Paddle [31] είναι µια απλή απτική συσκευή χαµηλού κόστους µε ένα µόνο άξονα κίνησης (βλέπε Εικόνα 19). Πρόκειται στην ουσία για ένα µοχλό υπολογιστή (joystick) µε δυνατότητες άσκησης δύναµης ανάδρασης που κυρίως χρησιµοποιείται για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Χρησιµοποιώντας το Haptic Paddle και την αίσθηση της αφής οι χρήστες µπορούν να µάθουν και να αισθανθούν τα αποτελέσµατα φαινοµένων όπως η ακαµψία και η αδράνεια. Η χρήση του Haptic Paddle είναι πολύ απλή. Ο χρήστης παίρνει το χερούλι-µοχλό του Haptic Paddle και µπορεί να το κινήσει από τη µία άκρη µέχρι την άλλη. Καθώς το κινεί, η θέση του χερουλιού ανιχνεύεται και µε βάση τη θέση και την ταχύτητά του, η ανάλογη δύναµη ανάδρασης α- σκείται στο χρήστη. Εικόνα 19 Το Haptic Paddle Μηχανισµός λειτουργίας και τεχνικά χαρακτηριστικά Το Haptic Paddle µοιάζει στη σχεδίαση και τη λειτουργία µε άλλες απτικές συσκευές, όπως το PHANTOM (βλέπε 2.4). Όλες οι απτικές συσκευές είναι σε θέση να προσοµοιώσουν τις δυνάµεις αλληλεπίδρασης που εµφανίζονται όταν ο άνθρωπος έρθει σε επαφή µε φυσικά αντικείµενα και συστήµατα. Η ουσιώδης διαφορά ανάµεσα στο Haptic Paddle και τις υπόλοιπες απτικές συσκευές είναι το κόστος. Το Haptic Paddle κοστίζει ένα πολύ µικρό κλάσµα της τιµής µιας κανονικής απτικής συσκευής. Η µηχανική κατασκευή του Haptic Paddle βασίζεται κυρίως σε ακρυλικό κοµµένο µε ακτίνα λέιζερ. Τα ακρυλικά τµήµατα παρέχουν ικανοποιητική στιβαρότητα στην συσκευή ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιούν το κόστος των υλικών και της κατασκευής. Αν και το ακρυλικό έχει λιγότερη 50

51 αντοχή και ακαµψία από ότι το αλουµίνιο ή το ατσάλι, είναι ιδανικό για τα φορτία που συναντούνται σε ένα µοχλό ενός άξονα, όπως είναι το Haptic Padlle. Οι δυνάµεις δηµιουργούνται από ένα κινητήρα συνεχόµενου ρεύµατος µε χαµηλή αδράνεια και µικρή τριβή. Ο κινητήρας είναι παρόµοιος µε αυτούς που υπάρχουν σε µεγαλύτερες απτικές συσκευές αλλά µικρότερος σε µέγεθος και λιγότερο ισχυρός. Η µετάδοση της κίνησης γίνεται µε ένα καλώδιο που είναι τυλιγµένο γύρω από τον άξονα του κινητήρα ενώ το άλλο άκρο του είναι δεµένο στον άξονα κίνησης του µοχλού. Τεχνικά χαρακτηριστικά του Haptic Paddle Χαρακτηριστικό Τάση λειτουργίας Μέγιστο ρεύµα Ροπή κινητήρα Μέγιστη τιµή δύναµης Τιµή 12 V 1,5 A 0,035 Nm 7,5 Ν Για να αποφευχθεί η χρήση ακριβών αισθητήρων, η ανίχνευση της θέσης γίνεται µε έναν απλό µαγνήτη και ένα αισθητήρα φαινοµένου Hall. Ο αισθητήρας δίνει γραµµική έξοδο για µικρές τιµές γωνιών, αλλά εισάγει µεγάλο σφάλµα σε κινήσεις εκτός των ±35 ο στις γωνίες της κίνησης. Προκειµένου να χρησιµοποιηθεί και σε αυτές τις γωνίες χρειάστηκε να γίνει βαθµονόµηση χρησιµοποιώντας ένα πολυώνυµο τρίτου βαθµού Απόδοση απτικής συσκευής Αν και οι δυνατότητες του Haptic Paddle είναι αρκετά περιορισµένες µπορεί να προσφέρει σε ικανοποιητικό βαθµό την αίσθηση της απτικής αλληλεπίδρασης. Μπορούν να µοντελοποιηθούν απλά απτικά µοντέλα και µέσα από τη δύναµη της ανάδρασης που προσφέρει το Haptic Paddle, τα µοντέλα αυτά να γίνουν εύκολα κατανοητά. Ο κύριος σκοπός του Haptic Paddle είναι να αποτελέσει ένα εκπαιδευτικό εργαλείο που θα προσφέρει µια πρώτη, άµεση επαφή µε το χώρο της απτικής επιστήµης και τεχνολογίας µε ένα τρόπο εύκολο και, κυρίως, φθηνό. 51

52 2.11 Snaptic Paddle Βασισµένο πάνω στο Haptic Paddle (δες 2.10), το Snaptic Paddle [32] προσφέρει δύο βαθµούς ελευθερίας αυξάνοντας τις δυνατότητες για α- πτική αλληλεπίδραση. Η συσκευή εξακολουθεί να µοιάζει µε µοχλό υπολογιστή (joystick) και βασίζεται στην συνένωση δύο συσκευών Haptic Paddle. Οι συσκευές µπορούν, παρόλα αυτά, να λειτουργήσουν και ανεξάρτητα. Το τελικό αποτέλεσµα είναι ότι το Snaptic Paddle είναι µια ευέλικτη, οικονοµική, απτική συσκευή, χρήσιµη για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Στην Εικόνα 20 απεικονίζεται το Snaptic Paddle. Εικόνα 20 Το Snaptic Paddle µε ένα και δύο βαθµούς ελευθερίας αντίστοιχα Περιγραφή της συσκευής Το Snaptic Paddle προήλθε από το απλό και µε χαµηλού κόστους σχεδίαση Haptic Paddle και, εποµένως, µοιράζεται πολλά από το χαρακτηριστικά του. Αποτελείται, και αυτό, από ακρυλικό κοµµένο µε ακτίνα λέιζερ, και περιέχει τους ίδιους αισθητήρες φαινοµένου Hall και ένα περιστρεφόµενο µαγνήτη για τον εντοπισµό της θέσης. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τα όρια των ασκούµενων δυνάµεων είναι τα ίδια. Το Snaptic Paddle όµως είναι αρθρωτό (modular) από τη κατασκευή του και εποµένως έχει δύο διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας: τον ανεξάρτητο τρόπο λειτουργίας µε ένα βαθµό ελευθερίας και τη λειτουργία µε δύο βαθµούς ελευθερίας, που στην πραγµατικότητα προέρχεται από τη συνένωση δύο µονάδων. Στον τρόπο λειτουργίας µε ένα βαθµό ελευθερίας η συσκευή, ουσιαστικά, συµπεριφέρεται σαν το Haptic Paddle αλλά αναποδογυρισµένο, αφού 52

53 η κίνηση ουσιαστικά γίνεται στην βάση. Η συσκευή επιτρέπει κίνηση σε ένα άξονα, και προσφέρει δύναµη ανάδρασης κάθετη προς το χερούλι. Το χερούλι είναι ένας κύλινδρος από ακρυλικό µε διάµετρο 0,5 ίντσες, και είναι προσαρτηµένο στη συσκευή µε ένα κούµπωµα 0,25 ιντσών που δένει τη βάση του χερουλιού µε µια τρύπα στο κινούµενο σώµα της κατασκευής. Στον τρόπο λειτουργίας µε δύο βαθµούς ελευθερίας, η κινηµατική της συσκευής είναι παρόµοια µε αυτή ενός τυπικού µοχλού υπολογιστή µε δύο βαθµούς ελευθερίας. Τα χερούλια των δύο συσκευών έχουν αφαιρεθεί από τις αρχικές θέσεις τους και τοποθετήθηκαν µε τέτοιο τρόπο ώστε να είναι παράλληλα προς τη βάση και το πάτωµα. Αυλακιές στο κινούµενο σώµα αποτρέπουν την περιστροφή των χερουλιών και την αλλαγή της θέσης τους. Οι βάσεις των δύο συσκευών ενώθηκαν µε κοµµάτια από ακρυλικό και τοποθετήθηκαν έτσι ώστε να βρίσκονται στην κατάλληλη γωνία µεταξύ τους. Το µόνο επιπλέον κοµµάτι που απαιτείται για την λειτουργία µε δύο βαθµούς ελευθερίας είναι ένα τρίτο χερούλι. Το χερούλι αυτό τοποθετείται κάθετα στα άλλα δύο, είναι πανοµοιότυπο µε αυτά και επιτρέπει την περιστροφή στις ενώσεις του µε τα αλλά δύο χερούλια. Αυτό το τρίτο χερούλι που δείχνει προς τα πάνω αποτελεί το νέο σηµείο αλληλεπίδρασης µε την απτική συσκευή. Τα χερούλια έχουν σχεδιαστεί µε τέτοιο τρόπο ώστε κινήσεις στους άξονες x και y να αντιστοιχούν σε περιστροφή των κινητήρων των βάσεων Έλεγχος του συστήµατος και απόδοση Το αρχικό Haptic Paddle χρησιµοποιούσε την παράλληλη θύρα επικοινωνίας του υπολογιστή, για την επικοινωνία του µε τον προσωπικό υπολογιστή που έτρεχε την απτική προσοµοίωση. Η παράλληλη θύρα επικοινωνίας έχοντας ένα περιορισµένο αριθµό ακίδων ελέγχου είναι αρκετή για να προσφέρει έλεγχο για ένα, µόνο, βαθµό ελευθερίας. Στο Snaptic Paddle χρησιµοποιήθηκε µια εµπορική κάρτα για µεταφορά και έλεγχο δεδοµένων. Υπάρχουν, όµως, σχέδια για χρήση σύνδεσης Firewire και για κάρτα που θα µπορούσε να περιλαµβάνει τα απαραίτητα κυκλώµατα καθώς και τους ενισχυτές που χρειάζονται. Ο έλεγχος και η απτική απεικόνιση γίνονται από ένα προσωπικό υπολογιστή χρησιµοποιώντας τυπικούς αλγόριθµους ανίχνευσης σύγκρουσης και υπολογισµού των δυνάµεων. Το Snaptic Paddle µε ένα βαθµό ελευθερίας έχει καλή απόδοση, αν και περιορίζει τον αριθµό των απτικών αλληλεπιδράσεων, ακριβώς, λόγω του 53

