ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΘΕΜΑ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΚΕΣ ΙΕΠΑΦΕΣ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΜΗΧΑΝΗΣ: ΑΠΤΙΚΕΣ ΟΘΟΝΕΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ : ΜΥΡΓΙΩΤΗ ΕΙΡΗΝΗ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ : κ. ΜΗΛΙΟΥ ΑΜΑΛΙΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ

2 Πρόλογος Η παρούσα εργασία είναι µια µελέτη για τις απτικές οθόνες και έχει ως σκοπό να πληροφορήσει τον αναγνώστη σχετικά µε αυτές τις οθόνες. Στο πρώτο µέρος παρουσιάζονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία ενώ στο δεύτερο µέρος περιγράφεται η φυσιολογία του δέρµατος έτσι ώστε ο αναγνώστης να κατανοήσει τη λειτουργία των απτικών οθονών. Στο τρίτο µέρος περιγράφονται οι τεχνολογίες αισθητήρων και µηχανισµών κίνησης που χρησιµοποιούνται στις απτικές συσκευές. Στο τέταρτο µέρος παρουσιάζονται πληροφορίες για τις tactile και haptic τεχνολογίες. Στο πέµπτο µέρος γίνεται περιγραφή των απτικών οθονών οι οποίες κατατάσσονται σε τέσσερεις κατηγορίες: πίεση, δόνηση, ηλεκτρικό πεδίο και θερµοκρασία. Τέλος, στο έκτο µέρος παρουσιάζονται οι εφαρµογές των απτικών οθονών. Θα ήθελα ιδιαίτερα να ευχαριστήσω την κ. Μήλιου Αµαλία, Λέκτορα του Τµήµατος Πληροφορικής για την συνεργασία, τις παρατηρήσεις και την πολύτιµη βοήθειά της που συνέβαλαν στην πραγµατοποίηση αυτής της εργασίας. 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ I. Εισαγωγή II. Φυσιολογία του δέρµατος Μηχανο-υποδοχείς αφής Υποδοχείς κιναισθησίας Υποδοχείς θερµοκρασίας III. Τεχνολογίες αισθητήρων και µηχανισµών κίνησης Τεχνολογίες αισθητήρων Τεχνολογίες µηχανισµών κίνησης Ηλεκτροµαγνητικοί µηχανισµοί κίνησης Μηχανισµοί κίνησης που λειτουργούν µε αέρα Πιεζοηλεκτρικοί µηχανισµοί κίνησης Shape Memory Alloys Μηχανισµοί κίνησης MEMs..18 IV. Tactile και Haptic τεχνολογίες Tactile τεχνολογίες Οθόνες Braille Haptic τεχνολογίες Haptic συσκευές.. 20 V. Hardware. 21 A. Πίεση MIMIZU Απτική οθόνη που χρησιµοποιεί RC σερβοκινητήρες Σύστηµα απτικής οθόνης για κωφούς και τυφλούς Audiograf FEELEX Tactile Display Cat Απτική οθόνη µε έλεγχο πίεσης αναρρόφησης Morpheotron Pantograph Pantobraille Συσκευές που χρησιµοποιούν Shape Memory Alloys Απτικές οθόνες µε MEMs TDraw IC2D Shear force tactile display Teletaction system

4 17. Refreshable Braille display Rotating wheel Braille display HyperBraille Selective Stimulation device Αλληλεπιδραστικό σύστηµα απτικής οθόνης VirTouch system, VirTouch mouse Moose FeelMouse Optacon TouchEngine PHANToM Rutgers Master II Electrorheological fluid tactile display Surface Acoustic Wave display Απτική διεπαφή µε ηλεκτροστατικό µηχανισµό κίνησης Miniaturized electrostatic tactile display 122 Β. όνηση Active Belt Shoulder Pad VisPad Εικονικά κουµπιά για κινητές συσκευές Tactile Vest Tactile Mice STReSS TactaArmBand System ComTouch Vibratory tactile display Texture display Απτική οθόνη για το θάλαµο διακυβέρνησης Απτική οθόνη για περιβάλλοντα µειωµένης βαρύτητας TouchMaster CyberTouch..162 Γ. Ηλεκτρικό πεδίο Ηλεκτρική οθόνη GestureWrist GesturePad ENVS SmartTouch Ηλεκτροαπτική συσκευή διέγερσης της γλώσσας Tongue Display Unit

5 . Θερµοκρασία Θερµική οθόνη Displaced Temperature Sensing System Απτική οθόνη µε θερµικούς µηχανισµούς κίνησης TactTip Οθόνη θερµοκρασίας TeleTact VI. Εφαρµογές των απτικών οθονών Κείµενο και γραφικά Ιατρικές εφαρµογές Εκπαιδευτικές και ψυχαγωγικές εφαρµογές Στρατιωτικές εφαρµογές Απτικές οθόνες που µπορούν να φορεθούν στο σώµα Αναφορές 198 5

6 I. Εισαγωγή Οι απτικές οθόνες (tactile displays) είναι συσκευές οι οποίες εµφανίζουν πληροφορίες χρησιµοποιώντας την αίσθηση της αφής, σε αντίθεση µε τις κοινές οθόνες που χρησιµοποιούν την όραση. Οι απτικές οθόνες σχεδιάστηκαν κυρίως για άτοµα µε προβλήµατα όρασης αλλά επίσης έχουν εφαρµογές στην εικονική πραγµατικότητα και σε εξελιγµένα συστήµατα πραγµατικού χρόνου [1]. Η απτική αίσθηση βασίζεται στους υποδοχείς του δέρµατος. Τα νεύρα του δέρµατος µπορούν να διεγερθούν µε µηχανικές, ηλεκτρικές και θερµικές διεγέρσεις. Οι απτικές οθόνες τεχνητά δηµιουργούν αισθήσεις που προσοµοιάζουν µε αυτές που προκύπτουν όταν σύρουµε την άκρη του δακτύλου µας σε µια επιφάνεια ή ψηλαφώντας χαρακτήρες Braille. Ενώ οι περισσότερες απτικές οθόνες έχουν σχεδιαστεί για να διεγείρουν το δέρµα του δακτύλου, υπάρχουν και συσκευές οι οποίες προκαλούν αισθήσεις αφής σε διάφορα σηµεία του σώµατος όπως η πλάτη, το µπράτσο και τα πόδια. Αντίθετα µε τις παραδοσιακές διεπαφές που παρέχουν οπτική και ακουστική πληροφορία, οι απτικές διεπαφές δηµιουργούν µηχανικά σήµατα που διεγείρουν τα ανθρώπινα κανάλια επικοινωνίας που σχετίζονται µε την κίνηση και την αφή. Η τεχνολογία έχει χρησιµοποιήσει από καιρό την αφή για τη µεταφορά πληροφοριών από τον άνθρωπο στον υπολογιστή (για παράδειγµα µε τη χρήση του πληκτρολογίου). Εντούτοις, έχει στηριχθεί ελάχιστα στην αφή για να κλείσει το βρόγχο επικοινωνίας για τη µεταφορά πληροφοριών στην άλλη κατεύθυνση - από τον υπολογιστή στον άνθρωπο. Τις περισσότερες φορές, οι άνθρωποι στηρίζονται στην όρασή τους (µέσω µιας οθόνης υπολογιστή) και τις ακουστικές τους ικανότητες (µέσω της οµιλίας) για να ανακτηθούν οι πληροφορίες από τον υπολογιστή. Αυτό υπογραµµίζει µια µεγάλη αντίθεση µε τον πραγµατικό κόσµο όπου στηριζόµαστε συνεχώς στην αφή για να ερευνήσουµε και να αισθανθούµε το περιβάλλον µας [2]. Ο όρος "tactile display" χρησιµοποιείται συχνά για να περιγράψει οποιαδήποτε συσκευή χρησιµοποιεί την αίσθηση της αφής. 6

7 Γιατί είναι δύσκολη η κατασκευή των απτικών οθονών; υστυχώς, η κατασκευή µιας χρήσιµης και οικονοµικά αποδοτικής απτικής οθόνης δεν είναι ένας εύκολος στόχος και κανένα από τα προτεινόµενα σχέδια δεν φαίνεται να παράγει ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Ο σχεδιασµός µιας βέλτιστης απτικής οθόνης απαιτεί ακριβή γνώση της φυσιολογίας του δέρµατος και της ανατοµίας των νεύρων του [3], [4], [5]. Οι περισσότερες απτικές οθόνες που κατασκευάζονται σήµερα αποτυγχάνουν να µεταβιβάσουν τις σηµαντικές πληροφορίες αφής και να είναι συγχρόνως και πρακτικές. Οι συσκευές είναι πολύ ογκώδεις και δεν παρέχουν αρκετή ισχύ, ή περιορίζονται σε χαµηλό εύρος ζώνης, ή περιορίζονται σε µικρό αριθµό µηχανισµών κίνησης (actuators) µε χαµηλή χωρική πυκνότητα, ή απαιτούν συνεχή συντήρηση ή είναι πολύ ακριβές και σύνθετες. Εκτός από τις συσκευές οι οποίες προορίζονται για άτοµα µε ειδικές ανάγκες (τυφλούς) δεν υπάρχει κάποια εµπορική συσκευή που µπορεί να αγοραστεί σε µια λογική τιµή (για παράδειγµα κόστος εφάµιλλο του κόστους ενός PC) [2]. II. Φυσιολογία του δέρµατος Το δέρµα είναι το µεγαλύτερο όργανο του σώµατος. Μας δίνει τη δυνατότητα να αντιλαµβανόµαστε την πίεση, τη θερµότητα, τον πόνο, τη φαγούρα κ.λ.π. Αυτές οι διαφορετικές αντιληπτικές ιδιότητες περιγράφονται από το γενικό όρο δερµατικές αισθήσεις. Οι λειτουργίες του είναι: 1) Να προστατεύει το σώµα από τραυµατισµούς, τη θερµότητα και την ακτινοβολία. 2) Να εµποδίζει την εισβολή µικροβίων και µικροοργανισµών στο σώµα. 3) Να ρυθµίζει τη θερµοκρασία του σώµατος. 4) Να προστατεύει τις ορµόνες και τα ένζυµα. 5) Να αποβάλλει βλαβερές ουσίες που προκύπτουν από µεταβολικές ενέργειες. 6) Να δρα σαν ένα εξωτερικό αισθητήριο όργανο έχοντας διάφορα είδη αισθητήρων. 7

8 Η τελευταία λειτουργία του δέρµατος είναι αυτή που εκµεταλλεύονται στις απτικές διεπαφές. Η απτική αίσθηση παρέχει πληροφορίες πρωταρχικά σε άτοµα µε προβλήµατα όρασης για τη θερµοκρασία, την αντίληψη της υφής, της σύστασης, της θέσης και της κίνησης ενός αντικειµένου [3]. Η αρχική επαφή µε τον εξωτερικό κόσµο σε ένα αισθητήριο σύστηµα, γίνεται διαµέσου µικρών ειδικών µορφωµάτων τα οποία ονοµάζονται αισθητήριοι υποδοχείς και αποτελούν την είσοδο από την οποία εισέρχεται στο νευρικό σύστηµα η πληροφορία της αίσθησης. Η πληροφορία της αίσθησης συµπεριλαµβάνει κάθε είδους περιβαλλοντικό (εξωτερικό και εσωτερικό) ερέθισµα που διεγείρει τους αισθητικούς υποδοχείς. Οι αισθητήριες πληροφορίες αποτελούν για τον οργανισµό τη βάση της κινητικότητας, της εγρήγορσης και της αντίληψης. Η Εικόνα 1 παρουσιάζει τη σχηµατική δοµή και θέση των τύπων υποδοχέων µέσα στο ανθρώπινο δέρµα, οι οποίοι καλούνται µηχανουποδοχείς (mechanoreceptors). Οι αισθητήριοι υποδοχείς [4] έχουν την ιδιότητα της προσαρµογής, δηλαδή ελαττώνουν προοδευτικά το ρυθµό παραγωγής των νευρικών ώσεων παρά το γεγονός ότι η ένταση του αντίστοιχου ερεθίσµατος µπορεί να παραµένει σταθερή. Η προσαρµογή ενός υποδοχέα γίνεται µε ταχύ ρυθµό (υποδοχείς ταχείας προσαρµογής RA I & II) ή µε βραδύ ρυθµό(υποδοχείς βραδείας προσαρµογής SA I & II). Οι RAs αποκρίνονται στις χρονικές αλλαγές στην εφαρµογή µιας δύναµης π.χ. στη φάση επαφής ή απελευθέρωσης του δέρµατος από ένα αντικείµενο. Οι SA αποκρίνονται επίσης στη σταθερή άσκηση δύναµης στο δέρµα. Οι µηχανο-υποδοχείς διακρίνονται στους ακόλουθους τύπους: Ελεύθερες νευρικές απολήξεις Σωµάτια Meissner Σωµάτια Pacini Αρθρικά όργανα του Golgi Σωµάτια του Ruffini ίσκοι του Merkel Τα σωµάτια Meissner αποκρίνονται σε ένα φάσµα συχνότητας Hz και είναι καταλληλότερα σε δονήσεις στις συχνότητες περίπου 40 Hz ενώ ορίζονται από τον τύπο µηχανουποδοχέων RA-Ι. Τα σωµάτια Pacini σχετίζονται µε τον RA-ΙΙ τύπο. Αποκρίνονται σε ένα φάσµα συχνοτήτων Hz µε µια βέλτιστη απόκριση στη ζώνη συχνοτήτων Hz. Οι δύο τύποι µηχανουποδοχέων SA αποκρίνονται στις συχνότητες µέχρι 100 Hz. Οι δίσκοι του Merkel ορίζονται ως SA-Ι και τα σωµάτια Ruffini ως SA-ΙΙ τύποι δεκτών [5]. 8

9 Στην παλάµη, οι πιο ρηχοί (σωµάτια Meissner) και ο πιο βαθείς (σωµάτια Pacini) µηχανο-υποδοχείς βρίσκονται 0.7mm και 2mm περίπου κάτω από την επιφάνεια, αντίστοιχα. Ανάµεσα στις διαφορετικές τάξεις των µηχανο-υποδοχέων αυτοί που εκµεταλλεύονται πιο συχνά οι εφαρµογές των απτικών οθονών είναι οι δίσκοι του Merkel για αίσθηση πίεσης, τα σωµάτια Meissner για δόνηση χαµηλής συχνότητας και τα σωµάτια Pacini για δόνηση υψηλής συχνότητας [3]. Εικόνα 1: Τµήµα του δέρµατος στο οποίο διακρίνονται τα επίπεδα και οι υποδοχείς του [5], [6] Λόγω του µεγάλου αριθµού αντιλήψεων που µπορεί να ενεργοποιείται µέσω του απτικού συστήµατος (µετακίνηση άκρων για παράδειγµα), οι σχεδιαστές πρέπει να εξετάσουν ποια απτική διέγερση (αφή, κιναισθησία, ή κάποιος συνδυασµός) ταιριάζει καλύτερα σε κάθε εφαρµογή [7]. 9

10 1. Μηχανο-υποδοχείς αφής (Tactile mechanoreceptors) Τέσσερεις ευδιάκριτοι υποδοχείς (αισθητήρια όργανα) υπάρχουν µέσα στο άτριχο δέρµα (όπως αυτό στις παλάµες, στα άκρα των δακτύλων, και στα πέλµατα των ποδιών), και κάθε ένας είναι ευαίσθητος σε ευδιάκριτες φυσικές παραµέτρους. Η ευαισθησία τους εξαρτάται από το µέγεθός τους (µεγάλοι υποδοχείς έχουν µικρή χωρική ανάλυση), την πυκνότητα (πολλοί υποδοχείς σε µια δεδοµένη περιοχή οδηγούν στην υψηλή χωρική οξύτητα), το φάσµα συχνότητας (οι υποδοχείς δεν αντιλαµβάνονται τα σήµατα έξω από την τάξη τους), και τη διακλάδωση ινών νεύρων (υψηλότερη διακλάδωση οδηγεί στο χωρικό και χρονικό άθροισµα των σηµάτων). Επιπλέον, ο τύπος της διέγερσης (κίνηση δέρµατος ή συνεχής πίεση) έχει επιπτώσεις στο βαθµό που κάποιοι µεµονωµένοι µηχανο-υποδοχείς ενεργοποιούνται. Το τριχωτό δέρµα, που καλύπτει το µεγαλύτερο µέρος του σώµατος, έχει τρεις ενεργούς µηχανο-υποδοχείς. Οι υποδοχείς στο τριχωτό δέρµα έχουν χαµηλή χωρική ανάλυση, που δείχνει πως δεν αντιλαµβάνονται αποτελεσµατικά τη λεπτοµερή σύσταση ή 2D µορφή (δηλαδή τη συγκεκριµένη γεωµετρική δοµή µιας επιφάνειας ή αντικειµένου) σε αυτές τις περιοχές. Το άτριχο δέρµα, ιδιαίτερα στα χέρια, είναι το αποτελεσµατικότερο για τις λεπτοµερείς πληροφορίες αφής (tactile). Μηχανισµοί κίνησης σε µια απτική συσκευή για τη σύσταση ή την αντίληψη της 2D µορφής πρέπει να ενεργοποιήσουν το δέρµα στις παλάµες, στα άκρα των δακτύλων, ή στα πέλµατα των ποδιών. Οι µηχανισµοί κίνησης (actuators) για τη µεταβίβαση των δονητικών πληροφοριών µπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε στο σώµα. Ψυχοφυσικά πειραµατικά σχέδια (όπως το βήµα, η ώθηση, και οι περιοδικές λειτουργίες) είναι ένας τρόπος να αξιολογηθεί η πολλαπλών δεκτών αντίληψη καθώς και οι σφαιρικοί περιορισµοί αντίληψης της αφής. Τα όρια της αντίληψης της αφής εξαρτώνται από τη θέση, τον τύπο ερεθισµάτων, και το συγχρονισµό. Επειδή η πυκνότητα των µηχανουποδοχέων ποικίλλει, τα κατώτατα όρια αφής για ένα ή και δύο-σηµεία ποικίλλουν βασισµένα στην περιοχή του δέρµατος που ενεργοποιείται. Ο σχεδιασµός των µηχανισµών κίνησης πρέπει εποµένως να εξετάσει αυτά τα κατώτατα όρια για να εξασφαλίσει ότι οι ανθρώπινοι µηχανουποδοχείς λαµβάνουν το ερέθισµα της αφής. Τα όρια πίεσης παρουσιάζουν διαφορετικά επίπεδα ευαισθησίας ανάλογα µε το µέρος του σώµατος στο οποίο ασκείται η πίεση και µε το φύλο. Τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας διέγερσης επηρεάζουν επίσης την αίσθηση της αφής. Όσο το ερέθισµα αλλάζει, τόσο και η αίσθηση της αφής. Μια απτική οθόνη για την προσοµοίωση των αισθήσεων αφής 10

11 πρέπει να περιέχει διάφορες ιδιότητες. Για παράδειγµα, η απτική συσκευή πρέπει να διατηρήσει την ενεργό πίεση για να αισθανθεί ο χρήστης µια σκληρή επιφάνεια µετά από την αρχική επαφή. Για µαλακές επιφάνειες, η απτική συσκευή πρέπει να διατηρήσει µια µικρή θετική αντίδραση ενάντια στο δέρµα µετά από την αρχική επαφή, χωρίς την ενεργό πίεση ή σχετική κίνηση. Ακριβώς για τη σύσταση της οθόνης, πρέπει να υπάρξει κάποια σχετική κίνηση µεταξύ της απτικής επιφάνειας και του δέρµατος [7]. 2. Υποδοχείς κιναισθησίας (Kinesthetic receptors) Οι µηχανο-υποδοχείς που βρίσκονται κοντά στις αρθρώσεις (αρθρικές απολήξεις Golgi, σωµάτια Ruffini και Pacini) εξυπηρετούν την κιναισθησία. Η αποστολή και η συχνότητα των παραγόµενων ώσεων εξαρτάται από την κάµψη της αρθρώσεως. Η κιναισθησία είναι ο τύπος της αίσθησης που πληροφορεί το κεντρικό νευρικό σύστηµα για τη θέση και την κίνηση των µελών του σώµατος [4]. Αισθητήριες πληροφορίες από τους κιναισθητικούς υποδοχείς συνδυάζονται µε τις διαθέσιµες πληροφορίες από τα µηχανικά και τα γνωστικά συστήµατα που παράγουν αντίληψη της θέσης των άκρων και της κίνησης. Η δυνατότητα κάποιου να ανιχνεύσει την κίνηση του άκρου εξαρτάται από την κίνηση των αρθρώσεων, την ταχύτητα της κίνησης, και την κατάσταση των µυών που ελέγχουν την άρθρωση. Το εύρος ζώνης της κιναισθητικής αίσθησης κυµαίνεται από 20 έως 30 Hz. Συχνά κάποιος αντιλαµβάνεται ότι µια κίνηση έχει γίνει πριν αισθανθεί την κατεύθυνσή της. Κατά συνέπεια, ένα παθητικό κιναισθητικό ερέθισµα πρέπει να περιέχει αρκετή κίνηση για να δείξει την κατεύθυνση. Οι κιναισθητικές οθόνες επιτρέπουν την αλληλεπίδραση µε χειρονοµίες, και παρέχουν ανάδραση δύναµης από τα εικονικά αντικείµενα. Η κιναισθησία παρέχει πληροφορίες από τα κινούµενα µέρη του σώµατος και αναπτύσσει ένα εγωκεντρικό πλαίσιο αναφοράς µέσα στο περιβάλλον ενηµερούµενο συνεχώς για τις σχετικές θέσεις και ρυθµικές κινήσεις των τµηµάτων του σώµατος. Επειδή παρακολουθούν τις κινήσεις του σώµατος µέσω αισθητήρων, οι κιναισθητικές οθόνες µπορούν να παρέχουν αλληλεπίδραση µε χειρονοµίες. Συσκευές που παρέχουν την ανάδραση δύναµης προσθέτουν ρεαλισµό στα εικονικά συστήµατα όπως δηλαδή συµβαίνει στον πραγµατικό κόσµο [7]. 11

12 3. Υποδοχείς Θερµοκρασίας Η αίσθηση του θερµού και του ψυχρού εξυπηρετείται από τους θερµο-υποδοχείς και ψυχρο-υποδοχείς. Οι αισθητικοί υποδοχείς θερµοκρασίας εκπροσωπούνται από τις ελεύθερες νευρικές απολήξεις, που βρίσκονται διάσπαρτες σε όλη την επιφάνεια του δέρµατος, σε ορισµένα µάλιστα σηµεία (στα σηµεία θερµότητας και ψύχους) εµφανίζουν ιδιαίτερα πυκνή κατανοµή. Οι θερµο-υποδοχείς εµφανίζουν µέγιστη αναλογική αντίδραση στους 40ºC (38ºC -43ºC) και αύξηση του ρυθµού παραγωγής των νευρικών ώσεων σε άνοδο της θερµοκρασίας. Οι ψυχρο-υποδοχείς εµφανίζουν µέγιστη αναλογική αντίδραση στους 20ºC (16ºC -27ºC) και αύξηση του ρυθµού παραγωγής των νευρικών ώσεων σε πτώση της θερµοκρασίας. Το υποκειµενικό αίσθηµα στις διάφορες θερµικές καταστάσεις εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της αντιδράσεως των υποδοχέων θερµοκρασίας. Όταν η σταθερή θερµοκρασία του δέρµατος είναι µεταξύ 20ºC και 40ºC δεν γίνεται αντιληπτή η ύπαρξη κάποιου ιδιαίτερα έντονου αισθήµατος. Αντίθετα, όταν η θερµοκρασία του δέρµατος είναι κάτω από τους 20ºC, ή πάνω από τους 40ºC, τότε γίνεται έντονα αντιληπτό το αίσθηµα του ψύχους ή της θερµότητας αντίστοιχα. Όταν µάλιστα η θερµοκρασία του δέρµατος είναι κάτω από τους 15ºC ή πάνω από 45ºC, τότε διεγείρονται οι υποδοχείς του πόνου και προκαλείται το αντίστοιχο αίσθηµα [4]. III.Τεχνολογίες αισθητήρων και µηχανισµών κίνησης 1. Τεχνολογίες αισθητήρων (Sensors Technologies) Ο στόχος ενός αισθητήρα αφής είναι να προσδιορίζει το σχήµα, τη µάζα, τη σύσταση και την υφή των αντικειµένων, ακολουθώντας τα περιγράµµατα των αντικειµένων ακριβώς όπως ένα ανθρώπινο χέρι µπορεί να προσδιορίσει ένα σχήµα χρησιµοποιώντας τα δάχτυλα. Ένας αισθητήρας αφής είναι βασικά µια συσκευή που µετρά τις παραµέτρους της αλληλεπίδρασης µεταξύ της συσκευής και κάποιου φυσικού ερεθίσµατος. Η αλληλεπίδραση καθορίζεται από την ευαίσθητη περιοχή αφής της επιφάνειας της συσκευής. Ο απλούστερος αισθητήρας 12

13 είναι αυτός ο οποίος είναι ικανός µόνο να ανιχνεύσει την παρουσία/απουσία αφής ενώ υπάρχουν και πιο σύνθετοι αισθητήρες αφής που µπορούν να παρέχουν στοιχεία όσον αφορά το µέγεθος, τη µορφή ή την περιοχή της δύναµης. Κάθε σηµείο επαφής ενός αισθητήρα αφής πρέπει να παρέχει ευαισθησία από 0.4 ως 10N και ένα ελάχιστο εύρος ζώνης των 100 Hz. Η απλούστερη µορφή ενός αισθητήρα αφής είναι βασισµένη σε έναν στρατηγικά τοποθετηµένο µικροδιακόπτη για να διαµορφώσει ένα δυαδικό αισθητήρα αφής (είτε στη θέση on είτε στη θέση off). Η ισχύς που απαιτείται για να ενεργοποιηθεί ο διακόπτης θα καθορίζεται από τον τύπο και το µέγεθος του υλικού που αισθανόµαστε. Εάν πρέπει να αισθανθούµε ένα µεγάλο αντικείµενο, το βάρος για να ενεργοποιηθεί ο αισθητήρας θα ήταν µεγαλύτερο, αντίστροφα για ένα ελαφρύτερο αντικείµενο. Άλλες προσεγγίσεις είναι βασισµένες σε µια µηχανική µετακίνηση που ενεργοποιεί µια δευτεροβάθµια συσκευή όπως ένα ποτενσιόµετρο ή ένα µετατροπέα µετατόπισης. Η πλειοψηφία των αισθητήρων χρησιµοποιεί ένα ελαστοµερές που αποτελείται από ένα λάστιχο από άνθρακα [8]. Ένα παράδειγµα πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα αναφέρεται στην [9]. Ένας 2D, ηλεκτρικά ροµποτικός απτικός αισθητήρας κατασκευάστηκε µε την ένωση ενός πιεζοηλεκτρικού φθοριδίου (PVDF) πολυµερούς σε ένα µονολιθικό ολοκληρωµένο κύκλωµα πυριτίου. Το κύκλωµα ενσωµατώνει 64 ηλεκτρόδια αισθητήρα ορισµένα σε µια συµµετρική συστοιχία 8 x 8. Κάθε ηλεκτρόδιο καταλαµβάνει 400x400µm 2, και η απόσταση ανάµεσα στα ηλεκτρόδια είναι 300µm. Ένα διαφορετικό είδος πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα παρουσιάζεται στην [10], βασισµένος στην αρχή της µεταβολής της πιεζοηλεκτρικής συχνότητας µε την εφαρµοσµένη πίεση. Μια σειρά ηλεκτροδίων έχει υιοθετηθεί από κάθε πλευρά του υλικού PZT. Απτικοί αισθητήρες µε 3x3, 7x7 και 15x15 σειρές ηλεκτροδίων έχουν ήδη υλοποιηθεί. Ένας οπτικός αισθητήρας αφής έχει αναπτυχθεί για το άκρο δακτύλου του ροµποτικού χεριού [11]. Χρησιµοποιώντας τα οπτικά φαινόµενα, ο αισθητήρας, που έχει µια ηµισφαιρική επιφάνεια, µπορεί να ανιχνεύσει το σηµείο όπου ένα αντικείµενο έρχεται σε επαφή µε την επιφάνεια του καθώς και το σηµείο της επιφάνειας του αντικειµένου µε το οποίο έρχεται σε επαφή. Στην Εικόνα 2 παρουσιάζεται ένας οπτικός αισθητήρας αφής. 13

14 Εικόνα 2 : Οπτικός αισθητήρας αφής [8]. 2. Τεχνολογίες µηχανισµών κίνησης (Actuators Technologies) H επιλογή του µηχανισµού κίνησης (actuator) είναι µια σηµαντική απόφαση για τη σχεδίαση µιας απτικής οθόνης. Είναι απαραίτητο να παραχθεί µεγάλη πυκνότητα υψηλής ισχύος για να δηµιουργηθεί µια ρεαλιστική διέγερση της δερµατικής αίσθησης. Παραδείγµατος χάριν µια ιδανική οθόνη που ασκεί τις κανονικές δυνάµεις στο άκρο του δακτύλου απαιτεί µέγιστη πίεση 50 Ν/cm 2 και εύρος ζώνης 50 Hz. Αυτό το ιδανικό απέχει κατά πολύ από αυτό που µπορεί να επιτευχθεί µε τις τρέχουσες τεχνολογίες µηχανισµών κίνησης [12]. 2.1 Ηλεκτροµαγνητικοί µηχανισµοί κίνησης Στη ροµποτική η συνήθως χρησιµοποιούµενη DC µηχανή συσχετίζεται µε τον τύπο των ηλεκτροµαγνητικών µηχανισµών κίνησης. Χρησιµοποιεί έναν συνδυασµό µόνιµου µαγνήτη, σπειρών και ενός µεταγωγού για να παράγει ένα περιστρεφόµενο ηλεκτροµαγνητικό πεδίο. Οι DC µηχανές σε συνδυασµό µε έναν κωδικοποιητή για τη µέτρηση και τον έλεγχο της θέσης, αποκαλούµενες servo µηχανές, είναι διαθέσιµες σε διαφορετικά µεγέθη και παρέχουν καλή ακρίβεια θέσης. Ένα µειονέκτηµα των DC µηχανών είναι γενικά ότι η περιστροφική κίνηση πρέπει να µετασχηµατιστεί σε γραµµική. 14

15 Ένας άλλος τύπος ηλεκτροµαγνητικών µηχανισµών κίνησης είναι τα σωληνοειδή. Χρησιµοποιούν µια σπείρα καλωδίου για να παράγουν µαγνητικό πεδίο. Ο µηχανισµός κίνησης σωληνοειδών είναι συνδεδεµένος σε µια δακτυλήθρα και ο χειριστής µπορεί να αισθανθεί συχνότητες µέχρι 200 Hz. Χρησιµοποιείται µια τροποποιηµένη αρχή των µηχανισµών κίνησης σωληνοειδών. Με αυτόν τον τρόπο η σπείρα τοποθετείται στο κινούµενο µέρος και η ενεργοποίηση της σπείρας προκαλεί έλξη του ηλεκτροµαγνητικού µοχλού στο σταθερό τµήµα. Η οθόνη περιέχει µια 6x6 σειρά µηχανισµών κίνησης κανονικής δύναµης. εδοµένου ότι δεν έχουν κανένα έλεγχο θέσης /δύναµης οι ακροδέκτες των µηχανισµών κίνησης µπορούν µόνο να οδηγηθούν µε ένα on/off τρόπο. Κάθε ακροδέκτης µπορεί να ασκήσει µια αρχική δύναµη 0.8 N και µια συνεχή δύναµη περίπου 4.5 Ν. Οι ακροδέκτες οδηγούνται ανεξάρτητα και µπορούν να φθάσουν σε συχνότητες µεγαλύτερες από 100 Hz. Οι µηχανισµοί κίνησης σπειρών φωνής χρησιµοποιούν τους µόνιµους µηχανισµούς κίνησης µαγνητών για να δηµιουργήσουν ένα µαγνητικό κύκλωµα. Ρεύµα εφαρµοζόµενο στη σπείρα παράγει αλλαγή στο µαγνητικό πεδίο και δύναµη στη σπείρα [13]. H παραγόµενη δύναµη είναι ανάλογη προς το µαγνητικό πεδίο του µόνιµου µαγνήτη. Το κινούµενο µέρος (σπείρα) έχει χαµηλή µάζα και µπορεί να παρέχει µεγαλύτερες δυνάµεις από τα σωληνοειδή. Οι µηχανισµοί κίνησης σπειρών φωνής χρησιµοποιούνται κυρίως στις απτικές οθόνες που παρέχουν ανάδραση µε δονήσεις [5]. Ένας ηλεκτροµαγνητικός µηχανισµός κίνησης παρουσιάζεται στην Εικόνα 3. Εικόνα 3 : Ηλεκτροµαγνητικός µηχανισµός κίνησης [14] 15

16 2.2 Μηχανισµοί κίνησης που λειτουργούν µε αέρα (Pneumatic Actuators) Είναι οι µηχανισµοί κίνησης που χρησιµοποιούν την πίεση ή τη ροή του αέρα για να οδηγήσουν τους ακροδέκτες ή να διογκώσουν τους αεροθαλάµους [5]. Το πλεονέκτηµα τους είναι ότι ο συµπιεστής που παράγει την πίεση µπορεί να είναι τοποθετηµένος σε περιφερειακές θέσεις. Εποµένως µπορούν να παρέχουν καλή πυκνότητα ισχύος µε τη χρησιµοποίηση απλών συστατικών. Τα µειονεκτήµατα είναι οι δυσκολίες στον έλεγχο της πίεσης ή της ροής. Περαιτέρω, αεροδυναµικές ενέργειες προκαλούν περιορισµούς στο εύρος ζώνης αυτών των µηχανισµών κίνησης. Παράδειγµα µηχανισµού κίνησης που λειτουργεί µε αέρα παρουσιάζεται στην Εικόνα 4. Εικόνα 4 : Ένας µηχανισµός κίνησης µε αέρα [15] 2.3 Πιεζοηλεκτρικοί µηχανισµοί κίνησης (Piezoelectric Actuators) Οι πιεζοηλεκτρικοί µηχανισµοί κίνησης (Εικόνα 5) είναι βασισµένοι στο φαινόµενο της παραµόρφωσης ενός κρυστάλλου χαλαζία που προκαλείται από ηλεκτρικό πεδίο. Το βιοµηχανικό τυποποιηµένο υλικό PZT µπορεί να επιτύχει πίεση της τάξης του 0.2%. Η τάση λειτουργίας κυµαίνεται από 1 ως 2 V/mm και η εµφανιζόµενη υστέρηση τους µπορεί να εξαλειφθεί χρησιµοποιώντας τον έλεγχο ανατροφοδότησης θέσης έτσι ώστε να µπορεί να επιτευχθεί υψηλής ακρίβειας θέση. Οι πιεζοηλεκτρικοί µηχανισµοί κίνησης µπορούν να διεγείρουν τις πολύ υψηλές συχνότητες µέχρι µερικά khz. Η σχεδίαση των πιεζοηλεκτρικών στοιχείων χρησιµοποιείται συνήθως για να µειώσει την υψηλή τάση λειτουργίας. Κάθε κεραµικός δίσκος βρίσκεται µεταξύ δύο επιφανειών ηλεκτροδίων. Για να ενισχυθεί η µετατόπιση δύο λεπτές πιεζοκεραµικές λωρίδες µπορούν να συνδεθούν έτσι ώστε η µια να συστέλλεται ενώ η άλλη διαστέλλεται. Το αποκαλούµενο δίµορφο σχέδιο είναι παρόµοιο µε το διµεταλλικό µετρητή. Οι πιεζοηλεκτρικοί µηχανισµοί κίνησης χρησιµοποιούνται σε συσκευές που παράγουν απτικές αισθήσεις µε δονήσεις [5]. 16

17 Εικόνα 5 : Πιεζοηλεκτρικός µηχανισµός κίνησης [8] 2.4 Shape Memory Alloys Τα shape memory alloys (SMA) µπορούν εύκολα να παραµορφωθούν όταν είναι κρύα. Το πιο κοινώς χρησιµοποιούµενο SMA είναι κράµα τιτανίου. Ο άµεσος γραµµικός µηχανισµός κίνησης SMA µπορεί να ασκήσει πιέσεις µέχρι 200 N/mm 2. Η πίεση αποκατάστασης είναι της τάξεως 5-8%, πολύ µεγάλη σε σχέση µε εκείνης των πιεζοηλεκτρικών µηχανισµών κίνησης. Αν και οι µηχανισµοί κίνησης SMA εµφανίζονται να έχουν την υψηλότερη δύναµη ανά περιοχή µονάδων και µεγάλη µετατόπιση, διάφοροι παράγοντες τους καθιστούν δύσκολους να χρησιµοποιηθούν για τις απτικές οθόνες. Τα κύρια µειονεκτήµατα είναι η αργή ταχύτητα απόκρισης, η µικρή διάρκεια ζωής και τα προβλήµατα ψύξης [5]. Στην Εικόνα 6 παρουσιάζεται ένας µηχανισµός κίνησης τύπου SMA. Εικόνα 6 : Μηχανισµός κίνησης SMA [16] 17

