RICERCA ITALIANA     

AIDA: Applicazioni e Design di interfacce Aptiche: contatto soffice, multi-punto e integrazione multi-modale

Università degli Studi di Bologna

Abstract

L'obiettivo principale del progetto AIDA è quello di studiare e sviluppare interfacce aptiche innovative. In particolare, considerando nello specifico la realtà dei dispositivi attuali, sia disponibili in commercio che sviluppati in molti laboratori di ricerca, si può notare che:

1) la maggior parte dei dispositivi finora sviluppati permette un solo punto di interazione con gli oggetti virtuali, mentre si può facilmente osservare come gli esseri umani usino diverse dita della mano per manipolare un oggetto. Sarebbe pertanto di notevole interesse sviluppare interfacce che consentano una interazione multi-punto con gli oggetti virtuali, che risulterebbe molto più naturale per l'operatore.

2) la maggior parte delle ricerche svolte hanno come obbiettivo quello di aumentare la massima rigidezza degli oggetti virtuali che è possibile rendere attraverso il dispositivo, mentre si può facilmente riscontrare come molti degli oggetti con cui interagiamo quotidianamente non sono rigidi e inoltre sono caratterizzati da altre proprietà notevoli, quale ad esempio la tessitura della superficie. Occorre altresì notare come l'interazione con il mondo reale coinvolga contemporaneamente diversi canali sensoriali come il tatto e la visione. Chiaramente lo sviluppo di algoritmi e di dispositivi hardware capaci di rendere queste proprietà secondo modalità di tipo "multimodale" aumenterebbe sensibilmente le performance e le possibilità di impiego di tali strumenti aptici.

3) mentre è chiaramente riconosciuto che l'operatore umano è un componente fondamentale di ogni tipologia di interfaccia uomo-macchina, molti degli studi volti a valutare il comportamento dell'operatore umano e/o del dispositivo aptico si sono concentrati su problematiche di relativamente basso livello. Ulteriori ricerche sono necessarie allo scopo di valutare come l'uomo interagisce in situazioni più complesse come quelle prese in considerazione in questo progetto (per esempio manipolazioni mediante più dita o con oggetti cedevoli, interazione multimodale, ecc.)

Riassumendo, è chiaro come siano necessarie interfacce aptiche più sofisticate e che queste problematiche, in tempi molto recenti, sono divenute oggetto di studio da parti di alcuni gruppi di ricerca a livello internazionale.
In questo contesto, lo scopo del progetto AIDA è quello di studiare e sviluppare nuovi dispositivi che forniscano la possibilità di interagire in maniera multi-punto e multimodale con un ambiente complesso, quale può essere un oggetto virtuale soffice e con una tessitura ben definita. Inoltre questi concetti saranno applicati allo sviluppo di alcune applicazioni per l'ausilio alla chirurgia robotica o ad operatori disabili. Infine, un aspetto importante di questa ricerca consiste nell'analisi e studio della percezione e delle capacità di controllo dell'uomo al fine di sfruttare queste conoscenze nel progetto di nuovi dispositivi. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Claudio MELCHIORRI Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo principale del progetto AIDA è lo studio e sviluppo di dispositivi aptici di nuova concezione, che cerchino di superare alcune limitazioni dei dispositivi attualmente reperibili in commercio. In particolare, questa proposta intende da un lato studiare e realizzare prototipi di interfacce aptiche "multi-punto", che possano quindi permettere una interazione più naturale con oggetti virtuali, dall'altro sviluppare algoritmi e hardware per il rendering di oggetti complessi (deformabili, con texture, attrito, ecc) in modo multi-modale, cioè tramite più e diversi stimoli sensoriali. Un aspetto che viene considerato di grande importanza in questo progetto è che questo tipo di studi deve considerare anche il fatto che un operatore umano è presente nel loop di controllo,e quindi è opportuno analizzare le capacità umane di interagire e di percepire informazioni dall'ambiente.
Le attività previste implicheranno lo sviluppo di algoritmi per il controllo contemporaneo di diverse interfacce aptiche, la modellazione e simulazione di oggetti visco-elastici, il progetto e lo studio di sistemi in grado di fornire sensazioni di tipo tattile, lo studio delle capacità umane di presa e manipolazione. Si noti che questo tipo di studi può trarre vantaggio da (e di fatto anche contribuire a) ricerche nel campo della manipolazione destra con mani robotiche, dove alcuni dei partecipanti ad AIDA hanno una ben consolidata esperienza.
Oltre allo scopo generale di studiare e migliorare dispositivi esistenti, saranno considerate anche applicazioni specifiche, come per esempio lo sviluppo di dispositivi per persone non vedenti o per migliorare le prestazioni di sistemi di chirurgia robotica. Per questi motivi, sono già in corso alcune collaborazioni con gruppi di ricerca ed industrie interessate a queste attività (si vedano le descrizioni delle U.O. di Bologna, Siena, Verona). Altri obiettivi sono la diffusione dei risultati, la organizzazione di workshop e tutorial a conferenze internazionali, la collaborazione con altri gruppi di ricerca attivi in questo campo sia a livello Europeo che internazionale.

L'idea base di tutto il progetto, comunque, e che racchiude le problematiche maggiori che saranno sviluppate, può essere espressa dalla seguente affermazione, tratta da [1]:
"Lo studio dei meccanismi del movimento umano ha condotto lo psicologo russo Bernstein a chiedersi come possa il cervello controllare un sistema con così tanti gradi di libertà, ed interagenti in modalità così complesse. Molte delle stesse complessità sono presenti anche in sistemi robotici, e limitano la nostra possibilità di utilizzare mani robotiche e altri dispositivi robotici al pieno delle loro potenzialità."