54 ενός βαθµού ελευθερίας. Όταν το Snaptic Paddle χρησιµοποιείται µε δύο βαθµούς ελευθερίας η αλληλεπίδραση είναι αρκετά καλή, ειδικά, αν αναλογιστεί κανείς το κόστος της συσκευής. Το µόνο αρνητικό σηµείο είναι η ύπαρξη µιας ανεπιθύµητης κίνησης που εισάγεται από τις αρθρώσεις των χερουλιών που έχουν ενωθεί. Αυτό υποδηλώνει την ανάγκη αναζήτησης άλλων µηχανισµών σύνδεσης και τη χρησιµοποίηση άλλων υλικών Απτική συσκευή 5 βαθµών ελευθερίας Η συγκεκριµένη απτική συσκευή [33] παρέχει αλληλεπίδραση µε µεγάλη ακρίβεια στις ασκούµενες δυνάµεις και ταυτόχρονα προσφέρει µεγάλο εύρος επιτρεπόµενων κινήσεων. Πρόκειται για µία απτική συσκευή µε πέντε βαθµούς ελευθερίας, που αντιστοιχούν σε µετατοπίσεις στους τρεις άξονες και σε δύο περιστροφές, και µε παράλληλο µηχανισµό λειτουργίας (βλέπε Εικόνα 21). Η απτική συσκευή προσφέρει ένα χώρο εργασίας περίπου 40 cm για τη µετακίνηση που αντιστοιχεί σε 3 βαθµούς ελευθερίας, και περίπου ±60 µοίρες σε 2 βαθµούς ελευθερίας που αντιστοιχούν σε γωνιακή κίνηση. Οι ενεργοποιητές ελέγχονται από ένα κλειστό βρόγχο ο οποίος εκτελείται µε συχνότητα 175 Hz. Εικόνα 21 Η απτική συσκευή 5 βαθµών ελευθερίας 54

55 Σχεδιασµός και µηχανισµός λειτουργίας Η απτική συσκευή σχεδιάστηκε για να προσφέρει υψηλό επίπεδο στην αναπαράσταση των δυνάµεων ανάδρασης που ασκούνται στα άκρα των δαχτύλων και ταυτόχρονα σχεδιάστηκε για να προσφέρει ένα µεγάλο εύρος των επιτρεπόµενων κινήσεων στους πέντε βαθµούς ελευθερίας που διαθέτει. Για να αναπαραστήσει µε υψηλή ποιότητα τις δυνάµεις ανάδρασης, η συσκευή θα πρέπει να είναι σε θέση να προσφέρει την εφαρ- µογή δυνάµεων σε ένα εύρος συχνοτήτων παρόµοιο µε το εύρος συχνοτήτων του ανθρώπινου µηχανισµού αντίληψης, µε την τριβή και το θόρυβο κάτω από κάποιο κατώφλι αντίληψης. Η ευαισθησία των δαχτύλων στις δονήσεις αυξάνει µε τη συχνότητα µέχρι το όριο των 300 Hz, ενώ στη συνέχεια µειώνεται υποδηλώνοντας το εύρος που χρειάζεται για την αντίληψη των δυνάµεων πρέπει να είναι πάνω από 300 Hz. Η µέγιστη δύναµη που απαιτείται εξαρτάται από την εφαρµογή. Στο χώρο της επιστηµονικής απεικόνισης οι δυνάµεις πρέπει να είναι αρκετά µεγάλες για να δηµιουργήσουν την ψευδαίσθηση σκληρών επιφανειών ενώ ταυτόχρονα πρέπει να είναι αρκετά µικρές ώστε να αποφευχθεί η κόπωση του χρήστη. Στην υλοποίηση της συσκευής επιλέχθηκε για τις δυνάµεις η τιµή των 10 Ν. Το εύρος της κίνησης της συσκευής αντιστοιχεί στην κίνηση που µπορεί να εκτελεστεί από ένα απτικό µέσο που µοιάζει µε στυλό καθώς ο αγκώνας ακουµπάει στην κορυφή ενός τραπεζιού. Αυτό απαιτεί ένα χώρο εργασίας περίπου 40 cm σε διάµετρο και µε γωνιακή κίνηση περίπου ±1 rad στους δύο βαθµούς ελευθερίας που αντιστοιχούν στην περιστροφική κίνηση. Οι δύο στόχοι της υψηλής ποιότητας απόδοσης δυνάµεων και του µεγάλου εύρους κινήσεων είναι δύσκολο να ικανοποιηθούν ειδικά όταν πρόκειται για συσκευή µε πολλαπλούς βαθµούς ελευθερίας. Η απτική συσκευή των πέντε βαθµών ελευθερίας αποτελείται από λεπτές ράβδους οι οποίες προεξέχουν από τις µονάδες των ενεργοποιητών που είναι προσαρτηµένοι σε ένα άκαµπτο δακτύλιο. Στηρίγµατα σε κάθε ε- νεργοποιητή και στο στυλό που λειτουργεί σαν απτικό µέσο περιορίζουν την εµφάνιση ροπής και κάθετων δυνάµεων. Η επιλογή του ενεργοποιητή είναι µια σηµαντική απόφαση γιατί πρέπει να παρέχει δυνάµεις µε µεγάλη ταχύτητα αλλαγής σε κάθε ράβδο, µε ελάχιστη τριβή και χωρίς ανεπιθύµητες κινήσεις. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε ένας απλός µηχανισµός τριβής ο οποίος είναι εξαιρετικά σταθερός και δεν εµφανίζει ανεπιθύµητες κινήσεις. Ένας αισθητήρας δύναµης είναι τοποθετηµένος στο τέλος κάθε µιας ράβδου που βρίσκονται στους ενεργοποιητές. Οι αισθητήρες βρίσκονται 55

56 κοντά στο στυλό που συνδέεται µε τις ράβδους έτσι ώστε να µπορεί να κινείται χωρίς να περιορίζεται από τις ράβδους. Οι αισθητήρες εξυπηρετούν δύο σκοπούς. Πρώτον, να µετρήσουν τις δυνάµεις που πραγµατικά εφαρµόζονται στο χέρι του χρήστη και δεύτερον, να παρέχουν επιπλέον µείωση της τριβής στους ενεργοποιητές µέσω ενός βρόγχου ελέγχου της δύναµης. Αν και οι συνδέσεις στα άκρα του ενεργοποιητή αποτρέπουν την εµφάνιση στατικών δυνάµεων ή ροπών, εµφανίζονται δυναµικά φορτία σε διάφορες κατευθύνσεις καθώς η ράβδος επιταχύνεται κατά την κίνηση του στυλό. Οι αισθητήρες κατασκευάστηκαν ειδικά για το σκοπό αυτό και µπορούν να ανιχνεύουν τις δυνάµεις που εµφανίζονται στους τρεις άξονες κίνησης µε ικανοποιητική ακρίβεια, ενώ ταυτόχρονα µπορούν να διαχωρίζουν και να απορρίπτουν τις δυνάµεις οι οποίες δεν προκαλούνται από τις κινήσεις του χρήστη Απόδοση απτικής συσκευής Η απτική συσκευή πέντε βαθµών ελευθερίας παρέχει ανάδραση µε δυνά- µεις οι οποίες µπορούν να ανανεώνονται µε πολύ γρήγορο ρυθµό. Αυτό επιτυγχάνεται µέσα από βρόγχους ελέγχου οι οποίοι σχεδιάζονται για κάθε ένα βαθµό ελευθερίας. Ο αισθητήρας δύναµης βρίσκεται τοποθετηµένος όσο πιο κοντά γίνεται στα δάχτυλα του χρήστη έτσι ώστε να έχουµε µία ικανοποιητική περιγραφή του τι ο χρήστης πραγµατικά αισθάνεται. Σε αντίθεση, οι µετρήσεις που γίνονται κοντά στους ενεργοποιητές, µακριά από την παλάµη του χρήστη, δεν είναι ικανοποιητικής ακρίβειας. Ο έλεγχος της απτικής συσκευής γίνεται ξεχωριστά για τον κάθε ένα βαθµό ελευθερίας και στο τέλος ενοποιώντας τους επιµέρους ελέγχους σε έναν, προσθέτοντας έναν επιπλέον παράγοντα στο σχήµα ελέγχου της συσκευής ώστε να ακυρωθούν οι ανεπιθύµητες παρενέργειες από την ε- νοποίηση των ελέγχων. Ο τρόπος αυτός ελέγχου δεν αποδίδει τόσο καλά όσο ο έλεγχος για την κάθε µία ράβδο ξεχωριστά, αλλά η χρήση της συσκευής έχει καλά αποτελέσµατα σε εφαρµογές επιστηµονικής απεικόνισης. 56