18 2.5 Μηχανισµοί κίνησης MEMS Η τεχνολογία µικρο-ηλεκτροµηχανικών συστηµάτων (MEMS) παρέχει ιδιαίτερα ενσωµατωµένες µηχανικές δοµές µηχανισµών κίνησης. Η τεχνολογία που χρησιµοποιείται στους µηχανισµούς κίνησης MEMS είναι µαγνητική, ηλεκτροστατική ή θερµική. υστυχώς κανένα στοιχείο απόδοσης δεν είναι διαθέσιµο επειδή αυτοί οι µηχανισµοί κίνησης είναι ακόµα υπό ανάπτυξη [5]. Στην Εικόνα 7 παρουσιάζεται ένας µικροηλεκτρονικός µηχανισµός κίνησης. Εικόνα 7 : Μικροηλεκτρονικός µηχανισµός κίνησης[17] IV. Tactile και haptic τεχνολογίες 1. Tactile τεχνολογίες Ένας αριθµός συσκευών και συστηµάτων έχουν σχεδιαστεί για να µεταφέρουν πληροφορίες µέσω του δέρµατος. Ανάµεσα σε αυτές, οι Braille, απτικές συσκευές διέγερσης που παράγουν δονήσεις και τα ποντίκια µε ανάδραση αφής είναι οι πιο ελκυστικές επιλογές, δίνοντας τη δυνατότητα µε την αίσθηση της αφής να αναγνωριστούν πολύπλοκα σχήµατα και να αναλυθούν οι πληροφορίες. 18

19 1.1 Οθόνες Braille Η Braille, η µέθοδος ανάγνωσης και γραφής που επινοήθηκε από τον Louis Braille το 1840, προσδιορίζει τις σχέσεις µεταξύ µιας κουκίδας της αίσθησης της αφής και των χαρακτήρων του αλφαβήτου. Κάθε σχηµατισµός κουκίδων παράγει µια ιδιαίτερη αίσθηση στα άκρα των δακτύλων. Πολλές τεχνικές µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να παράγουν το κείµενο Braille. Τυπωµένα Braille (σε χαρτί ή πλαστικό) αποτελούνται από τις σελίδες στις οποίες τα σηµεία - µισές σφαίρες περίπου ενός χιλιοστόµετρου στη διάµετρο - είναι αποτυπωµένα ανάγλυφα. Η αυτοµατοποιηµένη ανάγνωση πληροφοριών Braille γίνεται από πιθανές ηλεκτρονικές οθόνες Braille (π.χ. Navigatorl). Αυτές οι οθόνες έχουν µια ή περισσότερες γραµµές των 20, 40 ή 80 κυττάρων Braille: κάθε ένα κύτταρο είναι µια µηχανική συσκευή που αντιπροσωπεύει µια 8 σηµείων συστοιχία (2 στήλες και 4 γραµµές). Τα κύτταρα σηµείων των οθονών Braille είναι προγραµµατίσιµα: οι χρήστες µε προβλήµατα όρασης µετακινούνται στο κείµενο από µια γραµµή στην επόµενη, µετακινώντας τα δάχτυλα τους πάνω και κάτω στην επιφάνεια της οθόνης. Αν και τυποποιηµένες οι συνήθως χρησιµοποιούµενες οθόνες είναι και ακριβές και δύσκολες στη µεταφορά [18]. Πίνακας 1 : Μέση ταχύτητα ανάγνωσης Braille σε λέξεις ανά λεπτό (wpm) µε απόκλιση s ανάλογα µε την οθόνη που χρησιµοποιείται και τον τύπο του αναγνώστη [18]. Η ταχύτητα ανάγνωσης braille είναι χαρακτηριστικά τρεις έως τέσσερις φορές πιο αργή από την οπτική ανάγνωση, µε τη µέση ταχύτητα ανάγνωσης 70 wpm (λέξεις ανά λεπτό) [19]. Αντίθετα από την οπτική ανάγνωση, στην οποία τα δύο µάτια κινούνται πάντα µαζί, στη Braille µπορεί να χρησιµοποιείται είτε ένα είτε και τα δύο χέρια. Οι περισσότεροι αναγνώστες προτιµούν να χρησιµοποιήσουν δύο χέρια 19

20 παρά το ένα και αυτή η ανάγνωση είναι γρηγορότερη από την ανάγνωση µε το ένα χέρι. Όταν δύο χέρια χρησιµοποιούνται, αυτά µπορούν να κινηθούν µαζί ή ανεξάρτητα. Μια καλή ανάλυση των σχεδίων ανάγνωσης υπάρχει στην [20]. Μέχρι τώρα, το µεγαλύτερο µέρος της έρευνας έχει επικεντρωθεί σε τυπωµένο Braille υλικό, και όχι στις ηλεκτρονικές οθόνες Braille. Η λειτουργία των τελευταίων περιλαµβάνει είτε ένα χέρι που ελέγχει το τερµατικό ενώ το άλλο χρησιµοποιεί την αφή και ρυθµίζει την ταχύτητα ανάγνωσης µέσω ειδικών κλειδιών ή, εναλλακτικά, χρησιµοποιούνται και τα δύο χέρια για να διαβαστεί η οθόνη Braille (1, 20, 40 ή 80 κύτταρα). Σε σχέση µε το τυπωµένο Braille, η ταχύτητα ανάγνωσης δεν παρουσιάζει καµία αξιόλογη αύξηση όταν ο ρυθµός ανάγνωσης είναι είτε πάρα πολύ µεγάλος είτε µικρός. Το όριο φαίνεται να είναι για την 40 κελιών οθόνη 83.8 wpm για τους γρήγορους αναγνώστες και 35.2 για τους αργούς αναγνώστες (βλ. τον πίνακα 1). Συγκριτικά, διαβάζοντας την τυπωµένη Braille σελίδα, ο ρυθµός είναι γρηγορότερος απ'ό,τι στην ηλεκτρονική οθόνη (99.6 wpm για τους γρήγορους αναγνώστες και 41.4 wpm για τους αργούς αναγνώστες). Η διάκριση γρήγορων και αργών αναγνωστών είναι χρήσιµη δεδοµένου ότι, όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, υπάρχει ιδιαίτερη παραλλαγή στους αναγνώστες. Επειδή περιλαµβάνονται πολλαπλάσιοι µηχανικοί υποδοχείς στον µηχανισµό αντίληψης αφής, η µετατόπιση του δάχτυλου πέρα από τη µορφή ή τη σύσταση βελτιώνει την αντίληψη και διευκολύνει την αναγνώριση των αντικειµένων [18]. 2. Haptic τεχνολογίες Ο όρος haptic αναφέρεται σε έναν συνδυασµό των απτικών και κιναισθητικών αισθήσεων αντίληψης [18]. Η αίσθηση αφής γνωστοποιεί ένα δεδοµένο ερέθισµα πάνω στο σώµα µε τη βοήθεια των δεκτών που βρίσκονται κάτω από το δέρµα και συνδέονται µε το νευρικό σύστηµα ενώ η κιναισθητική αίσθηση παρέχει τις πληροφορίες σχετικά µε τη θέση και τη µετακίνηση των άκρων. 2.1 Haptic συσκευές Μια απτική συσκευή αποτελείται χαρακτηριστικά από έναν µηχανικό σύνδεσµο: στη µορφή ενός joystick που συνδέει τον άνθρωπο χειριστή σε µια πηγή µηχανικής δύναµης- ηλεκτροµαγνητικοί ή 20

21 ηλεκτρουδραυλικοί µηχανισµοί κίνησης. Μια κύρια διάκριση µεταξύ haptic συσκευών και απτικών συσκευών είναι ότι: οι οθόνες braille ή οι vibrotactile σειρές (π.χ. Optin) υποκινούν την αίσθηση αφής αλλά δεν έχουν αισθητήρες - µόνο µικρούς µηχανισµούς κίνησης - και οι διεγέρσεις εµφανίζονται στο δέρµα και δεν υποκινούν την αντίληψη για τη θέση ή την κίνηση των άκρων (δηλ. κιναισθητική αίσθηση) [18]. V. Υλοποιήσεις Hardware Ανάλογα µε τους αισθητήρες του δέρµατος τα συστήµατα που έχουν υλοποιηθεί µέχρι τώρα µπορούν να ταξινοµηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες: Πίεση όνηση Ηλεκτρικό πεδίο Θερµοκρασία (ή θερµική ροή) Οι συσκευές που ανήκουν στην κατηγορία της πίεσης και της δόνησης χρησιµοποιούν µηχανική διέγερση των υποδοχέων του δέρµατος. Οι συσκευές που ανήκουν στην κατηγορία του ηλεκτρικού πεδίου χρησιµοποιούν ηλεκτρική διέγερση των υποδοχέων ενώ η θερµική ροή χρησιµοποιείται για να προσθέσει ποιοτικά χαρακτηριστικά στην απτική αίσθηση. 21

22 Α. Πίεση 1. MIMIZU Το σύστηµα που ονοµάζεται MIMIZU έχει µία γραφίδα (stylus) και το κυρίως µέρος του αποτελείται από µονάδες απτικών οθονών. Χρησιµοποιώντας το σύστηµα, οι χρήστες µε προβλήµατα όρασης µπορούν να ζωγραφίσουν και να σβήσουν απτικές εικόνες. Είναι αποτελεσµατικό όχι µόνο για την απτική ζωγραφική αλλά και ως µέθοδος παρουσίασης διαδραστικών πολυµέσων. Τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης ήταν αναγκασµένα να χρησιµοποιήσουν εργαλεία ζωγραφικής µε τα οποία έπρεπε να σχεδιάζουν χωρίς λάθη αφού δεν τους επιτρεπόταν να σβήσουν τις γραµµές που είχαν σχεδιάσει. Ο κύριος σκοπός του συστήµατος ήταν να επιτρέπει το γράψιµο ή τη σχεδίαση ξανά και ξανά. Για να επιτευχθεί αυτό, συνδέθηκε µια γραφίδα (stylus) και µονάδες απτικών οθονών µε τρεις συνδέσεις και τρεις γωνιακούς αισθητήρες. Με τη χρήση των ανιχνευµένων γωνιακών στοιχείων και του µήκους των συνδέσεων, ένας υπολογιστής υπολογίζει τη θέση της άκρης της γραφίδας και ελέγχει την αύξηση ή τη µείωση των απτικών ακίδων. Αν και η µέθοδος έχει µερικά µειονεκτήµατα όπως για παράδειγµα περιορισµό της κίνησης της γραφίδας, θεωρήθηκε ως καλύτερος τρόπος να πραγµατοποιηθεί µια πρότυπη συσκευή πέρα από την απτική οθόνη. Ονοµάστηκε το σύστηµα απτικής οθόνης MIMIZU, το οποίο σηµαίνει ένα είδος σκουληκιού στα Γιαπωνέζικα, και αναφέρεται στην κίνηση της απτικής οθόνης. Πραγµατικά, η κίνηση της γραφίδας είναι παρόµοια µε την κίνηση των σκουληκιών [21]. 1.1 Περιγραφή του υλικού To MIMIZU αποτελείται από µία συσκευή γραφίδας που συνδέεται µε συνδέσµους, έναν υπολογιστή εξοπλισµένο µε µία οθόνη LCD και µονάδες απτικών οθονών (Εικόνα 1.1). 22

23 Εικόνα 1.1 : Το απτικό σύστηµα MIMIZU [21] Συσκευή γραφίδας (Stylus pen device) Η συσκευή γραφίδας (Εικόνα 1.2) συνδέεται µε τη βάση του συστήµατος µε τρεις συνδέσµους και τρεις γωνιακούς αισθητήρες. Οι γωνιακοί αισθητήρες είναι ποτενσιόµετρα (CONTELEC, 2303N, 20kOhm) των οποίων οι άξονες περιστρέφονται 108 µοίρες και ενεργοποιούνται µε 20 volts. Το πάνω µέρος του συνδέσµου και η άκρη της γραφίδας ενώνονται µε µια σφαίρα (ball joint) και η χρήστες µπορούν να µετακινήσουν τη γραφίδα ελεύθερα. Η γραφίδα έχει τρία κουµπιά. ύο από αυτά βρίσκονται στη µέση του σώµατος της γραφίδας και το τρίτο βρίσκεται στο άκρο της. Οι ρόλοι των κουµπιών δεν είναι αυστηρά καθορισµένοι αλλά εξαρτώνται από το λογισµικό που υπάρχει στον υπολογιστή. Εικόνα 1.2 : Η συσκευή γραφίδας συνδέεται µε τη βάση του συστήµατος µε τρεις Συνδέσµους και τρεις γωνιακούς αισθητήρες [21] 23

24 1.1.2 Υπολογιστής εξοπλισµένος µε LCD οθόνη Ο Η/Υ υπολογίζει τις θέσεις της γραφίδας και ελέγχει τις µονάδες των απτικών οθονών. Είναι εξοπλισµένος µε µια LCD οθόνη έτσι οι χρήστες που βλέπουν µπορούν να δείξουν σε µια συγκεκριµένη θέση ή να ζωγραφίσουν χρησιµοποιώντας την οθόνη και τη γραφίδα. Έχουν επιλεγεί οι σειρές FMV-MC από τη Fujitsu και CF-07 από την Panasonic, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.1. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η LCD οθόνη CF-07 είναι ξεχωριστή από τον υπολογιστή και επικοινωνούν µε ασύρµατο τρόπο. Σε περιπτώσεις διδασκαλίας στην τάξη, ο εκπαιδευτής µπορεί να µετακινείται εύκολα στην τάξη µετακινώντας µόνο την µονάδα LCD Μονάδες απτικών οθονών Το σύστηµα MIMIZU έχει 12 µονάδες απτικών οθονών. Κάθε µονάδα έχει 64 απτικές ακίδες (tactile pins) ορισµένες σε 8x8 ακίδες µε απόσταση µεταξύ τους 3mm. Ωστόσο, ο συνολικός αριθµός των ακίδων είναι 768 -που αντιστοιχεί σε 12 µονάδες απτικών ακίδων- ορισµένες σε µια συστοιχία που έχει 32 στήλες και 24 γραµµές και η επιφάνεια του είναι 96mm x 72mm. Η διάµετρος της κάθε ακίδας είναι 1.3mm. Όλες οι ακίδες µπορούν να ρυθµιστούν σε χρόνο 1 msec µε σήµατα ελέγχου από τον Η/Υ. Άλλο ένα χαρακτηριστικό της µονάδας της οθόνης είναι ότι η γωνία ανάµεσα στον πιεζοηλεκτρικό µηχανισµό κίνησης και στον ακροδέκτη είναι 45 µοίρες. Εξαιτίας της στοίχισης οι σχεδιαστές µπορούν να επεκτείνουν την επιφάνεια της απτικής οθόνης και περισσότερο [21]. 1.2 Αξιολόγηση Το MIMIZU τοποθετήθηκε πειραµατικά σε διάφορα σχολεία για άτοµα µε προβλήµατα όρασης στην Ιαπωνία, αναζητώντας σχόλια και αξιολόγηση από τους µαθητές, το προσωπικό και τους δασκάλους. Τα αποτελέσµατα που επιτεύχθηκαν ήταν τα ακόλουθα: Όταν χρησιµοποίησαν ένα πρόγραµµα για σχεδίαση απτικών εικόνων ήταν διασκεδαστικό να σχεδιάζουν εικόνες µέσω του συστήµατος. Ιδιαίτερα αξιολόγησαν τη δοκιµή των σχεδιαστών του συστήµατος να πραγµατοποιήσουν ένα πρόγραµµα το οποίο να παρέχει τη δυνατότητα της αλλαγής και της διαγραφής των εικόνων που σχεδιάζονται, και δήλωσαν ότι η λειτουργία της διαγραφής και η δυνατότητα να 24

25 παρέχονται ακουστικές πληροφορίες είναι σηµαντικές για τους χρήστες µε προβλήµατα όρασης. Για τρόπους σχεδιοκίνησης (animation), σχολίασαν ότι η µέθοδος της κίνησης δεξιά ή αριστερά δεν είναι πάντα κατάλληλη στην απτική οθόνη, αλλά η δόνηση είναι καλύτερη για τους χρήστες µε προβλήµατα όρασης για να αντιληφθούν ορισµένες περιοχές. Αφ' ετέρου, ένα γενικό παράπονο ήταν ότι η ανάλυση της απτικής οθόνης δεν ήταν αρκετή. Για παράδειγµα, όταν άγγιζαν ευθυγραµµισµένες ακίδες, ήταν δύσκολο να διακριθεί εάν οι ακίδες αντιπροσωπεύουν µια γραµµή ή ξεχωριστά σηµεία. Ειδικά στην περίπτωση της πλάγιας γραµµής, ήταν δύσκολο να γίνει κατανοητό τι παρουσιάζουν οι ακίδες. Για να λυθεί αυτό το πρόβληµα, θα πρέπει να αναπτυχθεί ένας νέος τύπος µηχανισµού κίνησης επειδή η προδιαγραφή του διαστήµατος ανάµεσα στις ακίδες, εξαρτάται από το µηχανισµό κίνησης. Άλλα σχόλια ήταν η µικρή ακρίβεια της ανίχνευσης των άκρων της γραφίδας και η δυσκολία στην αναγνώριση του που βρίσκεται η γραφίδα. Ο κύριος λόγος του προβλήµατος ανίχνευσης ήταν η διακύµανση των τιµών των γωνιακών αισθητήρων. Το πρόβληµα θα µπορούσε να επιλυθεί εάν οι αισθητήρες αντικατασταθούν από ένα είδος κωδικοποιητή αντί του ποτενσιόµετρου από το οποίο είναι τώρα εξοπλισµένο το σύστηµα. Οι µαθητές παρατήρησαν πως όλα τα παιχνίδια που χρησιµοποιούν παρέχουν ακουστική πληροφορία και θα ήθελαν να έχουν επίσης και πληροφορία για το χώρο χρησιµοποιώντας το σύστηµα. Οι κατασκευαστές του συστήµατος εντούτοις δηλώνουν πως είναι δύσκολο να εφαρµοσθούν στο MIMIZU τα υπάρχοντα προγράµµατα παιχνιδιών αλλά θα ήταν σηµαντικό να αναπτυχθούν προγράµµατα που να παρέχουν απτική διασκέδαση. Τέλος, το πρόγραµµα εκµάθησης κινέζικων χαρακτήρων αξιολογήθηκε ιδιαίτερα από δασκάλους και σπουδαστές µε υψηλούς βαθµούς. Φάνηκαν να αναγνωρίζουν τη σηµασία της εκµάθησης των κινεζικών χαρακτήρων από την άποψη κάθε συστατικού και των εννοιών του. Αν και χρησιµοποιούν τους κινεζικούς χαρακτήρες µε τα προγράµµατα ανάγνωσης οθόνης στον υπολογιστή στην καθηµερινή τους ζωή, σχολίασαν πως έχουν πρόβληµα να κατανοήσουν τις µορφές τους και τα συστατικά του [21]. 25

26 2. Απτική οθόνη που χρησιµοποιεί RC σερβοκινητήρες Θα περιγραφεί το σχέδιο µιας 6x6 απτικής οθόνης που έχει χαµηλό κόστος και µπορεί να κατασκευαστεί εύκολα. Χρησιµοποιεί διαθέσιµους στο εµπόριο RC σερβοκινητήρες (servomotors) για να ενεργοποιήσει µια σειρά από µηχανικές ακίδες (pins). Η απόσταση µεταξύ των ακίδων είναι 2mm και η διάµετρος της κάθε ακίδας είναι 1mm. Για µέγιστη εκτροπή 2mm, η οθόνη µπορεί να αναπαραστήσει τις συχνότητες µέχρι 7.5 Hz. Μικρότερες εκτροπές οδηγούν σε συχνότητες µέχρι 25 Hz. Αυτό το σχέδιο ταιριάζει στην έρευνα απτικής οθόνης, καθώς προσφέρει λογική απόδοση σε ένα γερό και ανέξοδο πακέτο [22]. Το ολοκληρωµένο σύστηµα παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.1 συµπεριλαµβανοµένης της ελαστικής επιφάνειας που χρησιµοποιείται ως χαµηλοδιαβατό φίλτρο. 2.1 Σχέδιο και Κατασκευή Εικόνα 2.1 : Η ολοκληρωµένη απτική οθόνη [22], [23] Εικόνα 2.2 :Η 6 x 6 οθόνη [22], [23] 26

27 2.1.1 Υλικά Καλώδιο χάλυβα διαµέτρου 1mm (0.041 ίντσες) χρησιµοποιήθηκε για να κατασκευαστούν οι µηχανικές ακίδες. Η άκρη των ακίδων είναι ελαφρώς στρογγυλευµένη για να αποτρέψει το σχίσιµο της ελαστικής επιφάνειας. Το πλέγµα των ακίδων παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.2. Κάθε οµάδα σερβοκινητήρων περιλαµβάνει έναν ενισχυτή δύναµης, µια DC µηχανή, αισθητήρα θέσης, και ελεγκτή κλειστών βρόγχων. Το πρότυπο των σερβοκινητήρων επιλέχτηκε για το χαµηλό βάρος, το µικρό µέγεθος, και την υψηλή ταχύτητά του [22] ιάταξη των σερβοµηχανισµών Οι σερβοκινητήρες συσκευάζονται για να επιτύχουν απόσταση 2mm µεταξύ των ακίδων. Ένα διάγραµµα έξι σερβοκινητήρων παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.3, που δείχνει πως υλοποιείται η απόσταση 2mm µεταξύ των ακίδων και πώς η περιστροφική κίνηση ενός σερβοκινητήρα µεταφράζεται σε κάθετη κίνηση της ακίδας. Κάθε οµάδα σερβοκινητήρων σχηµατίζει µια στήλη έξι ακίδων [22],[23]. Εικόνα 2.3 : ιαµόρφωση έξι σερβοµηχανισµών σε ένα µπλοκ [22],[23] Η Εικόνα 2.4 παρουσιάζει την κάθετη διάταξη των σερβοκινητήρων. Οι έξι οµάδες των έξι σερβοκινητήρων είναι άκαµπτα συνδεµένες µε πλαίσια αργιλίου σε διαφορετικό βάθος για να επιτύχουν την πλήρη 6x6 σειρά [22]. 27

28 Εικόνα2.4 : Κάθετη διάταξη των σερβοκινητήρων [22],[23] Η απτική οθόνη µπορεί να χωριστεί σε δύο µισά ώστε να απλοποιηθεί η κατασκευή και η συντήρηση των ακίδων (Εικόνα 2.5). Κάθε µισό του πάνω δίσκου είναι άκαµπτα συνδεµένο µε το αντίστοιχο µισό των πλαισίων. Όταν τα µισά της απτικής οθόνης ενώνονται, οι µισοί δίσκοι συνδέουν την αντίθετη πλευρά των πλαισίων για σταθερότητα και ευθυγράµµιση. Εικόνα 2.5:Τα µέρη της οθόνης [22],[23] 28

29 2.1.3 Σύστηµα ελέγχου Το ύψος κάθε ακίδας ρυθµίζεται µε τον έλεγχο του κύκλου ενός σήµατος τάσης PWM, το οποίο στέλνεται στον αντίστοιχο σερβοκινητήρα. Τα 36 PWM κύµατα συχνότητας 50Hz έχουν παραχθεί µε τη λογική που εφαρµόζεται σε Xilinx προγραµµατιζόµενη σειρά πυλών που τοποθετείται σε µια κάρτα παράλληλων διεπαφών (Xs40-005XL, XESS Corp., Apex, NC) [22] Ενεργό σύστηµα εξερεύνησης Για να επιτραπεί η ενεργός ανάδραση αφής, τοποθετήθηκε η απτική οθόνη πάνω σε κάστορες (Εικόνα 2.6). Ένα οπτικό ποντίκι είναι συνδεδεµένο στην κάτω πλευρά των πλαισίων τα οποία παρέχουν πληροφορίες θέσης. Με αυτήν την οργάνωση µεταβιβάζονται οι πληροφορίες αφής στο χρήστη που αλλάζουν ενεργά µε κάθε αντίστοιχη κίνηση των χεριών [22]. Εικόνα 2.6:Ενεργητική εξερεύνηση [22] 29

30 3. Σύστηµα απτικής οθόνης για κωφούς και τυφλούς Το σύστηµα που περιγράφεται αναπτύχθηκε για χρήση από τυφλούς ή κωφούς που δεν είναι χρήστες Braille και µπορεί να παρουσιάσει ιαπωνικούς χαρακτήρες αντί για Braille. Βρέθηκε ότι όταν παρουσιάζονται 93 χαρακτήρες στην οθόνη, το ποσοστό επιτυχίας ήταν µεγαλύτερο από 90%. 3.1 Περιγραφή Στην Εικόνα 3.1 παρουσιάζεται το απτικό σύστηµα. Το σύστηµα αποτελείται από µια µονάδα απτικής οθόνης, ένα πληκτρολόγιο τύπου κινητού τηλεφώνου και κουµπιά κέρσορα. Τα µέρη του συστήµατος συνδέονται µε έναν Η/Υ όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.1. Η απτική οθόνη κατασκευάστηκε από δέκα υποµονάδες απτικής οθόνης (Graphic cell SC5) που αναπτύχθηκαν από την εταιρεία KGS στην Ιαπωνία. Κάθε υποµονάδα περιέχει µια συστοιχία 8 x 8 ακίδων. Η απόσταση µεταξύ των ακίδων είναι 3mm. Επειδή χρησιµοποιούνται 8 x 8 κουκίδες για την παρουσίαση κάθε χαρακτήρα στην οθόνη, µπορούν να παρουσιαστούν ταυτόχρονα δέκα χαρακτήρες [24]. Εικόνα 3.1 : Απτικό σύστηµα. Αποτελείται από µονάδα απτικής οθόνης, κουµπιά κέρσορα και ένα πληκτρολόγιο τύπου κινητού τηλεφώνου. Όλα τα µέρη συνδέονται µε έναν Η/Υ [24] 30

31 Η απτική οθόνη που παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.2 εµφανίζει τους χαρακτήρες DISPLAY. Η γραµµή κάτω από τον χαρακτήρα S παριστάνει τον κέρσορα και µετά το χαρακτήρα Y υπάρχει ένα κενό. Αν και το πληκτρολόγιο τύπου κινητού τηλεφώνου σχεδιάστηκε µε διαφορετικό τρόπο σε σχέση µε τα συµβατικά πληκτρολόγια, µπορεί να το χρησιµοποιήσει κανείς για να συντάσσει προτάσεις. Όταν ο χρήστης πιέζει το πλήκτρο 2, ο αριθµός 2 εµφανίζεται στην απτική οθόνη, ενώ αν πιέσει ξανά το πλήκτρο θα εµφανιστεί ο χαρακτήρας A. Με διαδοχική πληκτρολόγηση του πλήκτρου 2 εµφανίζονται οι χαρακτήρες A, B, C. Όταν εµφανιστεί ο χαρακτήρας που επιθυµεί ο χρήστης θα πρέπει να πιέσει το πλήκτρο ENTER για να τον επιλέξει. Έπειτα ο χαρακτήρας παρουσιάζεται στην οθόνη του Η/Υ µέσω του προγράµµατος σύνταξης κειµένου [24]. Εικόνα 3.2 : Η µονάδα απτικής οθόνης, το πληκτρολόγιο τύπου κινητού τηλεφώνου και τα κουµπιά του κέρσορα [24] 4. Audiograf Το Audiograf είναι ένας αναγνώστης διαγραµµάτων ο οποίος αναπαριστά απλά διαγράµµατα µε ακουστικό-απτικό τρόπο. Με αυτό τον τρόπο οι χρήστες µε προβλήµατα όρασης µπορούν να διαβάζουν και να ερµηνεύουν απλά διαγράµµατα χωρίς τη βοήθεια των ατόµων µε όραση. Το υλικό που χρειάζεται το Audiograf δεν είναι ακριβό. Εκτός από ένα PC µε κάρτα ήχου και πάνελ αφής, δεν χρειάζεται ειδικό υλικό. Με αυτό τον τρόπο το Audiograf µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε όλα σχεδόν τα PC. 31

32 4.1 Μοντέλο του διαγράµµατος Ένα διάγραµµα αναπαριστά διάφορους συσχετισµούς σε δύο διαστάσεις (Εικόνα 4.1). Το Audiograf υποστηρίζει τα πιο σηµαντικά γραφικά στοιχεία ενός διαγράµµατος: πλαίσια, κείµενα και συνδέσµους. Η πληροφορία που θέλει να διαβιβάσει το διάγραµµα βασίζεται στη σηµασία όλων των γραφικών στοιχείων και των σχετικών τους θέσεων. Αυτό καθορίζεται από το σχεδιαστή του διαγράµµατος και ερµηνεύεται από το άτοµο που διαβάζει το διάγραµµα. Για παράδειγµα ένα παχύ πλαίσιο δηλώνει πως πρόκειται για σηµαντική πληροφορία ή ένα κείµενο πάνω από άλλα γραφικά στοιχεία δηλώνει τίτλο. Εικόνα 4.1 : ύο παραδείγµατα διαγραµµάτων [25] 32

33 Πλαίσιο: Ένα πλαίσιο περιγράφεται από τις ακόλουθες ιδιότητες: Θέση. Ύψος, πλάτος. Σχήµα (ορθογώνιο, οβάλ, ). Χρώµα περιοχής. Πλάτος γραµµής. Χρώµα γραµµής. Σκίαση. Κείµενο: Ένα κείµενο περιγράφεται από τις ακόλουθες ιδιότητες: Θέση. Αλφαριθµητική σειρά χαρακτήρων. Γραµµατοσειρά. Μέγεθος γραµµατοσειράς. Χρώµα γραµµατοσειράς. Σύνδεσµος: Ένας σύνδεσµος µπορεί να συνδέσει δύο ή περισσότερα πλαίσια ή µέρη κειµένου. Αποτελείται από γραµµές, τελικά σηµεία και κόµβους. (Εικόνα 4.2). Κάθε σύνδεσµος έχει δύο ή περισσότερα τελικά σηµεία. Ένα σηµείο όπου δύο ή περισσότερες γραµµές ενός συνδέσµου ενώνονται είναι ένας κόµβος. Ένας σύνδεσµος µπορεί να έχει ένα βέλος σε κάθε τελικό σηµείο. Εικόνα 4.2 : Μονή σύνδεση και πολλαπλή σύνδεση [25] 33

34 Ένας σύνδεσµος περιγράφεται από τις επόµενες ιδιότητες: Τελικά σηµεία. Κόµβοι. Πλάτος γραµµής. Χρώµα γραµµής. Βέλη. 4.2 Ακοή αντί της όρασης Το Audiograf είναι ένας αναγνώστης διαγραµµάτων που σχεδιάστηκε τόσο για άτοµα µε προβλήµατα όρασης όσο και για άτοµα που έχουν την όρασή τους. Για τους χρήστες που έχουν την όρασή τους το διάγραµµα παρουσιάζεται οπτικά στην οθόνη. Για άτοµα µε προβλήµατα όρασης η οθόνη επεκτείνεται και ακουστικά [26]. Συγκρίνοντας την ακοή µε την όραση, η ακοή δεν µπορεί να κατευθύνει. Ένας χρήστης που έχει κανονική όραση µπορεί να επικεντρώσει τα µάτια του και την προσοχή του στις λεπτοµέρειες ενός διαγράµµατος που θέλει να δει (Εικόνα 4.3). Αλλά ένα άτοµο δεν ξέρει να επιλέξει τι θέλει να ακούσει. Για να µπορεί να επιλέξει τις λεπτοµέρειες που θέλει να ακούσει, το διάγραµµα παρουσιάζεται στην οθόνη. Με τη βοήθεια µιας οθόνης ο χρήστης µπορεί να επιλέξει τα στοιχεία που θέλει να ακούσει (Εικόνα 4.4). Η οθόνη αφής είναι µια ειδική γυάλινη πλάκα η οποία είναι συνδεδεµένη µε τον υπολογιστή. Είναι ευαίσθητη στην αφή και στέλνει το σηµείο όπου υπήρξε η πίεση στον υπολογιστή. Αν σε αυτή την πλάκα έχει υπάρξει αφή σε διάφορα σηµεία στέλνεται στον υπολογιστή ο µέσος όρος των σηµείων. Το διάγραµµα παρουσιάζεται στην γυάλινη πλάκα. Εάν ο χρήστης αγγίξει την πλάκα, ο αριθµός και οι τύποι των γραφικών στοιχείων στα σηµεία αφής παρουσιάζονται ακουστικά, για παράδειγµα ως λέξεις. Ακούγοντας και κινώντας το δάχτυλο ο χρήστης µπορεί να αναγνωρίσει όπου υπάρχουν γραφικά στοιχεία και ποια είναι αυτά. Με αυτό τον τρόπο ο χρήστης µπορεί να εξερευνήσει το διάγραµµα. Εκτός από τη θέση µπορεί επίσης να αναγνωρίσει το πλάτος και το ύψος κάθε γραφικού στοιχείου στο διάγραµµα [25]. 34

35 Εικόνα 4.3 : ιάδραση µε οθόνη για άτοµα µε κανονική όραση [25] Εικόνα 4.4 : ιάδραση µε ακουστική οθόνη για άτοµα µε προβλήµατα όρασης [25] 4.3 Ερµηνεύοντας διαγράµµατα για χρήστες µε προβλήµατα όρασης Ένας τυφλός χρήστης πρέπει να δηµιουργήσει ένα νοερό χάρτη του διαγράµµατος για να µπορέσει να το διαβάσει και να το κατανοήσει. Ο Hatwell [27] έδειξε πως 13 χρονών τυφλοί εκ γεννετής, µπορούν να αναγνωρίσουν απτικές εικόνες. Οι άνθρωποι που έχουν χάσει την όρασή τους αργότερα ή τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης έχουν ένα πλεονέκτηµα: γι αυτούς η αναγνώριση και η ερµηνεία είναι πολύ ευκολότερη. Αυτή η διαφορά είναι προφανής κατά την ανάγνωση και την ερµηνεία ενός απλού διαγράµµατος από το Audiograf. Οι εκ γεννετής τυφλοί χρήστες έχουν περισσότερες δυσκολίες στο να κατανοήσουν ένα απλό διάγραµµα από τους χρήστες που έχασαν την όρασή τους αργότερα. Το µοντέλο της ακουστικής-απτικής εξερεύνησης της Εικόνας 4.5 ακολουθεί το µοντέλο της ακουστικής αντίληψης από τον McAdams [28]. Ο χρήστης επιλέγει ένα µέρος του διαγράµµατος αγγίζοντας την οθόνη. Το επιλεγµένο µέρος παρουσιάζεται ακουστικά µε την επίδειξη όλων των γραφικών στοιχείων του επιλεγµένου µέρους. Ένα κείµενο παρουσιάζεται ακουστικά. Ο χρήστης ξέρει τη θέση του σηµείου 35

36 εργασίας και ακούει την περιγραφή. Συγκρίνει την παρουσίαση της οθόνης µε την προσωπική γνώση του και αναγνωρίζει τα γραφικά στοιχεία. Εάν ακούσει ένα γραφικό στοιχείο που έχει αναγνωρίσει ήδη, µπορεί να επιβεβαιώσει ή να διορθώσει το νοητικό του χάρτη. Τα πρόσφατα αναγνωρισµένα γραφικά στοιχεία προστίθενται στην προσωπική του γνώση και βοηθούν στο νοητικό χάρτη. Την ίδια στιγµή ο χρήστης προσπαθεί να κατανοήσει τα αναγνωρισµένα γραφικά στοιχεία συσχετίζοντας τα µε άλλα γραφικά στοιχεία. Αν ο χρήστης συναντήσει κενό, συνεχίζει να ψάχνει για µη αναγνωρισµένα γραφικά στοιχεία µε τη βοήθεια της οθόνης. Αν ο χρήστης βρει αβεβαιότητα ή αντιφατικότητα, ψάχνει για γραφικά στοιχεία που έχει ήδη αναγνωρίσει µε σκοπό να διορθώσει τον πνευµατικό του χάρτη. Αυτός ο κύκλος συνεχίζεται έως ότου δηµιουργείται ένας συνεπής νοητικός χάρτης που µπορεί να ερµηνευθεί τελείως. Κάθε κύκλος βοηθά να αναπτυχθεί ο νοητικός χάρτης και εποµένως αυτό αυξάνει την προσωπική γνώση του χρήστη. Ο νοητικός χάρτης και η προσωπική γνώση επηρεάζουν τον προσδιορισµό των γραφικών στοιχείων. Επίσης η ακουστική οθόνη επηρεάζει την ερµηνεία. Όσο πιο κατανοητή είναι η ακουστική οθόνη, τόσο ευκολότερος ο προσδιορισµός των γραφικών στοιχείων. Η ερµηνεία των γραφικών στοιχείων και η ερµηνεία ολόκληρου του διαγράµµατος εξαρτάται από το σχέδιο του διαγράµµατος. Η έννοια του διαγράµµατος τίθεται από το σχεδιαστή. Όσο απλούστερη και λογικότερη είναι η έννοια του διαγράµµατος, τόσο ευκολότερα µπορεί να γίνει κατανοητό από το χρήστη. Επίσης η προσωπική γνώση επηρεάζει την ερµηνεία. Είναι ευκολότερο να διαβαστεί και να ερµηνευθεί ένα διάγραµµα εάν ένα παρόµοιο διάγραµµα έχει ήδη διαβαστεί [25]. 36

