Che cos’è e caratteristiche delle interfacce aptiche in tecnologia

Introduzione

Parlare di “interfacce” per chi lavora a contatto con i computer, (e non solo oggigiorno) ma con tutta la tecnologia in genere, è diventata cosa usuale, assumendo spesso per scontato una certa idea di interattività che le caratterizza.

Con il termine interfaccia, si intende: lo scambio di informazioni tra almeno due entità.

Nello specifico del computer le interfacce rappresentano gli scambi di informazioni tra l’entità essere umano e l’entità macchina.

Lo sviluppo che si è avuto delle interfacce grafiche di tipo GUI (Graphic User Interface) racchiude prevalentemente l’esperienza visiva attraverso la metafora del reale, ad esempio l’icona della stampante fa intendere l’operazione di stampa, l’icona del dischetto fa intendere l’azione di salvataggio del file, etc. L’immersività della Realtà Virtuale vuol riprodurre l’azione reale.

Interfacce Aptiche

Gli stimoli artificiali esterni vengono trasferiti in tempo reale direttamente all’interno dell’ordine sensoriale dell’utente e come nella realtà, dovrebbe restituire l’azione, o meglio la reazione, più adatta allo stimolo.

Tra le componenti morfologiche delle interfacce, di vario grado immersive, alla componente percettivo visuale ed uditiva (di natura puramente sensoriale) devono essere affiancate componenti motorie, sensoriali (tra le quali aptiche) e cinestetiche, riferite cioè alla percezione del movimento umano in relazione con oggetti reali e/o virtuali dell’ambiente circostante o dell’ambiente ricostruito.

Una soluzione a queste esigenze è fornita dagli studi sulle interfacce aptiche (haptesthai; verbo in lingua greca che ha il significato di afferrare, toccare, to grasp in lingua inglese), interfacce che servono in pratica a orientare l’utente sulla posizione e sulla natura degli oggetti nello spazio virtuale, ovvero per darne una definizione: Sistemi robotici che restituiscono all’utente sensazioni cinestetiche di forza. Oppure una definizione alternativa ma semplificata: Dispositivi in grado di trasmettere all’utente sensazioni di forza.

Alla base di ciò, vi è l’idea di “toccare con mano” che fa parte dell’istinto di ogni uomo, fin da quando è un lattante e continua per tutta la sua vita, ed è il metodo più semplice e naturale per conoscere e interagire con la realtà circostante.

L’obiettivo di questa ricerca sarà lo studio delle interfacce aptiche e le applicazioni di esse in alcuni ambiti reali, referenziate con l’acronimo HI, dal termine inglese (Haptic Interface).

In ambito scientifico l’aptica è la scienza che studia il senso del tatto e delle interazioni con l’ambiente tramite il tatto, in pratica lo studio sulle acquisizioni di informazioni tramite il tatto.

Più precisamente possiamo definire il tatto come una perturbazione meccanica della pelle prodotta dal contatto fisico con un oggetto. I recettori periferici specializzati (meccanoricettori) trasformano gli stimoli meccanici applicati alla cute in impulsi nervosi e li trasmettono attraverso le fibre nervose sensitive, ai centri nervosi superiori, dove vengono decodificati. Ritornando al senso del tatto come perturbazione meccanica possiamo evidenziare due aspetti che lo influenzano:

le proprietà fisiche dell’oggetto
il modo in cui l’oggetto viene esplorato

Queste informazioni sono contenute nella rappresentazione degli attributi fisici o aptici di un oggetto o di una superficie, che si suddividono in:

Proprietà Geometriche:
Proprietà dei Materiali:
Percezione aptica nello Spazio

Inoltre, ci sono due livelli (o canali) cui il senso del tatto fornisce informazioni, sono chiamati rispettivamente:

Cinestetico
Tattile

I movimenti ampi e le forze sono percepiti da recettori neuronali negli arti, e in particolar modo nei muscoli e nei tendini, e nel corpo in generale, mentre i movimenti ad ampiezze minori, ma con frequenze più elevate, sono percepiti dai recettori nella pelle e nelle dita.

Il livello cinestetico si riferisce al senso di posizione e movimento di parti del corpo in associazione alle forze esercitate. I muscoli, tendini e articolazioni svolgono un ruolo importante in questo tipo di sensazioni.