57 2.13 Haptic Master Με το όνοµα Haptic Master [34] αναπτύχθηκε ακόµα µία απτική συσκευή από το πανεπιστήµιο Tsukuba στην Ιαπωνία. Η συσκευή αυτή προηγήθηκε χρονικά της συσκευής FCS HapticMaster (βλέπε 2.6), µε την οποία δεν έχει καµία οµοιότητα. Η συσκευή Haptic Master προήλθε από µία άλλη απτική συσκευή που ονοµάζεται Desktop Force Display [35]. Η συσκευή αυτή ήταν µία εξωσκελετικού τύπου απτική συσκευή, από την οποία αφαιρέθηκε ο σκελετός για τα δάχτυλα και αντικαταστάθηκε από µία λαβή µε σφαιρικό σχή- µα. Ο σχεδιασµός του Haptic Master είναι τέτοιος που επιτρέπει στη συσκευή να λειτουργεί σαν ένας µηχανισµός υψηλής απόδοσης και να προσφέρει απτική αλληλεπίδραση στο χρήστη χρησιµοποιώντας δυνάµεις ανάδρασης. Στην Εικόνα 22 απεικονίζεται το Haptic Master. Εικόνα 22 Haptic Master Τεχνικά χαρακτηριστικά και µηχανισµός λειτουργίας Το Haptic Master έχει έξι βαθµούς ελευθερίας και χρησιµοποιεί ένα παράλληλο µηχανισµό για να εφαρµόσει τις δυνάµεις ανάδρασης στα δάχτυλα του χρήστη. Το βασικό σχεδιαστικό χαρακτηριστικό του παράλληλου µηχανισµού είναι ένα οκτάεδρο που ονοµάζεται Πλατφόρµα Stewart, στην οποία µία τριγωνική πλατφόρµα συνδέεται µε έξι κυλίνδρους ελεγχόµενου µήκους. Το Haptic Master χρησιµοποιεί τρεις οµάδες από παραλληλόγραµµους συνδέσµους, που ονοµάζονται παντογράφοι (pantographs), στη θέση γραµµικών ενεργοποιητών. Κάθε παντογράφος τίθεται σε κίνηση από 57

58 τρεις κινητήρες συνεχόµενου ρεύµατος οι οποίοι τροφοδοτούνται από ε- νισχυτές παλµικής διαµόρφωσης πλάτους. Η κορυφή κάθε παντογράφου συνδέεται σε µια ακµή της τριγωνικής πλατφόρµας µε ένα σφαιρικό σύνδεσµο. Η αδράνεια των κινούµενων τµηµάτων της σφαιρικής λαβής είναι τόσο µικρή που µπορεί µε ασφάλεια να θεωρηθεί αµελητέα. Ο χώρος εργασίας στο κέντρο της πλατφόρµας είναι µία σφαιρική περιοχή µε διάµετρο περίπου 40 cm. Τεχνικά χαρακτηριστικά του Haptic Master Χαρακτηριστικό Τιµή Μέγιστη τιµή δύναµης 2,1 kgf Συνεχόµενη δύναµη 1,2 kgf Συνεχόµενη ροπή 5,6 kgf cm Μέγιστη ακαµψία αντικειµένου 0,29 kfg/cm Ανάλυση δύναµης 2,9 gf Ανάλυση θέσης 0,4 mm Τριβή αντίστασης 0,1 kgf Αδράνεια 220 gf sec 2 Ρυθµός ανανέωσης δύναµης 235 Hz Χρόνος αντίδρασης 10 msec Ρυθµός ανανέωσης 100 Hz µε Intel 486SX(20MHz) Απόδοση συσκευής Το Haptic Master µπορεί να αναπαραστήσει οποιαδήποτε κατεύθυνση και οποιοδήποτε µέγεθος δύναµης. Ο σχεδιασµός του επιτρέπει στους χρήστες να αισθανθούν τα φυσικά χαρακτηριστικά τριών τύπων εικονικών αντικειµένων: Αντικείµενα µε σκληρές επιφάνειες. Η δύναµη ανάδρασης από την εικονική επιφάνεια εφαρµόζεται στο χέρι του χρήστη. Ο χρήστης δεν µπορεί να διαπεράσει την επιφάνεια. Η λειτουργία αυτή προκαλεί την εµφάνιση µεγάλων φορτίων δυνάµεων στην απτική συσκευή. Αντικείµενα µε ελαστικές επιφάνειες. Ο χρήστης µπορεί να πιέσει και να παραµορφώσει την επιφάνεια. Η δύναµη ανάδρασης αυξάνει αναλογικά µε την παραµόρφωση της επιφάνειας. Η λειτουργία 58

59 αυτή µπορεί να εφαρµοστεί στη µοντελοποίηση σχηµάτων τριών διαστάσεων. Ρευστά αντικείµενα. Η ταχύτητα ροής αναπαρίσταται από τη δύναµη και η στροβιλώδης ροή αναπαρίσταται από την ροπή. Όταν ο χρήστης τοποθετεί το χέρι του σε ένα εικονικό ρευστό, η αντίσταση από τη ροή του ρευστού µπορεί να γίνει εύκολα αντιληπτή. Αν το χέρι του χρήστη συναντήσει µία δίνη στη ροή, τότε αισθάνεται ότι το χέρι στροβιλίζεται. Η λειτουργία αυτή µπορεί να εφαρµοστεί στην επιστηµονική αναπαράσταση. Το υλικό του Haptic Master έχει συµπαγή σχεδίαση και έχει τη δυνατότητα να δηµιουργεί σχετικά µεγάλες τιµές δύναµης ανάδρασης. Προσφέρει απτική αλληλεπίδραση η οποία επεκτείνει σε µεγάλο βαθµό τις δυνατότητες της εικονικής πραγµατικότητας σε τοµείς όπως η µοντελοποίηση σχηµάτων και η επιστηµονική αναπαράσταση. 59

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 3Εφαρµογές απτικής τεχνολογίας 3.1 Γενικά Η απτική αλληλεπίδραση και οι πληροφορίες που συλλέγονται µέσω της αίσθησης της αφής επεκτείνουν σε µεγάλο βαθµό την αντίληψη του ανθρώπου για τα αντικείµενα και τον κόσµο που τον περιβάλλει. Παρότι στην καθηµερινή ζωή η αίσθηση της αφής παίζει σηµαντικό ρόλο, στο χώρο των υπολογιστών ήταν µέχρι πρότινος αναξιοποίητη σε µεγάλο βαθµό. Η επικοινωνία του ανθρώπου µε τον υπολογιστή γινόταν χρησι- µοποιώντας την όραση και την ακοή σαν τις κύριες οδούς επικοινωνίας, ενώ ακόµα και πιο εξειδικευµένες εφαρµογές, όπως η εικονική πραγµατικότητα, δεν εκµεταλλεύονταν πλήρως τις δυνατότητες που προσφέρει η αίσθηση της αφής. Με την εµφάνιση των πρώτων απτικών συσκευών η κατάσταση άρχισε σιγά-σιγά να αλλάζει. Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι η απτική αλληλεπίδραση µπορεί να προσφέρει µια πιο ολοκληρωµένη αίσθηση της επικοινωνίας και έκτοτε η έρευνα στο συγκεκριµένο επιστηµονικό πεδίο έγινε πιο εντατική. Σαν αποτέλεσµα της µεγάλης έρευνας προέκυψαν πολλές εφαρµογές της απτικής αλληλεπίδρασης και των απτικών συσκευών σε πάρα πολλούς τοµείς. Οι τοµείς αυτοί συµπεριλαµβάνουν µεταξύ άλλων τις επιστηµονικές εφαρµογές, την εκπαίδευση, την ιατρική, τον τηλεχειρισµό από απόσταση, την υποβοήθηση ατόµων µε ειδικές ανάγκες, την οπτικοποίηση δεδοµένων, τις εφαρµογές εικονικής πραγµατικότητας µε χρήσεις και στο χώρο της ψυχαγωγίας κ.α. Ο κατάλογος των τοµέων και των εφαρµογών διαρκώς µεγαλώνει ενώ πολλές απτικές συσκευές έχουν περάσει στο χώρο των καταναλωτών ξεφεύγοντας από την ακαδηµαϊκή έρευνα. Στις επόµενες παραγράφους του κεφαλαίου θα παρουσιαστούν µερικές επιλεγµένες εφαρµογές της απτικής αλληλεπίδρασης. Οι εφαρµογές ανήκουν σε κάποιους από τους προαναφερθέντες τοµείς εφαρµογών, και χρησιµοποιούν διάφορες συσκευές απτικής αλληλεπίδρασης ή και συνδυασµούς τους. 60

61 3.2 Απτική αλληλεπίδραση για εφαρµογή σε λαπαροσκοπικά εργαλεία Ένας από τους περιορισµούς των σύγχρονων ροµποτικών συστηµάτων που χρησιµοποιούνται στη χειρουργική είναι η έλλειψη της απτικής αλληλεπίδρασης. Αν και τα σύγχρονα χειρουργικά ροµποτικά συστήµατα βελτιώνουν τη χειρουργική επιδεξιότητα, µειώνουν το τρέµουλο και αυξάνουν την απεικόνιση, τους λείπει η απαραίτητη ακρίβεια για να βοηθήσουν ένα χειρούργο στο χαρακτηρισµό των ιστών. Ο χαρακτηρισµός των ιστών θα µπορούσε να προσφέρει αυξηµένες διαγνωστικές ικανότητες στο χειρούργο, και να τον υποβοηθήσει σε κρίσιµες χειρουργικές ε- πεµβάσεις. Η παρούσα εφαρµογή [36] επικεντρώνεται στην ανάπτυξη εφαρµογών και εργαλείων που θα επιτρέψουν την απτική αλληλεπίδραση να ενσω- µατωθεί σε µία γαστροεντερική χειρουργική διαδικασία που υποβοηθείται από ροµποτικό σύστηµα. Συγκεκριµένα, η εφαρµογή προσπαθεί να παράσχει στο χειρούργο την απτική αλληλεπίδραση που χρειάζεται έτσι ώστε να µπορέσει να επιτύχει ελάχιστα επεµβατική χειρουργική. Αυτό γίνεται µε τη χρήση µιας απτικής συσκευής, και συγκεκριµένα, του PHANTOM Περιγραφή συστήµατος Για να προσφερθεί η απαραίτητη απτική αλληλεπίδραση, αναπτύχθηκε ένα σύστηµα που επιτρέπει στο χειρούργο να χειριστεί και να κατηγοριοποιήσει διαφορετικά δείγµατα ιστών χρησιµοποιώντας την απτική συσκευή. Για να γίνει αυτό, έπρεπε να ενσωµατωθούν ικανότητες αίσθησης της επιφάνειας σε συµβατικά λαπαροσκοπικά εργαλεία που χρησιµοποιούνται σε περιπτώσεις, ελάχιστα επεµβατικής χειρουργικής, (minimally invasive surgery) χωρίς, όµως, να επηρεαστεί στο ελάχιστο η εργονοµία στη σχεδίαση των εργαλείων. Η εργονοµία των εργαλείων είναι ιδιαίτερα σηµαντική, αφού δεν είναι επιθυµητό το να χρειαστεί ο χειρούργος να ξανασυνηθίσει εργαλεία που τα χρησιµοποιεί καθηµερινά. Το σχηµατικό διάγραµµα του συστήµατος φαίνεται στην Εικόνα 23. Το κύριο πρόβληµα που καλείται να λύσει είναι το πρόβληµα της απτικής αλληλεπίδρασης. Το σύστηµα προσπαθεί να λύσει το πρόβληµα αυτό µέσω του βρόγχου που φαίνεται και αφορά την απτική συσκευή PHAN- TOM και τα ιατρικά εργαλεία. 61