37 Εικόνα 4.5 : Μοντέλο ακουστο-απτικής εξερεύνησης [25] 4.4 οκιµή χρήσης Το πρώτο πρότυπο Audiograf επέτρεπε την ακουστo-απτική εξερεύνηση των διαγραµµάτων που περιέχουν µόνο τα πλαίσια. Με αυτό το πρότυπο πραγµατοποιήθηκαν διάφορες δοκιµές χρήσης. Πρώτα στους χρήστες των δοκιµών δόθηκε µια απτική εικόνα και ένα διάγραµµα δείγµα που παρουσιάστηκε επίσης στην οθόνη. Με αυτό τον τρόπο οι χρήστες των δοκιµών µαθαίνουν το Audiograf αρκετά γρήγορα. Μετά από αυτή τη σύντοµη εκπαίδευση πήραν ένα διάγραµµα µε τρία πλαίσια. Με την βοήθεια του Audiograf το διάγραµµα θα µπορούσε να διαβαστεί και να περιγραφεί σωστά σε περίπου τρία λεπτά. Στην πρώτη δοκιµή το κατώτατο όριο της πίεσης έπρεπε να αυξηθεί. Τα διαφορετικά µεγέθη για την εστίαση ήταν µια βοήθεια για τους χρήστες των δοκιµών. 37

38 Το δεύτερο πρότυπο Audiograf επέτρεπε ακουστο-απτική εξερεύνηση των διαγραµµάτων που περιέχουν τα πλαίσια και τους συνδέσµους. Με αυτό το πρότυπο πραγµατοποιήθηκαν διάφορες δοκιµές. Ο στόχος των δοκιµών ήταν να υπολογιστεί εάν ο χρήστης µπορεί να διαβάσει και να περιγράψει ένα διάγραµµα µε δύο πλαίσια και ένα σύνδεσµο µέσα σε πέντε λεπτά. Όπως και µε το πρώτο πρότυπο, δόθηκε στο χρήστη ένα δείγµα απτικής εικόνας για να εξοικειωθεί µε το Audiograf. Μετά από αυτή τη σύντοµη εκπαίδευση όλοι οι χρήστες ήταν σε θέση να διαβάσουν και να περιγράψουν το δεδοµένο διάγραµµα µέσα σε λιγότερο από τρία λεπτά στις περισσότερες των περιπτώσεων. Με αυτόν τον τρόπο τα γραφικά στοιχεία ήταν όχι µόνο αναγνωρισµένα αλλά και οι θέσεις τους και τα µεγέθη τους είχαν περιγραφεί µε ακρίβεια [25]. 5. FEELEX Η συσκευή FEELEX αναπτύχθηκε µε µια καινούργια τεχνική η οποία συνδυάζει την απτική αίσθηση µε τα γραφικά των υπολογιστών. Η λέξη FEELEX προέρχεται από τη συνένωση των λέξεων feel και flex. Οι κύριοι στόχοι του είναι [29]: 1) Να παρέχει µια συνεχή χωροταξικά επιφάνεια που βοηθά τους χρήστες να αισθάνονται εικονικά αντικείµενα χρησιµοποιώντας οποιοδήποτε µέρος των δακτύλων τους ακόµα και όλη την παλάµη τους. 2) Να παρέχει οπτικές και απτικές αισθήσεις ταυτόχρονα χρησιµοποιώντας µια απλή συσκευή που δεν υποχρεώνει το χρήστη να φορά κάποια επιπλέον συσκευή. Η Εικόνα 5.1 παρουσιάζει τη βασική δοµή του FEELEX. Η συσκευή αποτελείται από µια εύκαµπτη οθόνη, µια σειρά µηχανισµών κίνησης και έναν προβολέα. Η εύκαµπτη οθόνη παραµορφώνεται από τους µηχανισµούς κίνησης µε σκοπό να προσοµοιώνει το σχήµα των εικονικών αντικειµένων. Η επιφάνεια του εικονικού αντικειµένου σχεδιάζεται στην επιφάνεια της εύκαµπτης οθόνης. Η παραµόρφωση της οθόνης µετατρέπει την 2D εικόνα από τον προβολέα σε συµπαγή εικόνα. Αυτή η διαµόρφωση επιτρέπει στο χρήστη να ακουµπήσει απευθείας την εικόνα χρησιµοποιώντας κάθε σηµείο του χεριού του. Οι µηχανισµοί κίνησης είναι εξοπλισµένοι µε αισθητήρες δύναµης για να υπολογίζουν 38

39 τη δύναµη που παρέχεται από το χρήστη. Η σκληρότητα του εικονικού αντικειµένου καθορίζεται από το πόσο µεγάλη είναι η δύναµη που µετρούν οι αισθητήρες. Αν το αντικείµενο είναι µαλακό µεγάλη παραµόρφωση προκαλείται από µικρή παρεχόµενη δύναµη [30]. Εικόνα 5.1 : Βασική δοµή του FEELEX [29] 5.1.Σχεδίαση προδιαγραφών και υλοποίηση πρωτοτύπων FEELEX 1 Το FEELEX 1 [29] αναπτύχθηκε το Σχεδιάστηκε για να προωθήσει τη διάδραση µε τα δύο χέρια χρησιµοποιώντας ολόκληρη την παλάµη. Το βέλτιστο µέγεθος της οθόνης ορίστηκε 24cm x 24cm. Η οθόνη συνδέεται µε µια σειρά µηχανισµών κίνησης που παραµορφώνουν το σχήµα της. Κάθε µηχανισµός κίνησης οδηγείται από µια DC µηχανή. Η µηχανή πρέπει να δηµιουργεί κίνηση και δύναµη ανάδρασης στην οθόνη. Η διάµετρος της µικρότερης µηχανής είναι 4cm. Η παραµορφώσιµη οθόνη είναι φτιαγµένη από µια ελαστική πλάκα και ένα νάιλον ύφασµα. Το πάχος του ελαστικού είναι 3mm. Η Εικόνα 5.2 παρουσιάζει µια γενική άποψη της συσκευής ενώ η Εικόνα 5.3 απεικονίζει το µηχανικό σχεδιασµό κάθε γραµµικού µηχανισµού κίνησης. 39

40 Εικόνα 5.2 : Γενική άποψη του FEELEX 1 [29] Εικόνα 5.3 : Γραµµικός µηχανισµός κίνησης [29] Ο µηχανισµός της βίδας του γραµµικού µηχανισµού κίνησης διατηρεί τη θέση του ενώ η µηχανή είναι κλειστή. Ένας αισθητήρας δύναµης είναι τοποθετηµένος στην κορυφή κάθε γραµµικού µηχανισµού κίνησης. Η θέση του τελικού άκρου του γραµµικού µηχανισµού κίνησης µετριέται µε έναν οπτικό κωδικοποιητή που είναι συνδεδεµένος στον άξονα µιας DC µηχανής (Εικόνα 5.3). Το σύστηµα ελέγχεται µέσω υπολογιστή. Οι DC µηχανές αλληλεπιδρούν µέσω µιας παράλληλης µονάδας εισόδου/εξόδου και οι αισθητήρες δύναµης αλληλεπιδρούν µέσω µιας A/D µονάδας µετατροπής. Οι αισθητήρες δύναµης παρέχουν αλληλεπίδραση µε τα γραφικά. Η θέση και η ισχύς της δύναµης που παρέχονται από το χρήστη 40

41 ανιχνεύονται από µια σειρά 6x6 αισθητήρων. Τα γραφικά που προβάλλονται στην εύκαµπτη οθόνη µεταβάλλονται σύµφωνα µε τη µετρήσιµη δύναµη FEELEX 2 Το FEELEX 2 [29] σχεδιάστηκε για να βελτιώσει την ανάλυση της απτικής επιφάνειας. Για να προσδιοριστεί η ανάλυση των γραµµικών µηχανισµών κίνησης ρωτήθηκαν αρκετοί γιατροί και βρέθηκε ότι συνήθως τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης αναγνωρίζουν έναν όγκο χρησιµοποιώντας 3 δάχτυλα, το δείκτη, το µεσαίο και τον παράµεσο. Το µέγεθος του όγκου διακρίνεται συγκρίνοντας το µε το πλάτος των δακτύλων τους. Έτσι η απόσταση µεταξύ του άξονα των γραµµικών µηχανισµών κίνησης πρέπει να είναι µικρότερη από το πλάτος του δακτύλου. Λαµβάνοντας υπόψη την παραπάνω συνθήκη, η απόσταση ορίζεται σε 8mm. Αυτή η 8mm ανάλυση βοηθάει το χρήστη να ακουµπήσει µε δύναµη τουλάχιστον σε ένα µηχανισµό κίνησης όταν αυτός αγγίζει µια τυχαία θέση στην οθόνη. Το µέγεθος της οθόνης είναι 50mm x 50mm, το οποίο επιτρέπει στο χρήστη να ακουµπά την επιφάνεια χρησιµοποιώντας 3 δάχτυλα. Η Εικόνα 5.4 παρουσιάζει το µηχανικό σχεδιασµό ενός γραµµικού µηχανισµού κίνησης. Η περιστροφή του άξονα της σερβοµηχανής µετατρέπεται σε γραµµική κίνηση του µοχλού. Η εύκαµπτη οθόνη υποστηρίζεται από 23 µοχλούς και οι σερβοµηχανές ρυθµίζονται σε απόσταση από τους µοχλούς. Η Εικόνα 5.5 παρουσιάζει µια συνολική άποψη του FEELEX 2. Η διάµετρος κάθε µοχλού είναι 6mm. Όταν ο χρήστης εφαρµόζει δύναµη στο µοχλό, το ηλεκτρικό ρεύµα στη µηχανή αυξάνεται για να ισορροπήσει τη δύναµη. Η παρεχόµενη δύναµη στην κορυφή των ράβδων υπολογίζεται χρησιµοποιώντας δεδοµένα από τον ηλεκτρικό αισθητήρα. 41

42 Εικόνα 5.4 : Μηχανικός σχεδιασµός κίνησης [29] Εικόνα 5.5 : Συνολική άποψη του FEELEX 2 [29] Λειτουργικότητα του υλικού του FEELEX Η λειτουργικότητα των απτικών διεπαφών που υπάρχουν αναπαρίσταται συνήθως από το δυναµικό εύρος δύναµης, αντίστασης, αδράνειας, τριβής κ.τ.λ. Ωστόσο αυτές οι παράµετροι είναι κρίσιµες µόνο όταν η συσκευή λειτουργεί µε το χέρι ή µε το δάχτυλο. Το FEELEX είναι τελείως ανεξάρτητο από το χέρι του χρήστη έτσι η λειτουργικότητά του καθορίζεται από την ανάλυση και την ταχύτητα των µηχανισµών κίνησης. Η ανάλυση του µηχανισµού κίνησης ανταποκρίνεται στη λειότητα της επιφάνειας και η ταχύτητα του µηχανισµού κίνησης καθορίζει την κίνηση του εικονικού αντικειµένου. Το FEELEX 2 έχει βελτιωµένη ανάλυση και ταχύτητα κίνησης συγκρινόµενο µε το FEELEX 1. Κάθε µηχανισµός κίνησης του FEELEX 2 έχει ρυθµό πληκτρολόγησης 42

43 µέχρι 7Hz, το οποίο µπορεί να προσοµοιώνει την κίνηση ενός γρήγορου εικονικού αντικειµένου [29] Γραφικά για το FEELEX Τα γραφικά για το FEELEX παρουσιάζονται από έναν προβολέα που βρίσκεται πάνω από την εύκαµπτη οθόνη. Η καµπυλότητα της οθόνης κάνει την εικόνα να µοιάζει σαν να είναι συµπαγής. Η Εικόνα 5.6 δείχνει ένα πλέγµα πάνω από τη µεταβλητή οθόνη. Εικόνα 5.6 : Προβαλλόµενο πλέγµα πάνω από τη µεταβλητή οθόνη [29] Τα γραφικά δηµιουργούνται είτε χρησιµοποιώντας την OpenGL ή µε τυχαία πρόσβαση σε εγγεγραµµένα αρχεία AVI. Αναπτύχθηκε µια εικόνα ως τµήµα του περιεχοµένου του FEELEX 1. Η Εικόνα 5.7 παρουσιάζει µια εικόνα που προβάλλεται επάνω στην εύκαµπτη οθόνη. Το πλάσµα που απεικονίζει η εικόνα εµφανίζεται να είναι σε κίνηση ανάλογα µε τη δύναµη που εφαρµόζεται από το χρήστη. Η εικόνα αποθηκεύεται σε αρχεία AVI. Χρησιµοποιήθηκε η µορφή του ψηφιακού βίντεο (DV- Digital Video) για τη συµπίεση της εικόνας κίνησης, και η ανάλυση της εικόνας ήταν 720 x 480. Προετοιµάστηκαν 16 σχέδια κίνησης. Η κίνηση της εικόνας παράγεται µε το συνδυασµό αυτών των σχεδίων. Αυτή η µέθοδος δεν απαιτεί ένα υψηλών προδιαγραφών PC για να επιδείξει υψηλής ποιότητας εικόνα [29]. Εικόνα 5.7 : Εικόνα που προβάλλεται στην εύκαµπτη οθόνη [29] 43

44 5.3. Αξιολόγηση Παρατήρηση της συµπεριφοράς του χρήστη Ως ένα τεστ του προτύπου του FEELEX, εξετάστηκε η συµπεριφορά των αρχάριων χρηστών της συσκευής. Το ενδιαφέρον αυτού του πειράµατος είναι πως οι αρχάριοι χρήστες αλληλεπιδρούν χωρίς καθοδήγηση και εξηγήσεις. Περιβάλλον του τεστ: Χρησιµοποιήθηκε η εικόνα που παρουσιάστηκε στην Εικόνα 5.7 σε αυτό το πείραµα και επιλέχθηκε ειδικά για να ελκύει την προσοχή των συµµετεχόντων. Τοποθετήθηκε ένα σήµα που επισήµανε στους παρατηρητές ότι µπορούν να αγγίξουν την οθόνη. Αυτή ήταν η µόνη οδηγία που δόθηκε στους χρήστες. Παρατηρήθηκαν οι συµµετέχοντες και λήφθηκαν σηµειώσεις από την συµπεριφορά τους. Άτοµα: Παρατηρήθηκε η συµπεριφορά των συµµετεχόντων για τρεις µέρες κατά τη διάρκεια του συνεδρίου και καταγράφηκαν πληροφορίες για 1992 συµµετέχοντες. Αποτέλεσµα: Καταγράφηκε το µέρος του χεριού που το άτοµο χρησιµοποίησε για να αλληλεπιδράσει µε το πλάσµα. Η συµπεριφορά των ατόµων κατηγοριοποιήθηκε σε τρεις τάξεις: 1) Άγγιγµα της οθόνης χρησιµοποιώντας ένα δάχτυλο, 2) άγγιγµα της οθόνης χρησιµοποιώντας πολλά δάχτυλα, 3) άγγιγµα της οθόνης χρησιµοποιώντας ολόκληρο το χέρι και την παλάµη. Ο πίνακας 5.1 δείχνει τον αριθµό των ατόµων σε κάθε κατηγορία. Πίνακας 5.1 : Συµπεριφορά των ατόµων [29] 44

45 Συζήτηση: Αυτό το πείραµα έδειξε πως το 85% των ατόµων χρησιµοποίησαν πολλά δάχτυλα ή τις παλάµες τους. Αυτό δηλώνει πως το πρότυπο σύστηµα σχεδόν πέτυχε τον πρώτο στόχο της µελέτης του: επιτρέπει στους χρήστες να αισθάνονται εικονικά αντικείµενα χρησιµοποιώντας οποιοδήποτε µέρος των δακτύλων τους ακόµα και ολόκληρη την παλάµη τους. Χρησιµοποίησαν αυθόρµητα την επιφάνεια των χεριών τους αν και η κύρια λειτουργία του συστήµατος δεν τους είχε εξηγηθεί. Τα άτοµα που χρησιµοποίησαν µόνο ένα δάχτυλο έµοιαζαν να το ακουµπούν πολύ προσεκτικά. Κάτι ακόµα που παρατηρήθηκε είναι ότι πολλοί συµµετέχοντες άγγιζαν την οθόνη σε πολλά σηµεία. Το σύστηµα παρέχει απτική αίσθηση σε κάθε σηµείο της οθόνης, έτσι έχει τη δυνατότητα να υποστηρίξει πολλούς χρήστες Αξιολόγηση απόδοσης Η εργασία των Lederman και Klatzky συσχετίζεται στενά µε το σχεδιασµό µιας οθόνης δύναµης [31]. Η πιο πρόσφατη εργασία τους περιλαµβάνει κατανεµηµένες δυνάµεις στο χώρο [32]. Οι παραπάνω ερευνητές εκτέλεσαν ένα πείραµα που περιλαµβάνει την ψηλάφηση. Τα άτοµα κλήθηκαν να βρουν µια µεταλλική σφαίρα τοποθετηµένη κάτω από ένα ελαστικό κάλυµµα. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι µεταλλικές σφαίρες µε διάµετρο µικρότερη των 8mm έδωσαν σφάλµα στο αποτέλεσµα. Το παραπάνω υποστηρίζει την προδιαγραφή του FEELEX 2 στο οποίο η απόσταση µεταξύ των ράβδων είναι 8mm. Εργασία: Εξετάστηκε η απόδοση του προτύπου χρησιµοποιώντας το FEELEX 2. όθηκαν τρία σχέδια εικονικών αντικειµένων τα οποία παρουσιάζονται στην εικόνα 5.8. Οι µικροί κύκλοι στην εικόνα αναπαριστούν την οριζόντια θέση των µοχλών. Εικόνα 5.8 : Αντικείµενα που παρουσιάστηκαν [29] 45

46 Τα σχέδια 1, 2 και 3 δηµιουργήθηκαν από έναν, τρεις και επτά µοχλούς αντίστοιχα. Οι υψηλότερα τοποθετηµένοι µοχλοί προσοµοιώνουν ένα σκληρό αντικείµενο που τα άτοµα θα το αισθανόταν ως να ήταν όγκος. Αυτά τα τρία σχέδια παρουσιάστηκαν σε τυχαίες θέσεις. Σε αυτό το πείραµα, ένα σφουγγάρι τοποθετήθηκε πάνω στην οθόνη έτσι ώστε τα άτοµα να µην µπορούν να δουν το σχήµα του αντικειµένου που παρουσιάζεται. Από τα άτοµα ζητήθηκε να σχεδιάσουν τη θέση και το σχήµα κάθε αντικειµένου σε ένα κοµµάτι χαρτί. Άτοµα: Τα άτοµα ήταν 9 φοιτητές πανεπιστηµίου (7 άντρες, 2 γυναίκες) που εθελοντικά συµµετείχαν στο πείραµα και οι ηλικίες τους ήταν µεταξύ 22 και 24 ετών. ιαδικασία: Ετοιµάστηκαν τρεις δοκιµασίες για κάθε σχέδιο. Τα άτοµα ζητήθηκε να σχεδιάσουν το αντικείµενο που αντιλήφθηκαν σε κάθε δοκιµασία. Τα τρία σχέδια παρουσιάστηκαν σε τυχαία σειρά και έτσι κάθε άτοµο συµπλήρωσε 9 δοκιµασίες γι αυτό το πείραµα. Αποτελέσµατα: Η ακρίβεια του αντικειµένου που αντιλήφθηκαν αξιολογήθηκε από τα σχέδια των ατόµων. Υπολογίστηκε το µέγεθος και η κεντρική θέση (το κέντρο της µάζας) για κάθε αντικείµενο. Το µέγεθος του αντικειµένου που αντιλήφθηκαν αναπαρίσταται από τη διάµετρο κατά προσέγγιση της εικόνας που σχεδιάστηκε από τα άτοµα. Υποτίθεται πως κάθε εικόνα ήταν ένας κύκλος. Μετρήθηκε η περιοχή της εικόνας και η διάµετρος δόθηκε από την παρακάτω εξίσωση [29], [30]: d = 4S /π Όπου d = διάµετρος κατά προσέγγιση S = µετρήσιµη περιοχή Συζήτηση: Τα λάθη στην αντίληψη για το µέγεθος των αντικειµένων κυµάνθηκαν από 1mm ως 8mm. Τα λάθη είναι πολύ µικρότερα από το πλάτος ενός δάχτυλου. Αυτό το αποτέλεσµα δείχνει ότι το FEELEX 2 πέτυχε στην παρουσίαση ενός εικονικού όγκου από την άποψη του µεγέθους του. Υπερεκτίµηση φαίνεται να προκαλείται από το λαστιχένιο σφουγγάρι που τοποθετήθηκε πάνω από την οθόνη. Το µέγεθος του 46

47 αντικειµένου που παρουσιάστηκε υπολογίζεται από τη θέση της άκρης των υψηλά-τοποθετηµένων µοχλών. Εντούτοις, τα άτοµα αισθάνθηκαν την άκρη µέσω του λαστιχένιου σφουγγαριού, το οποίο κάνει το αντικείµενο µεγαλύτερο. Το µέσο λάθος στην απόσταση µεταξύ της αντίληψης και του πραγµατικού µεγέθους των αντικείµενων που παρουσιάστηκαν είναι λιγότερο από 6mm. Όσο η απόσταση µεταξύ των ράβδων είναι 8mm, αυτό το λάθος είναι λογικό. 5.4 Εφαρµογές για το FEELEX Ψηλάφηση: Οι ιατρικές εφαρµογές για απτικές διεπαφές αυξάνονται γρήγορα. Η ψηλάφηση τυπικά χρησιµοποιείται σε ιατρικές εξετάσεις. Το FEELEX 2 σχεδιάστηκε ως ένας προσοµοιωτής ψηλάφησης. Αν παρουσιαστεί ένας εικονικός όγκος βασιζόµενος σε µια εικόνα, ο γιατρός µπορεί να ψηλαφίσει τα εξωτερικά όργανα πριν την εγχείρηση και αυτή η τεχνική µπορεί επίσης να εφαρµοστεί στην τηλε-ιατρική. Συνδέοντας δύο FEELEX µέσω µιας γραµµής επικοινωνίας θα επιτρέπεται στο γιατρό να ψηλαφήσει τον ασθενή από απόσταση. Οθόνη αφής: Στη σηµερινή εποχή, οι οθόνες αφής χρησιµοποιούνται ευρέως στις αυτόµατες ταµειακές µηχανές, στα µηχανήµατα έκδοσης εισιτηρίων, στα κιόσκια πληροφοριών και άλλα. Μια οθόνη αφής βοηθά στη διεπαφή µε το χρήστη αν και έχει έλλειψη απτικής ανάδρασης. Οι χρήστες µπορούν να δουν εικονικά κουµπιά αλλά δεν µπορούν να τα αισθανθούν. Αυτό είναι ένα σοβαρό πρόβληµα για ένα άτοµο µε πρόβληµα όρασης. Το FEELEX παρέχει µια λύση για τη διεπαφή χρήστη στις οθόνες αφής. Η εικόνα 5.9 δείχνει ένα παράδειγµα της απτικής οθόνης αφής χρησιµοποιώντας το FEELEX 1. Εικόνα 5.9 : Απτική οθόνη αφής [29] 47

48 Τέχνη: Η αλληλεπιδραστική τέχνη µπορεί να είναι µία από τις καλύτερες εφαρµογές του συστήµατος FEELEX. Το FEELEX µπορεί να χρησιµοποιηθεί για γλυπτά µε δυνατότητες αλληλεπίδρασης. Στους επισκέπτες συνήθως απαγορεύεται να αγγίζουν φυσικά γλυπτά, αλλά στην περίπτωση αυτή όχι µόνο µπορούν να αγγίζουν γλυπτά βασισµένα στο FEELEX, µπορούν επίσης να τα διαµορφώσουν [29]. 6. Tactile display Cat Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται ένα σύστηµα αναπαράστασης γράφων το οποίο µετατρέπει ακολουθίες δεδοµένων ηλεκτρονικών εγγράφων. Οι χρήστες µπορούν να αγγίζουν µια σειρά ακίδων, να λαµβάνουν µια εικόνα του απτικού γράφου και να µεγεθύνουν συνεχώς το γράφο έτσι ώστε να επιβεβαιώνουν τις λεπτοµέρειές του. Τα πειράµατα δείχνουν ότι οι χρήστες µπορούν να αντιληφθούν όχι µόνο απλούς αλλά και σύνθετους γράφους [33]. Στο [34] παρουσιάζεται ένα ακουστικό σύστηµα αναπαράστασης γράφων που ονοµάζεται Sound- Graph. 6.1 Προβλήµατα απτικής αναπαράστασης γράφων ιαφορές στον τρόπο κατανόησης µεταξύ της απτικής αίσθησης και της οπτικής αίσθησης πρέπει να ληφθούν υπόψη πριν σχεδιαστεί ένα απτικό σύστηµα βασισµένο σε παρουσίαση γράφων. Ένα από τα προβλήµατα της απτικής παρουσίασης γράφων είναι το επίπεδο ευαισθησίας [33]. Τα άτοµα µε όραση µπορούν να διακρίνουν δύο µικρές, κοντινά τοποθετηµένες κουκίδες µέσω της οπτικής αίσθησης, ενώ είναι πολύ δυσκολότερο να τις διακρίνουν µέσω της απτικής αίσθησης. Εποµένως, οι απτικοί χαρακτήρες πρέπει να είναι αρκετά απλοί για να γίνουν κατανοητοί εύκολα. Αυτό ισχύει επίσης για έναν απτικό γράφο. Ένα σύνθετο αριθµητικό διάγραµµα που παρουσιάζει πολλές πληροφορίες ταυτόχρονα µπορεί να γίνει εύκολα κατανοητό από άτοµα µε όραση, ενώ ένας σύνθετος απτικός γράφος είναι συχνά δύσκολο να ερµηνευθεί από τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης. Εποµένως πιο υψηλά επίπεδα ανάλυσης απαιτούνται στην αναπαράσταση των απτικών γράφων. 48

49 Το επόµενο πρόβληµα που προκύπτει είναι ότι οι καµπύλες ενός γράφου συχνά συναντιούνται µεταξύ τους. Αυτό καθιστά δύσκολο για τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης να ανιχνεύσουν τις καµπύλες. Το τελευταίο πρόβληµα αφορά τη χρήση Braille και απτικών φιγούρων µαζί. εδοµένου ότι η περιοχή που χρησιµοποιείται για το κείµενο braille είναι γενικά µεγαλύτερη από αυτή για το οπτικό κείµενο, η Braille µεταβιβάζει λιγότερες πληροφορίες από τους οπτικούς χαρακτήρες εάν το µέγεθος του εγγράφου είναι το ίδιο. Όταν τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης θέλουν να πάρουν τις συντεταγµένες των σχεδιασµένων σηµείων στο γράφο, πρέπει να κινήσουν το δάχτυλό τους κατά µήκος του x ή του y άξονα. Έτσι, οι χαρακτήρες Braille στο x ή στο y άξονα πρέπει να είναι µεγαλύτεροι, επειδή το µέγεθος των Braille χαρακτήρων είναι συνήθως µεγαλύτερο από αυτό ενός οπτικού χαρακτήρα [33]. 6.2 Περιγραφή της απτικής οθόνης Cat Μικρές απτικές οθόνες δεν είναι κατάλληλες για αναπαράσταση γράφων ενώ οι µεγάλες απτικές οθόνες είναι ακριβές. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε η απτική οθόνη Cat η οποία έχει σαράντα απτικά κελιά [33]. Η απτική οθόνη σχεδιάστηκε για Braille οθόνη και για αναπαράσταση γράφων. Κάθε κελί περιέχει µια 8 x 2 συστοιχία και µπορεί να αποτυπώνει µια µοναδική κουκίδα στην καµπύλη του γράφου. Κάθε κελί επίσης περιέχει δύο διακόπτες. Οι δύο διακόπτες χρησιµοποιούνται για να λαµβάνουν τη συντεταγµένη του x άξονα και τη συντεταγµένη του y άξονα. Ο χρήστης µπορεί να ακούσει τις αντίστοιχες τιµές µέσω ενός συνθέτη ήχου πιέζοντας τους διακόπτες. Η εικόνα 6.1 δείχνει ένα στιγµιότυπο του Cat. Εικόνα 6.1 : Απτική οθόνη Cat [33] 49

50 6.3 Αλληλεπιδραστικό σύστηµα αναπαράστασης γράφων Εδώ περιγράφεται πως ο χρήστης αλληλεπιδρά µε το Cat για να αποκτήσει υψηλότερη ανάλυση διαγράµµατος. Στην Εικόνα 6.2 η οποία δίνει τη γραφική παράσταση της εξίσωσης f(x)=x*x (0<x<1), η καµπύλη της γραφικής παράστασης γύρω από το x=0 µπορεί να ερµηνευθεί από το χρήστη σαν µια ευθεία γραµµή. Για να βελτιωθεί η ανάλυση του διαγράµµατος, το σύστηµα γραφικής αναπαράστασης µπορεί να µεγεθύνει την κάθετη περιοχή όπου ο χρήστης θέλει πιο ακριβή πληροφορία. Η γραφική παράσταση µπορεί να µεγεθυνθεί ακολούθως. Ο χρήστης αρχικά αποφασίζει ποια περιοχή θέλει να µεγεθύνει. Στη συνέχεια πιέζει το κουµπί µεγέθυνσης. Έπειτα πιέζει τον πάνω διακόπτη για την αριστερή άκρη της περιοχής που θέλει να µεγεθύνει και τον κάτω διακόπτη για τη δεξιά άκρη. Μπορεί να επιβεβαιώσει αυτές τις θέσεις µέσω απτικής ανάδρασης µε κάθετες γραµµές (Εικόνα 6.3). Όταν επιλέγει τη λάθος θέση µπορεί να αλλάξει την περιοχή πιέζοντας τους διακόπτες που αντιστοιχούν στη σωστή θέση. Τελικά η καµπύλη του γράφου στη µεγεθυσµένη περιοχή παρουσιάζεται πιέζοντας ξανά το κουµπί µεγέθυνσης (Εικόνα 6.4). Μπορεί να επαναλάβει αρκετές φορές τη διαδικασία µεγέθυνσης µέχρι να καταλάβει το πλαίσιο του γράφου. Η επανάληψη της παραπάνω διαδικασίας µπορεί να µεταβάλλει το νοητικό µοντέλο του χρήστη και τελικά µπορεί να δηµιουργήσει ένα κατάλληλο νοητικό µοντέλο. Ένα κουµπί χρησιµοποιείται για την επιλογή µεταξύ των καµπύλων των γραφικών παραστάσεων εάν περισσότερες από µια καµπύλες παρουσιάζονται στη γραφική παράσταση. Αυτό περιορίζει την πιθανότητα µπερδέµατος των ανιχνευόµενων καµπύλων στην απτική γραφική παράσταση [33]. 6.4 Πειραµατικές µέθοδοι Πέντε άτοµα µε προβλήµατα όρασης, που είναι Braille αναγνώστες συµµετείχαν στο πείραµα. Το ένα άτοµο είναι γένους θηλυκού και τα άλλα τέσσερα γένους αρσενικού. 50

51 6.4.1 Τεστ αντίληψης απλού γράφου Το πρώτο τεστ διενεργήθηκε για να εκτιµηθεί αν τα άτοµα µπορούσαν να λάβουν τις αριθµητικές τιµές από έναν απλό απτικό γράφο [33]. Η Εικόνα 6.5 παρουσιάζει το γράφο που περιέχει δύο καµπύλες και παρουσιάστηκε στα άτοµα. Ζητήθηκε από τα άτοµα να βρουν τις µεγαλύτερες και µικρότερες συντεταγµένες και για τους δύο γράφους. Ζητήθηκε επίσης να βρουν τα σηµεία που τέµνονται οι δύο καµπύλες. Τα αποτελέσµατα ήταν τα ακόλουθα: 1) Ένα άτοµο δεν βρήκε τη µικρότερη συντεταγµένη για µια καµπύλη. Τα άλλα άτοµα βρήκαν και τις µεγαλύτερες και τις µικρότερες συντεταγµένες. 2) Όλα τα άτοµα µπόρεσαν να βρουν τα σηµεία τοµής. Η συνολική ακρίβεια ήταν 90% για τη µικρότερη συντεταγµένη, 100% για τη µεγαλύτερη συντεταγµένη και 100% για τα σηµεία τοµής. Ο µέσος αριθµός ανάκλησης (πίεση διακόπτη για λήψη του σηµείου τοµής από το συνθέτη ήχου) ήταν 57.4 φορές ανά άτοµο. Εικόνα 6.2 : Παράδειγµα γραφικής παράστασης [33] Εικόνα 6.3 : Επιλογή παρουσίασης της µεγεθυσµένης περιοχής [33] 51

52 Εικόνα 6.4 : Παρουσίαση γράφου σε µεγέθυνση [33] Εικόνα 6.5 : Απλή γραφική παράσταση [33] Τεστ αντίληψης σύνθετου γράφου Συνήθως χρησιµοποιούνται περισσότερο σύνθετα γραφήµατα για παράδειγµα διαγράµµατα τιµών πωλήσεων. Έτσι είναι σηµαντικό να αξιολογηθεί αν οι χρήστες µπορούν να κατανοήσουν σύνθετα διαγράµµατα. Η Εικόνα 6.6 παρουσιάζει το διάγραµµα τιµών του ιαπωνικού δείκτη Nikkei για το Μάρτιο και τον Οκτώβριο του Η Εικόνα 6.7 παρουσιάζει την αντίστοιχη απτική γραφική παράσταση. Ο άξονας των x δείχνει την ηµεροµηνία και ο άξονας των y δείχνει το ποσό των Yen. Τα άτοµα ζητήθηκε να ψάξουν για τις µέγιστες και ελάχιστες τιµές και για τις δύο καµπύλες γραφικών παραστάσεων. Τα άτοµα ήταν σε θέση να εκτελέσουν τις εργασίες τους χρησιµοποιώντας τη γραφική παράσταση, αν και τα αποτελέσµατά τους δεν ήταν τόσο καλά όσο του τεστ για την απλή γραφική παράσταση. Η ακρίβεια ήταν 80% για την εύρεση της τιµής το Μάρτιο, και ήταν 100% για την εύρεση της τιµής τον Οκτώβριο. Η γενική ακρίβεια ήταν 90% στην αντίληψη της γραφικής παράστασης του δείκτη Nikkei. Ο µέσος όρος του συνολικού αριθµού ανάκλησης ήταν 48.4 φορές ανά άτοµο. ιαπιστώθηκε ότι τα άτοµα κατανόησαν κάθε καµπύλη των γραφικών παραστάσεων ως εξής [33]: 52

53 1) Η γραφική παράσταση για τις υψηλές τιµές του Μαρτίου, και η αξία ήταν πάντα υψηλότερη από αυτή για τον Οκτώβριο. Η απόκλιση για το Μάρτιο ήταν χαµηλή. 2) Η τιµή του πρώτου µέρους του Οκτωβρίου ήταν χαµηλότερη απ'ό,τι για το πρώτο µέρος της τιµής που άρχισε να έχει πτώση από το µέσο του Οκτωβρίου, και η τιµή µειώθηκε περαιτέρω µε κάποια διακύµανση πέρα από το τελευταίο µέρος του Οκτωβρίου. Αυτά τα κατ' εκτίµηση χαρακτηριστικά είναι σχεδόν τα ίδια όπως παρουσιάστηκαν στην αρχική γραφική παράσταση. Το συµπέρασµα είναι ότι τα άτοµα ήταν όχι µόνο ικανά να πάρουν τα στατιστικά στοιχεία, αλλά επίσης κατανόησαν τα χαρακτηριστικά των γραφικών παραστάσεων. Εικόνα 6.6 : ιάγραµµα τιµών δείκτη Nikkei για τον Μάρτιο και τον Οκτώβριο του 1997 [33] Εικόνα 6.7 : Απτικό αποτέλεσµα του διαγράµµατος του δείκτη Nikkei [33] 53