RISULTATI ATTESI

I principali risultati attesi da questa attività biennale sono i seguenti:
- metodologie e algoritmi per il problema del controllo di interfacce aptiche "multi-punto" e "multi-modali"
- prototipi di dispositivi che offrano capacità "multi-punto" e "multi-modali"
- metodologie e tecniche per la modellazione e simulazione di materiali visco/elastici
- migliore comprensione della capacità percettiva umana e delle capacità di controllo in operazioni complesse di presa e manipolazione
- definizione di collaborazioni di ricerca con partner interessati per lo sviluppo ed applicazione di interfacce aptiche in applicazioni "sociali" (non vedenti), definizione e consolidamento di collaborazioni di ricerca a livello internazionale
- rete di laboratori, collegati n internet, in modo da permettere uno scambio reciproco di conoscenze e risultati, garantendo l'aggiornamento dello stato delle ricerche e, possibilmente, la disponibilità di dispositivi sperimentali
- organizzazione di due incontri, di sessioni ad invito e/o tutorial a conferenze internazionali; è anche in programma la definizione di una Summer School per giovani ricercatori e studenti di dottorato su argomenti di rilevanza per le problematiche "aptiche"
- diffusione dei risultati mediante seminari, workshops, incontri con altri ricercatori
- diffusione delle informazioni e delle metodologie sviluppate nel progetto tramite il sito di AIDA http://www-lar.deis.unibo.it/aida/. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le interfacce aptiche sono sistemi robotici con un sistemi di controllo molto veloci e potenti che generano una interazione uomo-macchina tramite il senso del tatto e la resa di forza. Sebbene la "realtà virtuale" e le "interfacce aptiche" siano spesso considerate tecnologie recenti, i primi esempi di tali dispositivi possono essere fatti risalire agli anni '50, con la comparsa di simulatori di volo realizzati dalle industrie di aerei e dalla U.S. Air Force durante e appena dopo la II guerra mondiale (per una descrizione degli sviluppi storici dei metodi fisici utilizzati per fornire sensazioni di tipo aptico nell'interazione uomo-macchina, si vedano per esempio [24-28] e il più recente [29]). Ciò nonostante, è stato solo agli inizi degli anni '90 che sono apparse le prime interfacce aptiche capaci di fornire stimoli sensoriali credibili a un costo ragionevole, usando dispositivi di interfacciamento uomo-macchina di dimensioni accettabili. Il primo gruppo di ricerca dedicato specificatamente ai sistemi aptici fu creato nei primi anni ‘90 (Touch Lab del MIT nel 1990). Il primo Simposio sulle Interfacce aptiche per realtà virtuale e sistemi di telemanipolazione ha avuto luogo nel 1992 e, in Europa, la prima edizione di EuroHaptic si è avuta nel 2000. E' facilmente comprensibile come la maggior parte delle ricerche condotte negli anni '90 fosse rivolta alla soluzione delle principali difficoltà tecniche, parte delle quali ancora presenti, per la realizzazione di interfacce commerciali. In seguito, diverse società, spesso spin-off accademici, hanno iniziato a commercializzare interfacce aptiche, come il Phantom della Sensable Technology negli Stati Uniti, DeltaTM e OmegaTM della Force Dimension in Svizzera, lo HapticMasterTM della FKS in Olanda, [2-6].

Il progetto di interfacce aptiche presenta diversi problemi ancora aperti, o non risolti completamente, che possono raggrupparsi in due categorie principali: da un lato lo sviluppo di nuove interfacce e dell'altro, l'integrazione di dispositivi aptici all'interno di sistemi più grandi e più complessi.

Considerando la prima problematica, da un'analisi dello stato dell'arte emerge che la tecnologia attualmente disponibile a livello commerciale, benché caratterizzata da prestazioni globali soddisfacenti, presenta ancora un certo numero di problemi e limitazioni.
Una prima limitazione risiede nel fatto che le attuali interfacce sono capaci di fornire solo un interazione basata su un solo punto di contatto con l'ambiente; in effetti, le interfacce più sofisticate possono applicare all'operatore una solo forza (o wrench), simulando in questo modo una interazione di tipo puntiforme. Ovviamente, un passo ulteriore in questo ambito di ricerca è lo sviluppo di dispositivi aptici "multi-punto", cioè capaci di fornire all'operatore la sensazione di un interazione attraverso un moltitudine di punti di contatto, come normalmente si ha quando si afferra o si manipola un oggetto [7-10]. Un altro puntodi interesse è che i dispositivi finora sviluppati sono caratterizzati da uno spazio di lavoro relativamente piccolo, non sono facilmente "portabili" da parte dell'operatore e in generale non possono essere spostati dalla scrivania. In molte applicazioni invece, sarebbero interessanti interfacce rimuovibili, che possano essere utilizzate dall'operatore mentre questi si muove nell'ambiente, aumentando in questo modo le dimensioni dello spazio di lavoro e le possibili interazioni.

Considerando la seconda problematica, si può facilmente notare come una più completa interazione con l'ambiente simulato possa essere ottenuta introducendo ulteriori stimoli sensoriali per l' operatore. Benché questo sia un tema sul quale molte ricerche si sono concentrate negli anni passati, le interfacce attualmente disponibili forniscono all'operatore una informazione tattile di tipo puntiforme, mentre un'interazione multi-modale potrebbe essere escogitata e implementata [11-16].
Oltre a questa panoramica generale sullo stato dell'arte nel campo dei dispositivi aptici, una più rilevante e specifica descrizione dei risultati tecnologici e metodologici finora conseguiti è riportata da ciascuna U.R. nei documenti di propria pertinenza (Modello B). Questi documenti descrivono i problemi ancora aperti in ciascuno degli specifici temi di ricerca, affrontati nel progetto AIDA. <<<