62 Χειρούργος ύναµη ανάδρασης Οπτική ανάδραση Οθόνη απεικόνισης PHANTOM Έλεγχος θέσης/δύναµης ύναµη Ροµποτικό σύστηµα Έλεγχος θέσης Ιατρικό εργαλείο Πιάσιµο Ιστός Εικόνα 23 Χαρακτηρισµός ιστού µε χρήση απτικής αλληλεπίδρασης Το σύστηµα αποτελείται από ένα λαπαροσκοπικό εργαλείο µε δυνατότητες ανίχνευσης δύναµης, την απτική συσκευή PHANTOM και µια κάρτα ελέγχου DS1103 της Dspace. Με το σύστηµα αυτό ο χρήστης κρατά το ιατρικό εργαλείο µε το ένα χέρι και κλείνει τη λαβή, ενώ ταυτόχρονα, αλληλεπιδρά µε το PHANTOM για να αισθανθεί τη δύναµη της λαβής. Οι πληροφορίες πραγµατικού χρόνου σχετικά µε τη δύναµη µετρούνται µέσω της κάρτας DS1103. Η ίδια κάρτα είναι υπεύθυνη για τη σωστή βαθµονόµηση και την καταγραφή όλων των σηµάτων Μοντελοποίηση Τα ιατρικά εργαλεία που χρησιµοποιήθηκαν είναι λαπαροσκοπικά εργαλεία που χρησιµοποιούνται σε περιπτώσεις ελάχιστα επεµβατικής χειρουργικής. Τρία διαφορετικά εργαλεία τροποποιήθηκαν για δοκιµαστικούς σκοπούς και τους προστέθηκαν µετρητές δύναµης. Αυτές οι τροποποιήσεις προσέθεσαν αισθητήριες δυνατότητες που δεν υπήρχαν, ενώ ταυτόχρονα, η λειτουργικότητα των εργαλείων παρέµεινε η ίδια µε πριν. Το πιο συνηθισµένο λαπαροσκοπικό εργαλείο είναι µια ράβδος 38 cm µε ένα µηχανισµό σιαγώνων στη µια άκρη και µια λαβή στην άλλη (βλέπε Εικόνα 24). Η λαβή ελέγχει το άνοιγµα και το κλείσιµο των σιαγώνων. Το εργαλείο αυτό, χρησιµοποιείται για το πιάσιµο, την ακινητοποίηση και το κόψιµο των διαφόρων ιστών στο εσωτερικό του σώµατος. ύο µετρητές δύναµης τοποθετήθηκαν στο κάθε άκρο της λαβής, αντικριστά ο ένας από τον άλλο. Αυτό επιτρέπει την µέτρηση της παραµόρφωσης που εισάγεται στη λαβή σαν αποτέλεσµα της δύναµης που εφαρµόζεται. Ε- 62

63 κτός από τους µετρητές δύναµης, προστέθηκε στη λαβή ένας αισθητήρας θέσης, που επιτρέπει την ακριβή καταγραφή της γωνιακής κίνησης της λαβής. Ο αισθητήρας αυτός επιτρέπει την περαιτέρω συσχέτιση της παραµόρφωσης και της ασκούµενης δύναµης. Προκειµένου να αυξηθεί η ανάλυση των αισθητήρων, οι αισθητήρες συνδέθηκαν µε έναν ενισχυτή. Εικόνα 24 Οι µετρητές δύναµης προσαρτηµένοι στο λαπαροσκοπικό εργαλείο Εικόνα 25 ιάγραµµα δυνάµεων για την ανάλυση της ασκούµενης δύναµης Για να έχουµε έγκυρα αποτελέσµατα από το σύστηµα θα πρέπει να υπάρχει ένας τρόπος για τη µέτρηση, µε ακρίβεια, της ασκούµενης δύναµης στη λαβή. Για το σκοπό αυτό χρειάζεται µια διαδικασία βαθµονόµησης του λαπαροσκοπικού εργαλείου. Χρησιµοποιώντας την Εικόνα 25, µπορούµε να καταλήξουµε στις σχέσεις: F 3 = 2F 1 cosα, F1 sin( α+θ) c= Fd d, F u α = F 3 b Και τελικά, µε απλοποιήσεις, έχουµε: ac sin( α+ θ) F d = Ku 2bd cosα όπου F d είναι η δύναµη αντίδρασης που ασκείται στο µηχανισµό σιαγώνων καθώς ο χειρούργος πιάνει τον ιστό, F 1 και F 3 είναι οι δυνάµεις στον εσωτερικό µηχανισµό του λαπαροσκοπικού εργαλείου και F u = Ku είναι η δύναµη που ασκείται στη λαβή του εργαλείου. Η διαδικασία βαθµονό- µησης βοηθά στην εύρεση της τιµής του K, θεωρώντας πως η σχέση της ασκούµενης δύναµης µε την τάση που δηµιουργούν οι µετρητές δύναµης είναι γραµµική. Η πειραµατική τιµή του K είναι 3,9. Εκτός από τους µετρητές δύναµης, βαθµονόµηση χρειάζεται και ο αισθητήρας θέσης. Η λαβή του εργαλείου τέθηκε σε διάφορες θέσεις που να αντιστοιχούν σε πλήρως ανοικτές σιαγώνες, σε πλήρως κλειστές σιαγώνες και σε µερικές ενδιάµεσες θέσεις των δύο αυτών ακραίων θέσεων. Χρησιµοποιώντας την ένδειξη τάσης που µετράται από τον αισθητήρα θέσης, καθώς επίσης και τη µετρούµενη γωνία των σιαγώνων, σε σχέση, 63

64 µε έναν άξονα αναφοράς, βρέθηκε πως η σχέση που συνδέει τη γωνιακή κίνηση (θ) των σιαγώνων και τη γωνιακή κίνηση (β) της λαβής δίνεται από: θ = 12,55β + 41, Απόδοση της εφαρµογής Το σύστηµα που παρουσιάστηκε στις προηγούµενες παραγράφους, επιτρέπει να εξεταστούν διαφορετικών ειδών ιστοί χρησιµοποιώντας διαφορετικούς αισθητήρες δύναµης στο ιατρικό εργαλείο, και ως εκ τούτου, δίνει την δυνατότητα να προσοµοιωθεί η ψηλάφηση ιστών που χρησιµοποιούν οι χειρούργοι σε γαστροεντερικές διαδικασίες. Με το σύστηµα αυτό, ο χρήστης αισθάνεται τη δύναµη καθώς ψηλαφίζει τον ιστό σε πραγµατικό χρόνο. Τα πειράµατα που έγιναν δείχνουν πως ακόµη και χρήστες χωρίς ιατρικές γνώσεις µπορούν εύκολα να διαχωρίσουν τα δείγµατα ιστών που ψηλαφιούνται και να τα εντάξουν σε κατηγορίες ανάλογα µε το πόσο σκληροί ή πόσο µαλακοί µπορεί να φαίνονται κατά την ψηλάφηση. Με την προσθήκη απτικής αλληλεπίδρασης σε ροµποτικά συστήµατα χειρουργικής, ο χειρούργος θα µπορεί εύκολα να χαρακτηρίσει τους ι- στούς σε κανονικούς ή µη και να χρησιµοποιήσει τη διάγνωσή του για να αποφύγει την αφαίρεση φυσιολογικού ιστού. Κάτι τέτοιο είναι αρκετά χρήσιµο στην περίπτωση όγκων που βρίσκονται σε συµπαγή όργανα, όπως το συκώτι, όπου ο χειρούργος χρησιµοποιεί ανάδραση αίσθησης επιφάνειας και εικόνες από το εσωτερικό του οργάνου, για να µπορέσει να εντοπίσει τους όγκους και να πραγµατοποιήσει µια επιτυχή χειρουργική επέµβαση µε µικρή χειρουργική τοµή. 64

65 3.3 Συνδυασµός ακουστικής και απτικής αλληλεπίδρασης Όταν δύο αντικείµενα συγκρούονται τότε έχουµε αλληλεπίδραση επαφής. Η καθηµερινή µας ζωή είναι γεµάτη από αλληλεπιδράσεις επαφής: το τράβηγµα µιας κούπας καφέ πάνω σε ένα τραπέζι, το χτύπηµα των δαχτύλων µας στο πληκτρολόγιο κ.α. Οι αλληλεπιδράσεις επαφής παράγουν χαρακτηριστικούς ήχους και δυνάµεις που µεταφέρουν πληροφορίες για την σχέση µας µε τα αντικείµενα και τον περιβάλλοντα χώρο. Χρησι- µοποιώντας τα αυτιά µας και τα χέρια µας µπορούµε να καταλάβουµε αν η κούπα του καφέ τοποθετήθηκε µε ασφάλεια στο τραπέζι ή αν το τραπέζι είναι φτιαγµένο από γυαλί ή ξύλο. Αφαιρώντας από κάποιον την αισθητηριακή ανάδραση που προκαλείται από τις ενέργειές του, θα περιόριζε τις ικανότητές του να κινηθεί και να ελέγξει το περιβάλλον του. Η παρούσα εργασία [37] παρουσιάζει ένα πειραµατικό ακουστικό και απτικό σύστηµα για την εµφάνιση ήχων και δυνάµεων µε µικρή καθυστέρηση και ικανοποιητικό ρεαλισµό για εφαρµογές αλληλεπίδρασης. Στηρίχθηκε στην προηγούµενη παρατήρηση για την ισχυρή εξάρτηση που υπάρχει ανάµεσα στους ήχους και την επαφή µε τα αντικείµενα, και προσπαθεί να προσδώσει αυτή, ακριβώς, τη δυνατότητα σε ένα σύστηµα που θα προσφέρει αλληλεπίδραση επαφής σε ένα εικονικό περιβάλλον. Εικόνα 26 Ακουστικό απτικό σύστηµα Η Εικόνα 26 παρουσιάζει το ακουστικό απτικό σύστηµα. Ο χρήστης πιάνει τη λαβή µε το δεξί του χέρι και το µετακινεί σε µια επίπεδη επιφάνεια όπως θα κινούσε ένα ποντίκι υπολογιστή. Η αριστερή πλευρά της οθόνης δείχνει µια γραφική διεπαφή σε Java για το άνοιγµα µουσικών µοντέλων και τον έλεγχο των παραµέτρων αλληλεπίδρασης, και η δεξιά πλευρά δείχνει σε ένα παράθυρο µε τη χρήση εικόνων τις απτικές δυνά- µεις και τα σήµατα ήχου σε πραγµατικό χρόνο. 65