54 7. Πρότυπη απτική οθόνη βασιζόµενη στον έλεγχο πίεσης αναρρόφησης Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται µια καινούργια µέθοδος απτικής διέγερσης ελέγχοντας την πίεση αναρρόφησης. Αυτή η µέθοδος βασίζεται στην ανακάλυψη µιας απτικής ψευδαίσθησης που αισθανόµαστε κάτι όπως ένα ραβδί που πιέζει προς τα πάνω την επιφάνεια του δέρµατος όταν έλκεται το δέρµα µέσω µιας τρύπας ελαττώνοντας την πίεση του αέρα. Αυτή η ψευδαίσθηση δηλώνει πως οι απτικοί µηχανο-υποδοχείς µας ανιχνεύουν ενέργεια παραµόρφωσης αλλά δεν µπορούν να διακρίνουν αν είναι θετικής ή αρνητικής έντασης. Χρησιµοποιώντας τη διέγερση πίεσης αναρρόφησης (Suction Pressure Stimulation, SPS) µπορούµε να ελέγξουµε την πίεση των συσκευών διέγερσης ανεξάρτητα αλλά µε ακρίβεια αφού η επιφάνεια του δέρµατος περιορίζεται σε µια απτική οθόνη ακόµα και όταν παρέχεται µια έντονη διέγερση. Η SPS µέθοδος µε µια αραιή σειρά από τρύπες αναρρόφησης κάνει το MPTS (Multi Primitive Tactile Stimulation) [36] εφικτό να παράγει διάφορες αισθήσεις αφής. Στην Εικόνα 7.1 παρουσιάζεται ο έλεγχος πίεσης στις απτικές οθόνες που χρησιµοποιούν πίνακες ακίδων. Εικόνα 7.1 : Μετατόπιση µιας ακίδας του πίνακα απτικής οθόνης εµποδίζει την επαφή µεταξύ των γειτονικών ακίδων και του δέρµατος [35] 7.1 ιέγερση πίεσης αναρρόφησης Η Εικόνα 7.2 παρουσιάζει ένα µέρος του δέρµατος το οποίο τοποθετήθηκε σε έναν άκαµπτο δίσκο µε µια τρύπα αναρρόφησης. Όταν 10 άτοµα ρωτήθηκαν «Πως αισθάνεστε αυτή τη διέγερση;» ελαττώνοντας την πίεση του αέρα στην τρύπα των 6mm, 9 στα 10 άτοµα απάντησαν πως αισθάνθηκαν να πιεζόταν από µια ράβδο όπως η άκρη του µολυβιού. 54

55 Αυτή η ψευδαίσθηση υποθέτει πως οι µηχανο-υποδοχείς δεν είναι ευαίσθητοι στα σηµάδια της έντασης (θετικά ή αρνητικά), το οποίο συµφωνεί µε την κυρίαρχη άποψη ότι οι ανθρώπινοι µηχανο-υποδοχείς ανιχνεύουν ενέργεια παραµόρφωσης [37]. Εικόνα 7.2 : Σχηµατική απεικόνιση της διέγερσης πίεσης αναρρόφησης. Ο αέρας προκαλεί µια αίσθηση όπως µια ράβδος πιέζει προς τα πάνω [35] Τα γραφικά της Εικόνας 7.3 (a) και (b) δείχνουν την κατανοµή της ενέργειας παραµόρφωσης στο δέρµα κάτω από αναρρόφηση αέρα (a) και πιέζοντας µε µια πραγµατική ράβδο (b). Οι 3D κατανοµές στην επιφάνεια του δέρµατος είναι κάπως διαφορετικές στις δύο περιπτώσεις. Εντούτοις, οι δύο περιπτώσεις δίνουν παρόµοιες κατανοµές ενέργειας παραµόρφωσης σε επίπεδο µηχανουποδοχέων (περίπου 0.7mm κάτω από την επιφάνεια του δέρµατος) όπως δείχνει η Εικόνα 7.4. Αυτά τα αριθµητικά αποτελέσµατα εξηγούν ότι το δέρµα µας δεν είναι ευαίσθητο στη διαφορά µεταξύ των δύο διεγέρσεων. Εικόνα 7.3 : 3D κατανοµές της ενέργειας παραµόρφωσης µε πίεση αναρρόφησης (a) και θετική πίεση προκαλούµενη από αντικείµενο που µοιάζει µε ράβδο (b). Οι κατανοµές στην επιφάνεια του δέρµατος είναι διαφορετικές η µία από την άλλη [35] 55

56 Εικόνα 7.4 : Κατανοµές της ενέργειας παραµόρφωσης κοντά στους υποδοχείς. Πίεση αναρρόφησης (a) και θετική πίεση προκαλούµενη από αντικείµενο που µοιάζει µε ράβδο (b). Οι κατανοµές είναι παρόµοιες η µία µε την άλλη [35] Ένα από τα πλεονεκτήµατα της µεθόδου SPS είναι ότι το δέρµα παραµορφώνεται τοπικά γύρω από την τρύπα αναρρόφησης η οποία εµποδίζεται από ένα δίσκο απτικής οθόνης ενώ το δέρµα αισθάνεται µια έντονη διέγερση. Ένα ακόµη πλεονέκτηµα είναι ότι η χρήση της πίεσης του αέρα βοηθά στην εύκολη ολοκλήρωση των συσκευών διέγερσης µε αποµακρυσµένες βαλβίδες. 7.2 οµή της οθόνης και πειράµατα Ο τελικός σκοπός ήταν να δηµιουργηθεί µια απτική οθόνη που θα καλύπτει µια µεγάλη περιοχή και η οποία παρέχει διάφορες αισθήσεις αφής από µια επιφάνεια λεπτής υφής ως µια µαλακή επίπεδη επιφάνεια. Η γενική δοµή της απτικής οθόνης παρουσιάζεται στην Εικόνα 7.5. Η οθόνη έχει επίσης δύο είδη προτύπων S1 και S2. Η τρύπα S1 έχει µια ελαστική κυκλική άκρη η οποία δηµιουργεί µια οµαλή κατανοµή πίεσης ενώ η S2 έχει µια άκαµπτη αιχµηρή άκρη η οποία δηµιουργεί µια συγκεντρωτική κατανοµή πίεσης. Εικόνα 7.5 : Μια απτική οθόνη µε τρύπες αναρρόφησης S1 και S2. Η S1 µε µαλακή κυκλική άκρη δίνει µια οµαλή κατανοµή πίεσης ενώ η S2 µε άκαµπτη αιχµηρή άκρη δίνει µια συγκεντρωτική κατανοµή πίεσης [35] 56

57 7.2.1 Πειραµατικό σύστηµα Στην Εικόνα 7.6 παρουσιάζονται το διάγραµµα και η φωτογραφία του πειραµατικού συστήµατος για τα δύο πειράµατα που παρατίθενται παρακάτω. Ελέγχεται η πίεση αναρρόφησης µε µικρές βαλβίδες που µπορούν να χειρίζονται 50Hz. Εικόνα 7.6 : ιάγραµµα του συστήµατος (a) και εικόνα (b). Ελέγχεται η πίεση αναρρόφησης από το διάστηµα του χρόνου ανοίγµατος της κάθε βαλβίδας [35] Μέτρηση κατωφλίου Αρχικά εξετάστηκαν τα ελάχιστα κατώφλια της SPS (Suction Pressure Stimulation). Επιλέχτηκαν δύο είδη δειγµάτων σηµάτος. Το ένα αλλάζει αργά την πίεση του αέρα που φτάνει την ελάχιστη τιµή (η πιο έντονη αρνητική πίεση) σε 0.5 δευτερόλεπτα, και το άλλο είναι µια δονούµενη διέγερση. Η δονούµενη διέγερση δηµιουργήθηκε από τη βαλβίδα της Εικόνας 7.6 (b). Αυτές οι δύο διεγέρσεις επιλέχτηκαν για να αποτιµήσουν την αντίδραση των δύο ειδών µηχανο-υποδοχέων των σωµατίων Meissner και των δίσκων Merkel. Τα σωµάτια Meissner (FA I) έχουν υψηλή ευαισθησία σε δονήσεις κοντά στα 40Hz και οι δίσκοι 57

58 Merkel (SA I) αποκρίνονται σε διέγερση χαµηλής συχνότητας. Ένα ακόµη σηµαντικό κατώφλι είναι αυτό του πόνου. Ο πόνος από τους αισθητήριους υποδοχείς του πόνου αναγνωρίζεται εύκολα από την αίσθηση που προέρχεται από τους µηχανο-υποδοχείς επειδή η αίσθησή του ακολουθεί τη φυσική διέγερση σε χρόνο µεγαλύτερο του ενός δευτερολέπτου. Η έντονη διέγερση που διεγείρει τους αισθητήριους υποδοχείς του πόνου επιφέρει ένα περίεργο αίσθηµα όπως το τρύπηµα του δέρµατος. Η Εικόνα 7.7 παρουσιάζει τα πειραµατικά αποτελέσµατα για τέσσερα είδη διαµέτρων τρυπών αναρρόφησης. Έξι άτοµα δοκίµασαν να προσδιορίσουν ένα κατώφλι. Η χαµηλότερη πράσινη γραµµή στην εικόνα δηλώνει το µικρότερο πλάτος των 50 Hz της διέγερσης που µπορεί να γίνει αισθητό από τα άτοµα. Η µεσαία κόκκινη γραµµή δείχνει το κατώφλι για την πιο αργά ελαττούµενη πίεση. Και στις δύο περιπτώσεις κάθε κατώφλι µειώνεται καθώς η διάµετρος της τρύπας αναρρόφησης αυξάνεται. Μπορεί να δοθεί µεγάλο εύρος της έντασης της διέγερσης επειδή το κατώφλι του πόνου είναι περίπου 10 φορές µεγαλύτερο από το SA I κατώφλι και 50 φορές µεγαλύτερο από το FA I κατώφλι, αντίστοιχα. Εικόνα 7.7 : Ελάχιστα κατώφλια της πίεσης αναρρόφησης [35] Πείραµα 1: Στο πείραµα αυτό εξετάστηκε αν οι συµµετέχοντες αισθάνονται ένα εικονικό αντικείµενο µε µεσαία αιχµηρότητα από σύνθετη διέγερση δύο αρχεγόνων. Η Εικόνα 7.8 παρουσιάζει τη µονάδα διέγερσης που είναι κατασκευασµένη από ακρυλικό που χρησιµοποιήθηκε σ αυτό το πείραµα. Οι τέσσερις S1 τρύπες µε απόσταση των κέντρων ίση µε 6.0mm περιβάλλουν την S2. Η άκρη της S1 είναι στρογγυλεµένη µε σκοπό να εµποδίζει τη συγκέντρωση της έντασης. Από την άλλη µεριά, η κεντρική µικρή τρύπα S2 µε διάµετρο 2.4mm έχει µια αιχµηρή άκρη. Οι 58

59 βάσεις των τρυπών συνδέονται µε τις βαλβίδες µε λεπτούς αγωγούς µε εσωτερική διάµετρο 1.0mm. Παρουσιάζονται τρία είδη διεγέρσεων που απεικονίζονται στην Εικόνα 7.8 µε προφίλ πίεσης που απεικονίζονται στην Εικόνα ) Επίπεδη επιφάνεια (το αριστερό σχέδιο της εικόνας 7.9) Η τελική πίεση κάθε τρύπας είναι -23kPa και χρειάζονται 120 ms για να επιτευχθεί αυτή η πίεση ( S1 only της εικόνας 7.9) 2) Συγκεντρωµένη πίεση (κέντρο) Για να παρουσιαστεί η συγκεντρωτική πίεση ενεργοποιείται η κεντρική µικρή τρύπα. Η πίεση είναι -60 kpa σε 120 ms ( S1 only ) 3) Μέση καµπυλότητα (δεξιά) Όλες οι τρύπες ενεργοποιούνται για να παράγουν διέγερση µέσης καµπυλότητας. Η τελική πίεση είναι -14 kpa για κάθε S1 και -37 kpa για κάθε S2. Εικόνα 7.8 : Σχήµα της µονάδας διέγερσης [35] Εικόνα 7.9 : 3 είδη διεγέρσεων που παρέχονται στα άτοµα. Επίπεδη επιφάνεια (S1: αριστερά), αντικείµενο που µοιάζει µε καρφίτσα (S2: κέντρο), µέση καµπυλότητα από το συνδυασµό τους (S1+S2: δεξιά) [35] Εικόνα 7.10 : Μεταβολή πίεσης των τριών διεγέρσεων για την παραγωγή της µέσης καµπυλότητας [35] 59

60 Η οµάδα του πειράµατος παρείχε διέγερση αναρρόφησης στο αριστερό χέρι κάθε ατόµου και ένα πραγµατικό αντικείµενο στο δεξί χέρι των ατόµων. Μετά από αυτό τα άτοµα ρωτήθηκαν ποια διέγερση ήταν οξύτερη. Τα πραγµατικά αντικείµενα αναφοράς ήταν τρεις κύλινδροι κατασκευασµένοι από ακρυλικό και οι ακτίνες καµπυλότητάς τους ήταν A: 0.7mm, B: 1.5mm, και C: 3.0mm. Η καµπυλότητα κατηγοριοποιήθηκε σε 7 τάξεις όπως φαίνεται στον πίνακα 7.1. Για παράδειγµα αν κάποιος απάντησε αν η πίεση αναρρόφησης ήταν οξύτερη από το αντικείµενο αναφοράς Β και λιγότερη από το Α αυτή η απάντηση αξιολογήθηκε σαν τάξη 3. Πίνακας 7.1: Σχέση µεταξύ αντικειµένων αναφοράς και τάξεων που αξιολογήθηκαν [35] Πείραµα 2: Ένα πρόβληµα που έπρεπε να εξεταστεί είναι αν µπορεί να γίνει αισθητή µια µεγάλη επίπεδη επιφάνεια µε µια σειρά S1 τρυπών. Για να εξακριβωθεί αυτό κατασκευάστηκε µια οθόνη που παρουσιάζεται στην Εικόνα Στρογγυλοποιήθηκε η άκρη κάθε τρύπας και καλύφθηκε µε σιλικόνη µε σκοπό να εµποδιστεί η συγκέντρωση τάσης στις άκρες [35]. Εικόνα 7.11 : Σχέδιο της οθόνης της συσκευής για την αναπαράσταση µεγάλης επίπεδης επιφάνειας [35] Αξιολογήθηκε η οµαλότητα της εικονικής λείας επιφάνειας. ύο αντικείµενα αναφοράς συγκρίθηκαν µε τη διέγερση. Το πρώτο είναι µια λεία επιφάνεια µε ακτίνα καµπυλότητας 10mm που παρουσιάζεται στην Εικόνα 7.12 ( ). Το άλλο είναι µια ανώµαλη επιφάνεια µε 19 ατσάλινες µπάλες (µε διάµετρο 2.5mm) και οι µεταξύ τους απόσταση είναι 5mm (Εικόνα 12 (Ε)) ίση µε την απόσταση των τρυπών αναρρόφησης. Οι 60

61 χρήστες αισθάνθηκαν στις παλάµες τους µικρή σκληρότητα από το αντικείµενο αναφοράς (Ε) αν και δύσκολα αντιλήφθηκαν τη σκληρότητα της επιφάνειας βάζοντας απλά τα χέρια τους στην οθόνη της συσκευής όπως φαίνεται στην εικόνα Αυτό γιατί η περιοχή επαφής του αντικειµένου (Ε) µε το δέρµα είναι µικρότερη από αυτή της οθόνης της συσκευής µε το δέρµα. Οχτώ άτοµα (7 γένους αρσενικού και 1 γένους θηλυκού) συνέκριναν εικονικές λείες επιφάνειες µε τα δύο αντικείµενα αναφοράς ( ) και (Ε). Στο αριστερό χέρι του ατόµου παράγεται πίεση αναρρόφησης και το άτοµο αγγίζει τα αντικείµενα αναφοράς µε το δεξί χέρι. Μετά τα άτοµα ρωτήθηκαν για το ποιο ερέθισµα ήταν πιο λείο. Το άτοµο επιτρεπόταν να απαντήσει ότι η οµαλότητα ήταν του ίδιου βαθµού. Η λεία επιφάνεια και η ανώµαλη επιφάνεια δόθηκε 5 φορές αντίστοιχα χωρίς οπτική και ακουστική πληροφορία. Εικόνα 7.12 : ύο αντικείµενα αναφοράς. Μια λεία επιφάνεια µε ακτίνα καµπυλότητας 10mm ( ) και µια ανώµαλη επιφάνεια µε 19 ατσάλινες µπάλες µε ακτίνα 2.5mm [35] Η Εικόνα 7.13 παρουσιάζει το αποτέλεσµα της αξιολόγησης σχετικά µε την αντιληπτή οµαλότητα των επιφανειών που παρουσιάστηκαν. Ο οριζόντιος άξονας παρουσιάζει την αξιολογηµένη οµαλότητα. Ο "αριθµός απόκρισης" της τάξης 1 σηµαίνει ότι η εικονική διέγερση έγινε αισθητή τόσο οµαλά όπως το πραγµατικό οµαλό αντικείµενο ( ). Η τάξη 3 αξιολογήθηκε ως ίδιας τραχύτητας µε το ανώµαλο αντικείµενο (Ε). Αυτό το αποτέλεσµα παρουσιάζει την αντιληπτή οµαλότητα της εικονικής επιφάνειας να είναι λίγο τραχύτερη από την επιφάνεια του πραγµατικού οµαλού ( ) και λίγο πιο λεία από αυτή του αντικειµένου (Ε). Όταν εξετάζεται αυτό το αποτέλεσµα, εντούτοις, πρέπει να ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι 4 άτοµα στα 8 δεν διέκριναν δύο πραγµατικά αντικείµενα ( ) και (Ε). Εποµένως έχουν αποκλεισθεί τα αποτελέσµατα 4 ατόµων, τα οποία δεν µπορούσαν να διακρίνουν τα δύο αντικείµενα αναφοράς, από τα στοιχεία στην εικόνα

62 Εικόνα 7.13 : Τα αποτελέσµατα της σύγκρισης οµαλότητας επιφάνειας. Η εικονική επιφάνεια αξιολογήθηκε ως µέσης οµαλότητας ανάµεσα σε ένα πραγµατικό λείο αντικείµενο ( ) και ένα ανώµαλο αντικείµενο (Ε) [35] 8. Morpheotron Οι πιο πρόσφατα διαθέσιµες απτικές συσκευές µεταδίδουν πληροφορίες καµπυλότητας και σχήµατος µέσω της χρήσης ενός ενδιάµεσου αντικειµένου όπως είναι η γραφίδα. Υπάρχει η άποψη πως όταν αυτό εξαλειφθεί η φυσική παραµόρφωση που προκύπτει στη θέση επαφής µε το άκρο του δακτύλου καθώς αυτό ερευνά ένα σχήµα, δηλαδή η συνολική αίσθηση της καµπυλότητας και της αντίληψης του σχήµατος χειροτερεύει δραστικά. Μια υπόθεση είναι πως το κλειδί για την αντίληψη της καµπυλότητας είναι η τροχιά της θέσης επαφής που προκύπτει από την παραµόρφωση του δακτύλου όταν διασχίζει ένα φυσικό σχήµα. Για να εξεταστεί αυτή η υπόθεση κατασκευάστηκε η συσκευή Morpheotron. Αυτή η συσκευή λειτουργεί κυλώντας µια επίπεδη πλάκα µε την άκρη του δαχτύλου κατά τη διάρκεια εξερεύνησης µιας εικονικής επιφάνειας [38]. Στην πραγµατοποίηση µιας σειράς πειραµάτων που περιγράφονται παρακάτω βρέθηκε ότι τα άτοµα µπορούσαν να διακρίνουν την καµπυλότητα σε επίπεδα συγκρίσιµα µε εκείνα που επιτεύχθηκαν χρησιµοποιώντας απευθείας επαφή µε πραγµατικά αντικείµενα και το απλούστερο ερέθισµα που παρεχόταν ήταν αρκετό για να δώσει τη ψευδαίσθηση του αγγίγµατος τρισδιάστατων αντικειµένων. 62

63 8.1 Κανονική παραµόρφωση και τροχιά επαφής Κατά τη διάρκεια εξερεύνησης ενός φυσικού σχήµατος, ο προσανατολισµός της εξερεύνησης του δαχτύλου παρατηρείται ότι παραµένει σταθερός όπως φαίνεται στην Εικόνα 8.1(α). Η αλληλεπίδραση του δαχτύλου και του ερεθίσµατος έχει ως αποτέλεσµα την παραµόρφωση της περιοχής επαφής από το δάχτυλο. Αυτή η παραµόρφωση µπορεί να προσοµοιωθεί µέσω της κύλισης µιας επίπεδης πλάκας που είναι σε επαφή µε το άκρο του δαχτύλου σύµφωνα µε τις λογικές κινήσεις εξερεύνησης όπως φαίνεται στην Εικόνα 8.1(β) [32], [38]. (α) (β) Εικόνα 8.1:Παραµόρφωση ακροδαχτύλου ως µια µέθοδος µετάδοσης του σχήµατος.(α)παραµόρφωση κατά την εξερεύνηση (β)παραµόρφωση που προκαλείται από κυλιόµενη πλάκα [38] 8.2 Το Morpheotron Το Morpheotron που παρουσιάζεται στην Εικόνα 8.2 είναι µια δυο βαθµών ελευθερίας (2-DOF), σερβο-ελεγχόµενη, µε σύνδεση πέντε σωλήνων, σφαιρική µηχανική συσκευή. Λειτουργεί κυλώντας την πλάκα της γύρω από το κέντρο περιστροφής που βρίσκεται µέσα στο δάχτυλο του χειριστή προκαλώντας τοπική παραµόρφωση στην περιοχή επαφής [38]. Εικόνα 8.2: Η συσκευή Morpheotron [38] 63

64 8.3 Πειράµατα Εκτελέστηκε µια σειρά από πειράµατα για να ελεγχθεί η αποτελεσµατικότητα του Morpheotron στη µετάδοση πληροφορίας σχήµατος στα δάχτυλα ενός χρήστη. Τέσσερεις πιθανοί τρόποι εξερεύνησης του εικονικού ερεθίσµατος έγιναν διαθέσιµοι στους χρήστες: Ενεργητική εξερεύνηση χρησιµοποιώντας πολλά σηµεία επαφής (Εικόνα 8.3α), ενεργητική εξερεύνηση χρησιµοποιώντας ένα σηµείο επαφής (Εικόνα 8.3β), παθητική εξερεύνηση χρησιµοποιώντας πολλά σηµεία επαφής (Εικόνα 8.3γ) και παθητική εξερεύνηση χρησιµοποιώντας ένα σηµείο επαφής (Εικόνα 8.3δ). Εικόνα 8.3:Πιθανοί τρόποι εξερεύνησης χρησιµοποιώντας τη συσκευή Morpheotron [38] Πείραµα 1: Το πρώτο πείραµα περιελάµβανε 4 άτοµα (Α, B, C, D). Η εργασία τους ήταν να αναγνωρίσουν τα τυχαία εικονικά ερεθίσµατα που παρουσιάζονται ως κυρτά ή κοίλα σχήµατα. Οι καµπυλότητες που παρουσιάζονται ανταποκρίνονται σε σφαίρες µε ακτίνες 45, 55 και 65mm. Τα άτοµα χρησιµοποίησαν ενεργητική εξερεύνηση µε ένα σηµείο επαφής για να εξερευνήσουν το ερέθισµα. 64

65 Πείραµα 2: Το δεύτερο πείραµα αποτελείται από 4 άτοµα (D, E, F, G). Η εργασία τους ήταν να αναγνωρίσουν τα εικονικά ερεθίσµατα που παρουσιάζονται ως κυρτά ή κοίλα σχήµατα ώστε να µπορούν να προσδιορίσουν τα κατώφλια για την ανίχνευση καµπυλότητας. Τα άτοµα εξετάστηκαν στους τέσσερις τρόπους εξερεύνησης της Εικόνας 8.3. Αποτελέσµατα από το Πείραµα 1: Τα άτοµα A,C,D µπόρεσαν να αναγνωρίσουν το ερέθισµα που παρουσιάστηκε µε 100% ακρίβεια και το άτοµο Β µε 75% ακρίβεια (Εικόνα 8.4). Εικόνα 8.4: Αποτελέσµατα για τα άτοµα A-D για την ικανότητα να αναγνωρίζουν σωστά το ερέθισµα [38] Αποτελέσµατα από το Πείραµα 2: Στην Εικόνα 8.5 παρουσιάζεται ένα διάγραµµα που δείχνει την επίδοση των ατόµων που συµµετείχαν στο πείραµα 2 για ανίχνευση καµπυλότητας ενός αντικειµένου. Εικόνα 8.5 : Μέσος όρος για την επίδοση των ατόµων στο Πείραµα 2 [38] 65

66 9. Pantograph Το Pantograph είναι µια απτική δεικτική συσκευή που προορίζεται για απευθείας χειρισµό [40], [41]. Το Pantograph (Εικόνα 9.1) αναπτύχθηκε το 1993 σε συνεργασία µε τον C. Ramstein. Το κίνητρο για τη δηµιουργία αυτής της συσκευής ήταν η ανάγκη να παρέχονται στα άτοµα µε προβλήµατα όρασης τα µέσα για να αποκτούν πρόσβαση στις γενικές εφαρµογές των υπολογιστών [40]. Ενώ το ακουστικό κανάλι είχε ήδη αξιοποιηθεί αρκετά, ήταν λογικό να συνδυαστεί µε το απτικό κανάλι. εδοµένου αυτού του γεγονότος η διεπαφή σχεδιάστηκε ως µια επίπεδη συσκευή ικανή να αντικαταστήσει ένα ποντίκι υπολογιστή αλλά δεν περιορίστηκε σε αυτή τη λειτουργία. Το πρώτο πρότυπο που παρουσιάζεται στην Εικόνα 9.1 ήταν πολύ µεγάλο και πολύ δύσκολο στη χρήση του για το σκοπό για τον οποίο σχεδιάστηκε. Μια µικρότερη έκδοση της αρχικής σχεδίασης είχε χώρο εργασίας 60 x 100mm (Εικόνα 9.2) [39]. Εικόνα 9.1 : Αρχικό πρότυπο Pantograph [39] Εικόνα 9.2: εύτερο πρότυπο Pantograph [39] 66

67 9.1 Περιγραφή της συσκευής Η µηχανική δοµή του Pantograph [18] είναι βασισµένη σε σύνδεσµο 5 µοχλών που εγγυάται σταθερότητα και τριβή και παρέχει έναν άνετο χώρο εργασίας 10 x 16cm στον οποίο αποκτάται πρόσβαση µέσω ενός κουµπιού (knob). Με την κίνηση του knob, οι τέσσερις µοχλοί σύρονται µε έναν συσχετιστικό και µονοκατευθυντικό τρόπο. Κάθε στιγµή, η τελευταία θέση του knob στο καρτεσιανό σύστηµα Oxy υπολογίζεται από τις γωνιακές θέσεις που καταγράφονται από δύο ποτενσιόµετρα, ενώ δύο µηχανισµοί δίνουν στο χρήστη την απτική αίσθηση. Προκειµένου να παραχθεί δύναµη στο knob, οι µηχανές πρέπει να εφοδιαστούν µε το επαρκές ρεύµα, το οποίο µε τη σειρά του δηµιουργεί τη ροπή που διαβιβάζεται στα άκαµπτα τµήµατα, που συνθέτουν τη µηχανική δύναµη στο knob, µε µέγιστη δύναµη 10 Newton. Στην Εικόνα 9.3 παρουσιάζεται η δοµή του Pantograph. Εικόνα 9.3: Αναπαράσταση του Pantograph και των συνδέσεων του µε υπολογιστή [18] 9.2 Εφαρµογές Το Pantograph έχει πολλές δυναµικές εφαρµογές. Η κύρια εφαρµογή του είναι ένα σύστηµα που ονοµάζεται PC-Access το οποίο δηµιουργήθηκε στη βιοµηχανία CITI του Καναδά. Ο σκοπός του είναι να παρέχει στα άτοµα µε προβλήµατα όρασης πολυµορφική πρόσβαση σε γραφικές διεπαφές [42], [43]. Στο PC-Access το Pantograph έχει δύο συµπληρωµατικές ιδιότητες: αρχικά χρησιµεύει ως µια δεικτική συσκευή, ως συσκευή για κίνηση, επιλογή και αλλαγή µεγέθους εικόνων, µενού 67

68 των windows και αναδυόµενα µενού. εύτερον, µετατρέπει αντικείµενα και ενέργειες που προκύπτουν στη γραφική διεπαφή σε αντικείµενα τα οποία γίνονται αντιληπτά µε την αίσθηση της αφής. Παρατηρήθηκε ότι οι µη γλωσσικοί ήχοι που συνδυάζονται µε απτική ανάδραση παρέχουν στους χρήστες περισσότερη άνεση και καλύτερη απόδοση από ότι µόνο µη γλωσσικοί ήχοι ή µόνο απτική ανάδραση. Το Pantograph επίσης παρέχεται ως ένα εργαλείο βοήθειας στην εκµάθηση µέσω υπολογιστή παραδοσιακών γραφικών διεπαφών. Ο σκοπός των προσαρµοστικών συστηµάτων είναι να αυξήσουν την καταλληλότητα του συστήµατος για συγκεκριµένες εργασίες: ευκολία διαχείρισης του συστήµατος για συγκεκριµένους χρήστες και έτσι ενδυνάµωση της παραγωγικότητας του χρήστη. Η προσαρµοστικότητα στη µορφή ενός προσαρµοστικού συστήµατος βασίζεται στην υπόθεση ότι το σύστηµα είναι σε θέση να προσαρµόζεται στις επιθυµίες και τις εργασίες του χρήστη µέσω µιας αξιολόγησης της συµπεριφοράς των χρηστών. Η τεχνολογία ανάδρασης δύναµης προσφέρει ένα νέο παράδειγµα συστήµατος απόδοσης: από τότε που µια συσκευή ανάδρασης δύναµης χρησιµοποιείται ως δεικτική συσκευή, αυτό επιτρέπει στο σύστηµα να οδηγήσει το χέρι του χρήστη [44]. Άλλα προγράµµατα εφαρµογών βρίσκονται σε εξέλιξη: σε περιβάλλοντα µειωµένης βαρύτητας και στο χειρουργείο. 10. Pantobraille Το Pantobraille ενοποιεί το Pantograph και τις απτικές τεχνολογίες. Προσφέρει τρεις συµπληρωµατικές λειτουργίες στη διάδραση ανθρώπου υπολογιστή: τις δύο βασικές λειτουργίες του Pantograph- την επίδειξη και την ανάδραση δύναµης- και την πρόσθετη λειτουργία της απτικής διέγερσης για κείµενο Braille ή για γραφικά χαµηλής ανάλυσης σε επιφάνειες δύο διαστάσεων. 68

69 10.1 Εργονοµικές απαιτήσεις Ο αρχικός σκοπός ήταν να σχεδιαστεί µια συσκευή ικανή να αναπαραγάγει µια απτική ανάδραση του ακροδαχτύλου ίδια µε αυτή που παράγεται από µια τυπωµένη σελίδα Braille ή γενικότερα από την υφή ενός φυσικού αντικειµένου δυο ή τριών διαστάσεων [18]. Για παράδειγµα µε κλειστά µάτια χρησιµοποιήστε το χέρι σας για να εξερευνήσετε ένα φυσικό αντικείµενο (π.χ ρούχα, ένα φρούτο ή το πληκτρολόγιο του υπολογιστή). Λογικά θα έχετε µια διπλή αίσθηση: τη µικρο-αίσθηση της υφής και τη µακρο-αίσθηση του σχήµατος του αντικειµένου. Οι αρχικές απαιτήσεις για το σχεδιασµό του Pantobraille είναι [18]: Να παρέχει απτικές διεγέρσεις για την αναπαράσταση των σχηµάτων των 2D και 3D αντικειµένων. Να παρέχει απτικές διεγέρσεις για να προσοµοιώνει υφές (για παράδειγµα Braille) µε µηχανικές σειρές κουκίδων. Να βοηθά την κίνηση του δακτύλου πάνω στο χώρο εργασίας όπως το δάχτυλο θα κινούνταν πάνω σε µια επιφάνεια µε τεχνικά εµπόδια Σχεδιασµός υλικού Μια πιεζοηλεκτρική µονάδα Braille (µοντέλο SC3, κατασκευασµένο από την εταιρία KGS) είναι τοποθετηµένη στο εξωτερικό άκρο του Pantograph στην ελεύθερη άρθρωση του άξονα του κουµπιού knob. Το µοντέλο SC3 είναι ένα από τα µικρότερα: η κάθετη αρχιτεκτονική του έχει δύο κελιά µε 8 ακίδες το καθένα (2 στήλες και 4 γραµµές). Η διάµετρος της κάθε ακίδας είναι 1.3mm ενώ το µέγιστο ύψος κάθε ακίδας είναι 0.8mm. Το µέγεθος ολόκληρης της µονάδας είναι 12.8 x 42 x 26.5mm και το βάρος του είναι 10.5gr. Για να προσαρµοστεί η µονάδα Braille στο Pantograph, η µονάδα SC3 εγκαταστάθηκε σε ένα πλαστικό πλαίσιο το οποίο προσκολλάται πίσω από το κουµπί του Pantograph (Εικόνα 10.1). Η θέση της µονάδας Braille υπολογίζεται από το Pantograph. Η συσκευή επιτρέπει τη σύνθεση δυνάµεων και κάνει πιθανό το γρήγορο προγραµµατισµό (>100Hz) των Braille χαρακτήρων στο ένα ή στο άλλο από τα δύο κελιά συµπεριλαµβανοµένης και της µονάδας Braille [18]. 69

70 Εικόνα 10.1: Παρουσίαση του Pantobraille. Μια µονάδα Braille συνδέεται µε το Pantograph παρέχοντας στον αναγνώστη ένα συνδυασµό απτικής διέγερσης µε ισχυρή ανάδραση δύναµης. Η µονάδα Braille αποτελείται από 2 Braille κελιά που το καθένα έχει 2x4 ακίδες [18] Πειράµατα ύο άτοµα µε προβλήµατα όρασης επιλέχθηκαν για να συµµετέχουν σε πειράµατα για το Pantobraille. Ο ένας διαβάζει Braille µε το δείκτη του δεξιού του χεριού ενώ ο δεύτερος µπορεί να διαβάζει µε άνεση Braille και µε τα δύο χέρια. Κανείς δεν είχε χρησιµοποιήσει το Pantobraille άλλη φορά και έτσι δεν είχε κάνει καµία εξάσκηση σε αυτό. Προκειµένου να συλλεχθούν κάποιες πληροφορίες συµπεριλαµβανοµένης και της ταχύτητας ανάγνωσης και της ευκολίας χρήσης, ζητήθηκε από τα άτοµα να διαβάσουν ένα απόσπασµα ενός αγγλικού πεζού λόγου (210 σειρές µήκος) χρησιµοποιώντας µια παραδοσιακή 40 κυττάρων Braille οθόνη και µετά να διαβάσουν το ίδιο απόσπασµα χρησιµοποιώντας το Pantobraille. Οι τρεις πιθανές περιπτώσεις ανάγνωσης εστίαζαν στη χρήση του ενός ή και των δύο χεριών [18]: Περίπτωση Α: Χρήση του ενός χεριού για ανάγνωση Braille κειµένου. Περίπτωση Β: Ο χρήστης καθοδηγείται να χρησιµοποιήσει και τα δύο χέρια για ανάγνωση Braille κειµένου. Περίπτωση Γ: Ο χρήστης καθοδηγείται να χρησιµοποιήσει και τα δύο χέρια για ανάγνωση Braille κειµένου, το ένα για να µετακινήσει τον κέρσορα στο κείµενο για να χρησιµοποιήσει το Pantograph και το άλλο για να διαβάσει την Braille πληροφορία. 70

71 Οι χρήστες προτίµησαν να χρησιµοποιήσουν το κύριο χέρι τους για τη µετακίνηση του κέρσορα και το άλλο για την ανάγνωση. Ανέφεραν πως αυτός ο σχηµατισµός εξασφαλίζει ακριβή έλεγχο ενώ ο άλλος είναι πιο ευαίσθητος σε απτικές διεγέρσεις [18]. Επειδή χρησιµοποιήθηκαν µόνο δύο άτοµα για τα πειράµατα, θα πρέπει να λάβουν µέρος περισσότερα άτοµα ώστε τα αποτελέσµατα να δίνουν πιο σηµαντικές πληροφορίες. 11. Συσκευές που χρησιµοποιούν Shape Memory Alloys Έχει κατασκευαστεί µια απτική οθόνη η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να διαβιβάσει µικρής κλίµακας σχήµατα σε εικονικά περιβάλλοντα. Μια σειρά από 10 ακίδες ενεργοποιούνται από ένα shape memory alloy καλώδιο. Αυτές οι ακίδες υψώνονται και χαµηλώνουν έναντι του άκρου του δακτύλου. Ο σκοπός ήταν να αναπαραχθούν οι παραµορφώσεις που δηµιουργούνται στο δέρµα από τα χαρακτηριστικά των αντικειµένων όπως οι γωνίες και οι αιχµηρές άκρες. Μια σηµαντική περιοχή εφαρµογών για αυτές τις οθόνες είναι η χειρουργική [45] Μηχανική σχεδίαση Υψώνονται ακίδες έναντι του άκρου του δακτύλου για να παρουσιαστεί το επιθυµητό σχήµα (Εικόνα 11.1). Επιλέχθηκαν SMA (shape memory alloy) καλώδια ως µηχανισµοί κίνησης εξαιτίας των υψηλών αναλογιών δύναµης όγκου και δύναµης βάρους. Η µηχανική σχεδίαση ενός µέρους της οθόνης παρουσιάζεται στην Εικόνα Το ένα άκρο του SMA καλωδίου προσδένεται σε ένα πλαίσιο και το άλλο σε ένα µικρό µοχλό. Ένας ποµπός που συνδέει το πλαίσιο και το µοχλό ρυθµίζει την ένταση του καλωδίου και παρέχει δύναµη. Τα SMA καλώδια ενεργοποιούνται αφού θερµαίνονται από ηλεκτρικό ρεύµα. Η αυξανόµενη θερµοκρασία δηµιουργεί αλλαγή φάσης του υλικού η οποία αυξάνει την ένταση και/ή µικραίνει το µήκος µεταξύ των άκρων του υλικού. Το άκρο του µοχλού υψώνει µια ακίδα προς το άκρο του δακτύλου του χρήστη. Οι µοχλοί παρέχουν µια 3:1 µείωση στη δύναµη και ενίσχυση στη µετατόπιση. Τα καλώδια που χρησιµοποιούνται έχουν µήκος 30mm και 71