66 Η καινοτοµία του ακουστικού απτικού συστήµατος έγκειται στον ακριβή συγχρονισµό του ακουστικού και του απτικού τµήµατος. Η αλληλεπίδραση του χρήστη µε το εικονικό περιβάλλον δηµιουργεί δυνάµεις επαφής. Οι δυνάµεις αυτές, µεταφέρονται στο χέρι του χρήστη χρησιµοποιώντας µια απτική συσκευή και στο αυτί του χρήστη σαν ήχοι επαφής. Αυτό απαιτεί κάτι περισσότερο από τον απλό συγχρονισµό δύο διαφορετικών γεγονότων. Αντί να ενεργοποιούνται προ-ηχογραφηµένοι ήχοι ή τόνοι, το ακουστικό και το απτικό τµήµα µεταβάλλονται ταυτόχρονα, όταν ο χρήστης εφαρµόζει διαφορετικές δυνάµεις στο αντικείµενο Το υλικό του ακουστικού απτικού συστήµατος Η είσοδος του χρήστη στο σύστηµα, προέρχεται από µια απτική συσκευή 3 βαθµών ελευθερίας, το Pantograph (βλέπε 2.5). Ο µηχανισµός λειτουργίας βασίζεται σε αυτόν του Pantograph αλλά, έχει επεκταθεί στους 3 βαθµούς ελευθερίας για τη συγκεκριµένη εφαρµογή. Ο χρήστης µπορεί και να µετακινήσει τη λαβή στο επίπεδο κίνησης αλλά και να περιστρέψει τη λαβή. Οι δυνάµεις ασκούνται στη λαβή από δύο µεγάλους κινητήρες Maxon που βρίσκονται στη βάση του Pantograph, ενώ ένας µικρότερος κινητήρας στη λαβή µπορεί να προκαλέσει την εµφάνιση ροπής στη λαβή. Η απτική συσκευή εποµένως, είναι πλήρης όσον αφορά κινήσεις στο επίπεδο. Μπορεί να ασκήσει δυνάµεις και ροπή που µπορεί να προέρχονται από την επαφή µε ένα στέρεο σώµα προσαρτηµένο στη λαβή. Μια εξειδικευµένη κάρτα ελέγχου (MC8 της Precision Microdynamics), συνδέεται σε ένα προσωπικό υπολογιστή που τρέχει Windows NT και ελέγχει το ακουστικό απτικό σύστηµα. Η κάρτα έχει µετατροπείς από αναλογικό σε ψηφιακό µε ακρίβεια 14 bit για να διαβάζει τις τιµές των ποτενσιόµετρων που βρίσκονται στους κινητήρες της βάσης, όπως και τους απαραίτητους αποκωδικοποιητές για την επικοινωνία µε τον οπτικό κωδικοποιητή που µετρά την περιστροφή της λαβής. Ένας ψηφιακός επεξεργαστής σήµατος SHARC (της Analog Devices µε συχνότητα λειτουργίας τα 40 MHz) συνθέτει τους ήχους και τις δυνάµεις. Οι τάσεις εξόδου για τον έλεγχο των κινητήρων του Pantograph και για τη δηµιουργία των ήχων στέλνονται µέσω µετατροπέων από ψηφιακό σε αναλογικό ακρίβειας 14 bit. Οι κυµατοµορφές ήχου µπορούν να δοθούν απευθείας σε ένα ηχητικό σύστηµα, όπως σε µια κάρτα ήχου υπολογιστή που προσφέρει ευκολία στη σύλληψη και την εκτέλεση των ήχων. Με τη χρήση ειδικού υλικού µπορούν να ξεπεραστούν οι δυσκολίες που προέρχονται από την ανάγκη για λειτουργία σε πραγµατικό χρόνο, την ντετερµινιστική απόκριση και την ευκολία πρόσβασης µέσα από λογισµικό χρήστη σε ένα διαδεδοµένο λειτουργικό σύστηµα. Ο κώδικας του 66

67 ακουστικού απτικού συστήµατος έχει αποκλειστική πρόσβαση στους πόρους του ψηφιακού επεξεργαστή σήµατος. Αυτό επιτρέπει τον ακριβή χρονισµό των αλγορίθµων ελέγχου και την εύκολη διάγνωση κακής απόδοσης ή σφαλµάτων Σύνθεση ήχου Το σύστηµα προσπαθεί να πετύχει την προσοµοίωση της ακουστικής α- πόκρισης των συνηθισµένων αντικειµένων που είναι από ξύλο, µέταλλο, κεραµικό κ.α. Η επαφή µε αυτά τα αντικείµενα µπορεί να χαρακτηριστεί από την κρουστική ενεργοποίηση µερικών εκθετικά αποσβώµενων, χαλαρά συνδεδεµένων ηµιτονοειδών συνιστωσών. Για τέτοιους ήχους επαφής χρησιµοποιήθηκαν τεχνικές σύνθεσης και κρουστικής δηµιουργίας. Το µοντέλο ήχου που χρησιµοποιήθηκε υποθέτει πως η απόκλιση επιφάνειας y υπακούει σε µια κυµατική εξίσωση. Με τη προσθήκη ενός παράγοντα καθυστέρησης d στην κυµατική εξίσωση, γίνεται απόσβεση του ήχου. Ο παράγοντας d εξαρτάται από το υλικό και είναι έτσι ορισµένος ώστε να προκαλεί τις υψηλές συχνότητες να φθίνουν πιο γρήγορα. Η συνάρτηση d t ( t) = a e sin( t) n= 1 y n ω, n εκφράζει την κρουστική απόκριση ενός γενικού αντικειµένου σε ένα συγκεκριµένο σηµείο σαν άθροισµα φθίνουσων ηµιτονοειδών. Ο αλγόριθµος σύνθεσης έχει δύο πλεονεκτήµατα. Πρώτον, είναι γραµµικός. Αυτό σηµαίνει πως υπάρχει µια φυσική συσχέτιση ανάµεσα στις α- σκούµενες δυνάµεις και στο σήµα εξόδου που δηµιουργείται. Η γραµµικότητα επίσης κάνει τον αλγόριθµο να είναι αποδοτικός. Το ακουστικό σήµα µπορεί να δηµιουργηθεί µε πολύ λίγους υπολογισµούς. εύτερον, η ποιότητα ήχου µπορεί να µειωθεί οµαλά. Αν ο ψηφιακός επεξεργαστής σήµατος δεν έχει αρκετή ισχύ, µπορούν να υπολογιστούν λιγότερες συχνότητες, κάτι που θα δώσει µια οµαλή απώλεια σε ποιότητα αντί απότο- µες ακουστικές αλλαγές. n 67

68 3.3.3 Σύνθεση απτικών δυνάµεων Καθώς ο χρήστης κινεί τη λαβή του Pantograph θα πρέπει να υπολογιστούν οι δυνάµεις επαφής που δηµιουργούνται από τις αλληλεπιδράσεις µε τα αντικείµενα. Κατόπιν, θα πρέπει οι δυνάµεις αυτές να εµφανιστούν σαν δυνάµεις στη λαβή. Οι υπολογισµοί γίνονται σε δύο πλαίσια συντεταγµένων. Το ένα είναι οι xy-συντεταγµένες του επιπέδου κίνησης και το άλλο είναι το πλαίσιο συντεταγµένων των γωνιών των αρθρώσεων του Pantograph. Το εικονικό περιβάλλον γνωρίζει µόνο τις συντεταγµένες του επιπέδου κίνησης, αλλά ο κώδικας ελέγχου του συστήµατος ασχολείται µόνο µε τις γωνίες των αρθρώσεων. Χρειάζεται εποµένως, µια αντιστοίχηση της θέσης της λαβής σαν συνάρτηση των γωνιών των αρθρώσεων. Οι λεπτοµέρειες του υπολογισµού των δυνάµεων αλλά και η εύρεση των ροπών που αντιστοιχούν σε αυτές τις δυνάµεις είναι σχετικά εύκολες, και καλύπτονται από πολλά κείµενα Ροµποτικής Απόδοση ακουστικού απτικού συστήµατος Το ακουστικό απτικό σύστηµα µπορεί να προσφέρει µια ταυτόχρονη ακουστική και απτική εµπειρία. Συγκεκριµένα το σύστηµα έχει χρόνο καθυστέρησης 0,5 ms όταν συµβαίνουν ταυτόχρονα αλλαγές στο ακουστικό και στο απτικό τµήµα. Με πειράµατα που έγιναν υπολογίστηκε ένα έγκυρο κάτω όριο για τη διακριτική ικανότητα του ανθρώπου στο χρόνο καθυστέρησης ανάµεσα στα ακουστικά και απτικά ερεθίσµατα. Ο χρόνος αυτός φαίνεται να είναι γύρω στα 2 ms, αρκετά υψηλότερος από το χρόνο καθυστέρησης του συστήµατος. Το ακουστικό απτικό σύστηµα µπορεί να προσφέρει ένα ακόµη πιο ρεαλιστικό εικονικό περιβάλλον. Η αναπαράσταση και η χρησιµοποίηση αλληλεπιδράσεων επαφής παίζει ένα πολύ σηµαντικό ρόλο σε κάθε εικονικό περιβάλλον. Ο τρόπος µε τον οποίο αντιµετωπίζεται το γεγονός της επαφής από το ακουστικό απτικό σύστηµα είναι µέσω της δηµιουργίας ταυτόχρονου ακουστικού και απτικού ερεθίσµατος, και φαίνεται να είναι ο πιο φυσικός τρόπος αντιµετώπισης. 68

69 3.4 Ενοποίηση CyberGrasp και PHANTOM Ο πιο κοινός τρόπος επικοινωνίας και το µέσο µε το οποίο παρέχονται πληροφορίες στους χρήστες υπολογιστών είναι η οθόνη ενός υπολογιστή. υστυχώς, η οθόνη είναι εντελώς ακατάλληλη όταν ο χρήστης είναι τυφλός ή άτοµο µε προβλήµατα όρασης. Στην περίπτωση αυτή, τα πιο συνηθισµένα συστήµατα για την επικοινωνία τυφλών ανθρώπων µε τον υ- πολογιστή βασίζονται στη χρήση του ακουστικού καναλιού επικοινωνίας. Τα συστήµατα απτικής αλληλεπίδρασης επιτρέπουν στους χρήστες µε προβλήµατα όρασης να έχουν πρόσβαση σε πληροφορίες που υπάρχουν σε εικονικά περιβάλλοντα τριών διαστάσεων. Τα µεγαλύτερα οφέλη από τα εικονικά περιβάλλοντα βρίσκονται σε τοµείς όπως η εκπαίδευση, η επιµόρφωση και η επικοινωνία. Μέχρι τώρα, αρκετά ερευνητικά προγράµµατα διεξήχθησαν για την υποβοήθηση των ατόµων µε προβλήµατα όρασης προκειµένου να κατανοήσουν τρισδιάστατα αντικείµενα, επιστηµονικά δεδοµένα και µαθηµατικές συναρτήσεις. Η κατανόηση προέρχεται συνήθως από τη χρήση απτικών συσκευών αλληλεπίδρασης. ύο από τις πιο συνηθισµένες και επιτυχη- µένες απτικές συσκευές είναι το CyberGrasp και το PHANTOM. Η παρούσα εργασία [38] εστιάζεται στην ανάπτυξη ενός υψηλά αλληλεπιδραστικού απτικού συστήµατος που συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα και των δύο απτικών συσκευών. Πιο αναλυτικά, σκοπός της εργασίας είναι η δηµιουργία εξειδικευµένων συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας µε πλήρη απτική αλληλεπίδραση πέντε δαχτύλων. Για το σκοπό αυτό δηµιουργήθηκε ένα πλήθος ε- φαρµογών προκειµένου να εκλεχθεί η απόδοση του όλου συστήµατος. Τα πλεονεκτήµατα της συγκεκριµένης εφαρµογής είναι οι βελτιωµένες επιδόσεις που προσφέρει στην ευκολία της χρήσης και την προσβασιµότητα σε εφαρµογές εικονικού περιβάλλοντος στα άτοµα µε προβλήµατα όρασης Αρχιτεκτονική της εφαρµογής Το πρωτότυπο του συστήµατος αποτελείται από τις απτικές συσκευές CyberGlove, CyberGrasp [39] και PHANTOM, από ένα ισχυρό σταθµό εργασίας µε εξειδικευµένη υποστήριξη για γραφικά τριών διαστάσεων, συµβατικές συσκευές εισόδου (κυρίως ποντίκι υπολογιστή και πληκτρολόγιο) και συσκευές εξόδου εκτός των απτικών συσκευών (κυρίως τα η- χεία του υπολογιστή). Η Εικόνα 27 δείχνει τη διασύνδεση των συσκευών. 69

70 Εικόνα 27 Το υλικό του συστήµατος Η απτική συσκευή PHANTOM συνδέεται µε το προσωπικό υπολογιστή που εκτελεί την εφαρµογή µέσω της παράλληλης θύρας. Οι συσκευές CyberGlove και CyberGrasp συνδέονται στην κύρια µονάδα του Cyber- Grasp µέσω της µονάδας ελέγχου συσκευής (Device Control Unit DCU) και της µονάδας ελέγχου δύναµης (Force Control Unit FCU), αντίστοιχα. Τέλος, η κύρια µονάδα του CyberGrasp και ο προσωπικός υπολογιστής συνδέονται χρησιµοποιώντας µια γραµµή σύνδεσης Ethernet ταχύτητας 100 Mbps. Ο χειρισµός των κινήσεων του χεριού του χρήστη και η απτική αλληλεπίδραση για τα δάχτυλα γίνεται µε τις απτικές συσκευές CyberGlove και CyberGrasp. Το CyberGlove είναι µια συσκευή ανίχνευσης της κίνησης του χεριού, υψηλής ποιότητας και ευρέως χρησιµοποιούµενη. Το Cyber- Grasp είναι µια από τις ελάχιστες απτικές συσκευές που κυκλοφορεί ε- µπορικά, και παρέχει κατασκευή υψηλής ποιότητας, µε άριστη λειτουργία και απόδοση. Είναι ικανή να ασκήσει δύναµη µε µέγιστη τιµή 12 N σε κάθε δάχτυλο σε ρυθµούς αλληλεπίδρασης και µε ακριβή έλεγχο. Η διεύθυνση της δύναµης ανάδρασης είναι κατά προσέγγιση κάθετη στις άκρες των δαχτύλων. Για να υπολογίζεται η θέση του χεριού και να παρέχεται δύναµη ανάδρασης στο πέµπτο δάχτυλο (δείκτη), χρησιµοποιείται η συσκευή PHAN- TOM (βλέπε 2.4). Πρόκειται για µια συσκευή µε 6 βαθµούς ελευθερίας που έχει την ικανότητα να ασκήσει δύναµη ανάδρασης 3 βαθµών ελευθερίας στο χώρο εργασίας της. Η συσκευή PHANTOM είναι προσαρτηµένη σταθερά στο γραφείο εργασίας και µπορεί να παράσχει ακριβής και ρεαλιστική δύναµη ανάδρασης στο χρήστη. Το γεγονός ότι είναι τοποθετηµένη σταθερά στο γραφείο εργασίας δίνει τη δυνατότητα να δηµιουργήσει δυνάµεις που δεν θα επι- 70

71 τρέψουν στο χρήστη να διαπεράσει αντικείµενα στο τρισδιάστατο εικονικό περιβάλλον. Το PHANTOM έχει ένα µόνο σηµείο επαφής και µπορεί να ασκήσει δυνάµεις ανάδρασης σε ένα δάχτυλο του χρήστη ή σε ολόκληρο το χέρι (αν χρησιµοποιηθεί η έκδοση της συσκευής µε στυλό). Η συσκευή CyberGrasp προσαρτείται στη παλάµη του χρήστη και µπορεί να ασκήσει δυνάµεις ανάδρασης και στα πέντε δάχτυλα του χεριού του χρήστη. Αυτό επιτρέπει στο χρήστη να χειριστεί αντικείµενα στο εικονικό περιβάλλον µε ένα πιο φυσικό τρόπο. Το ότι το CyberGrasp δεν είναι κάπου σταθερά προσαρτηµένο δεν επιτρέπει στη συσκευή να ασκήσει τέτοιες δυνάµεις ανάδρασης που να αποτρέψουν το χρήστη από το να διαπεράσει τα τρισδιάστατα αντικείµενα του εικονικού περιβάλλοντος. Η Εικόνα 28 παρουσιάζει τον τρόπο µε τον οποίο οι συσκευές ενοποιήθηκαν ώστε να επιτρέψουν το συνδυασµό των πλεονεκτηµάτων της κάθε συσκευής. Εικόνα 28 Ο συνδιασµός των συσκευών PHANTOM, CyberGlove και CyberGrasp Οι πληροφορίες της θέσης από το PHANTOM χρησιµοποιούνται για να υπολογιστεί η πραγµατική θέση της άκρης του δείκτη ενώ οι θέσεις όλων των άλλων τµηµάτων του χεριού υπολογίζονται µε τις µετρήσεις του CyberGlove. Προκειµένου να αποφευχθούν οι ασυνέπειες στις εµφανιζόµενες δυνά- µεις ανάδρασης που προέρχονται από τις συσκευές CyberGrasp και PHANTOM, όλες οι δυνάµεις περιορίσθηκαν ώστε να µην ξεπερνάνε το όριο των 1,75 N, που αποτελεί και τη µέγιστη τιµή ασκούµενης δύναµης από το PHANTOM. 71