72 διάµετρο 0.075mm. Η οθόνη αποτελείται από 4 επίπεδα και το κάθε επίπεδο περιλαµβάνει 6 µηχανισµούς κίνησης [16]. Ο Johanson πρότεινε µια απτική διεπαφή αποτελούµενη από SMA καλώδια µε 5 x 6 ακίδες και συχνότητα 20 Hz [46]. Μια άλλη διεπαφή που προτάθηκε αποτελείται από µια σειρά 10 ακίδων που ενεργοποιούνται ξεχωριστά [47], [48]. Η συσκευή HAPTAC του εργαστηρίου Armstrong (Εικόνα 11.3) χρησιµοποιεί απτικούς µηχανισµούς κίνησης τύπου SMA µε σκοπό να αναπαράγει µε αυτούς απτικές αισθήσεις [49]. Εικόνα 11.1: Απεικόνιση της οθόνης και άκρη του δακτύλου [16] Εικόνα 11.2: Εικόνα ενός µηχανισµού κίνησης [16] Εικόνα 11.3 : Σύστηµα HAPTAC [49] 72

73 11.2 Πειράµατα Ζητήθηκε από άτοµα που έλαβαν µέρος στα πειράµατα να εκτελέσουν µια εργασία αναζήτησης καθώς ένα ψηφιακό φίλτρο µε συχνότητες αποκοπής 1.5 και 30 Hz εφαρµόζεται σε καθορισµένες θέσεις της οθόνης [47]. Τα άτοµα ακουµπούν την οθόνη µε το κύριο χέρι τους και το άκρο του δακτύλου τους τοποθετείται στις ακίδες. Η οθόνη µετράει τη θέση του δακτύλου καθώς τα άτοµα κινούνται σε µια περιοχή εξέτασης. Ο υπολογιστής υψώνοντας και χαµηλώνοντας τις ακίδες της οθόνης αναπαριστά µικρής κλίµακας σχήµατα σε καθορισµένες θέσεις. Από τα άτοµα ζητήθηκε να ψάξουν µια περιοχή µε διάµετρο 150mm και να βρουν το συντοµότερο δυνατό δύο κουκίδες. Ζητήθηκε να εντοπίσουν την κάθε κουκίδα στο χώρο αναζήτησης και να πατήσουν ένα κουµπί. Όταν βρουν και τις δύο κουκίδες θα πρέπει να πιέσουν ένα δεύτερο κουµπί για να τερµατίσουν το πείραµα [47]. Ο χρόνος που χρειάστηκαν τα άτοµα να ψάξουν το χώρο και η µέση ταχύτητα τους κατά τη διάρκεια της αναζήτησης, καταγράφηκαν. Αυτό το πείραµα έδειξε πως τουλάχιστον για κάποιες εργασίες, το υψηλό εύρος ζώνης είναι απαραίτητο για καλή απόδοση. Τα άτοµα εξέφρασαν µεγάλη απογοήτευση όταν χρησιµοποίησαν την οθόνη για αναζήτηση του χώρου µε το φίλτρο να έχει ρυθµιστεί στην χαµηλότερη συχνότητα αποκοπής [47]. 12. Απτικές οθόνες που χρησιµοποιούν µηχανισµούς κίνησης MEMs Οι µηχανισµοί κίνησης MEM (MicroElectroMechanical) χρησιµοποιούνται για να δηµιουργηθούν οθόνες υψηλού εύρους ζώνης και να διεγείρουν την απτική αίσθηση του χρήστη. Αυτές οι συσκευές µπορούν να λαµβάνουν δεδοµένα που προέρχονται από το χέρι και από άλλους τύπους (για παράδειγµα µέσω γραφίδας) πίεσης/επαφής. 73

74 12.1 Περιγραφή Η αρχική εργασία εστιάστηκε στην ανάπτυξη ενός µηχανισµού κίνησης που αποτελείται από δύο θαλάµους µε αέριο ή µε υγρό όπως φαίνεται στην Εικόνα Οι θάλαµοι έχουν καλυφθεί και ασφαλιστεί µε µια κοινή µεµβράνη έτσι ώστε όταν η µεµβράνη που καλύπτει τον εξωτερικό θάλαµο µετατοπιστεί από µια ηλεκτροστατική δύναµη, η µεµβράνη που καλύπτει τον εσωτερικό θάλαµο επίσης µετατοπίζεται (σε µεγαλύτερη απόσταση) από την κίνηση του υγρού. ύο σχεδιαστικές προσεγγίσεις έχουν εξεταστεί: α) Surface Micromachined β) CMOS [17]. Εικόνα 12.1 : Surface Micromachined µηχανισµός κίνησης µε µεµβράνη σιλικόνης [17] 13. TDraw Τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης και τα άτοµα µε κανονική όραση έχουν παρόµοια πνευµατικά µοντέλα για τον τρισδιάστατο κόσµο. Επειδή η αντίληψη λειτουργεί τελείως διαφορετικά η χαρτογράφηση του τρισδιάστατου κόσµου σε µια δυσδιάστατη εικόνα διαφέρει σηµαντικά. Για το λόγο αυτό έχει αναπτυχθεί ένα εργαλείο που επιτρέπει στα άτοµα µε προβλήµατα όρασης να σχεδιάζουν εικόνες και την ίδια στιγµή να µελετούν τη διαδικασία σχεδίασής τους. 74

75 13.1 Περιγραφή Το εργαλείο σχεδίασης TDraw ικανοποιεί τις παρακάτω απαιτήσεις [50]: Άµεση ανάδραση: Ο χρήστης πρέπει να µπορεί να αγγίξει/εξερευνήσει τις γραµµές που σχεδιάζει για να πλοηγείται στο υπάρχον σχέδιο. Όχι αντιληπτές κουκίδες: Μια συστοιχία κουκίδων για την παρουσίαση του σχεδίου πρέπει να αποφεύγεται. Προσωπικά σχόλια: Κάθε γραµµή ή αντικείµενο στο σχέδιο θα πρέπει να συνοδεύεται από ένα όνοµα ή κάποιο άλλο προσωπικό σχόλιο. ιαγραφή: Όλες οι γραµµές και τα αντικείµενα ενός σχεδίου θα πρέπει να µπορούν να διαγραφούν εάν ο χρήστης επιθυµεί να διορθώσει το σχέδιό του. Χρησιµοποίηση: Το σύστηµα θα πρέπει να είναι εύκολο στη χρήση. Το σύστηµα βασίζεται σε πεπιεσµένο χαρτί και σε µια ειδική γραφίδα (θερµική και ψηφιακή). Το χαρτί τοποθετείται σε έναν ψηφιακό πίνακα ο οποίος δίνει την κατάσταση (πιεσµένο/ελευθερωµένο) και τη θέση της γραφίδας κάθε στιγµή. Η είσοδος των δεδοµένων µπορεί να γίνει µέσω ενός πληκτρολογίου µε αναγνώριση φωνής. Το πρόγραµµα που καθοδηγεί το σύστηµα ονοµάζεται TDraw. Ο χρήστης µε προβλήµατα όρασης µπορεί να σχεδιάσει στο πεπιεσµένο χαρτί στον ψηφιακό πίνακα (Εικόνα 13.1). Κάθε αντικείµενο που το όνοµά του είναι αµέσως αντιληπτό καθώς ο χρήστης το σχεδιάζει, καταγράφεται αµέσως από τον υπολογιστή. Ο χρήστης δεν χρειάζεται να µετακινήσει τα χέρια του µακριά από το σχέδιο. Το προκαθορισµένο γεωµετρικό πρότυπο είναι η γραµµή. Αν µια γραµµή τελειώνει πολύ κοντά στην αρχή της και λεχθεί ένα σχόλιο, η γραµµή θα µετατραπεί σε πολύγωνο. Το σχέδιο µπορεί να εξερευνηθεί στον ψηφιακό πίνακα και τα σχόλια για κάθε αντικείµενο (για παράδειγµα το όνοµά του) µπορεί να ανακτηθούν προφορικά (χρησιµοποιώντας ένα σύστηµα µετατροπής κειµένου σε οµιλία). Όταν ο χρήστης πιέζει την ψηφιακή γραφίδα σε µια γραµµή ή κοντά σε αυτή, θα ακουστεί το όνοµά της. Έτσι η απτική εξερεύνηση εµπλουτίζεται σηµαντικά ακόµη και αν το σχέδιο εξερευνάται και από άλλα άτοµα και όχι µόνο από αυτό που το σχεδίασε. Όταν το σχέδιο καταγράφεται από το σύστηµα, µπορεί να αναπαραχθεί σε κάθε εκτυπωτή που µπορεί να εκτυπώσει γραφικά, απτικά ή οπτικά. Η υλοποίηση έγινε µε C++ σε περιβάλλον MS-Windows. 75

76 Εικόνα 13.1 : Η απτική επιφάνεια σχεδιασµού [50] 13.2 Πειράµατα Τα άτοµα του πειράµατος επιλέχθηκαν ώστε να καλύπτουν ένα εύρος χαρακτηριστικών (φύλο, διάφορες ηλικίες). Το πιο σηµαντικό ήταν το συµπέρασµα για τα άτοµα που ήταν τυφλά από τη γέννησή τους και για τα άτοµα που έχασαν αργότερα την όρασή τους. Αρχικά περιγράφηκε το σύστηµα σχεδίασης και τα άτοµα έκαναν εξάσκηση στο σύστηµα. Από τα άτοµα ζητήθηκε να αγγίξουν και να περιεργαστούν κάποια τρισδιάστατα αντικείµενα (πλαστικά µοντέλα µιας καρέκλας, ενός τραπεζιού, ενός µπουκαλιού και άλλων αντικειµένων) [50]. Στη συνέχεια τα άτοµα έπρεπε να σχεδιάσουν τα αντικείµενα µε τέτοιο τρόπο ώστε να απεικονίζεται όσο δυνατόν περισσότερο η τρισδιάστατη πληροφορία τους. Ένα παράδειγµα σχεδίασης απλού αντικειµένου παρουσιάζεται στην Εικόνα Εικόνα 13.2 : Ένα απτικό σχέδιο που παράγεται µε το TDraw b) Σε πεπιεσµένο χαρτί c) Όπως καταγράφεται από το TDraw [50]. 76

77 13.3 Αποτελέσµατα Τα αποτελέσµατα [50] που προέκυψαν από τα πειράµατα έδειξαν πως τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης µπορούν να σχεδιάσουν τρισδιάστατα αντικείµενα µε µεγάλη ευκολία και άνεση. Τα άτοµα που είχαν περισσότερη εµπειρία από σχεδίαση αντικειµένων έδειξαν πιο ικανοποιηµένοι από τους άλλους. Οι περισσότεροι δήλωσαν πως περισσότερη εξάσκηση θα βελτιώσει τα σχέδιά τους. 14. IC2D Το IC2D (Integrated Communication 2 Draw) είναι ένα σύστηµα που µετατρέπει τη γεωµετρική πληροφορία σε ακουστική µορφή για να εξετάσει τα προβλήµατα που αντιµετωπίζουν τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης τα οποία χρησιµοποιούν εργαλεία σχεδίασης µε τη βοήθεια υπολογιστή. Το IC2D λαµβάνει είσοδο από το πληκτρολόγιο και παράγει ανάδραση χρησιµοποιώντας το λόγο Λειτουργία Το IC2D δεν χρησιµοποιεί άλλες εξωτερικές συσκευές όπως πίνακες ή οθόνες γραφικών αλλά χρησιµοποιεί έναν εξωτερικό συνθέτη φωνής. Ένα από τα κύρια εµπόδια για άτοµα µε προβλήµατα όρασης που είναι χρήστες υπολογιστών είναι να εντοπίσουν την ακριβή θέση του κέρσορα στην οθόνη. Ένα άτοµο µε προβλήµατα όρασης πρέπει να µπορεί να βρίσκει µέρη προηγούµενων σχεδίων του για να κάνει αλλαγές [51] Πλοήγηση βασιζόµενη σε πλέγµα Για την επίλυση του προβλήµατος της παροχής επαρκούς ανάδρασης, η οθόνη χωρίζεται σε µικρότερο, πλοηγήσιµο χώρο εργασίας [52]. Το βασικό χαρακτηριστικό της γραφικής διεπαφής του συστήµατος IC2D, είναι ένα 3 x 3 πλέγµα που αποτελείται από εννέα καθορισµένες περιοχές στην οθόνη. Αυτές οι περιοχές, ή αλλιώς κελιά, είναι καθορισµένοι αριθµοί που αντιστοιχούν στους αριθµούς του πληκτρολογίου του τηλεφώνου. Το σύστηµα είναι καθορισµένο έτσι ώστε οι χρήστες να µπορούν να χρησιµοποιούν το πληκτρολόγιο από και 77

78 προς κάθε µια από τις εννέα περιοχές όπως περιγράφεται ακολούθως [51]: 1. Τέσσερα καθορισµένα για το χρήστη πλήκτρα του πληκτρολογίου ( i,,(comma),j, l) δείχνουν τις κατευθύνσεις πάνω, κάτω, αριστερά, δεξιά. 2. Οι αριθµοί 1-9 που βρίσκονται στην πάνω σειρά του πληκτρολογίου αντιστοιχούν στη θέση κάθε περιοχής. Όταν ο χρήστης µετακινείται σε ένα κελί, ο κέρσορας τοποθετείται στο κέντρο του κελιού. Το κέντρο είναι ένα µοναδικό σηµείο αναφοράς για το δεδοµένο κελί. Πατώντας το πλήκτρο k επιλέγεται η τρέχουσα θέση. Η µετακίνηση σε ένα κελί και η επιλογή του µε το k είναι ανάλογη µε την επιλογή ενός αντικειµένου χρησιµοποιώντας το ποντίκι Είσοδος από το πληκτρολόγιο Το IC2D βασίζεται εξ ολοκλήρου στην είσοδο από το πληκτρολόγιο. Όλα τα πλήκτρα των λειτουργιών βρίσκονται γύρω από την κύρια σειρά του πληκτρολογίου [51]. Αυτό επιτρέπει στα άτοµα µε προβλήµατα όρασης να εκτελούν λειτουργίες γρήγορα και αποτελεσµατικά επειδή δεν χρειάζεται να µετακινούν τα χέρια τους µεταξύ του αριθµητικού πληκτρολογίου και του κυρίως πληκτρολογίου Παλέτες Το IC2D χρησιµοποιεί το ίδιο 3 x 3 πλέγµα για να υποστηρίξει παλέτες. Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές παλέτες για τύπους σχηµάτων, χρώµατα, εντολές αρχείων και σχεδιοκίνηση [53]. Η παλέτα σχήµατος (Εικόνα 14.1) περιλαµβάνει καθορισµένα σχήµατα όπως κύκλους, ορθογώνια, γραµµές και πολύγωνα. Όταν κάποιος χρήστης επιλέξει ένα σχήµα παραµένει επιλεγµένο µέχρι να επιλέξει ένα άλλο. Η παλέτα χρωµάτων (Εικόνα 14.2) περιλαµβάνει τα χρώµατα και η παλέτα αρχείων περιλαµβάνει εντολές όπως «άνοιγµα», «αποθήκευση», κ.τ.λ. (Εικόνα 14.3). Αρχίζοντας από το κέντρο του πλέγµατος, ο χρήστης µπορεί να µεταβεί σε κάθε άλλο κελί στην παλέτα χρησιµοποιώντας όχι περισσότερα από δύο πλήκτρα πλοήγησης [51]. 78

79 Εικ.14.1:Παλέτα σχήµατος Εικ.14.2: Παλέτα χρωµάτων Εικ.14.3 Παλέτα αρχείων [51] 14.2 Απόδοση του IC2D Στο πείραµα συµµετείχαν 16 άτοµα από τα οποία τα 8 είχαν την όρασή τους, τα 5 είχαν εν µέρει την όρασή τους και τρία δεν έβλεπαν [51]. Αρχικά δόθηκε κάποιος χρόνος ώστε τα άτοµα να µπορέσουν να µάθουν το IC2D και να εξοικειωθούν µε αυτό και στη συνέχεια τα άτοµα θα έπρεπε να εκτελέσουν τρεις εργασίες. Στην πρώτη εργασία θα έπρεπε να σχεδιάσουν τρεις κύκλους σε τρεις διαφορετικές θέσεις της επιλογής τους και στη συνέχεια έπρεπε να σχεδιάσουν το µικρότερο δυνατό τρίγωνο στην κάτω δεξιά γωνία του πλέγµατος, µετά να σχεδιάσουν ένα ορθογώνιο µέσα στο πάνω αριστερά κελί και τελικά να σχεδιάσουν µια γραµµή που να συνδέει την υψηλότερη κορυφή του τριγώνου µε την υψηλότερη αριστερή κορυφή του ορθογωνίου. Στη δεύτερη εργασία δόθηκαν στους συµµετέχοντες τρεις εικόνες να τις εξερευνήσουν (µια κάθε φορά) και να εκφράσουν το περιεχόµενο της κάθε εικόνας. Τέλος, στην τρίτη εργασία δόθηκε στους συµµετέχοντες ένας φυσικός κύβος και έπρεπε να το σχεδιάσουν ώστε να απεικονίζονται οι τρεις διαστάσεις του. Τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης εκτέλεσαν το ίδιο καλά ή καλύτερα από τα άτοµα που είχαν την όρασή τους και τις τρεις εργασίες αν και στατιστικά δεν υπήρχαν µεγάλες διαφορές ίσως λόγω µικρού δείγµατος. εν υπήρχαν σηµαντικές διαφορές στο χρόνο, στην αυτοπεποίθηση του χρήστη και στο βαθµό του κριτή για τις εργασίες 1 και 3 ενώ στην εργασία 2 η οµάδα των ατόµων µε προβλήµατα όρασης ήταν σηµαντικά γρηγορότερη [51]. 79

80 15. Shear force tactile display Περιγράφεται η σχεδίαση του υλικού µιας απτικής οθόνης µε δύναµη διάτµησης. Αυτή η οθόνη µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να ερευνηθούν τα αποτελέσµατα της αντίληψης της δύναµης διάτµησης στο δέρµα του δακτύλου Μηχανική σχεδίαση Εικόνα 15.1 : Μηχανική σχεδίαση της οθόνης [5] Η µηχανική σχεδίαση κάθε ακροδέκτη σε έναν άξονα παρουσιάζεται σχηµατικά στην Εικόνα 15.1 (πλάγια όψη). Το δάχτυλο τοποθετείται στο βασικό δίσκο πάνω σε µια τρύπα. ιαµέσου της τρύπας οι τέσσερεις ακροδέκτες έρχονται σε επαφή µε το δέρµα του δακτύλου. Μεταξύ του άκρου του δακτύλου και των ακροδεκτών µπορεί να τοποθετηθεί ένα προαιρετικό ελαστικό στρώµα. Κάθε ακροδέκτης συνδέεται ένωση µε µια ράβδο. ύο ράβδοι που συνδέονται µε ορθή γωνία µε κάθε ακροδέκτη παρέχουν την απαιτούµενη πλευρική κίνηση (Πάνω όψη). Οι ράβδοι ενώνονται µε συνδέσµους µείωσης (reduction arms) που µπορούν να κινηθούν από σερβο βραχίονες µέσω των ράβδων. Η Εικόνα 15.2 παρουσιάζει την πειραµατική εγκατάσταση του υλικού ενός πλήρους ενεργοποιηµένου ακροδέκτη χωρίς κάλυµµα δίσκου. Όλα τα µηχανικά µέρη συµπεριλαµβανοµένων και των µηχανισµών κίνησης συσκευάζονται σε έναν κύβο µε µήκος πλευράς 11cm. Οι σερβοµηχανισµοί τοποθετούνται ο ένας πάνω στον άλλο µε γωνιακή µετατόπιση 90 µοιρών όπως φαίνεται στην Εικόνα Αυτή η όψη δείχνει επίσης την τεχνική υλοποίηση ενός ακροδέκτη. Για να επιτευχθεί 80

81 η απαιτούµενη ακαµψία για τους ακροδέκτες χρησιµοποιήθηκε µια πρισµατική υποδοχή ράβδου µε µια τετραγωνική βάση [5]. Το µήκος του ακροδέκτη είναι 8cm. Για να παρέχεται κίνηση και στους τέσσερεις ακροδέκτες στους δύο άξονες, 8 µηχανισµοί κίνησης απαιτούνται. Χρησιµοποιήθηκαν RC (Remote Control) σερβοµηχανισµοί. Ο λόγος που επιλέχθηκαν ήταν το µικρό τους µέγεθος και ο εύκολος χειρισµός τους. Ένα µειονέκτηµα είναι η έλλειψη λεπτοµερών τεχνικών πληροφοριών. Ο σερβοµηχανισµός DS 3781 [5] που χρησιµοποιείται παρέχει µέση ροπή 18Ncm και ο χρόνος χειρισµού υπολογίζεται σε 0.04s. Η πληροφορία θέσης δίνεται από ένα PWM (Pulse Width Modulation) σήµα [5]. Εικόνα 15.2 : Απτική οθόνη χωρίς κάλυµµα δίσκου [5] Εικόνα 15.3 : Άποψη της σχεδίασης του ακροδέκτη [5] 81

82 15.2 Λογισµικό Ένα πρόγραµµα υπολογιστή δηµιουργεί τα PWM σήµατα και για τους 8 σερβοµηχανισµούς ταυτόχρονα. Μια µονάδα πραγµατικού χρόνου έχει γραφτεί σε RTLinux µηχανή η οποία µπορεί να παρέχει ακρίβεια χρόνου. 16. Teletaction system 16.1 Hardware Το σύστηµα teletaction αποτελείται από έναν απτικό αισθητήρα που µετράει ένα προφίλ πίεσης δύο διαστάσεων, µια απτική οθόνη που αναπαράγει µικρής κλίµακας σχήµατα στο άκρο του δακτύλου και τους απαιτούµενους αλγόριθµους επεξεργασίας σήµατος που επεξεργάζονται τις πληροφορίες από τον αισθητήρα στην οθόνη (Εικόνα 16.1). Ο απτικός αισθητήρας µετράει την πίεση µέσω ενός 16 x 16 τετράγωνου πίνακα από αισθητήρια στοιχεία (sensels) πίεσης που τοποθετούνται ανά 2mm µε ανάλυση περίπου 0.4 kpa (Εικόνα 16.2α). Με την ελάττωση του φαινόµενου της καµπυλότητας επιτεύχθηκε ένα-προς-ένα σχεδίαση µε την απτική οθόνη χρησιµοποιώντας µόνο τα 6 x 6 αισθητήρια στοιχεία του κέντρου. Όταν έρχεται σε επαφή µε ένα αντικείµενο, ο αισθητήρας µπορεί να παραστήσει ένα προφίλ πίεσης εξαιτίας των απτικών χαρακτηριστικών του αντικειµένου όπως το σχήµα σε ένα εύρος ζώνης πάνω από 10 Hz [54]. Εικόνα 16.1 : Σύγκριση µεταξύ της ροής της απτικής πληροφορίας στην άµεση επαφή και στο σύστηµα teletaction [54] 82

83 Ο απτικός αισθητήρας [54], [55] τοποθετείται στη σειρά µε τον αισθητήρα δύναµης για να δίνει τη συνολική δύναµη που παρέχεται στον αισθητήρα µέσω µιας λαβής (Εικόνα 16.2β). Επιπλέον ένας µαγνητικός ανιχνευτής θέσης µε ανάλυση 0.51mm χρησιµοποιείται για να προσδιορίσει τη θέση του απτικού αισθητήρα. Ο µαγνητικός ανιχνευτής τοποθετείται στο απέναντι άκρο της λαβής για να ελαχιστοποιεί την παρεµβολή της ατσάλινης βάσης του αισθητήρα. Η απτική οθόνη [54], [55] είναι µια συστοιχία από µηχανικούς ακροδέκτες που ενεργοποιούνται από RC σερβοµηχανισµούς (Εικόνα 16.3). Οι ακροδέκτες έχουν διάµετρο 1mm και η µεταξύ τους απόσταση είναι 2mm. Έχουν µέγιστη µετατόπιση 2mm και ανάλυση 0.1mm. Ένα πυκνό κοµµάτι 2mm ελαστικής σιλικόνης τοποθετείται στους ακροδέκτες της απτικής οθόνης ως χαµηλοδιαβατό φίλτρο [56]. Αν και η απτική οθόνη µπορεί να υποστηρίξει σήµατα µέχρι 25Hz για µικρές µετακινήσεις των ακροδεκτών, ο απτικός αισθητήρας περιορίζει το εύρος ζώνης του συστήµατος σε 10Hz. Εικόνα 16.2 : (α) Σχηµατική παράσταση του απτικού αισθητήρα (β) απτικός αισθητήρας (i), αισθητήρας δύναµης (ii), λαβή (iii), και αισθητήρας θέσης (iv) [54] 83

84 Εικόνα 16.3 : (α) Απτική οθόνη µε ελαστικό χαµηλοδιαβατό φίλτρο (β) Ακροδέκτες απτικής οθόνης [54] 16.2 Πειράµατα Τα άτοµα που συµµετείχαν στο πείραµα εκπαιδεύτηκαν να εντοπίζουν σκληρούς όγκους σε µαλακούς ιστούς, εξερευνώντας τα µοντέλα και χρησιµοποιώντας τον απτικό αισθητήρα µε το δεξί τους χέρι και νοιώθοντας την απτική οθόνη µε το αριστερό δάχτυλο-δείκτη (Εικόνα 16.4). Σε κάθε προσπάθεια, το άτοµο ξεκινά µε τον αισθητήρα αγγίζοντας την αριστερή πλευρά του περιεχοµένου του µοντέλου. Τα άτοµα πληροφορήθηκαν ότι ο πρωταρχικός στόχος ήταν να κεντράρουν µε ακρίβεια τον απτικό αισθητήρα απευθείας πάνω στον σκληρό όγκο. εδοµένου ότι θα µπορούσαν να επιτύχουν τον πρώτο στόχο, ο δεύτερος στόχος ήταν να ολοκληρώσουν αυτή την εργασία όσο το δυνατόν πιο γρήγορα. Η δοκιµασία σταµατά όταν το άτοµο προφορικά ανακοινώνει ότι βρήκε τον όγκο. Αν και τα άτοµα δεν είχαν περιορισµούς χρόνου, πληροφορήθηκαν ότι κάθε δοκιµασία θα διαρκούσε µέχρι ένα λεπτό. Στα άτοµα δόθηκε ένα µικρό διάλειµµα κάθε εννέα δοκιµασίες και ο συνολικός χρόνος του πειράµατος ήταν περίπου 1 ώρα. Από τα άτοµα εµποδίστηκε η όραση και έτσι δεν µπορούσαν να δουν τη µπάλα στο µοντέλο. Για να καλυφθούν ακουστικά στοιχεία τα άτοµα φόρεσαν ωτοασπίδες και ακουστικά που παρήγαγαν θόρυβο στη συχνότητα των ήχων που παράγονται από την απτική οθόνη [54]. Πριν το πείραµα τα άτοµα εξασκήθηκαν µε το σύστηµα teletaction και εξοικειώθηκαν µε τη χρήση των συσκευών [54]. Τα άτοµα εκπαιδεύτηκαν να αναγνωρίζουν τη µέγιστη δύναµη που χρειάζεται και να αποφεύγουν µεγαλύτερες δυνάµεις που µπορούν να καταστρέψουν τον αισθητήρα. 84

85 Εικόνα 16.4 : Πειραµατική εγκατάσταση του συστήµατος teletaction [54] 17. Refreshable Braille display Η µέθοδος Braille αρχικά δηµιουργήθηκε ως µια διεργασία που εκτυπώνει χαρακτήρες σε χαρτί. Οι ηλεκτρονικές οθόνες Braille, που ονοµάζονται ανανεώσιµες (refreshable) οθόνες, αποτελούνται από µια επίπεδη διάτρητη πλάκα της οποίας οι οπές αντιστοιχούν στις κουκίδες του συστήµατος Braille. έχονται είσοδο κειµένου και ανυψώνουν µε πιεζοηλεκτρικό τρόπο ακίδες οι οποίες εξέχουν από τις κατάλληλες οπές ώστε να σχηµατίσουν τα γράµµατα του αλφαβήτου Braille για το κείµενο εισόδου. Οι απτικές οθόνες γραφικών χρησιµοποιούν µια συστοιχία ακίδων δύο διαστάσεων για να µορφοποιεί τις εικόνες. Η ανάγκη για χιλιάδες ακίδες ανεβάζει το κόστος µιας πιεζοηλεκτρικής απτικής οθόνης γραφικών που δεν µπορούν να πληρώσουν οι περισσότεροι χρήστες. Η πρόκληση ήταν να κατασκευαστεί µια ανανεώσιµη (refreshable) οθόνη που να είναι οικονοµική Περιγραφή Η νέα σχεδίαση χρησιµοποιεί απλές µεταλλικές ακίδες και µια απλή συσκευή ελέγχει όλες τις ακίδες στην οθόνη. Οι εικόνες µετατρέπονται σε διανυσµατική µορφή και µετά «σχεδιάζονται» πάνω στην οθόνη για να σχηµατίσουν ένα σχέδιο από υψωµένες ακίδες. Αφού ολοκληρωθεί η σχεδίαση, όλες οι ακίδες της οθόνης κλειδώνονται σε ένα µέρος έτσι ώστε η πίεση από το δάχτυλο του χρήστη να µη µετακινεί τις ακίδες. Μετά την ανάγνωση οι ακίδες ξεκλειδώνονται προετοιµάζοντας την 85

86 οθόνη για νέα εικόνα. Ο συνδυασµός παθητικών ακίδων (ακίδες οι οποίες βρίσκονται στην προεπιλεγµένη θέση, πάνω ή κάτω από την επιφάνεια της οθόνης), διανυσµατικής σχεδίασης και του µηχανισµού κλειδώµατος κάνουν την οθόνη εύκολη στη χρήση και χαµηλή σε κόστος. Οι παθητικές ακίδες κάνουν τα εικονοστοιχεία της οθόνης πολύ απλά στη σχεδίαση και παρουσιάζονται στην Εικόνα Οι ακίδες τοποθετούνται σε µια στοίβα από µεταλλικούς δίσκους µε τρύπες διαµέσου των δίσκων για να συγκρατούν τις ακίδες. Το κενό µεταξύ των ακίδων σε µια απτική σειρά, οι διάµετροι των κεφαλών και η απόσταση των ακίδων που υψώνονται επιλέγονται για να παράγουν µια χρήσιµη απτική οθόνη, βασιζόµενη στα χαρακτηριστικά της ανθρώπινης αίσθησης της αφής. Εικόνα 17.1 : Παθητικές ακίδες [57] Ο µηχανισµός κίνησης που γράφει στην κάτω πλευρά της οθόνης τοποθετείται σε ένα x-y ρυθµιστή θέσης. Οι εικόνες µετατρέπονται σε διανυσµατική µορφή που είναι ουσιαστικά µια γραµµή µε τα όρια των αντικειµένων, εκφραζόµενη ως µια λίστα x-y συντεταγµένων µε τις εντολές pen up και pen down [58]. Για το ποσό των λεπτοµερειών που είναι χρήσιµες σε µια απτική οθόνη γραφικών, η διανυσµατική σχεδίαση είναι πολύ γρηγορότερη από µια διεργασία σάρωσης που αντιστοιχεί σε όλες τις ακίδες σειριακά. Το πρότυπο που δηµιουργήθηκε (Εικόνα 17.2) από την οµάδα εργασίας έχει επιφάνεια οθόνης 7ίντσες (178mm), πλάτος 5ίντσες (127mm), απόσταση µεταξύ των ακίδων 0.1ίντσες (2.54mm) για συνολικό αριθµό 3621 ακίδων. Η επιφάνεια ανάγνωσης τοποθετείται σε µια συσκευή καταγραφής σχεδίων που είχε σχεδιαστεί για να γράφει σε 86

87 χαρτί αλλά προσαρµόστηκε να γράφει στην κάτω µεριά του απτικού πίνακα. Εικόνα 17.2 : Πρότυπη απτική οθόνη γραφικών, λεπτοµέρεια εικόνας που σχηµατίζεται από υψωµένες ακίδες [58] 17.2 Απόδοση του συστήµατος Η απλότητα της σχεδιαστικής προσέγγισης και τα παθητικά µέρη επιτρέπουν την κατασκευή µιας απτικής οθόνης γραφικών µε πολύ χαµηλό κόστος συγκρινόµενη µε τις εναλλακτικές τεχνολογίες [58]. Προκαταρκτικές µελέτες µε φωτογραφίες δείχνουν ότι η απτική οθόνη είναι πρακτική αν ελαττωθεί το ποσό των λεπτοµερειών της εικόνας ώστε να µπορεί εύκολα να ερµηνευθεί από το χρήστη. Κάποιοι χρήστες πρότειναν να υπάρχει η δυνατότητα η οθόνη να χρησιµοποιείται ως συσκευή εισόδου- οι µελλοντικές εµπορικές εκδόσεις µπορεί να έχουν ενσωµατωµένη ακουστική τεχνολογία πίνακα αφής ώστε να εντοπίζεται το σηµείο που δείχνει ο χρήστης αγγίζοντας την οθόνη. 18. NIST Rotating-Wheel Braille display Το κύριο εµπόδιο στην εξάπλωση της χρήσης των Braille οθονών είναι το κόστος που είναι µεγάλο εξαιτίας των εκατοντάδων µηχανισµών κίνησης (ένας για κάθε κουκίδα Braille) που χρειάζονται για να παρουσιάσουν µια γραµµή Braille κειµένου. Επίσης οι οθόνες που δείχνουν µια ολόκληρη γραµµή κειµένου είναι ογκώδεις και µη φορητές. Μια νέα προσέγγιση που θα ξεπεράσει αυτά τα εµπόδια και θα αυξήσει τη διαθεσιµότητα των Braille οθονών είναι η NIST Rotating Wheel Braille display. 87

88 18.1 Τεχνική περιγραφή Τοποθετώντας το κείµενο Braille σε ένα περιστρεφόµενο κύλινδρο (Εικόνα 18.1), δεν είναι πια απαραίτητο να υπάρχει ένας µηχανισµός κίνησης για κάθε ακίδα. Το πρότυπο εργασίας (Εικόνα 18.2) χρησιµοποιεί τρία σωληνοειδή µικρής τάσης για να θέσει σε λειτουργία όλες τις ακίδες Braille καθώς κινούνται µε την περιστροφή του κυλίνδρου (το πρότυπο χρησιµοποιεί Braille 6 ακίδων ενώ µια οθόνη 8 ακίδων θα χρησιµοποιούσε τέσσερα σωληνοειδή αντί για τρία αφού έχει τέσσερεις γραµµές ακίδων). Οι ακίδες στη σχεδίαση NIST είναι απλές στρογγυλευµένες ακίδες µε µια κεφαλή στην µία άκρη. Οι ακίδες βρίσκονται στις τρύπες του κυλίνδρου µε τις κεφαλές τους προς την κατεύθυνση του άξονα του κυλίνδρου. Αν η στρογγυλευµένη άκρη µιας ακίδας εξέχει από την επιφάνεια του κυλίνδρου, ο χρήστης θα αισθανθεί µια κουκίδα. Ένα σύνολο από µη περιστρεφόµενα ίχνη µέσα στον κύλινδρο παρέχουν δύο θέσεις για κάθε ακίδα: ή προεξέχει από τον κύλινδρο σχηµατίζοντας µια κουκίδα, ή δεν προεξέχει από τον κύλινδρο και δεν υπάρχει κουκίδα. Τα µη περιστρεφόµενα ίχνη εµποδίζουν τις ακίδες να περιστρέφονται από τη µία θέση στην άλλη καθώς ο κύλινδρος κινείται, έτσι το τρέχον κείµενο Braille διατηρείται καθώς κινείται κατά µήκος της περιοχής ανάγνωσης. Αυτή η µέθοδος που δηµιουργεί µια εκτεταµένη περιοχή ανάγνωσης ονοµάζεται σύστηµα παθητικού ελέγχου των ακίδων επειδή δεν χρησιµοποιεί ενεργά στοιχεία για να κρατήσει τις ακίδες στην περιοχή ακόµα και αν η ισχύς της οθόνης κλείσει, το κείµενο θα παραµείνει στη θέση του στην περιοχή ανάγνωσης. Το πλεονέκτηµα αυτής της σχεδίασης είναι ότι όσο οι ακίδες µένουν στη θέση τους, η πίεση του δακτύλου δεν τις µετακινεί µέσα στην οθόνη. Οι κουκίδες είναι πιο «σκληρές» συγκρινόµενες µε αυτές που παράγονται από πιεζοηλεκτρικούς µηχανισµούς κίνησης ενώ το ύψος τους καθορίζεται από τις διαστάσεις των µη περιστρεφόµενων ιχνών. Ένα µη περιστρεφόµενο ίχνος µπορεί να θεωρηθεί ως µια σχισµή που είναι πιο πλατιά στο κάτω µέρος σε σχέση µε το πάνω και έχει το σχήµα του ανάποδου γράµµατος «Τ». Όταν µια ακίδα είναι στη θέση «κάτω» ή «µηδενισµού» (κάτω από την επιφάνεια του κυλίνδρου), η κεφαλή της ακίδας βρίσκεται µέσα στο πλατύ µέρος της Τ σχισµής και γλιστρά κατά µήκος της σχισµής ενώ ο κύλινδρος περιστρέφεται. Το στενό µέρος της σχισµής εµποδίζει την ακίδα να κινηθεί έξω από τον άξονα και να εξέχει από τον κύλινδρο. Όταν µια ακίδα είναι στην «πάνω» ή «ρυθµισµένη» θέση, η κεφαλή της ακίδας κινείται έξω από τη σχισµή και δεν µπορεί να εισέλθει στο στενό µέρος της σχισµής ακόµα και αν ασκείται πίεση του δακτύλου [59]. Το κείµενο Braille που πρέπει να εµφανιστεί µεταδίδεται στην οθόνη από έναν υπολογιστή. Το κείµενο Braille µετατρέπεται στα σχέδια των 88