72 3.4.2 Απόδοση της εφαρµογής Η ενοποίηση των απτικών συσκευών CyberGrasp και PHANTOM έγινε προκειµένου να συνδυαστούν τα πλεονεκτήµατα και τα οφέλη και των δύο συσκευών. Τα πλεονεκτήµατα, σε σχέση µε τη χρήση µιας µόνο συσκευής, είναι ότι: ο δείκτης του χεριού δέχεται ρεαλιστική απτική αλληλεπίδραση από το PHANTOM όλα τα δάχτυλα δέχονται δύναµη ανάδρασης αυξάνοντας την αλληλεπίδραση µε το περιβάλλον. Στην περίπτωση αυτή ο χρήστης µπορεί να αγγίξει τα αντικείµενα που αντιµετωπίζονται σαν κάτι ενιαίο και να συλλέξει πληροφορίες που αφορούν τις γενικές ιδιότητές τους οι χρήστες δεν µπορούν να διαπεράσουν τα αντικείµενα στον εικονικό κόσµο. Το κύριο µειονέκτηµα στην ενοποίηση των δυο απτικών συσκευών είναι πως ο χώρος εργασίας περιορίζεται σε αυτόν του PHANTOM και εποµένως η συσκευή CyberGrasp λειτουργεί πιο περιορισµένα σε σχέση µε τις δυνατότητές της. Για τον έλεγχο της καλής απόδοσης της εφαρµογής δηµιουργήθηκαν τρία διαφορετικά σενάρια λειτουργίας: σενάριο αναγνώρισης αντικειµένου, σενάριο χειρισµού αντικειµένου και σενάριο απτικο-ακουστικής αλληλεπίδρασης. Στο σενάριο αναγνώρισης αντικειµένου, η χρήση της ενοποιηµένης συσκευής µειώνει το συνολικό χρόνο που χρειάζεται για την αναγνώριση και την αντίληψη του σχήµατος και παρέχει καλύτερης ποιότητας αλληλεπίδραση µε τον εικονικό κόσµο. Στο σενάριο αυτό, και οι δύο συσκευές συνεισφέρουν το ίδιο. Το PHANTOM επιτρέπει στους χρήστες να εξερευνήσει τις λεπτοµέρειες του αντικειµένου, ενώ το CyberGrasp επιτρέπει στους χρήστες την αντίληψη της γενικής µορφής του σχήµατος και του µεγέθους του αντικειµένου. Στο σενάριο του χειρισµού του αντικειµένου, η χρήση της ενοποιηµένης συσκευής επιτρέπει το πιάσιµο των αντικειµένων στο εικονικό περιβάλλον. Η συσκευή CyberGrasp, στην περίπτωση αυτή, έχει µεγαλύτερο και πιο σηµαντικό ρόλο, αφού είναι αυτή που επιτρέπει στους χρήστες να πιάσουν και να χειριστούν τα αντικείµενα µε ένα φυσικό τρόπο. Τέλος, στο σενάριο απτικο-ακουστικής αλληλεπίδρασης, η ενοποιηµένη συσκευή µειώνει το χρόνο αντίληψης που απαιτείται για την εξερεύνηση του τρισδιάστατου εικονικού περιβάλλοντος. Η συσκευή PHANTOM έ- 72

73 χει πιο σηµαντικό ρόλο και στην περίπτωση αυτή, αφού όλες οι πράξεις ενεργοποιούνται από το δείκτη του χεριού. Η συσκευή CyberGrasp στο σενάριο αυτό, βοηθάει το χρήστη να εντοπίσει αντικείµενα που βρίσκονται κοντά στην περιοχή του δείκτη του χεριού. 3.5 Εφαρµογή για την υποβοήθηση ατόµων µε προβλήµατα όρασης Οι απτικές συσκευές µπορούν να βοηθήσουν άτοµα µε προβλήµατα όρασης να αλληλεπιδράσουν µε φυσικό και ρεαλιστικό τρόπο µε τρισδιάστατα εικονικά µοντέλα αντικειµένων τα οποία δεν προσφέρονται για άµεση απτική εξερεύνηση. Η απτική αλληλεπίδραση µπορεί να προσφερθεί σε διαφορετικές βαθµίδες µεγέθους, αλλάζοντας το σχετικό µέγεθος του α- πτικού µέσου και των αντικειµένων και προσφέροντας πολλά επίπεδα λεπτοµερειών στο µοντέλο. Επιπρόσθετα, οι απτικές συσκευές µπορούν µε ενεργό τρόπο να καθοδηγήσουν το χρήστη στο πιο εντυπωσιακό και πλήρες µονοπάτι εξερεύνησης του αντικειµένου. Όλα αυτά µπορούν να επεκτείνουν την κατανόηση των ατόµων µε προβλήµατα όρασης ακόµη και πέρα από τα όρια της εξερεύνησης του πραγµατικού κόσµου. Εικόνα 29 Εικόνα της εφαρµογής Η συγκεκριµένη εφαρµογή (Εικόνα 29) περιγράφει µία αρχιτεκτονική που προορίζεται να δηµιουργήσει µία αξιόπιστη προσοµοίωση γεωµετρι- 73

74 κών και φυσικών αλληλεπιδράσεων ανάµεσα στο χέρι του χρήστη και σε µία εικονική τρισδιάστατη απεικόνιση [40] Αρχιτεκτονική της εφαρµογής Για την υποστήριξη µιας ρεαλιστικής απτικής εξερεύνησης ενός τρισδιάστατου εικονικού µοντέλου από ανθρώπους µε προβλήµατα όρασης επιλέχθηκε το απτικό σύστηµα CyberForce, που κατασκευάζεται από την εταιρία Immersion Corporation και είναι εξοπλισµένο µε τις απτικές συσκευές CyberGrasp και CyberGlove. Το σύστηµα CyberForce είναι ένα επιτραπέζιο σύστηµα δύναµης ανάδρασης που µεταφέρει δυνάµεις στον καρπό του χρήστη µε µια συσκευή 3 βαθµών ελευθερίας. Μπορεί επίσης να παρέχει δεδοµένα θέσης και στάσης για το καρπό του χρήστη. Η συσκευή CyberGrasp χρησιµοποιώντας ένα σύνολο πέντε ενεργοποιητών προσφέρει δυνάµεις ανάδρασης που εφαρµόζονται κάθετα στο άκρο του κάθε δαχτύλου του χρήστη. Η συσκευή CyberGlove είναι ένα γάντι µε αισθητήρες που µετασχηµατίζουν τις θέσεις του χεριού και των δαχτύλων σε ψηφιακά δεδοµένα που επιτρέπουν την απεικόνιση ενός γαντιού στην οθόνη του υπολογιστή, το οποίο µεταφέρει τις κινήσεις του πραγµατικού χεριού. Η αρχιτεκτονική του συστήµατος φαίνεται στην Εικόνα 30. Το τµήµα της καταγραφής θέσης στάσης ενηµερώνει συνεχώς το µοντέλο του χεριού στην εικονική απεικόνιση βασιζόµενο στα δεδοµένα που παρέχουν τα CyberGlove και το CyberForce όταν χρησιµοποιείται σαν καταγραφέας τρισδιάστατης θέσης. Το τµήµα εκτίµησης της αλληλεπίδρασης χεριού αντικειµένου αναλύει τη γεωµετρία των αντικειµένων της εικονικής α- πεικόνισης και προσφέρει τις απαραίτητες πληροφορίες για να προσο- µοιωθούν οι φυσικές δυνάµεις που δηµιουργούνται στο εικονικό περιβάλλον. Το τµήµα ελέγχου δύναµης ενεργοποιητών κάνει τις απαραίτητες διορθώσεις ανάµεσα στις επιθυµητές δυνάµεις και στις µηχανικές δυνατότητες της απτικής συσκευής και προσπαθεί να αποδώσει ένα ικανοποιητικό επίπεδο ρεαλισµού στην αλληλεπίδραση του χρήστη µε το περιβάλλον. Για να απλοποιηθεί η σχεδίαση και να γίνει το σύστηµα πιο κατάλληλο για την εφαρµογή, επιλέχθηκε να µοντελοποιηθεί το χέρι, χρησιµοποιώντας µόνο την άκρη των δαχτύλων. Κάθε άκρη δαχτύλου µοντελοποιήθηκε σα µία σφαίρα. 74

75 Χέρι χρήστη Καταγραφή θέσης/στάσης χεριού Έλεγχος δύναµης ενεργοποιητών Μοντέλο χεριού Εκτίµηση αλληλεπίδρασης χεριού/αντικειµένου Μοντέλο αντικειµένου Απεικόνιση χεριού/αντικειµένου Εικόνα 30 Η αρχιτεκτονική του συστήµατος Μία ρεαλιστική αντίληψη βασίζεται σε µία ικανοποιητική αλληλεπίδραση ανάµεσα στα µοντέλα του χεριού και του αντικειµένου. Κάτι τέτοιο απαιτεί µία ελεγχόµενη και οµογενή απεικόνιση ανάµεσα στο φυσικό και στο εικονικό περιβάλλον. Οι απτικές συσκευές που επιλέχθηκαν µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τους σκοπούς της εφαρµογής αφού παρέχουν ικανοποιητική ακρίβεια σε µεγάλο κοµµάτι του πραγµατικού περιβάλλοντος. Η σειριακή φύση της απτικής εξερεύνησης µπορεί να αξιοποιηθεί προτείνοντας τα κοµµάτια του µοντέλου που παρουσιάζουν το µεγαλύτερο ενδιαφέρον στην περιοχή του πραγµατικού περιβάλλοντος όπου το CyberForce εµφανίζει την καλύτερη απόδοση. Το λογισµικό που παρέχεται µε το σύστηµα CyberForce για την περιγραφή του εικονικού περιβάλλοντος, προσφέρει τη δυνατότητα για πολύ α- πλά γεωµετρικά σχήµατα όπως σφαίρες, κύβους κ.α. Η ανίχνευση της σύγκρουσης γίνεται µε πακέτα λογισµικού που απαιτούν τα αντικείµενα του εικονικού κόσµου να είναι κυρτά και να αποτελούνται από τριγωνικές όψεις. Η συγκεκριµένη εφαρµογή απαιτεί εικονικούς κόσµους που µπορεί να είναι αρκετά σύνθετοι και πλούσιοι σε µη κυρτά αντικείµενα. Επίσης, απαιτεί µία πιο αξιόπιστη και ρεαλιστική αλληλεπίδραση ανάµεσα στο χέρι και στο εικονικό περιβάλλον. Για τους λόγους αυτούς, χρειάστηκε η ενσωµάτωση και η ανάπτυξη επιπλέον τµηµάτων λογισµικού για να αυξηθεί η ευελιξία και η αποδοτικότητα της ανίχνευσης σύγκρουσης ενώ, ταυτόχρονα, το λογισµικό θα επιτρέπει τη δηµιουργία ρεαλιστι- 75