89 βασικών κουκίδων και οι κουκίδες για κάθε κελί χωρίζονται στην αριστερή στήλη (κουκίδες 1-2-3) και στη δεξιά (κουκίδες 4-5-6). Το αριστερό κελί του Braille χαρακτήρα ρυθµίζεται πρώτα και µετά οι ίδιοι µηχανισµοί κίνησης χρησιµοποιούνται για να ενεργοποιήσουν το δεξιό κελί. Ενώ ο κύλινδρος συνεχίζει να περιστρέφεται, το επόµενο κελί φτάνει στη θέση και ενεργοποιείται από τους µηχανισµούς κίνησης. Ο κύλινδρος διαθέτει ένα εξωτερικό κάλυµµα όπου οι µηχανισµοί κίνησης ενεργοποιούν τις κουκίδες. Οι µηχανισµοί κίνησης τίθενται σε λειτουργία για να ενεργοποιήσουν τις κουκίδες ακριβώς πριν περιστραφούν στην περιοχή ανάγνωσης ώστε να υπάρχει η ελάχιστη καθυστέρηση µεταξύ της σύνταξης του Braille κειµένου και της ανάγνωσής του από το χρήστη. Η οθόνη παράγει την αίσθηση µιας απείρως µακριάς γραµµής Braille κειµένου που κινείται κάτω από τα δάχτυλα του χρήστη. Η µέγιστη ταχύτητα ανάγνωσης της οθόνης καθορίζεται από την ταχύτητα των σωληνοειδών. Εικόνα 18.1 : Braille στην επιφάνεια εργασίας του περιστρεφόµενου κυλίνδρου [59] 89

90 Εικόνα 18.2 : Η NIST οθόνη Braille περιστρεφόµενου κυλίνδρου [59] 18.2 Απόδοση Το πρότυπο εργασίας είναι ένας κύλινδρος µε διάµετρο 102mm µε 51 κελιά, 16 από τα οποία εκθέτονται κάθε στιγµή. Κάποιοι χρήστες που δοκίµασαν τη συσκευή είπαν πως θα προτιµούσαν ένα µεγαλύτερο κύλινδρο αλλά οι περισσότεροι είπαν πως η καµπυλότητα του παρόντος κυλίνδρου δεν προκαλεί προβλήµατα στην ανάγνωση. Μερικοί χρήστες δήλωσαν πως θα προτιµούσαν έναν κύλινδρο µε διάµετρο το µισό της τρέχουσας διαµέτρου ώστε να γίνει ακόµα πιο συµπαγής και φορητή η συσκευή. Εκατοντάδες Braille χρήστες έχουν δοκιµάσει το πρότυπο δεύτερης γενιάς [57] και πάνω από 95% των χρηστών µπόρεσαν να διαβάσουν την οθόνη ενώ ο κύλινδρος βρισκόταν σε κίνηση, κάτι που δίνει µια ισχυρή ένδειξη της αναγνωσιµότητας του κινούµενου κειµένου που παρουσιάζεται µε αυτό τον τρόπο. 19. HyperBraille Το HyperBraille παρέχει πρόσβαση στον παγκόσµιο ιστό (WWW) και παρουσιάζει αρχεία παράλληλα µέσω οθόνης Braille και οθόνης κειµένου. Ο κύριος σκοπός του συστήµατος HyperBraille είναι να βοηθήσει άτοµα µε προβλήµατα όρασης να συµµετέχουν ως πλήρως 90

91 ανταγωνιστικά µέλη στην τεχνολογία πληροφοριών της σηµερινής εποχής Περιγραφή Το πρώτο βήµα στην ανάπτυξη του συστήµατος ήταν η κατασκευή ενός WWW εξυπηρετητή [60]. Οι πληροφορίες παρουσιάζονται στο χρήστη µέσω ενός Braille πληκτρολογίου. Τα ακουστικά σήµατα χρησιµοποιούνται µόνο για προειδοποίηση. Το πληκτρολόγιο Braille παρέχει διάφορα πλήκτρα λειτουργιών ως µια επέκταση των κανονικών πληκτρολογίων. Η πιο σηµαντική του ιδιότητα είναι τα µικρά κουµπιά δροµολόγησης, ένα πάνω από κάθε στοιχείο εξόδου κάθε χαρακτήρα Braille (Εικόνα 19.1). Εικόνα 19.1 : Πληκτρολόγιο Braille µε κουµπιά δροµολόγησης [61] Τα pull down µενού επιτρέπουν στους αρχάριους χρήστες να χειρίζονται κάθε εφαρµογή όπως ο συντάκτης κειµένου ή τους WWW φυλλοµετρητές χωρίς γνώσεις για τις διάφορες συντοµεύσεις πλήκτρων. Η πραγµατοποίηση αυτών των µενού εξαρτάται από τη συσκευή εξόδου Braille και τα κουµπιά δροµολόγησης πάνω από κάθε στοιχείο εξόδου. Πιέζοντας το κατάλληλο κουµπί, το σύστηµα παρουσιάζει τα περιεχόµενα του pull down µενού σε µια µονή γραµµή στην οθόνη Braille (Εικόνα 19.2) όπου ο χρήστης µπορεί να επιλέξει κάθε στοιχείο πιέζοντας ένα από τα κουµπιά δροµολόγησης πάνω από τις λέξεις. Το HyperBraille περιέχει µεθόδους πλοήγησης στον παγκόσµιο ιστό, επικοινωνίας µέσω και σύνταξης HTML αρχείων [61]. Εικόνα 19.2 : Μέρος από το κύριο µενού του HyperBraille [61] 91

92 20. Selective stimulation device Στην αναφορά [62] περιγράφεται µια µέθοδος όπου διεγείρονται µηχανικά µόνο οι επιδερµικοί υποδοχείς. Το σύστηµα που χρησιµοποιεί αυτή τη µέθοδο αποτελείται από 4 µαγνητικές σπείρες που ενώνονται µε το χέρι σε µια γραµµή και ελέγχονται µε ακριβή δύναµη (Εικόνα 20.1). Η συσκευή που περιγράφεται εδώ προκαλεί πιο προχωρηµένη επιλεκτική διέγερση. Εικόνα 20.1 : Απτική οθόνη αισθήσεων που χρησιµοποιεί µαγνητικές σπείρες [62] 20.1 Η µέθοδος της επιλεκτικής διέγερσης Η συσκευή διέγερσης που χρησιµοποιείται παρουσιάζεται στην Εικόνα Μια συσκευή που παρέχει δόνηση έχει κοιλότητες µε διάµετρο 2mm και 0.5mm βάθος από την επιφάνεια. Η πίεση του αέρα µπορεί να ελεγχθεί ενώ δίνεται κάθετη δόνηση στη συνολική επιφάνεια. Η συσκευή προκαλεί δύο είδη διέγερσης στο δέρµα όπως φαίνεται στην Εικόνα

93 Εικόνα 20.2 : Σχηµατικό διάγραµµα της επιλεκτικής διέγερσης. Η πίεση του αέρα διεγείρει µόνο τους ρηχούς υποδοχείς ενώ η συνολική δόνηση διεγείρει και τους ρηχούς και τους βαθείς υποδοχείς [63] Εικόνα 20.3 : ύο είδη διέγερσης [63] Η συσκευή διέγερσης που βασίζεται στην πίεση του αέρα ονοµάζεται S-a. Μια άλλη συσκευή διέγερσης που χρησιµοποιείται στα πειράµατα έχει παρόµοια δοµή αλλά σε αυτή χρησιµοποιείται µια ακίδα διαµέτρου 0.5mm αντί για την πίεση του αέρα. Αυτή ονοµάζεται S-p [63]. Η πίεση του αέρα στο S-a ελέγχεται από ένα έµβολο µέσω ενός αγωγού (Εικόνα 20.4). Η σχέση µεταξύ της µετρούµενης πίεσης και της τάσης εισόδου υπολογίστηκε ως εξής: Input of 1 [V] 2.8 [kpa] = 28 [gf/cm 2 ] at 100 [Hz] Εικόνα : Οι δοµές των συσκευών επιφανειακής διέγερσης S-a (α) και S-p (β) [63] 93

94 20.2 Πειράµατα Πείραµα 1: Το πρώτο πείραµα είναι για να εξακριβωθεί η διαφορά µεταξύ της επιφανειακής διέγερσης και της απλής δόνησης. Το άτοµο αγγίζει τη συσκευή επιφανειακής διέγερσης S-p και µια συσκευή δόνησης ακίδας και απαντά αν υπάρχουν διαφορές µεταξύ τους. Όλα τα άτοµα απάντησαν ότι οι διεγέρσεις ήταν καθαρά διαφορετικές. Και στις δύο διεγέρσεις η πίεση εντοπίστηκε σε µια µικρή περιοχή του δέρµατος. Πείραµα 2: ύο είδη διέγερσης έχουν διαφορετικές κατανοµές τοπικής πίεσης µέσα σε κύκλο ακτίνας 1mm, αλλά η διέγερση επηρεάζει µόνο τους ρηχούς υποδοχείς και στις δύο περιπτώσεις. Αρχικά το άτοµο λαµβάνει τη διέγερση από τις συσκευές S-a και S-p επιτυχώς και αποστηθίζει τις αισθήσεις. Μετά για µια τυχαία επιλεγόµενη διέγερση µεταξύ S-a και S-p απαντά ποια χρησιµοποιήθηκε. Τα τεστ έγιναν είκοσι φορές για κάθε άτοµο και καταγράφηκε ο ρυθµός των σωστών απαντήσεων. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι ο χρήστης µπορούσε να βρει κάποιες διαφορές µεταξύ των δύο διεγέρσεων αλλά ήταν παρόµοιες και έτσι οι απαντήσεις των συµµετεχόντων είχαν απόκλιση 30%. Πείραµα 3: Όταν διάφορες επιφανειακές διεγέρσεις καθοδηγούνται από αρκετά σήµατα, η αίσθηση που δηµιουργείται είναι σαν κάτι να ολισθαίνει στο δέρµα. Σε αυτό το πείραµα εξετάστηκε η σχέση µεταξύ αντίληψης και του οδηγούµενου σήµατος. Το πείραµα επιβεβαίωσε ότι οι αραιά κατανεµηµένοι µηχανισµοί διέγερσης µπορούν να παρουσιάσουν µια λεπτή εικονική υφή. Εκτενής ανάλυση των αποτελεσµάτων των πειραµάτων γίνεται στην [63]. 21. Αλληλεπιδραστικό σύστηµα απτικής οθόνης Το αλληλεπιδραστικό σύστηµα αναπτύχθηκε ώστε τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης να µπορούν να αναγνωρίζουν τρισδιάστατα αντικείµενα. Η οθόνη παρουσιάζει οπτικά σχέδια από απτικές ακίδες ορισµένα σε δυσδιάστατη µορφή. Το ύψος κάθε ακίδας µπορεί να ρυθµιστεί σε διάφορα επίπεδα ώστε να αυξηθούν οι πληροφορίες αφής και να παρουσιαστεί ένα τρισδιάστατο σχήµα. 94

95 Το αλληλεπιδραστικό σύστηµα αποτελείται από τα εξής µέρη: είσοδος, επεξεργασία εικόνας, µετάφραση, απτική οθόνη και έξοδος της οπτικής πληροφορίας (Εικόνα 21.1). Το µέρος της εισόδου είναι ένα οπτικό σύστηµα από το οποίο αποκτάται µια ποικιλία τρισδιάστατων δεδοµένων χωρίς την αφή. Στο µέρος της µετάφρασης τα δεδοµένα µετατρέπονται σε απτικά ή ακουστικά δεδοµένα. Το µέρος της εξόδου αποτελείται από µια απτική οθόνη και από ένα 3D ακουστικό σύστηµα. Μια συνολική άποψη του συστήµατος παρουσιάζεται στην Εικόνα Εικόνα 21.1 : ιάγραµµα του συστήµατος [64] Εικόνα 21.2 : Το αλληλεπιδραστικό σύστηµα [64] 21.1 Υλικό Stereo camera: Το σύστηµα [65] αποτελείται από δύο κάµερες που ελέγχονται από έναν προσωπικό υπολογιστή. 95

96 Απτική οθόνη: Η απτική οθόνη [64],[66] (Εικόνα 21.3) αναπαριστά οπτικά σχέδια µέσω απτικών ακίδων ορισµένων σε ένα πλέγµα δύο διαστάσεων. Το ύψος κάθε ακίδας µπορεί να ρυθµιστεί σε διάφορα επίπεδα ώστε να αυξηθούν οι πληροφορίες αφής και να παρουσιαστεί ένα τρισδιάστατο σχήµα. Επίσης η οθόνη διαθέτει τρία κουµπιά για την επιλογή του τρόπου παρουσίασης. Οι προδιαγραφές της απτικής οθόνης είναι : διάταξη των ακίδων: 16 x 16 ακίδες, περιοχή των ακίδων: 175mm x 175mm, διάµετρος ακίδας: 5mm, απόσταση µεταξύ των ακίδων: 10mm, ύψος ακίδας: 0-6mm, αισθητήρας: tact switch, µέγεθος: 550(W) x 530(L) x 195(H) mm, βάρος: 28kg. Συνθέτης φωνής: Ο συνθέτης φωνής [64],[66] είναι µια ακόµα συσκευή εξόδου, που χρησιµοποιείται για να προσθέτει περισσότερες πληροφορίες στο σύστηµα απτικής οθόνης και για να αναφέρει τα αποτελέσµατα της αναγνώρισης. Stereo vision: Χρησιµοποιήθηκε ένα stereo vision σύστηµα [66] για να λαµβάνονται τα τρισδιάστατα δεδοµένα από τα αντικείµενα που παρατηρούνται. Αλληλεπιδραστική ιεπαφή: Αφού η ανάλυση της απτικής οθόνης (16 x 16 ακίδες) δεν είναι αρκετή για να αναπαριστά πολλές πληροφορίες την ίδια στιγµή, αναπτύχθηκε ένας τρόπος παρουσίασης πολλών επιπέδων (Εικόνα 21.4) που αποτελείται από: τη µέθοδο θέσης, τη µέθοδο σχήµατος ορίου και τη µέθοδο σχήµατος επιφάνειας. Στη µέθοδο θέσης, ο χρήστης µπορεί να αναγνωρίσει τη σχετική θέση κάθε αντικειµένου δείχνοντας τη θέση του αντικειµένου µε µια ακίδα. Πιέζοντας το πλήκτρο του οδηγού φωνής ο χρήστης µπορεί να ακούσει µια επεξήγηση για τον αριθµό των αντικειµένων. Μια ακουστική επεξήγηση, µπορεί να δώσει το όνοµα του αντικειµένου πιέζοντας την αντίστοιχη ακίδα. Πιέζοντας το πλήκτρο επιλογής ο χρήστης µπορεί να αλλάξει τη µέθοδο στη µέθοδο σχήµατος ορίου ή στη µέθοδο σχήµατος επιφάνειας και να µάθει το σχήµα του αντικειµένου. Στη µέθοδο σχήµατος ορίου µπορεί να αισθανθεί το σχήµα του πλαισίου ενώ στη µέθοδο σχήµατος επιφάνειας µπορεί να εξετάσει την κοίλη ή κυρτή επιφάνεια. 96

97 Εικόνα 21.3 :Απτική οθόνη [64] Εικόνα 21.4 : Αλληλεπιδραστική διεπαφή [64] 21.2 Πειράµατα Πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα απόδοσης [64] για τις προδιαγραφές της 3D απτικής οθόνης και για την αλληλεπιδραστική διεπαφή. Οι συµµετέχοντες ήταν δύο άτοµα µε προβλήµατα όρασης που συνήθως χρησιµοποιούσαν απτικό χαρτί και τρία άτοµα που χρησιµοποιούσαν κάτι άλλο. Τα πρώτα δύο άτοµα ήταν ένα άτοµο χωρίς όραση και ένα άτοµο µε περιορισµένη όραση ενώ τα υπόλοιπα τρία άτοµα είχαν µειωµένη όραση αλλά αρκετή για να βλέπουν καλά. 97

98 22. Virtual Touch System (VTS), Virtual Touch Mouse (VTM) Το Virtual Touch System (VTS) παρέχει στα άτοµα µε προβλήµατα όρασης απτική πρόσβαση µέσω άµεσης ανάδρασης από την οθόνη του υπολογιστή. Το VTS δίνει στο χρήστη τη δυνατότητα να αναγνωρίζει γραφικά µέσω της αφής. Η χρήση του VTS βοηθά στη σχεδίαση συµβόλων, εικόνων και γραφικών Hardware Το VTS [67] είναι µια µοναδική ενοποίηση των λειτουργιών του ποντικιού και της οθόνης ενός κανονικού υπολογιστή σε µια συσκευή (VirTouch Mouse) (Εικόνα 22.1) [68]. Το VirTouch Mouse είναι ένα ειδικό ποντίκι σάρωσης οθόνης που περιέχει τρεις απτικές οθόνες, η κάθε µια περιέχει 32 στρογγυλευµένες ακίδες ορισµένες σε µια 4 x 8 συστοιχία (Εικόνα 22.2). Αυτές οι ακίδες αποκρίνονται κάθετα µέσω του κέρσορα στα γραφικά του υπολογιστή. Χρησιµοποιώντας τρία δάχτυλα, τα άτοµα µε προβλήµατα όρασης µπορούν να αντιληφθούν την καµπυλότητα και την απόχρωση των σαρωµένων στοιχείων της οθόνης που παρουσιάζονται µέσω του ύψους των ακίδων. Κάθε ακίδα µπορεί να κινείται πάνω-κάτω σε διάφορα επίπεδα ύψους παρουσιάζοντας τέσσερις αποχρώσεις: λευκό, ανοιχτό γκρι, σκούρο γκρι και µαύρο. Το VirTouch Mouse έχει έξι κουµπιά πάνω και πλάγια στην VTS συσκευή που παρέχουν αλληλεπίδραση του χρήστη µε τον υπολογιστή µέσω της πλοήγησης της οθόνης, την αποστολή σχολίων και την αλλαγή των ρυθµίσεων της οθόνης. Το VirTouch Mouse είναι φορητό και µπορεί εύκολα να µεταφερθεί από ένα σταθµό εργασίας σε άλλο Software To VTS λογισµικό παρέχει πρόσβαση σε ένα καθορισµένο αλφάβητο βασισµένο στη στοίχιση των ακίδων- ένα σύνολο σχεδίων εύκολα στην ανάγνωση και στην κατανόηση σε σχέση µε τη µέθοδο Braille. Ο µοναδικός συνδυασµός του VTS υλικού και εκπαιδευτικού λογισµικού επιτρέπει στους χρήστες να εκπαιδεύονται µόνοι τους σε θέµατα που απαιτούν εκπαιδευτή [69]. 98

99 Εικόνα 22.1 : VirTouch Mouse [67] Εικόνα 22.2 : Οι πίνακες των ακίδων του VirTouch Mouse [70] 23. The Moose Το Moose είναι µια απτική διεπαφή µε στόχο να παρέχει πρόσβαση σε άτοµα µε προβλήµατα όρασης που είναι χρήστες υπολογιστή σε γραφικές διεπαφές χρήστη. Το Moose λειτουργεί περισσότερο ως ποντίκι. 99

100 23.1 Η πρότυπη διεπαφή Το Moose είναι βασικά ένα ισχυρό ποντίκι που δίνει στο χρήστη την δυνατότητα να αισθάνεται τα αντικείµενα της οθόνης κάτω από τον κέρσορα του ποντικιού. Αυτό το ποντίκι χρησιµοποιείται για να πλοηγηθεί ο χρήστης στην οθόνη σαν ένα κανονικό ποντίκι αλλά µε ανακλώµενες δυνάµεις (που παράγονται από τις µηχανές του) πίσω στο χρήστη, και παρουσιάζει µια απτική αναπαράσταση των συµβόλων της οθόνης. Με άλλα λόγια όταν το puck (συσκευή σε σχήµα ποντικιού που διαθέτει νηµατόσταυρο και χρησιµεύει στην αντιγραφή σχεδίων από το χαρτί στον υπολογιστή) του Moose κινείται, ο κέρσορας του ποντικιού κινείται. Αν ο κέρσορας πρέπει να ευθυγραµµιστεί µε ένα εικονίδιο, µια απτική αναπαράσταση αυτού του εικονιδίου παρουσιάζεται από το Moose, την οποία µπορεί να εξερευνήσει και να αισθανθεί ο χρήστης. Όταν ένα επιθυµητό εικονίδιο βρεθεί, µπορεί να επιλεχθεί χρησιµοποιώντας ένα τυπικό κουµπί ποντικιού που βρίσκεται πάνω στο Moose puck. Έτσι κάποιος µπορεί να εξερευνήσει µια οθόνη, να εξερευνήσει «κουµπιά» από µενού και να επιλέξει άλλες οθόνες οι οποίες θα σχεδιαστούν και θα παρουσιαστούν απτικά. Για το κείµενο που υπάρχει στην οθόνη έχουν γίνει πειράµατα για την ενσωµάτωση συνθετικής φωνής στη διεπαφή [71] Hardware Η Εικόνα 23.1 παρουσιάζει τα εξαρτήµατα της απτικής συσκευής Moose. Το puck κάτω από το χέρι του χρήστη συνδέεται µε δύο γραµµικούς µηχανισµούς σπειρών φωνής. Ο χώρος εργασίας καλύπτει ένα τετράγωνο πλευράς 3cm ενώ το µήκος της συσκευής είναι 33cm και το ύψος 5cm. Η µέγιστη δύναµη εξόδου είναι περίπου 6 Newton. Μια απλή ψηφιακή κάρτα εισόδου/εξόδου παρέχει σειριακή επικοινωνία PC-κανάλι µε 12-bit DACs και τέσσερεις µετρητές. Ένας γραµµικός κωδικοποιητής θέσης, 150 γραµµές ανά ίντσα, διαβάζει τη θέση κάθε µηχανής ενώ το κύκλωµα µέτρησης διατηρεί την τελευταία δυαδική αναπαράσταση της θέσης. Ένας συνθέτης φωνής που συνδέεται µέσω της σειριακής θύρας είναι υπεύθυνος για το κείµενο εξόδου. Μελλοντικές εµπλουτίσεις [71] του υλικού θα συµπεριλάβουν τα ακόλουθα: 1) µια οθόνη Braille που θα πάρει τη θέση του συνθέτη φωνής στο κείµενο εξόδου, 2) χρήση των 100

101 κελιών Braille για την «οθόνη σχήµατος», 3) χρήση ενός µικρού πηνίου φωνής για δόνηση. Εικόνα 23.1 : Άποψη του Moose [71] 24. FeelMouse Το FeelMouse είναι µια συσκευή εισόδου µε ανάδραση δύναµης. Με την ανάδραση δύναµης ο χρήστης µπορεί να αντιληφθεί τα χαρακτηριστικά ενός αντικειµένου όπως είναι η δοµή της επιφάνειας του και η σκληρότητά του. Οι µηχανισµοί δύναµης προσαρτώνται σε ένα ποντίκι µε δύο πλήκτρα. Το χαρακτηριστικό της αίσθησης ενός αντικειµένου δίνεται µέσω των τιµών µιας παραµέτρου αίσθησης. Η τιµή της παραµέτρου αίσθησης καθορίζει τη συµπεριφορά του πλήκτρου του ποντικιού σε δύο κατευθύνσεις. Αρχικά το πλήκτρο του ποντικιού προεξέχει περισσότερο ή λιγότερο δίνοντας έτσι στο χρήστη µια τρισδιάστατη εντύπωση των εικονοστοιχείων της οθόνης. Ο χρήστης κατά τη διάρκεια της µετακίνησης του δακτύλου του πάνω στην οθόνη µπορεί να αισθανθεί τις διαφορές στο ύψος του πλήκτρου του ποντικιού. Στη δεύτερη διάσταση η τιµή της παραµέτρου αίσθησης ελέγχει τη δύναµη που είναι αναγκαία για να πατηθεί το πλήκτρο, δίνοντας στο χρήστη την αίσθηση ότι πιέζει σε µαλακά ή σκληρά σηµεία Κατασκευή του FeelMouse Όταν το FeelMouse κινείται, ο χρήστης λαµβάνει οπτική ανάδραση από το δείκτη του ποντικιού που κινείται στην οθόνη και ανάδραση δύναµης από το πλήκτρο του ποντικιού. Μια εφαρµογή στέλνει 101

102 διαφορετικές τιµές τάσης στο µαγνήτη που βρίσκεται στο πλήκτρο του ποντικιού που εξαρτώνται από την ακριβή θέση του ποντικιού. Η τιµή της παραµέτρου αίσθησης ελέγχει την τάση που παρέχεται για να ενεργοποιήσει το µαγνήτη [72]. 25. Optacon Το Optacon [73] (OPtical-to- TActile CONversion) ανήκει στην κατηγορία των συσκευών που χρησιµοποιούν απτικές συστοιχίες διέγερσης για να αναπαραστήσουν την οπτική πληροφορία. Το Optacon είναι µια ηλεκτρονική συσκευή που συνδέεται µε µια µικρή κάµερα χειρός που αποτελείται από µια συστοιχία από φωτοκύτταρα (πλάτος 6 στήλες και ύψος 24 γραµµές). Η κυρίως ηλεκτρονική µονάδα είναι µια απτική οθόνη που αποτελείται από µια 6 x 24 συστοιχία ακίδων (Εικόνα 25.1). Ο χρήστης του Optacon µετακινεί την κάµερα πάνω σε έντυπο υλικό και όταν ένα φωτοκύτταρο ανιχνεύσει µια «µαύρη» γραµµή, η εικόνα κάτω από το φακό µεταφέρεται στην ηλεκτρονική µονάδα και δονεί τις αντίστοιχες ακίδες. ηλαδή η συστοιχία των ακίδων αναπαράγει την εικόνα που «βλέπει» η κάµερα, ως ένα «ασπρόµαυρο» σχέδιο. Η ταχύτητα ανάγνωσης κυµαίνεται από 10 έως 100 wpm ανάλογα µε το άτοµο, την εµπειρία και εξάσκησή του, µε τυπικό ρυθµό 50 wpm [74]. Η νέα έκδοση του Optacon ονοµάζεται Optacon ΙΙ και παρουσιάζεται στην Εικόνα Εικόνα 25.1 : Το Optacon [73] 102

103 Εικόνα 25.2 : Το Optacon II [49] 26. TouchEngine Ο TouchEngine είναι ένας µικρός, χαµηλής έντασης µηχανισµός ανάδρασης ο οποίος σχεδιάστηκε ειδικά για κινητές διεπαφές (Εικόνα 26.1). Η TouchEngine οθόνη µπορεί να παράγει µια ποικιλία απτικών αισθήσεων. Χρησιµοποιώντας την αφή ως υπόβαθρο της αλληλεπίδρασης, δηµιουργήθηκαν ήδη καλύτερες διεπαφές για κινητές συσκευές και για υπολογιστές χειρός. Εικόνα 26.1 : TouchEngine µηχανισµός κίνησης: ένας νέος µηχανισµός ανάδρασης για το σχεδιασµό απτικών διεπαφών για συσκευές χειρός: έχει πάχος µόλις 0,5mm [75] 26.1 Μηχανισµός ανάδρασης TouchEngine Ο µηχανισµός ανάδρασης TouchEngine είναι µια διστρωµατική κατασκευή από λεπτή (~0.28µm) πιεζοκεραµική µεµβράνη µε ενδιάµεσα ηλεκτρόδια δηµιουργώντας ένα λεπτό στρώµα (Εικόνα 26.1). Το πιεζοκεραµικό υλικό συστέλλεται ή διαστέλλεται ανάλογα µε την πολικότητα της εφαρµοζόµενης τάσης. Το υλικό που βρίσκεται στην 103

104 πάνω επιφάνεια έχει αντίθετη πολικότητα από αυτό στην κάτω, έτσι όταν εφαρµόζεται µια τάση όλη η δοµή λυγίζει (Εικόνα 26.2). Αυτός ο σχηµατισµός συχνά καλείται «µηχανισµός κύρτωσης». Αυτοί οι µηχανισµοί σε παλιότερες απτικές οθόνες που χρησιµοποιούταν, είχαν µόνο δύο επίπεδα και απαιτούσαν υψηλή τάση κάτι που τους έκανε ακατάλληλους για κινητές συσκευές. Αλλά ενσωµατώνοντας πολλά επίπεδα σε ένα µικρό πιεζοκεραµικό στρώµα η τάση µειώνεται στα ±8-10V [75]. Εικόνα 26.2 : Ο µηχανισµός κύρτωσης. Το πάνω µέρος συστέλλεται και το κάτω διαστέλλεται λυγίζοντας όλο το µηχανισµό [75] 26.2 Οθόνη TouchEngine ύο στρατηγικές έχουν υλοποιηθεί για τη χρήση του µηχανισµού κύρτωσης [75]: Άµεση απτική οθόνη: Ο µηχανισµός ανάδρασης κινεί ένα µέρος της συσκευής, για παράδειγµα ένα πλήκτρο ή όλη την PDA οθόνη. Ο βασικός µηχανισµός αλληλεπίδρασης είναι η άµεση αφή: όταν ο χρήστης αγγίζει ένα τµήµα της συσκευής στο οποίο υπάρχει αυξηµένη απτική ανάδραση, η απτική αίσθηση γίνεται αντιληπτή. Έµµεση απτική οθόνη: Η έννοια αυτή µπορεί να γίνει αντιληπτή µε το παρακάτω παράδειγµα: Όταν κάποιος χτυπήσει ένα καρφί µε ένα σφυρί, η δύναµη δεν µεταδίδεται άµεσα στο χέρι, αλλά αισθάνεται το αποτέλεσµα της κρούσης µέσω της λαβής του σφυριού. Για να επιτευχθεί ένα παρόµοιο αποτέλεσµα ο µηχανισµός ανάδρασης τοποθετείται οπουδήποτε µέσα στη συσκευή (Εικόνα 26.3). Η δύναµη δηµιουργείται από το νόµο διατήρησης της ορµής (Σε ένα αποµονωµένο σύστηµα στο οποίο δεν εφαρµόζεται εξωτερική δύναµη, η συνολική ορµή είναι µηδέν). 104

105 Έτσι όταν ο µηχανισµός λυγίζει η µάζα κινείται προς τα πάνω ή προς τα κάτω µε ορµή p a και όλη η συσκευή κινείται µε ίση ορµή p d προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η δύναµη που αισθάνεται ο χρήστης είναι η πρώτη παράγωγος της ορµής ως προς το χρόνο, έτσι ώστε µεγαλύτερη επιτάχυνση έχει ως αποτέλεσµα µεγαλύτερη δύναµη. Εικόνα 26.3 : Έµµεση απτική οθόνη [75] 26.3 Απτική ανάδραση για µικρές οθόνες αφής Τέσσερεις TouchEngine µηχανισµοί κίνησης ενσωµατώθηκαν στην οθόνη αφής της συσκευής PDA Sony Clié (Εικόνα 26.4). Οι µηχανισµοί τοποθετήθηκαν στις γωνίες της οθόνης αφής µεταξύ της TFT οθόνης και της γυάλινης επιφάνειας που είναι ευαίσθητη στην αφή. Η γυάλινη επιφάνεια είναι µεγαλύτερη από την οθόνη και οι µηχανισµοί δεν είναι ορατοί. Τα χαρακτηριστικά της σχεδίασης είναι : Ενεργοποίηση της οθόνης αφής : Όταν εφαρµόζεται µια τάση, οι µηχανισµοί κίνησης λυγίζουν γρήγορα πιέζοντας τη γυάλινη επιφάνεια προς τα δάχτυλα του χρήστη (Εικόνα 26.4) [76]. Περιορισµένη απτική ανάδραση: Η δόνηση της οθόνης αφής παράγει απτικές αισθήσεις µόνο στο δάχτυλο που την πιέζει και όχι σε όλο το χέρι που κρατάει τη συσκευή. Μικρή υψηλής ταχύτητας µετατόπιση : Αν και η µετατόπιση των µηχανισµών κίνησης είναι µικρή (0.05mm), η γρήγορη επιτάχυνση τους παράγει µια πολύ ισχυρή απτική αίσθηση [77]. Αθόρυβη λειτουργία : Ο µεγάλος θόρυβος µαταιώνει το σκοπό της λειτουργίας της απτικής οθόνης. Αξιοπιστία : Λυγίζοντας τους κεραµικούς µηχανισµούς ανάδρασης πάνω από 0.1mm πιέζοντας τη γυάλινη επιφάνεια, µπορεί να τους καταστρέψει. Για το λόγο αυτό τοποθετείται ένας αναστολέας κάµψης κάτω από τους µηχανισµούς κίνησης (Εικόνα 26.4). 105

106 Η αλληλεπίδραση µε τις οθόνες αφής ουσιαστικά βασίζεται στην πίεση που ασκείται από τα δάχτυλα. Η αλληλεπίδραση αρχίζει όταν ένας χρήστης αγγίζει την οθόνη µε το δάχτυλο του (ή µε ένα στυλό) και τελειώνει όταν αποµακρύνει το δάχτυλό του από την οθόνη. Η χρήση της πίεσης στην οθόνη βρίσκει εφαρµογές σε πολλές φορητές συσκευές [78],[79]. Εικόνα 26.4 : Απτική οθόνη για µικρές οθόνες αφής [80] 27. PHANToM Το PHANToM είναι µια συσκευή που µετράει την ακριβή θέση του άκρου του δακτύλου του χρήστη και του ασκεί µια πολύ ελεγχόµενη δύναµη. Οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα να αισθάνονται εικονικά αντικείµενα αφού τους δηµιουργείται η ψευδαίσθηση ότι αγγίζουν ένα πραγµατικό φυσικό αντικείµενο Υλικό Το PHANToM είναι µια ηλεκτροµηχανική επιτραπέζια συσκευή που συνδέεται µε τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. To PHANToM έχει µια γραφίδα (stylus) ή µια δαχτυλήθρα, τα οποία µπορούν να αντικατασταθούν ανάλογα µε την εφαρµογή. Ο χρήστης εισάγει το δάχτυλό του µέσα στη δαχτυλήθρα ή κρατά µια γραφίδα που υποστηρίζεται από ένα µηχανικό βραχίονα. Η δαχτυλήθρα ή η γραφίδα θα ανιχνεύσουν τις κινήσεις και τη θέση του δακτύλου του χρήστη ασκώντας κάποια δύναµη (Εικόνα 27.1). Το PHANToM ελέγχεται από τρεις DC µηχανισµούς που έχουν ενσωµατωµένους αισθητήρες και κωδικοποιητές. Οι κωδικοποιητές ανιχνεύουν την κίνηση ή τη θέση του χρήστη στις x, y, z συντεταγµένες 106