76 κών δυνάµεων ανάδρασης που θα εφαρµόζονται στο χρήστη µέσω του συστήµατος CyberForce. Το τµήµα απεικόνισης χεριού αντικειµένου µόνο δευτερευόντως θα µπορούσε να εµφανίζεται σε µία εφαρµογή που απευθύνεται σε ανθρώπους µε προβλήµατα όρασης. Παρόλα αυτά, έχει δύο σηµαντικούς ρόλους. Πρώτον, απλοποιεί τον έλεγχο λειτουργίας παρέχοντας µία εικονική αντίληψη της γεωµετρίας του εικονικού κόσµου και επιτρέποντας τον έλεγχο των ασκούµενων δυνάµεων για κάθε µία σχετική θέση ανάµεσα στο χέρι του χρήστη και στα εικονικά αντικείµενα. εύτερον, επιτρέπει στο ίδιο σύστηµα να χρησιµοποιηθεί για να παρέχει µία ολοκληρωµένη εµπειρία, σαν ένας συνδυασµός οπτικών και απτικών δεδοµένων, εικονικών µοντέλων σε ανθρώπους χωρίς προβλήµατα όρασης Απόδοση της εφαρµογής Η εφαρµογή παρουσιάζει ένα απτικό σύστηµα για την εξερεύνηση τρισδιάστατων εικονικών µοντέλων για ανθρώπους µε προβλήµατα όρασης. Η εξερεύνηση τρισδιάστατων εικονικών µοντέλων µπορεί να είναι χρήσιµη σε περιπτώσεις όπου η άµεση απτική επαφή είναι αδύνατη. Μία τέτοια περίπτωση αποτελούν τα αντικείµενα που λόγω των διαστάσεων, της τοποθεσίας, ή της ευαισθησίας τους σε καταστροφές δεν µπορούν να ψηλαφηθούν. Άλλη µία ανάλογη περίπτωση είναι η περίπτωση αναπαραστάσεων αφηρηµένων εννοιών που µε δυσκολία µπορούν να απεικονισθούν µέσω ενός πραγµατικού τρισδιάστατου αντικειµένου. Για παράδειγµα δυσκολίες υπάρχουν στην αναπαράσταση ουσιών της βιολογίας, µορίων από τη χηµεία κ.λ.π. Για µία ρεαλιστική αλληλεπίδραση ανάµεσα στο χρήστη και στο εικονικό περιβάλλον χρησιµοποιήθηκε ένα απλό µοντέλο δύναµης. Αναπτύχθηκε το κατάλληλο λογισµικό για την αναπαράσταση του περιβάλλοντος και για την ανίχνευση της σύγκρουσης. Το λογισµικό που χρησιµοποιείται από την εφαρµογή επιτρέπει µία απλή γεωµετρική και φυσική αλληλεπίδραση ανάµεσα στο χρήστη και στο εικονικό περιβάλλον. Η αλληλεπίδραση γίνεται χρησιµοποιώντας το µοντέλο που έχει αναπτυχθεί για το χέρι του χρήστη. 76

77 3.6 ηµιουργία ψηφιακών σχηµάτων µέσω απτικής αλληλεπίδρασης Τα σύγχρονα εργαλεία που υποστηρίζουν την αρχική σύλληψη και σχεδίαση ενός αντικειµένου δεν είναι εύκολα στη χρήση και δεν φροντίζουν να εκµεταλλευτούν τις ικανότητες και την δηµιουργικότητα των σχεδιαστών. Η αρχική ιδέα για τη σχεδίαση νέων προϊόντων ξεκινά από την ηµιτελή και ανακριβή νοητική αναπαράσταση που έχει ο σχεδιαστής για το σχήµα του αντικειµένου. Αυτή η αναπαράσταση εξελίσσεται και ολοκληρώνεται καθώς το αντικείµενο παίρνει µορφή µέσα από µια διαδικασία εξωτερίκευσης. Η ιδέα σχετικά µε το σχήµα του αντικειµένου φτάνει στην οριστική της µορφή όταν αυτό µετασχηµατίζεται σε ένα τρισδιάστατο αντικείµενο. Αυτό συµβαίνει µε δύο τρόπους: µε τη δηµιουργία ενός φυσικού µοντέλου που αναπαριστά σε γενικές γραµµές τη τελική µορφή του αντικειµένου, ή µε τη χρήση ενός συστήµατος υποβοήθησης στη σχεδίαση, για τη δηµιουργία µιας τρισδιάστατης ψηφιακής αναπαράστασης του α- ντικειµένου. Η συγκεκριµένη εργασία [41] παρουσιάζει την ενοποίηση φιλικών προς το χρήστη και, ταυτόχρονα, αποτελεσµατικών µεθόδων αλληλεπίδρασης που βασίζονται στη χρήση απτικών συσκευών. Η ενοποίηση γίνεται µε σκοπό την χρήση των συσκευών σε συστήµατα µοντελοποίησης σχηµάτων ελεύθερης µορφής. Στόχος είναι η εύχρηστη και διαισθητικά απλή αλληλεπίδραση µε τα φυσικά µοντέλα απεικόνισης των αντικειµένων. Μεγάλη σηµασία δόθηκε στην αλληλεπίδραση ώστε να είναι όσο πιο α- πλή γίνεται για να µπορούν οι σχεδιαστές να καθιερώσουν το σύστηµα σαν ένα καθηµερινό εργαλείο δουλειάς Αρχιτεκτονική του συστήµατος Το σύστηµα που αναπτύχθηκε, βασίστηκε στην απτική τεχνολογία και στις τεχνικές αλληλεπίδρασης που αντιγράφουν τα φυσικά εργαλεία και τις ενέργειες που εκτελούν οι σχεδιαστές για την µοντελοποίηση αντικει- µένων. Η αρχιτεκτονική του συστήµατος φαίνεται στην Εικόνα

78 Θέση Ταχύτητα Προσοµοίωση Γραφική απεικόνιση ηµιουργία σχήµατος µε οµαλή επιφάνεια Μοντελοποίηση σχήµατος Γραφικά Σύστηµα γραφικής απεικόνισης Απόκριση δύναµης Ανίχνευση κίνησης Απτικό σύστηµα Έλεγχος Απτική απεικόνιση Εικόνα 31 Αρχιτεκτονική του συστήµατος Το σύστηµα βασίζεται στην απτική συσκευή FCS HapticMaster. Η συσκευή είναι εξοπλισµένη µε απτικά εργαλεία που προσανατολίζονται σε λειτουργίες µοντελοποίησης. Στην περίπτωση σύγκρουσης µε κάποιο εικονικό αντικείµενο η συσκευή δηµιουργεί τις απαραίτητες δυνάµεις επαφής και αντίδρασης. Οι δυνάµεις που δηµιουργούνται εξαρτώνται από το είδος και τον τύπο της σύγκρουσης και το είδος του υλικού που προσο- µοιώνεται. Το σύστηµα απτικής απεικόνισης περιλαµβάνει το τµήµα ανίχνευσης σύγκρουσης για την ανίχνευση επαφών µεταξύ της εικονικής αναπαράστασης της απτικής συσκευής στη θέση X και του εικονικού αντικειµένου. Περιλαµβάνει επίσης, το τµήµα απόκρισης δύναµης που επιστρέφει τη δύναµη ανάδρασης ανάµεσα στο χρήστη και το εικονικό αντικείµενο. Τέλος περιλαµβάνει το τµήµα ελέγχου που επιστρέφει µια δύναµη επαφής στο χρήστη. Η δύναµη αυτή είναι µια προσέγγιση της ιδεατής δύνα- µης επαφής, και περιορίζεται από τις ικανότητες της απτικής συσκευής. Το σύστηµα προσοµοίωσης ανανεώνει το γεωµετρικό και το απτικό µοντέλο του αντικειµένου που βασίζεται στο σχήµα, τη θέση και την ταχύτητα του απτικού µέσου. Η µηχανή προσοµοίωσης λειτουργεί µε µια α- πλουστευµένη γεωµετρία για το αντικείµενο, που µετατρέπεται σε ένα σχήµα µε οµαλή επιφάνεια στο τέλος της διαδικασίας. 78

79 3.6.2 Απόδοση συστήµατος Το σύστηµα µπορεί να υποστηρίξει αρκετά από τα εργαλεία που χρησι- µοποιούνται στη µοντελοποίηση των αντικειµένων, όπως είναι οι ράσπες για την αφαίρεση εικονικού υλικού από ένα εικονικό αντικείµενο ή ένα γυαλόχαρτο για το τρίψιµο µιας επιφάνειας που έχει προηγουµένως σκαλιστεί. Το πρωτότυπο δοκιµάστηκε χρησιµοποιώντας τη ράσπα σαν εικονικό εργαλείο (βλέπε Εικόνα 32). Η ράσπα αποτελείται από µια µεταλλική λωρίδα την οποία, συνήθως, ο χρήστης χειρίζεται κρατώντας την µε την παλάµη του χεριού ενώ χρησιµοποιεί ταυτόχρονα και τα δύο του χέρια. Με το εργαλείο αυτό ο χρήστης µπορεί να ξύσει την επιφάνεια του εικονικού αντικειµένου. Εικόνα 32 Το πρωτότυπο µε τη χρήση της ράσπας Η κίνηση και η δύναµη ανάδρασης για το εργαλείο χρειάζονται και τους τρεις βαθµούς ελευθερίας που δίνουν οι µεταφορικές κινήσεις που µπορεί να εκτελέσει ένα σώµα. Ο χώρος εργασίας που απαιτείται είναι τόσος, όσος µπορεί να φτάσει ένα ανθρώπινο χέρι. Η αντίσταση που συναντά ο χρήστης από το εργαλείο είναι η ίδια µε αυτή του κανονικού, πραγµατικού, εργαλείου ή µε ελάχιστες διαφορές. Όταν ο χρήστης µετακινεί το εργαλείο χωρίς να συναντά καµία αντίσταση, οι δυνάµεις που εµφανίζονται στο χρήστη από το εργαλείο είναι, σχεδόν, µηδενικές. Οι χρήστες που δοκίµασαν το σύστηµα, δήλωσαν πως είναι κατάλληλο για την αρχική σχεδίαση του αντικειµένου και αρκετά χρήσιµο για τους σχεδιαστές και τους δηµιουργούς των µοντέλων. Μπορεί να αντικαταστήσει τη δηµιουργία των φυσικών πραγµατικών µοντέλων αν ενσωµατωθεί στη διαδικασία σχεδιασµού. 79