107 και οι µηχανισµοί ελέγχουν τις δυνάµεις που ασκούνται στο χρήστη κατά µήκος των τριών αξόνων. Από τους µηχανισµούς εξέρχεται ένα καλώδιο που ενώνεται σε ένα σύνδεσµο από αλουµίνιο ο οποίος συνδέεται µε ένα παθητικό στήριγµα στο οποίο ενώνεται η δαχτυλήθρα ή η γραφίδα [81], [82]. Το PHANToM σχεδιάστηκε λαµβάνοντας υπόψη πρώτα από όλα την κίνηση του δακτύλου του χρήστη και τη δύναµη που ασκεί η δαχτυλήθρα ή η γραφίδα. Το PHANToM πρέπει να µπορεί να µεταφράζει τις πληροφορίες δύναµης και κίνησης του χεριού σε κιναισθητική πληροφορία που µεταδίδεται στον εγκέφαλο. Πρέπει να µπορεί να προσδιορίζει πως κινούνται τα αντικείµενα όταν επιδρά δύναµη και να προσδιορίζει επίσης την υφή του αντικειµένου. Το PHANToM σχεδιάστηκε µε τρεις βαθµούς ελευθερίας επειδή δηµιουργείται πολύ µικρή ροπή µε τη δαχτυλήθρα ή µε τη γραφίδα. Οι βαθµοί ελευθερίας είναι οι κατευθύνσεις που µπορεί να κινηθεί ο χρήστης. Για παράδειγµα για να αγγίξει ένας χρήστης όλες τις πλευρές ενός εικονικού τρισδιάστατου αντικειµένου απαιτούνται τρεις βαθµοί ελευθερίας. Ενώ αν θέλει να περιστρέψει κάποιο αντικείµενο απαιτούνται άλλοι τρεις βαθµοί ελευθερίας. Για την επίτευξη ενός ισορροπηµένου και αποτελεσµατικού συστήµατος πρέπει να ικανοποιούνται τρία κριτήρια [81]: 1. Ο χρήστης του PHANToM πρέπει να αισθάνεται ελεύθερος στον εικονικό χώρο. εν πρέπει να υπάρχουν εξωτερικές δυνάµεις και πρέπει να υπάρχει µικρή αδράνεια και µικρή τριβή. Η τριβή στο PHANToM είναι λιγότερη από 0.1 Newton. 2. Τα εικονικά αντικείµενα πρέπει να γίνονται αντιληπτά ως άκαµπτα αντικείµενα. 3. Οι εικονικοί τοίχοι πρέπει να είναι συµπαγείς και ακίνητοι ως προς το χρήστη. Αυτό σηµαίνει πως η δύναµη που ασκείται από το χρήστη πρέπει να εξισορροπείται από το PHANToM. Από µετρήσεις η µέγιστη δύναµη που µπορεί να ασκήσει ο χρήστης είναι 10 Newton και τόση έχει ορισθεί και η δύναµη του συστήµατος. 107

108 Εικόνα 27.1 : Η απτική συσκευή PHANToM σε χρήση [83] 27.2 Πειράµατα Αρχικά όλοι οι συµµετέχοντες βρήκαν το PHANToM άµεσο και εύκολο στη χρήση. Εντούτοις οι συµµετέχοντες µετά από αρκετή ώρα χρήσης της συσκευής είχαν δυσκολίες στο να χρησιµοποιούν το PHANToM σε συνδυασµό µε το πληκτρολόγιο και το ποντίκι. Οι συµµετέχοντες και εξέφρασαν παράπονα για κούραση των καρπών. Τα αποτελέσµατα [83] έδειξαν πως το PHANToM χρειάζεται περισσότερη έρευνα ώστε να γίνει ποιο εργονοµικός ο σχεδιασµός του. Χρειάζεται ένα σύστηµα υποστήριξης χεριού/καρπού ώστε οι χρήστες να µην κουράζονται γρήγορα. Είναι επίσης ανάγκη να βελτιωθούν οι λειτουργίες του µε βάση τις άλλες συσκευές εισόδου (για παράδειγµα το πληκτρολόγιο και το ποντίκι). Ωστόσο το ποντίκι παρέχει ακριβέστερο έλεγχο σε κάποιες λειτουργίες (περιστροφή, ζουµ) ενώ το πληκτρολόγιο χρησιµεύει για την είσοδο δεδοµένων. Επειδή οι χρήστες έπρεπε να χρησιµοποιήσουν και τις τρεις περιφερειακές συσκευές (ποντίκι, πληκτρολόγιο, PHANToM) ήταν δύσκολο να βρουν τον πιο άνετο τρόπο να τις χειριστούν. Κάποιοι συµµετέχοντες προτίµησαν να χειρίζονται το ποντίκι και το PHANToM µε το ίδιο χέρι και να αλλάζουν χέρι όταν είναι απαραίτητο. Κάποια παραδείγµατα παρουσιάζονται στην Εικόνα

109 Εικόνα 27.2 : Οι συµµετέχοντες είχαν δυσκολία να χειρίζονται το ποντίκι και το PHANToM την ίδια στιγµή [83] 27.3 Εφαρµογές Ένα από τα πλεονεκτήµατα του PHANToM είναι το µεγάλο εύρος των εφαρµογών του. Χρησιµοποιείται σε συστήµατα αναπαράστασης γράφων [84], σε συστήµατα ανάδρασης δύναµης [85], σε διεπαφές εικονικής πραγµατικότητας για άτοµα µε προβλήµατα όρασης [86] και σε συστήµατα αναπαράστασης εικονικών δοµών [87]. Οι SensAble Technologies [88] που το κατασκευάζουν έχουν πουλήσει πάνω από 500 συσκευές σε µεγάλες εταιρείες. Στην Εικόνα 27.3 παρουσιάζεται το PHANToM των SensAble Technologies. Εικόνα 27.3 : Συσκευή PHANToM των SensAble Technologies [88] 109

110 28. Rutgers Master II 28.1 Περιγραφή Η δεύτερη γενιά Rutgers Master (RM-II) είναι µια βελτιωµένη σχεδίαση της Rutgers Portable Force Feedback Master I. Η RM-II φοριέται στο χέρι του χρήστη ως γάντι. Η κύρια δοµή αποτελείται από µια µικρή βάση σε σχήµα L στην οποία τοποθετούνται τέσσερεις ειδικά φτιαγµένοι κύλινδροι. Οι κύλινδροι αυτοί είναι οι µηχανισµοί κίνησης και ανάδρασης δύναµης και λειτουργούν µε αέρα κατασκευασµένοι από Pyrex γυαλί µε εσωτερική διάµετρο 5mm. Οι κύλινδροι προστατεύονται από ένα εξωτερικό στρώµα άνθρακα. Το κινούµενο έµβολο έχει κατασκευαστεί από πλαστικό Lexan που µειώνει τις δυνάµεις τριβής για να βελτιώσει τον έλεγχο ανάδρασης. Η πίεση στο θάλαµο του κυλίνδρου προσδιορίζει τη δύναµη που παρέχεται από το έµβολο απευθείας στο άκρο του δακτύλου. Το πάνω µέρος του άξονα του κάθε κυλίνδρου συνδέεται µε το άκρο του δακτύλου που αντιστοιχεί. Η σύνδεση µεταξύ του άξονα και του άκρου του δακτύλου διεκπαιρεώνεται µε µια δοµή σε σχήµα «Υ». Η βάση συνδέεται µε το γάντι µε µια Velcro ζώνη που επιτρέπει ρυθµίσεις για διαφορετικούς χρήστες. Ένα απλό, λεπτό, δερµάτινο γάντι χρησιµοποιείται ως δοµή υποστήριξης για το σύστηµα. Το πρότυπο του RM-II παρουσιάζεται στην Εικόνα Κάθε κύλινδρος συνδέεται µε τη βάση µε δυο βαθµούς ελευθερίας. Η γραµµική µετατόπιση d του άξονα του κυλίνδρου µετριέται από έναν αισθητήρα που χρησιµοποιεί ένα ζεύγος IR LED- τρανζίστορ. Το ζεύγος των αισθητήρων τοποθετείται οµοαξονικά µέσα στον κύλινδρο. Το τρανζίστορ είναι στερεωµένο στο κάτω µέρος των κυλίνδρων ενώ η LED είναι ενσωµατωµένη στο έµβολο. Ένας Polhemus αισθητήρας που βρίσκεται στο πάνω µέρος του χεριού χρησιµοποιείται για να προσδιορίσει τη θέση και τον προσανατολισµό του καρπού (Εικόνα 28.2). Το RM-II έχει 22 βαθµούς ελευθερίας [89]. 110

111 Εικόνα 28.1 : Το πρότυπο Rutgers Master II [89] Εικόνα 28.2 : Το Rutgers Master II [90],[91] 28.2 Πειράµατα Οχτώ οµάδες των οχτώ ατόµων (32 άντρες και 32 γυναίκες) συµµετείχαν στο πείραµα. Τα τέσσερα πρώτα άτοµα της κάθε οµάδας είχαν µια κίτρινη εικονική µπάλα (αρκετά άκαµπτη) και τα άλλα τέσσερα άτοµα είχαν µια κόκκινη µπάλα (λιγότερο άκαµπτη). Όλες οι οµάδες εκτέλεσαν το πείραµα χρησιµοποιώντας το RM-II και µια στερεοσκοπική οθόνη (Εικόνα 28.3). 111

112 Στα άτοµα δόθηκαν οδηγίες ότι πρέπει να φτάσουν και να πάρουν την εικονική µπάλα (κίτρινη ή κόκκινη) στη θέση «Α», µετά να την µετακινήσουν στην «Γ» µέσω της θέσης «Β» (Εικόνα 28.3). Έπρεπε να εφαρµόσουν ένα σταθερό ποσοστό παραµόρφωσης (10% της ακτίνας της σφαίρας) και να κρατήσουν κάθετη την προβολή της µπάλας. Η εργασία έπρεπε να ολοκληρωθεί σε λιγότερο από 15 δευτερόλεπτα, ωστόσο ειπώθηκε στα άτοµα πως το πιο σηµαντικό ήταν να ελέγξουν το ποσό της παραµόρφωσης. Τα άτοµα κάθισαν ώστε η απόστασή τους από την οθόνη να είναι 60cm. Το RM-II τοποθετήθηκε στο δεξί τους χέρι και φόρεσαν στερεογυαλιά. Τα άτοµα εκτέλεσαν επιτυχώς το πείραµα σε 10 προσπάθειες µε 15 δευτερόλεπτα διάλειµµα ανάµεσά τους. Περισσότερη ανάλυση των πειραµατικών δεδοµένων γίνεται στην [90]. Εικόνα 28.3 : Σχέδιο πειραµατικού συστήµατος [90] 29. Electrorheological fluid tactile display Οι Electrorheological απτικές οθόνες [92], [93] είναι µηχανικές συσκευές που λειτουργούν µε ER υγρό. Στο πανεπιστήµιο Hull της Μεγάλης Βρετανίας, ερευνητές δηµιούργησαν µια 5 x 5 απτική διεπαφή που βασίζεται σε ER (electrorheological) υγρά για εφαρµογές σε εικονικά περιβάλλοντα [94]. 112

113 29.1 Περιγραφή του Electrorheological (ER) υγρού Ένα ER υγρό ορίζεται [95] ως ένα αιώρηµα διηλεκτρικού στερεού ή µορίων πολυµερών σε µονωτικό υγρό, το οποίο σε κανονικές συνθήκες συµπεριφέρεται σαν ρευστό. Με εφαρµογή ηλεκτρικού πεδίου το υγρό έχει την ικανότητα να µετασχηµατίζεται από την υγρή στη στερεά κατάσταση σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Στο σχεδιασµό ER απτικών οθονών εξερευνάται το όριο της ελαστικότητας του υλικού. Το όριο αυτό αλλάζει µε την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου που εφαρµόζεται, και αυτό δίνει τη δυνατότητα προσοµοίωσης διαφόρων αντιστάσεων και άρα και διαφόρων απτικών δυνάµεων Περιγραφή απτικής οθόνης Η πρότυπη απτική οθόνη που παρουσιάζεται στην Εικόνα 29.1α περιλαµβάνει δύο παράλληλες επιφάνειες που χωρίζονται από µια περιοχή 2.5mm που περιέχει ER υγρό. Και στις δύο πλευρές της απτικής οθόνης ανοίχτηκαν τρύπες µε διάµετρο 2mm µε σκοπό να εµποδίσουν φυσαλίδες αέρα να παγιδευτούν όταν η συσκευή είναι γεµάτη µε υγρό. Η πάνω επιφάνεια είναι ένα εύκαµπτο αγώγιµο ελαστικό, πάχους 0.28mm η οποία γειώνεται. Η κάτω επιφάνεια είναι µια 5 x 5 συστοιχία από tactels (TACTual ELement) (Εικόνα 29.1β) κεντραρισµένη σε ένα 96mm x 96mm πλαίσιο αλουµινίου. Κάθε tactel είναι ένα τετράγωνο αλουµινίου πλευράς 11mm το οποίο ενσωµατώνεται σε απόσταση 2mm από κάθε γειτονικό του tactel µε ένα γυάλινο τµήµα ανάµεσά τους. Όταν ένα tactel ενεργοποιείται, το υγρό στερεοποιείται [95]. Κάθε tactel ενεργοποιείται ξεχωριστά µε σκοπό τη σύνθεση διαφόρων προφίλ επιφανειών. Εκτελέστηκε µια σειρά από πειραµατικές δοκιµές µε δύο τύπους υγρών ER για διάφορες τιµές τάσης [94]. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι για συγκεκριµένη απόσταση ανάµεσα στα tactel, γίνεται εύκολη αναγνώριση των διαφόρων προφίλ των επιφανειών. 113

114 (α) (β) Εικόνα 29.1 : (α) Απτική οθόνη (β) Σχήµα ενός τµήµατος του απτικού συστήµατος [95] 30. Surface Acoustic Wave Display (SAW) Η απτική επιφάνεια SAW είναι µια επιφάνεια που µπορεί να διεγείρει αποτελεσµατικά τους µηχανο-υποδοχείς που βρίσκονται µέσα στο δέρµα [96], [97] Περιγραφή Η Εικόνα 30.1 παρουσιάζει τη δοµή της απτικής συσκευής SAW. Σε ένα υπόστρωµα LiNbO 3 που το µέγεθός του είναι 17mm x 63mm x 1mm, δηµιουργείται ένα ακουστικό κύµα επιφάνειας (SAW) εφαρµόζοντας εναλλασσόµενη τάση σε έναν ψηφιακό µετατροπέα (IDT- InterDigital Transducer). Το µήκος κύµατος του SAW είναι 265µm, µε συχνότητα 114

115 οδήγησης 15 MHz. Ένα από τα σηµαντικά πλεονεκτήµατα της επιφάνειας είναι το πάχος του υποστρώµατος (1mm) για τη δηµιουργία διεγέρσεων στο δάχτυλο. Οι IDTs τοποθετήθηκαν και στις δύο άκρες του υποστρώµατος. Για να δηµιουργηθούν τρέχοντα κύµατα εφαρµόστηκε εναλλασσόµενη τάση στη µια πλευρά των IDTs. Για να δηµιουργηθούν στάσιµα κύµατα παρέχεται τάση και στις δύο πλευρές των IDTs ενώ και στα δύο άκρα τοποθετήθηκαν σειρές µεταλλικών ταινιών µετά τους IDTs που λειτουργούν ως κάτοπτρα [96],[97]. Εικόνα 30.1: Σχηµατική περιγραφή της απτικής οθόνης SAW [96] Οι χρήστες µπορούν να εξερευνήσουν την απτική επιφάνεια µε ένα ολισθαίνον τµήµα (slider) που φαίνεται στις Εικόνες 30.2 και Το ολισθαίνον τµήµα έχει περίπου 100 ατσάλινες σφαίρες µε διάµετρο 800µm. Το ολισθαίνον τµήµα επιλέχθηκε να χρησιµοποιηθεί για τους εξής λόγους: Πιέζοντας τις ατσάλινες σφαίρες µε το δάχτυλο, ουσιαστικά δηµιουργείται µια δύναµη οδήγησης προς το δάχτυλο. Οι ατσάλινες σφαίρες µπορούν να παρέχουν τα σηµεία της επιφάνειας του δακτύλου στα οποία εφαρµόζεται πίεση. 115

116 Εικόνα 30.2 : οµή του κινούµενου δείκτη (slider) [96] Εικόνα 30.3 : Η απτική οθόνη SAW [96] Όταν οι χρήστες εξερευνούν το υπόστρωµα χωρίς ακουστικά κύµατα επιφάνειας µε τα δάχτυλά τους µέσω του ολισθαίνον τµήµατος - η τριβή ολίσθησης από το υπόστρωµα µεταφέρεται στις ατσάλινες σφαίρες και έτσι δηµιουργείται πίεση διάτµησης (shear stress) στην επιφάνεια των δακτύλων στις θέσεις των σφαιρών (Εικόνα 30.4α). ηµιουργώντας ακουστικά κύµατα επιφάνειας (SAWs) µπορεί να µειωθεί η τριβή µεταξύ της επιφάνειας του υποστρώµατος και των ατσάλινων σφαιρών επειδή υπάρχει: Μείωση του χρόνου επαφής µεταξύ υποστρώµατος και σφαιρών. Φαινόµενο συµπίεσης από τον αέρα που υπάρχει ανάµεσα στις σφαίρες και στο υπόστρωµα. Παράλληλη µετακίνηση της κορυφής του κύµατος (µόνο στην περίπτωση τρέχοντος κύµατος). 116

117 Σαν αποτέλεσµα όταν δηµιουργείται ένα στατικό ή τρέχον SAW στο υπόστρωµα, η πίεση στο δέρµα γίνεται µικρότερη (Εικόνα 30.4β) από ότι στην περίπτωση χωρίς SAW. Εικόνα 30.4: ηµιουργία πίεσης διάτµησης η οποία µπορεί να διαµορφωθεί από καταιγισµούς κυµάτων SAW [96] 30.2 Πειράµατα Παρουσιάστηκαν στην απτική επιφάνεια τέσσερα πραγµατικά αντικείµενα και τέσσερα εικονικά µε ανώµαλη επιφάνεια σε πέντε άνδρες ηλικίας ετών. Τα πραγµατικά αντικείµενα ήταν από γυαλόχαρτο #60, #120, #240, και #320. Τα τραχιά εικονικά αντικείµενα παρουσιάστηκαν αλλάζοντας τη συχνότητα καταιγισµού από 20 Hz, σε 40 Hz, σε 80 Hz, και σε 200 Hz. Τα άτοµα καθοδηγήθηκαν ώστε να εξερευνήσουν τις επιφάνειες των αντικειµένων µε τα δάχτυλά τους (µε τους δείκτες) και σύγκριναν την τραχύτητα των παρουσιαζόµενων ζευγών (πραγµατικού-εικονικού αντικειµένου). Τα άτοµα εκτίµησαν τη διαφορά στην τραχύτητα µε πέντε βαθµούς. Κάθε άτοµο έκανε 12 συγκρίσεις για τα πραγµατικά και 12 συγκρίσεις για τα εικονικά αντικείµενα. Με βάση τις παραπάνω µετρήσεις κατασκευάστηκε κλίµακα που δείχνει την τραχύτητα των πραγµατικών και εικονικών αντικειµένων και παρουσιάζεται στον Πίνακα

118 Το πείραµα ήταν µια προκαταρκτική αξιολόγηση της απτικής επιφάνειας SAW, το οποίο δείχνει ότι η απτική οθόνη µπορεί να παράγει διάφορες διακριτές αισθήσεις µε τις οποίες οι χρήστες µπορούν υποκειµενικά να συγκρίνουν το επίπεδο της τραχύτητας µιας ανώµαλης επιφάνειας µε συχνότητα 20Hz και µιας λείας επιφάνειας µε συχνότητα 200Hz [96]. Πίνακας 30.1 : Κλίµακες τραχύτητας πραγµατικών και εικονικών αντικειµένων [96] 31. Απτική διεπαφή που χρησιµοποιεί µικρό ηλεκτροστατικό µηχανισµό κίνησης Η απτική διεπαφή που παρουσιάζεται είναι µια διεπαφή που χρησιµοποιείται για την παρουσίαση διαφόρων πληροφοριών της επιφάνειας όπως είναι η τραχύτητα και η τριβή. Η διεπαφή υλοποιείται µε ένα λεπτό, ηλεκτροστατικό, γραµµικό µηχανισµό κίνησης. Με την αφή και την ολίσθηση του µηχανισµού, ο χρήστης δέχεται µια ελεγχόµενη δύναµη στα άκρα των δακτύλων του και έτσι αντιλαµβάνεται τη δοµή µιας επιφάνειας. Η ηλεκτροστατική διέγερση είναι µηχανική διέγερση και δεν χρησιµοποιεί ηλεκτρικό ρεύµα όπως συµβαίνει στην ηλεκτροδερµατική διέγερση [98] Περιγραφή Η Εικόνα 31.1 παρουσιάζει την απτική διεπαφή. Αυτή η διεπαφή είναι ένα είδος συσκευής µε ανάδραση δύναµης. Η διεπαφή αποτελείται από δύο πλαστικές ταινίες, ένα δίσκο στη βάση και ένα γραµµικό οδηγό. Η µια από τις δυο ταινίες, που είναι ένας στάτορας (stator), συνδέεται 118

119 στο δίσκο της βάσης. Η άλλη ταινία, ένα ολισθαίνον τµήµα (slider), συνδέεται στο γραµµικό οδηγό και µπορεί να ολισθαίνει πάνω στην πρώτη ταινία σε εγκάρσια διεύθυνση [98]. Εικόνα 31.1 : Απτική διεπαφή που χρησιµοποιεί ηλεκτροστατικό µηχανισµό κίνησης [99] Η Εικόνα 31.2 παρουσιάζει τον τρόπο χρήσης της διεπαφής. Ο χρήστης τοποθετεί τα άκρα των δακτύλων του στο ολισθαίνον τµήµα και στη συνέχεια αυτό ολισθαίνει όπως όταν εξερευνάται η επιφάνεια ενός αντικειµένου. Κατά τη διάρκεια της ολίσθησης, η απόσταση µεταξύ του ολισθαίνοντος τµήµατος και των άκρων των δακτύλων παραµένει σταθερή, δηλαδή κινούνται παράλληλα. Μεταξύ των δύο ταινιών δρα πλευρική ηλεκτροστατική δύναµη. Έτσι ο χρήστης αισθάνεται την ηλεκτροστατική δύναµη στα άκρα των δακτύλων του µέσω του ολισθαίνοντος τµήµατος. Αφού το ολισθαίνον τµήµα είναι µικρό και ελαφρύ, ο χρήστης µπορεί να χειριστεί αυτή τη διεπαφή χωρίς να αισθάνεται την ύπαρξή του. Εικόνα 31.2 : Τρόπος χρήσης της απτικής διεπαφής [99] 119

120 Ηλεκτροστατικός µηχανισµός κίνησης Η Εικόνα 31.3 δείχνει µια σχηµατική απεικόνιση των δύο ταινιών. Κατασκευάστηκαν µε την τεχνολογία FPC (flexible printed circuitry). Το πάχος των ταινιών είναι 170µm. Το βάρος του στάτορα είναι 9.9gr και το βάρος του ολισθαίνοντος τµήµατος είναι 6.8gr. Η πρώτη ταινία περιέχει τριών φάσεων παράλληλα ηλεκτρόδια που χωρίζονται σε τρεις περιοχές. Η απόσταση µεταξύ των ηλεκτροδίων είναι 200µm. Η δεύτερη ταινία περιέχει τριών φάσεων zig-zag ηλεκτρόδια που επίσης χωρίζονται σε τρεις περιοχές που σχετίζονται µε τις τρεις περιοχές της πρώτης ταινίας. Η απόσταση µεταξύ των ηλεκτροδίων είναι επίσης 200µm. Ανάµεσα σε αυτά τα τρία ζεύγη των περιοχών των ηλεκτροδίων, το ζεύγος που αποτελείται από τα δύο ακριανά ηλεκτρόδια χρησιµοποιείται για τη δηµιουργία δύναµης πίεσης και το κεντρικό ζεύγος χρησιµοποιείται για την αίσθηση της θέσης [99], [100]. Εικόνα 31.3 : Σχηµατική απεικόνιση των ταινιών [99] 31.2 Πειράµατα Εκτελέστηκε ένα πείραµα σύγκρισης για να διαπιστωθεί κατά πόσο η διεπαφή είναι κατάλληλη για την προσοµοίωση της υφής πραγµατικών επιφανειών. Ως δείγµατα χρησιµοποιήθηκαν πέντε µεταλλικές επιφάνειες που παρουσιάζονται στην Εικόνα Πέντε άτοµα συµµετείχαν στα πειράµατα. Μια από τις µεταλλικές επιφάνειες και η προσοµοίωση της υφής µιας επιφάνειας που έχει το ίδιο λ µε τη µεταλλική επιφάνεια, παρουσιάστηκαν στους χρήστες ταυτόχρονα. Κατά τη διάρκεια του πειράµατος αλλάχθηκε η τάση v 0 της προσοµοιωµένης υφής και στη 120

121 συνέχεια τους ρώτησαν για ποια τιµή της τάσης αισθάνθηκαν την προσοµοιωµένη υφή και τη µεταλλική επιφάνεια ίδιες. Η µέση τάση όλων των απαντήσεων των χρηστών υιοθετήθηκε ως ισοδύναµη v 0 για µια µεταλλική επιφάνεια. Ο πίνακας 31.1 παρουσιάζει τις ισοδύναµες v 0 για τις πέντε µεταλλικές επιφάνειες. Η Α είναι αρκετά επίπεδη άρα η ισοδύναµη v 0 είναι 0. Εικόνα 31.4 : Μεταλλικές επιφάνειες που χρησιµοποιήθηκαν στο πείραµα [99] Πίνακας 31.1 : Ισοδύναµες v 0 για µεταλλικές επιφάνειες [99] Ένα δεύτερο πείραµα εκτελέστηκε µε σκοπό να εξακριβωθεί µε πόση ακρίβεια η απτική διεπαφή προσοµοιώνει το σχήµα µεταλλικών επιφανειών. Επτά άτοµα συµµετείχαν στα πειράµατα. Οι προσοµοιωµένες υφές παρουσιάστηκαν είκοσι φορές σε κάθε άτοµο. Σε κάθε παρουσίαση η υφή που χρησιµοποιούνταν προσοµοίωνε µία από τις µεταλλικές επιφάνειες χρησιµοποιώντας το ισοδύναµο v 0 [99]. Οι επιφάνειες παρουσιάστηκαν σε κάθε άτοµο µε την ακολουθία: D-C-E-B- A-E-B-C-A-D-D-C-B-E-A-A-D-B-E-C. Για κάθε παρουσίαση το άτοµο έπρεπε να συγκρίνει την υφή που παρουσιάστηκε µε τις πέντε µεταλλικές επιφάνειες. Μετά έπρεπε να απαντήσει ποια από τις πέντε µεταλλικές επιφάνειες µοιάζει περισσότερο µε την υφή που παρουσιάστηκε. Το αποτέλεσµα [99] παρουσιάζεται στην Εικόνα Επειδή γειτονικές µεταλλικές επιφάνειες (για παράδειγµα A-B, B-C...) µοιάζουν στην αντίληψη, ήταν φυσικό οι απαντήσεις τους να κατανέµονται µεταξύ γειτονικών επιφανειών. 121

122 Εικόνα 31.5 : Αποτελέσµατα πειράµατος [99] 32. Miniaturised Electrostatic Tactile Display with High Structural Compliance Το κύριο µειονέκτηµα πολλών απτικών οθονών που αποτελούνται από µεγάλο αριθµό µηχανισµών διέγερσης είναι ο µεγάλος όγκος τους και η δυσκολία µεταφοράς τους. Η χρήση ηλεκτροστατικών µηχανισµών κίνησης µε ελαστικό διηλεκτρικό δίνει νέες δυνατότητες στην ανάπτυξη των απτικών οθονών. Τα υλικά που χρησιµοποιούνται είναι µικρού κόστους, ελαφρά (~ 1 g/cm 3 ) και ευέλικτα ώστε να µπορούν να ενσωµατωθούν σε γάντια µε ανάδραση δύναµης για συνδυασµό απτικής και κιναισθητικής ανάδρασης. Η κατασκευή τέτοιων οθονών γίνεται µε µαζική επεξεργασία και χωρίς ενδιάµεσα βήµατα. Επειδή δεν υπάρχουν κινητά µέρη ο κύκλος ζωής της συσκευής εξαρτάται από την αντοχή του διηλεκτρικού υλικού Ηλεκτροστατικός µηχανισµός διέγερσης µε ελαστικό διηλεκτρικό Στην αναφορά [101] περιγράφεται ένας ηλεκτροστατικός µηχανισµός κίνησης που αποτελείται από ένα πολυµερές ελαστικό διηλεκτρικό που είναι τοποθετηµένο ανάµεσα σε ηλεκτρόδια. Εφαρµόζοντας µια διαφορά τάσης µεταξύ των ηλεκτροδίων, το διηλεκτρικό συστέλλεται σε πάχος και διαστέλλεται σε έκταση εξαιτίας των έλξεων των φορτίων των ηλεκτροδίων (Εικόνα 32.1). 122

123 Εικόνα 32.1 : Παραµόρφωση του στρώµατος ελαστικού διηλεκτρικού µετά από ηλεκτροστατική πίεση [102] Η ηλεκτροστατική πίεση που προκαλεί την παραµόρφωση δίνεται από: p= ε 0 ε r V 2 /z 2 = ε 0 ε r E 2 όπου ε 0 είναι η διηλεκτρική σταθερά του αέρα, ε r η διηλεκτρική σταθερά του υλικού, z το πλάτος του και V η τάση που παρέχεται. Επειδή τα πολυµερή είναι σχεδόν ασυµπίεστα, ο συνολικός όγκος παραµένει σταθερός κατά την παραµόρφωση. Μειώνοντας την τάση το διηλεκτρικό επανέρχεται στο αρχικό του σχήµα και µπορεί να παράγει δύναµη εξαιτίας της ελαστικής ενέργειας που είναι αποθηκευµένη στο υλικό. Για να πραγµατοποιηθούν πλήρεις µετατοπίσεις είναι απαραίτητο να κατασκευαστούν πολλά στρώµατα διηλεκτρικού και ηλεκτροδίων όπως φαίνεται στην Εικόνα Αν εφαρµοστεί τάση µεταξύ γειτονικών στρωµάτων ηλεκτροδίων, η στοίβα των µηχανισµών κίνησης θα συσταλεί και η άκρη του µηχανισµού διέγερσης θα χαθεί κάτω από την επιφάνεια της συσκευής. Για να διασφαλιστεί η διαστολή της περιοχής πρέπει να υπάρχει κενό γύρω από τους µηχανισµούς κίνησης. Ακόµα και αν η πηγή της τάσης αφαιρεθεί, η στοίβα παραµένει σε συστολή εξαιτίας των φορτίων που παραµένουν στα ηλεκτρόδια. Μια συσκευή διέγερσης µε σχετική πίεση 30% και απόλυτη τιµή 4mm, απαιτεί περισσότερα από 1000 διηλεκτρικά επίπεδα πάχους 10µm [102]. 123

124 Εικόνα 32.2 : οµή και λειτουργία ενός ηλεκτροστατικού µηχανισµού διέγερσης µε ελαστικό διηλεκτρικό [102] 32.2 ιάταξη των µηχανισµών διέγερσης Στην Εικόνα 32.3 παρουσιάζεται µια πιθανή διάταξη των µηχανισµών διέγερσης για µια απτική οθόνη. Τα ηλεκτρόδια συνεχόµενων επιπέδων συνδέονται εναλλάξ κάθετα και οριζόντια. Οι στήλες και οι γραµµές των ηλεκτροδίων που επικαλύπτονται συνδέονται µεταξύ τους. Εφαρµόζοντας µια τάση µεταξύ µιας στήλης και µιας γραµµής το διηλεκτρικό υλικό µεταξύ των ηλεκτροδίων θα παραµορφωθεί όπως περιγράφηκε παραπάνω. Η επίπεδη διάταξη επιτρέπει µεγάλο αριθµό µηχανισµών διέγερσης, (που όπως αναφέρθηκε πρέπει να είναι πάνω από 1000 για µια απτική οθόνη), και σε µεγάλη πυκνότητα [102]. Εικόνα 32.3 : Επίπεδη διάταξη µηχανισµών διέγερσης για απτική οθόνη [102] 124

125 Β. όνηση 1. ActiveBelt Η συσκευή ActiveBelt είναι µια απτική συσκευή που βοηθά τους χρήστες της να αποκτήσουν κατευθυντικές πληροφορίες µέσω της απτικής αίσθησης. Ο χρήστης δεν χρειάζεται να µεταφέρει ή να φορά µια επιπλέον συσκευή αφού οι µηχανισµοί που παράγουν δονήσεις προσαρµόζονται σε µια τυπική ζώνη που φοριέται από πολλά άτοµα στην καθηµερινή τους ζωή. Ακόµη η συσκευή ActiveBelt µπορεί να χρησιµοποιηθεί για ποικιλία εφαρµογών και ειδικά για υπηρεσίες ενηµέρωσης θέσης όπως είναι τα συστήµατα πλοήγησης Αρχιτεκτονική συσκευής Η συσκευή ActiveBelt αποτελείται από: έναν αισθητήρα κατεύθυνσης και έναν GPS (Global Positioning System) που χρησιµοποιούνται για να ανιχνεύει τη θέση και τον προσανατολισµό του χρήστη, πολλούς µηχανισµούς που παράγουν δονήσεις για τη µετάδοση της απτικής πληροφορίας και ένα µικροϋπολογιστή που ελέγχει αυτές τις συσκευές (Εικόνα 1.1). Οι µηχανισµοί που παράγουν δονήσεις συνδέονται σε όλη τη ζώνη σε τακτά διαστήµατα. Η ανθρώπινη ευαισθησία επιτρέπει τη χρήση σχετικά µεγάλου αριθµού µηχανισµών που παράγουν δονήσεις γύρω από τον ανθρώπινο κορµό. Ωστόσο πολλοί τέτοιοι µηχανισµοί µπορεί να δηµιουργήσουν προβλήµατα όπως αύξηση κατανάλωσης ισχύος, πολυπλοκότητα των καλωδίων, ανάγκη για περισσότερες συσκευές I/O και µικροϋπολογιστές. Για να αποφευχθούν αυτά τα προβλήµατα χρησιµοποιήθηκαν 8 µηχανισµοί που παράγουν δονήσεις και οι οποίοι µπορούν εύκολα να προσαρµοστούν στο εσωτερικό της ζώνης ενώ ελέγχονται από µικροϋπολογιστή [103]. 125

126 Εικόνα 1.1 : Βασική ιδέα του ActiveBelt [103] 1.2 Ανάπτυξη Έχει αναπτυχθεί ένα πρότυπο σύστηµα ActiveBelt το οποίο αποτελείται από: (1) ActiveBelt υλικό (2) ένα GPS (3) έναν αισθητήρα κατεύθυνσης και (4) ένα µικροϋπολογιστή (Εικόνα 1.2) Το Υλικό Το πρότυπο του ActiveBelt αναπτύχθηκε µε βάση µια τυπική ζώνη µε αγκράφα για προσαρµογή του µεγέθους της (Εικόνα 1.3 (α)). Στη ζώνη συνδέθηκαν 8 µηχανισµοί δόνησης και LEDs. Συνδέθηκαν τέσσερις µηχανισµοί δόνησης στο κέντρο της κοιλιάς, στο κέντρο της πλάτης και στην αριστερή και δεξιά πλευρά. Άλλοι τέσσερις µηχανισµοί δόνησης συνδέθηκαν στο µεσοδιάστηµα των προηγούµενων. Οι συχνότητες των µηχανισµών δόνησης αλλάζουν µε την τάση: 33Hz-0.3V, 40Hz-0.6V, 55Hz- 0.8V και 77Hz- 1.2V. Αλλάζοντας την τάση µπορεί να ελεγχθεί η ισχύς των δονήσεων. Η απόσταση µεταξύ των µηχανισµών δόνησης είναι 9.75cm κατά µέσο όρο και το συνολικό µήκος της ζώνης είναι 78cm. Επειδή η θέση και η κατεύθυνση των µηχανισµών δόνησης µεταβαλλόταν ανάλογα µε το χρήστη που φορούσε τη ζώνη δηµιουργήθηκε ένα µέγεθος του ActiveBelt το οποίο αποτελείται από δερµάτινα µέρη στα οποία συνδέονται οι µηχανισµοί δόνησης και ελαστικά µέρη που προσαρµόζονται στο µέγεθος της µέσης του χρήστη (Εικόνα 1.3 (β)). 126

127 Εικόνα 1.2 : Πρότυπο σύστηµα ActiveBelt : (1) Το υλικό τουactivebelt (2) GPS (3) αισθητήρας κατεύθυνσης (4) µικροϋπολογιστής [103] (α) (β) Εικόνα 1.3 : Το υλικό του ActiveBelt έκδοση 1 (α) και έκδοση 2 (β) [103] Αισθητήρας κατεύθυνσης και GPS Ο αισθητήρας κατεύθυνσης αποτελείται από ένα γεωµαγνητικό αισθητήρα και έναν αισθητήρα επιτάχυνσης (Εικόνα 1.4). Ο γεωµαγνητικός αισθητήρας χρησιµοποιείται για να ανιχνευθεί ο προσανατολισµός του χρήστη και ο αισθητήρας επιτάχυνσης για την ανίχνευση της γωνίας. Ουσιαστικά δηλαδή ο αισθητήρας επιτάχυνσης βαθµονοµεί τις γωνίες σε οριζόντιο επίπεδο αφού ο γεωµαγνητικός αισθητήρας πρέπει να κρατά την οριζόντια θέση του για να ανιχνεύει ακριβείς κατευθύνσεις [103]. Χρησιµοποιήθηκε ο IPS-5100G (της Sony) ως GPS. Ο IPS-5100G µεταδίδει σειριακά εξωτερικά σήµατα στο µικροϋπολογιστή και ο µικροϋπολογιστής εξάγει το γεωγραφικό πλάτος και µήκος από τα δεδοµένα. 127

128 Εικόνα 1.4 : Πίνακας κυκλώµατος του αισθητήρα κατεύθυνσης [103] Μικροϋπολογιστής Χρησιµοποιήθηκε ένας µικροϋπολογιστής (PIC 18F452 της MicroChip) για να ελέγχει τους αισθητήρες και τους µηχανισµούς δόνησης. Οι λειτουργίες του µικροϋπολογιστή είναι: 1) Να ελέγχει τους µηχανισµούς δόνησης και τα LEDs µε βάση τα δεδοµένα εισόδου από τους αισθητήρες, 2) να επικοινωνεί µε τον κεντρικό υπολογιστή PC/PDA [103]. 1.3 Εφαρµογές Για τη συσκευή ActiveBelt προτάθηκαν τέσσερεις εφαρµογές: η FeelNavi για συστήµατα πλοήγησης, η FeelSense για υπηρεσίες ενηµέρωσης θέσης, η FeelSeek για έρευνα χαµένων αντικειµένων και η FeelWave για διασκέδαση [103]. 2. Shoulder Pad Ο σκοπός του Shoulder Pad ήταν να αναπτυχθεί µια απτική συσκευή που να περιέχεται σε µια βάτα (shoulder pad) και να µπορεί να δηµιουργεί ερεθίσµατα στο χρήστη. Ειδικότερα, η συσκευή πρέπει να έχει τη δυνατότητα να δηµιουργεί διάφορα ευδιάκριτα ερεθίσµατα σε 128

129 πολλά σηµεία ταυτόχρονα, και πρέπει να διατηρεί τα χαρακτηριστικά της βάτας: σχήµα, σταθερότητα, ευελιξία. Έπρεπε επίσης να µελετηθεί και το εύρος της µεταβολής του µεγέθους του σώµατος µε σκοπό να παρέχονται συσκευές µε κατάλληλο σχεδιασµό για κάθε ώµο. 2.1 Hardware Με βάση τη βιβλιογραφία η µικρότερη απόσταση µεταξύ δύο σηµείων διέγερσης έχει ορισθεί στα 38mm. Επτά µηχανισµοί ανά βάτα (shoulder pad) θεωρήθηκε ως ο µεγαλύτερος εφικτός αριθµός µηχανισµών. Η ευελιξία ως προς τον αριθµό και τη θέση των µηχανισµών ήταν απαραίτητη. Για να επιτευχθεί αυτό όλες οι βάτες κατασκευάστηκαν µε καθορισµένη DIN9 διεπαφή χρησιµοποιώντας σταθερό λόγο µηχανισµών προς αριθµό ακίδων που µπορεί να υποστηρίξει µέχρι 8 µηχανισµούς και να χρησιµοποιηθεί είτε ως αριστερή είτε ως δεξιά βάτα (shoulder pad). Ένα button-box που λειτουργεί µε µπαταρία (Εικόνα 2.1α) κατασκευάστηκε για να οδηγεί τους µηχανισµούς. Ήταν επιθυµητό να υπάρχει ένας κοινός και ευέλικτος µηχανισµός που παράγει δονήσεις. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε ένα πρόγραµµα ελέγχου διεγέρσεων και ένας µηχανισµός οδήγησης controller-box (Εικόνα 2.1β). Εικόνα 2.1 : (α) Button-Box και (β) Controller-Box [104] Το controller-box κατασκευάστηκε µε βάση ένα TI MSP-430 µικροελεγκτή. Ο µικροελεγκτής αλληλεπιδρά µε το πρόγραµµα ελέγχου διεγέρσεων [104]. 129

130 2.2 οκιµαστική συσκευή ιάφορα άτοµα δοκίµασαν τις βάτες (shoulder pads) που προσαρµόστηκαν σε σακάκια σε πέντε µεγέθη. Το µέγεθος του σακακιού και της βάτας επιλέχθηκαν για κάθε άτοµο σύµφωνα µε τη µέτρηση του ώµου του. Τα άτοµα φόρεσαν πρώτα συµβατικές βάτες (αυτές που σχεδιάστηκαν για σακάκια) έτσι ώστε τα άτοµα να µπορούν να κρίνουν αν υπάρχουν αισθητές διαφορές µεταξύ των συµβατικών και των ηλεκτρονικών βάτων (Εικόνα 2.2). Εικόνα 2.2 : Πειραµατική εγκατάσταση [104] Οι βάτες (shoulder pads) κατασκευάστηκαν σε δύο σχέδια, µε 4 ή µε 6 µηχανισµούς. Οι µηχανισµοί είναι τοποθετηµένοι σε σχήµα «τ» όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.3. Εικόνα 2.3 : (α) Θέσεις µηχανισµών για σχέδιο 6 µηχανισµών (β) για 4 µηχανισµών [104] Καλώδια συνδέονται µε τη βάτα και εξερχόµενα από το ένδυµα, πέφτουν µπροστά από το σακάκι για να συνδεθούν µε τη διεπαφή οδήγησης. Και στα σχέδια µε 4 και στα σχέδια µε 6 µηχανισµούς, ο µηχανισµός µε αριθµό 1 είναι ο πρώτος µηχανισµός της µπροστινής πλευράς της βάτας. Η αρίθµηση των µηχανισµών αυξάνει προς την πίσω 130

131 µεριά πάνω από τον ώµο. Η Εικόνα 2.4 δείχνει την αρίθµηση των µηχανισµών για βάτα µε 4 ή µε 6 µηχανισµούς. Εικόνα 2.4 : Θέσεις των µηχανισµών για αριστερό ώµο για σχέδια 4 ή 6 µηχανισµών [104] 2.3 Πειράµατα Τα 12 άτοµα που συµµετείχαν στο πείραµα ήταν όλα γυναίκες µεταξύ 19 και 34 ετών και µε διάφορους τύπους σώµατος. Τα µήκη των ώµων τους ήταν από 9cm µέχρι 14.5cm. Τα άτοµα χωρίστηκαν τυχαία σε ενηµερωµένες και µη ενηµερωµένες οµάδες για να προσδιοριστεί αν η προγενέστερη γνώση της θέσης των µηχανισµών θα επηρέαζε τις ικανότητες αντίληψης. Αυτές οι οµάδες χωρίστηκαν ξανά τυχαία σε µια οµάδα που θα εξέταζε το σχέδιο των 6 µηχανισµών και µια άλλη το σχέδιο των 4 µηχανισµών. Αρχικά ζητήθηκε από τα άτοµα να φορέσουν ένα δοκιµαστικό σακάκι στο κατάλληλο µέγεθος µε συµβατικές βάτες. Τα άτοµα βαθµολόγησαν την άνεση του σακακιού σε µια κλίµακα 5 µονάδων. Μετά αφαιρέθηκαν οι συµβατικές βάτες και τοποθετήθηκαν δύο ηλεκτρονικές. Τα άτοµα βαθµολόγησαν το νέο σχέδιο µε την ίδια κλίµακα. Τα µη ενηµερωµένα άτοµα δεν ήξεραν το σχεδιασµό των µηχανισµών αλλά µόνο ότι οι ηλεκτρονικές βάτες περιέχουν διάφορους µηχανισµούς δόνησης και ότι θα έπρεπε να σχεδιάσουν την περιοχή του ώµου που αισθάνθηκαν δονήσεις. Τα ενηµερωµένα άτοµα ήξεραν το σχέδιο των µηχανισµών, οι µηχανισµοί θα ενεργοποιούνταν σε διάφορους συνδυασµούς και έπρεπε να σχεδιάσουν την περιοχή του ώµου που αισθάνθηκαν δονήσεις. Αρχικά ενεργοποιήθηκαν όλοι οι µηχανισµοί και στη συνέχεια έγιναν διάφορες δοκιµές όπου οι µηχανισµοί ενεργοποιήθηκαν ανά δυο, ανά τρεις κ.τ.λ. Σύµφωνα µε τα σχέδια δοκιµών, τα άτοµα απάντησαν σε 131

132 κάποιες ποιοτικές ερωτήσεις για να προσδιοριστεί η αντίδρασή τους στην απτική διέγερση. Η ποιοτική και ποσοτική ανάλυση των δεδοµένων παρουσιάζεται στην [104]. 3. VisPad Το VisPad είναι ένας νέος απτικός σχεδιασµός για την απεικόνιση δεδοµένων και κατασκευάζεται από κοινά µαξιλάρια καρέκλας µασάζ µε εξειδικευµένους µηχανισµούς ελέγχου και διεπαφές µε έναν υπολογιστή. Είναι συσκευή εξόδου για πληροφορίες που µεταδίδονται σε ένα χρήστη που κάθεται στο µαξιλάρι. Η διεπαφή χρήστη είναι µοναδική στο ότι έχει µια µεγάλη περιοχή ανάδρασης και σε αντίθεση µε τις περισσότερες απτικές συσκευές, τα χέρια του χρήστη είναι ελεύθερα να ασχολούνται µε άλλα πράγµατα. Το VisPad µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως ανεξάρτητη απτική συσκευή ή σε συνδυασµό µε άλλες απτικές συσκευές. 3.1 Περιγραφή του VisPad Το πρότυπο του VisPad κατασκευάστηκε χρησιµοποιώντας ένα κοινό µαξιλάρι καρέκλας µασάζ της εταιρείας Homedics. Τα καλώδια ελέγχου από το µαξιλάρι της Homedics κόπηκαν και συνδέθηκαν σε έναν φορητό ηλεκτρονικό υπολογιστή µέσω µιας συσκευής RDAG12-8(H) της I/O Products, Inc. Το RDAG12-8(H) χρησιµοποιεί σειριακή επικοινωνία για να καθορίσει τα επίπεδα ισχύος σε οχτώ ψηφιοαναλογικούς µετατροπείς (DACs). Κάθε µετατροπέας µπορεί να αλλάζει το επίπεδο της τάσης σε ένα καλώδιο, από 0 σε 10 volts. Όσο πιο υψηλή είναι η τάση, τόσο πιο έντονη είναι η δόνηση του µηχανισµού στο µαξιλάρι. Μπορεί να ελεγχθεί το επίπεδο της δόνησης ανεξάρτητα και για τους οχτώ µηχανισµούς. Το VisPad µπορεί να ρυθµιστεί µέσω ενός υπολογιστή. Επί του παρόντος το σύστηµα χρησιµοποιείται µε έναν υπολογιστή 833 MHz Dell Inspiron 8000 (Εικόνα 3.1) που τρέχει τα Windows 2000 [105]. 132

133 Εικόνα 3.1 : Το πρότυπο του VisPad και η θέση των 8 µηχανισµών [105] Χρήση του VisPad Το VisPad µπορεί να χρησιµοποιηθεί ανεξάρτητα ή σε συνδυασµό µε άλλες απτικές συσκευές. Έχει σχεδιαστεί για αντιληπτικές εργασίες και επιτρέπει στο χρήστη να µαθαίνει τις ιδιότητες των πληροφοριών που παρουσιάζονται Σύνδεση του VisPad µε άλλα προγράµµατα Το πρότυπο του VisPad έχει συνδεθεί και µε άλλο λογισµικό [105], από τα οποία το απλούστερο είναι ο εντοπισµός της θέσης του ποντικιού στην οθόνη. Επίσης το VisPad έχει χρησιµοποιηθεί για να αναπαραστήσει την ταχύτητα κινούµενων αντικειµένων. Όσο πιο γρήγορα κινείται ένα αντικείµενο, τόσο πιο έντονη είναι η απτική δόνηση. 4. Απτικά εικονικά πλήκτρα για κινητές συσκευές Τα κινητά τηλέφωνα γίνονται όλο και πιο πολύπλοκα αφού εµπλουτίζονται µε νέες λειτουργίες και καινούργια χαρακτηριστικά. Για να κάνουν αυτές τις λειτουργίες πιο εύκολες αλλά και να διατηρήσουν το µικρό µέγεθος των κινητών τηλεφώνων αρκετοί κατασκευαστές αντικατέστησαν το αριθµητικό πληκτρολόγιο µε εικονικά πλήκτρα στην οθόνη (Εικόνα 4.1). 133

134 Με τα συµβατικά κινητά τηλέφωνα οι χρήστες αισθάνονται τα πλήκτρα: ξέρουν όταν το δάχτυλό τους είναι πάνω σε ένα πλήκτρο, ποιο πλήκτρο είναι και πότε έχουν πιέσει αρκετά το πλήκτρο ώστε να το ενεργοποιήσουν. Εξαιτίας αυτής της απτικής ανάδρασης, τα πραγµατικά πλήκτρα είναι καλύτερα από τα εικονικά όσον αφορά την ταχύτητα εισόδου των δεδοµένων και το ρυθµό λαθών [106]. Για το λόγο αυτό δηµιουργήθηκε µια τεχνική η οποία προσθέτει τα απτικά στοιχεία των πραγµατικών πλήκτρων στα εικονικά πλήκτρα που εµφανίζονται στις κινητές συσκευές µε οθόνες αφής. Μέχρι σήµερα υπάρχουν δύο υλοποιήσεις της τεχνικής: (1) χρησιµοποιώντας στοίβες στοιχείων πίεσης για την παραγωγή απτικής ανάδρασης σε PDAs (Personal Digital Assistant) και (2) χρησιµοποιώντας σπείρες φωνής για την παραγωγή απτικής ανάδρασης. Εικόνα 4.1 : Παράδειγµα υβριδικής συσκευής κινητού τηλεφώνου/pda µε εικονικό πληκτρολόγιο [106] 4.1 Τεχνική Οι κοινές οθόνες αφής που χρησιµοποιούνται στα κινητά τηλέφωνα και στα PDAs είναι απτικές οθόνες αντίστασης. Αναφέρουν τη θέση του δακτύλου ή της γραφίδας αλλά όχι πόσο δυνατά πιέζει ο χρήστης. Η τεχνική που παρουσιάζεται είναι ανεξάρτητη του τύπου της οθόνης αφής αλλά εξαρτάται από το αν η οθόνη αφής µπορεί να ανιχνεύσει πόσο δυνατά πιέζει ο χρήστης. Η Εικόνα 4.2 δείχνει το µονοπάτι του δακτύλου του χρήστη καθώς κινείται κατά µήκος της επιφάνειας της οθόνης. Όταν το δάχτυλο κινείται πάνω από την άκρη ενός πλήκτρου παράγεται µια δόνηση για να προσοµοιώσει το πάτηµα ενός πραγµατικού πλήκτρου. Όσο το δάχτυλο παραµένει σε ένα πλήκτρο στέλνεται µια δόνηση µικρού πλάτους για να δηλώσει στο χρήστη πως βρίσκεται στο συγκεκριµένο πλήκτρο. Όταν το 134

135 δάχτυλο αφήνει το πλήκτρο στέλνεται ένας άλλος παλµός για να δηλώσει αποµάκρυνση από το πλήκτρο και δεν υπάρχει δόνηση όταν το δάχτυλο είναι µεταξύ δύο πλήκτρων. Σε περίπτωση που µια οθόνη αφής δεν έχει ευαισθησία στην πίεση, χρησιµοποιείται ο χρόνος παραµονής στο πλήκτρο. Ο χρόνος που το δάχτυλο του χρήστη παραµένει σε ένα πλήκτρο µεταφράζεται ως πίεση. Όσο περισσότερο το δάχτυλο του χρήστη παραµένει σε ένα πλήκτρο, τόσο πιο δυνατά πιέζεται το εικονικό πλήκτρο. Όσο πιο δυνατά πιέζει ο χρήστης, οι δυνάµεις αυξάνονται µέχρι το εικονικό πλήκτρο να κάνει «κλικ» και τότε στέλνεται µια δόνηση στο χρήστη (Εικόνα 4.3). Στην περίπτωση της συσκευής µε ευαισθησία στην πίεση, η ακριβής πίεση που αναφέρεται από τη συσκευή χρησιµοποιείται αντί του χρόνου παραµονής στο πλήκτρο [106]. Εικόνα 4.2 : Μονοπάτι του δακτύλου του χρήστη καθώς κινείται πάνω από ένα εικονικό πλήκτρο: (α) ώθηση καθώς το δάχτυλο εισέρχεται στην περιοχή του πλήκτρου, (β) δόνηση µικρού πλάτους στο πλήκτρο, (γ) παλµός καθώς το δάχτυλο φεύγει, (δ) καµιά δόνηση µεταξύ πλήκτρων [106] Εικόνα 4.3 : Προφίλ δόνησης πλήκτρου σε απόκριση στην πίεση του χρήστη [106] 135

136 4.2 Υλοποίηση Κατασκευάστηκαν δυο συσκευές για να δοκιµαστεί η τεχνική. Χρησιµοποιήθηκε ένας µηχανισµός που παράγει δονήσεις µε µικρή καθυστέρηση και µπορεί να δονείται σε πολλές συχνότητες. Για τη συσκευή αυτή χρησιµοποιήθηκε ο µηχανισµός από ένα απτικό ποντίκι των Immersion Technologies [107]. Ο µηχανισµός δόνησης τοποθετήθηκε σε ένα PDA που δεν είχε οθόνη µε ευαισθησία στην πίεση και στην περίπτωση αυτή χρησιµοποιήθηκε η τεχνική παραµονής στο πλήκτρο. Η δεύτερη συσκευή ήταν ένας πίνακας σχεδίασης µε ευαισθησία πίεσης έτσι ώστε να εξεταστεί η τεχνική της πίεσης. Όλοι οι χρήστες µπόρεσαν να καταλάβουν τις δονήσεις και αρκετοί κατάλαβαν τη διαφοροποίηση µεταξύ συχνοτήτων. Περισσότερα στοιχεία για την ανάλυση δίνονται στην [106]. 5. Tactile Vest Το σώµα παρέχει µια µεγάλη επιφάνεια στην οποία µπορούν να εφαρµοστούν απτικές πληροφορίες και προσφέρει ένα πολύ υποσχόµενο κανάλι επικοινωνίας. Η διέγερση του σώµατος ελευθερώνει τα άκρα ώστε να µπορούν να εκτελούν άλλες εργασίες και µειώνει την αισθητήρια επιβάρυνση των µατιών. Το Tactile Vest (απτικό γιλέκο) [108], [109], είναι µια συσκευή που µπορεί να φορεθεί και παρέχει απτική ανάδραση στο σώµα. Η τεχνολογία που προτείνεται να χρησιµοποιηθεί ως µηχανισµός κίνησης είναι shape memory alloy (SMA), ένα κράµα από νικέλιο και τιτάνιο (Nitinol). Τα SMA είναι ευλύγιστες ίνες µικρής διαµέτρου που µπορούν να παράγουν υψηλές τιµές τάσης και παραµόρφωσης. 5.1 Πειραµατικές διαπιστώσεις Ένα πειραµατικό σύστηµα έχει υλοποιηθεί για να χαρακτηρίσει τις ιδιότητες των SMA καθώς θα χρησιµοποιηθούν σε πρότυπο απτικό γιλέκο. Ένα καλώδιο Nitinol µε διάµετρο 254µm τοποθετήθηκε διαµέσου µιας ακίδας µη αγώγιµου υλικού όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.1. Το ρεύµα που διέρχεται κατά µήκος του καλωδίου θερµαίνει το SMA και του προκαλεί συστολή µετατοπίζοντας την ακίδα προς τα πάνω µε αρκετή δύναµη. Ένα 101.6µm πολύ ελαστικό καλώδιο που επίσης τοποθετείται διαµέσου της ακίδας, αλλά είναι ηλεκτρικά µονωµένο από 136

137 το SMA επανεφέρει την ακίδα στην αρχική της θέση καθώς το SMA κρυώνει. Τα πειράµατα έγιναν για να προσδιοριστεί η δύναµη, η µετατόπιση και η αξιοπιστία των αποτελεσµάτων του SMA. Εικόνα 5.1 : Πειραµατική εγκατάσταση [108] Σε αυτές τις πειραµατικές δοκιµές που διεξήχθησαν στο SMA [108], ρεύµα έντασης 1Α και διάρκειας 1s παρήγαγε µια µέση µετατόπιση 3.7mm και πιέσεις περίπου 20 φορές το κατώφλι ευαισθησίας του σώµατος. Αυτά τα αποτελέσµατα υπόσχονται πως η χρήση των ινών SMA σε απτικές συσκευές για το σώµα µπορεί να δηµιουργήσει ένα µεγάλο φάσµα διεγέρσεων. 5.2 Περιγραφή του Tactile Vest Ο µηχανισµός κίνησης για το γιλέκο πρέπει να µπορεί να δηµιουργήσει τουλάχιστον δυο φορές το κατώφλι ευαισθησίας του σώµατος στην πίεση, ή περίπου 120 kpa. Το γιλέκο πρέπει επίσης να είναι ευέλικτο, και το συνολικό πάχος και βάρος του να ελαχιστοποιούνται ώστε να µεγιστοποιείται η άνεση και η ευκινησία του χρήστη. Η Εικόνα 5.2 δείχνει ένα σχεδιάγραµµα του µηχανισµού κίνησης του απτικού γιλέκου. Το ρεύµα που εφαρµόζεται κατά µήκος του καλωδίου του SMA προκαλεί συστολή της ίνας και περιστρέφει την ακίδα γύρω από τον άξονα. Χρησιµοποιώντας τις διαστάσεις που φαίνονται στην 137

138 εικόνα και υποθέτοντας ότι είναι 4% η ελαστική παραµόρφωση του SMA, έχει προβλεφθεί µια κάθετη µετατόπιση 4mm και δύναµη 1.5Ν. Εικόνα 5.2 : Σχεδιασµός του µηχανισµού κίνησης για το tactile vest [108] Η Εικόνα 5.3 δείχνει τις συνολικές διαστάσεις µιας µονάδας που βασίζεται στο σχεδιασµό που παρουσιάζεται στη Εικόνα 5.2. Η µονάδα περιέχει ένα άκαµπτο, µικρότερο τµήµα που συγκρατεί το SMA, το ελαστικό καλώδιο και τον άξονα. Με αυτό το τµήµα είναι συνδεδεµένο ένα στρώµα που εφάπτεται µε το δέρµα. Ο χωρισµός της µονάδας σε αυτά τα δυο τµήµατα επιτρέπει στα Nitinol καλώδια και την ακίδα να παραµένουν σε καθορισµένες θέσεις και επιτρέπουν στο γιλέκο να εφαρµόζει στο σώµα. Το άκαµπτο τµήµα περιορίζεται σε µια περιοχή 15 x 50mm. Το συνολικό πλάτος της µονάδας του µηχανισµού κίνησης είναι 20mm. Εικόνα 5.3 : Σχέδιο της µονάδας του µηχανισµού κίνησης για το tactile vest [108] 138

139 Η ισχύς που απαιτείται για να λειτουργήσει το Tactile Vest εκτιµάται ως ακολούθως. Αν είναι επιθυµητά ως αποτέλεσµα 1Ν δύναµης και 4mm µετατόπισης από µια ίνα και η ίνα είναι 1% αποτελεσµατική τότε 40 mj ενέργειας απαιτούνται για τη συστολή σε κάθε ίνα. Για µια συστοιχία περίπου 400 απτικών µηχανισµών υποθέτοντας ότι το 10% από αυτούς συστέλλεται ανά χρονική στιγµή και µόνο το 1% της µέρας σπαταλάται για τη συστολή, το σύστηµα χρειάζεται 160J την ηµέρα [108]. 6) Tactile Mice Τα απτικά ποντίκια είναι συσκευές που µπορούν να παρέχουν την αίσθηση της αφής και µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε πολλές νοητικές εργασίες. Το πλεονέκτηµα της απτικής αντίληψης µε τα απτικά ποντίκια είναι ότι ο χρήστης ουσιαστικά δεν περιορίζει τις κινήσεις του ενώ µε τις κιναισθητικές και απτικές συσκευές απαιτείται η συσκευή να βρίσκεται σε καθορισµένη θέση ή η συσκευή πρέπει να συνδέεται φυσικά µε το χρήστη. Χρησιµοποιήθηκαν διάφορα απτικά ποντίκια σε πειράµατα ώστε να ερευνηθούν οι διάφορες τεχνολογίες που παρέχουν την αίσθηση της αφής. Όλα βασίζονται στα τροποποιηµένα ποντίκια της Apple Macintosh. 6.1 Κατηγορίες απτικών ποντικιών που παράγουν δονήσεις Mono - Speaker mouse Ένα ηχείο σαν αυτά που χρησιµοποιούνται σε προσωπικούς υπολογιστές µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως µια συσκευή για τη µετάδοση δονητικοαπτικών (vibrotactile) αισθήσεων. Ωστόσο ένα τέτοιο ηχείο είναι αρκετά µεγάλο για να ενσωµατωθεί σε ένα ποντίκι. Για το λόγο αυτό χρησιµοποιήθηκαν µόνο το πηνίο και ο µαγνήτης του ηχείου. Τα στοιχεία αυτά αποδείχτηκαν αρκετά µικρά σε µέγεθος και βάρος για να µπορούν να ενσωµατωθούν στην µπροστινή δεξιά πλευρά ενός ποντικιού Apple (pad), ώστε το τέταρτο δάχτυλο ενός δεξιόχειρα χρήστη να παραµένει πάνω στο pad (Εικόνα 6.1). 139

140 Εικόνα 6.1 : Mono vibrotactile ποντίκι [110] Stereo - Speaker mouse Το stereo vibrotactile ποντίκι που υλοποιήθηκε, σχεδιάστηκε για δεξιόχειρα χρήστη, µε τα vibrotactile pads να είναι τοποθετηµένα έτσι ώστε ο αντίχειρας να παραµένει στο αριστερό pad και το τέταρτο δάχτυλο να παραµένει στο δεξί pad όπως φαίνεται στην Εικόνα 6.2. Τα vibrotactile pads κατασκευάστηκαν µε τον ίδιο τρόπο όπως και για το mono speaker ποντίκι : κάθε ένα τοποθετήθηκε έτσι ώστε να αποφεύγεται η επαφή µε την επιφάνεια που κινείται το ποντίκι. Αυτό σηµαίνει πως ο αντίχειρας και το τέταρτο δάχτυλο είναι ελεύθερα να χειρίζονται το ποντίκι ενώ λαµβάνουν απτική διέγερση. Η χρήση δύο vibrotactile pads αυξάνει το βάρος του ποντικιού αλλά η επιπλέον αύξηση του βάρους συνηθίζεται εύκολα από τους χρήστες. Εικόνα 6.2 : Stereo vibrotactile ποντίκι [110] 140

141 6.1.3 Ποντίκι µε σωληνοειδές Ως µια εναλλακτική λύση για τη χρήση ενός τροποποιηµένου ηχείου ως vibrotactile pad, έγιναν πειράµατα µε ένα σωληνοειδές το οποίο τοποθετήθηκε κατά µήκος της µπροστινής πλευράς αλλάζοντας το σχεδιασµό του πάνω µέρους του ποντικιού (Εικόνα 6.3). Το ποντίκι µε σωληνοειδές έχει το πλεονέκτηµα ότι η δόνηση που δηµιουργεί είναι πιο φιλική στο χρήστη και η έντασή της µπορεί να ελεγχθεί χειροκίνητα µεταβάλλοντας την ισχύ λειτουργίας του σωληνοειδούς. Οι χρήστες προτίµησαν τις ρυθµίσεις χαµηλής ισχύος οι οποίες επίσης µειώνουν το θόρυβο που δηµιουργείται από το σωληνοειδές. Το κύριο µειονέκτηµα αυτού του ποντικιού σε σχέση µε τα προηγούµενα δύο είναι ότι εξαιτίας της φύσης του σωληνοειδούς, το πλάτος της δόνησης που δηµιουργείται είναι καθορισµένο [110]. Εικόνα 6.3 : Ποντίκι µε σωληνοειδές [110] 6.2 Πειράµατα Απλά πειράµατα έδειξαν ότι το απτικό ποντίκι µπορεί να βοηθήσει το χρήστη να κινηθεί σε συγκεκριµένη περιοχή της οθόνης ακόµα και όταν δεν µπορεί να διακρίνει την περιοχή-στόχο και το δείκτη του ποντικιού. Ο σκοπός του πειράµατος needle in the haystack («βελόνα στα άχυρα») ήταν να προσδιορίσει αν µε την απτική αίσθηση µπορεί να εντοπιστεί πιο γρήγορα η θέση ενός απλού αντικειµένου σε µια σύνθετη οθόνη. Αρχικά κάθε άτοµο κάθισε µπροστά σε µια οθόνη µε ένα κενό παράθυρο στη µέση. Όταν ο χρήστης πατούσε το κουµπί του ποντικιού το χρονόµετρο ξεκινούσε και 50 γραµµές µήκους 125 pixels και µια µήκους 100 pixels, τοποθετούνταν στο παράθυρο µε τυχαίες θέσεις και γωνίες όπως φαίνεται στην Εικόνα 6.4. Τα άτοµα στη συνέχεια έπρεπε να 141

142 δουν τη µικρότερη γραµµή, να µετακινήσουν το δείκτη του ποντικιού πάνω σε αυτή και να την επιλέξουν µε το πλήκτρο του ποντικιού. Αν επιλεγόταν η σωστή γραµµή το χρονόµετρο σταµατούσε, αν όχι συνέχιζε µέχρι να βρεθεί η σωστή γραµµή. Η διαδικασία συνεχιζόταν δεύτερη φορά εκτός αν ο χρήστης βοηθούνταν µε τη χρήση ποντικιού µε vibrotactile pad όπου όταν ο δείκτης βρισκόταν πάνω από τη µικρότερη γραµµή, παραγόταν µια δόνηση. Τα άτοµα που συµµετείχαν στο πείραµα εξασκήθηκαν στο να βρίσκουν τη γραµµή µε απλό και vibrotactile ποντίκι και χωρίς χρονικό περιορισµό. Στη συνέχεια το κάθε άτοµο έπρεπε να εκτελέσει το πείραµα µε και χωρίς vibrotactile ποντίκι τρεις φορές και ο χρόνος της κάθε προσπάθειας καταγράφηκε. Συνολικά στο πείραµα συµµετείχαν 22 άτοµα από τα οποία τα 9 ήταν χρήστες ποντικιού και τα 13 όχι. Εικόνα 6.4 : Τυπική haystack εικόνα [110] Ο µέσος χρόνος για την εύρεση της µικρότερης γραµµής µε το vibrotactile ποντίκι ήταν το 30% του µέσου χρόνου χρησιµοποιώντας το συµβατικό ποντίκι. Οι χρήστες που δεν ήταν εξοικειωµένοι µε το ποντίκι είχαν περισσότερη δυσκολία µε το vibrotactile ποντίκι [110]. Αναλυτικά τα πειράµατα και τα αποτελέσµατά τους υπάρχουν στην [111]. 7. STReSS Το STReSS είναι ένα απτικό σύστηµα που µπορεί να παράγει «απτικές ταινίες» δηλαδή γρήγορες ακολουθίες απτικών εικόνων που ανανεώνονται µε ρυθµό 700Hz. Η οθόνη χρησιµοποιεί µια συστοιχία από 100 εγκάρσια κινούµενους επαφείς µε το δέρµα που είναι σχεδιασµένοι για να δηµιουργήσουν ένα χρονικά µεταβαλλόµενο πεδίο τάσεων στην επιφάνεια του δέρµατος. 142

143 7.1 οµή της συστοιχίας των µηχανισµών κίνησης Ο σκοπός ήταν να δηµιουργηθεί µια παραµορφώσιµη κατασκευή ικανή να προκαλεί ελεγχόµενα πεδία τάσης µε όποιο µέρος του δέρµατος έρχεται σε επαφή. Η εξωτερική πλευρά αυτής της κατασκευής πρέπει να υλοποιηθεί από µια συστοιχία επαφέων που κινούνται εφαπτοµενικά. Ανάµεσα στα διαφορετικά πιεζοηλεκτρικά στοιχεία που είναι διαθέσιµα, υπάρχουν στοιχεία που µπορούν να επιτύχουν σηµαντική µετατόπιση µέσω της λύγισης µιας δοκού (δίµορφα στοιχεία). Η Εικόνα 7.1 δείχνει τον τρόπο µε τον οποίο αυτά τα κυρτά στοιχεία µπορούν να διαταχθούν ώστε να δηµιουργήσουν µια δυσδιάστατη συστοιχία επαφέων [112]. Εικόνα 7.1 : Σχέδιο δοµής µιας οµάδας πιεζοηλεκτρικών µηχανισµών κίνησης. έκα πιεζοηλεκτρικές χτένες πακετάρονται η µια µετά την άλλη για να δηµιουργήσουν ένα πίνακα µε βήµα 1mm και στις δυο κατευθύνσεις. Η πάνω πλευρά είναι σε επαφή µε το δέρµα [112]. 7.2 Περιγραφή του συστήµατος Η συσκευή STReSS ελέγχεται από µια προγραµµατιζόµενη λογική συσκευή (PLD). Όταν επιτευχθεί µια πιο ικανοποιητική σχεδίαση, η PLD θα αντικατασταθεί από ένα εξειδικευµένο για την συγκεκριµένη εφαρµογή ολοκληρωµένο κύκλωµα. Η Εικόνα 7.2 παρουσιάζει τα κύρια τµήµατα της συσκευής STReSS. 143

144 Εικόνα 7.2 : Το σύστηµα STReSS αποτελείται από 4 υποσυστήµατα : Μια απτική µηχανή αναπαραγωγής (1) στέλνει απτικές εικόνες στην PLD (2). Η PLD µετατρέπει τα απτικά δεδοµένα µέσω διαµόρφωσης κατά πλάτος (PWM) σε σήµατα ελέγχου που χρησιµοποιούνται για να οδηγήσουν ένα δίκτυο 100 διακοπτών (3). Οι ενισχυτές µεταγωγής ελέγχουν την τάση που οδηγεί τους πιεζοηλεκτρικούς µηχανισµούς κίνησης [112] Το λογισµικό του συστήµατος περιλαµβάνει µια εφαρµογή Tactile Player, που δέχεται ακολουθίες απτικών εικόνων, δηλαδή απτικές ταινίες και τις αναµεταδίδει σε ρυθµό 700 πλαισίων ανά δευτερόλεπτο µέσω USB (Universal Serial Bus) στην PLD. Η χρονική καθυστέρηση του συστήµατος είναι περίπου 20ms Programmable Logic Device Board Η PLD (Programmable Logic Device) µετατρέπει τα απτικά δεδοµένα µέσω διαµόρφωσης πλάτους (PWM) σε σήµατα ελέγχου που χρησιµοποιούνται για να οδηγούν ένα δίκτυο 100 διακοπτών Amplifying Network Κάθε ενισχυτής (Εικόνα 7.2 (3)) λειτουργεί µε ψηφιακούς παλµούς V που δηµιουργούνται από την PLD και οι οποίοι πρέπει να 144

145 ενισχυθούν κατά ±40 V για να οδηγήσουν τους πιεζοηλεκτρικούς µηχανισµούς κίνησης [112] σε διπολικό τρόπο λειτουργίας Πιεζοηλεκτρικοί µηχανισµοί κίνησης Οι πιεζοηλεκτρικοί δίµορφοι µηχανισµοί κίνησης [112] χρησιµοποιούνται ως µηχανισµοί λύγισης. Το ένα άκρο τους είναι σταθερό και το άλλο άκρο µπορεί να καµφθεί µε την εφαρµογή τάσης όπως φαίνεται στην Εικόνα 7.3. Εικόνα 7.3 : Παρέχοντας µια διαφορά τάσης Vin ανάµεσα στο µεσαίο και το εξωτερικό ηλεκτρόδιο δηµιουργείται µια πλευρική µετατόπιση Xout και µια δύναµη Fout [112]. 8. TactaArmBand system Το σύστηµα που περιγράφεται ονοµάζεται TactaArmBand system και είναι µια απτική συσκευή που µπορεί να φορεθεί στο σώµα µε vibrotactile ανάδραση. Το TactaArmBand χρησιµοποιείται σε στρατιωτικές εφαρµογές. Συνδυάζει ένα TactaBox σύστηµα µε εξειδικευµένες «λωρίδες» που φοριούνται στα µπράτσα. Οι σχεδιαστικοί στόχοι περιλαµβάνουν: µικρό βάρος, µικρή ισχύς και ασύρµατη επικοινωνία. 145

146 8.1 Σχεδιασµός του συστήµατος Μονάδα TactaBox Για τη δηµιουργία vibrotactile διεγέρσεων στα µπράτσα σχεδιάστηκε το σύστηµα TactaBoard [113]. Το σύστηµα µπορεί ανεξάρτητα να ελέγξει µέχρι και 16 εξόδους µε ανάλυση ενός byte (256 επίπεδα), χρησιµοποιώντας τη διαµόρφωση κατά πλάτος (PWM) σε συχνότητα µεγαλύτερη από 300Hz. Αυτή η συχνότητα αναπαριστά την περίοδο του PWM σήµατος. Η ακριβής συχνότητα της δόνησης καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά της συσκευής που συνδέεται στην έξοδο. Το TactaBoard προσαρµόστηκε σε ένα κουτί διαστάσεων 15.2cm x 10.1cm x 5.1cm, µε RJ-25 συνδέσµους για σύνδεση µε τους απτικούς µηχανισµούς, µια επαναφορτιζόµενη µπατ&alph