Il livello tattile concerne la cute, e permette di ottenere informazioni sul tipo di contatto e sulle proprietà fisiche degli oggetti. Le sensazioni di pressione, temperatura, morbidezza, durezza, umidità, dimensione degli oggetti, inoltre i fenomeni di attrito, sono elaborati a questo livello.

Il senso del tatto è differente da tutti gli altri sensi dell’essere umano, non solo fornisce informazioni sull’ambiente circostante, ma è anche un mezzo di interazione. Esso è un canale bidirezionale in quanto, vi sono dei feedback che consentono di stabilire delle informazioni sulla morfologia, sulla dimensione e sulle altre svariate sensazioni che possono manifestarsi al tocco di un oggetto.

In realtà le due definizioni date in precedenza dell’HI riguardano solo il canale cinestesico, volendo dare una definizione più generale e completa possiamo affermare che:

Un HI è un dispositivo che riproduce informazioni sensoriali tattili (tactile feedback) e/o cinestetiche (force feedback).

Se volessimo creare una tassonomia generale delle interfacce aptiche dovremmo distinguerle secondo le tre tipologie seguenti:

Interfacce Cinestetiche
Interfacce Tattili
Interfacce Aptiche (Tattili + Cinestetiche)

Le interfacce aptiche sono spesso interfacce multimodali o sono combinate con interfacce che coinvolgono altri sensi, ad esempio la vista, vari studi confermano come i sensi si influenzano l’uno con l’altro. Il senso del tatto permette di discriminare e riconoscere oggetti complessi ed è spesso usato per assistere il riconoscimento visuale in caso di discriminazioni difficili.

Descrizione meccanica di un’interfaccia aptica

Un’interfaccia aptica è un dispositivo elettromeccanico costituito da due parti principali:

Manipolatore: è la parte meccanica vera e propria, ed è costituita da varie componenti (vedi figura pagina successiva):
1. Una base: fissata nell’ambiente di lavoro o costituita da una piattaforma mobile.
2. Una serie di links: parti rigide di collegamento.
3. Una serie di giunti: “snodi” che permettono il collegamento tra i links.
4. Un end-effector: parte terminale del manipolatore, connesso al resto del dispositivo meccanico attraverso un “polso” che permette all’end-effector di muoversi.
Sistema di programmazione e di controllo: è un sofisticato dispositivo di calcolo, composto da un multiprocessore collegato in rete ad altre risorse locali, quali sensori (che servono a misurare la posizione del dispositivo attraverso degli encoders), attuatori (che sono gli elementi, in genere elettrici o idraulici, utilizzati per effettuare i movimenti del dispositivo) e controllori (che servono per effettuare il feedback sui movimenti del dispositivo).

Le funzionalità richieste ad un sistema di programmazione e di controllo sono l’immagazzinamento dei dati, il controllo dei giunti in tempo reale, il monitoraggio dei sensori, e la capacità di interazione con l’utente.

Funzionamento di un’Interfaccia Aptica

Essi sono dispositivi elettromeccanici di input/output il cui end-effector è, da un lato, permanentemente collegato all’arto dell’utente (ad esempio un guanto impugnato dall’utente con dei sensori) e dall’altro è collegato ad un sistema di attuatori.

I movimenti dell’end-effector vengono imposti dall’utente e rivelati da un sistema di controllo, che aziona gli attuatori in modo da fornire all’utente il feedback di forza in funzione della posizione dell’end-effector.

Nelle interfacce aptiche più diffuse questo sistema meccanico è costituito da un braccio articolato su cui è montato una penna, un’esoscheletro di una mano con un guanto, quando gli attuatori sono inattivi il braccio è libero di muoversi secondo la volontà dell’utente, il quale percepisce solo trascurabili forze di attrito, mentre i sensori di tracciamento dell’interfaccia misurano la posizioni e le rotazioni angolari con metodi di cinematica diretta, ed il software dell’interfaccia è in grado di ricostruire il movimento dell’end-effector. Tale movimento viene riprodotto nell’ambiente virtuale mediante la visualizzazione di un punto nella scena di simulazione. Se questo punto, dove è posizionato l’end-effector, viene a contatto con un oggetto virtuale, il software dell’interfaccia aptica è capace di generare dei feedback di forza sull’impugnatura dell’utente, attivando e controllando gli attuatori, l’utente a sua volta riceve stimoli cinestetici, la sensazione ricevuta è quella di un contatto reale con un oggetto reale identico a quello rappresentato nella simulazione virtuale. Quindi i componenti hardware basilari di un sistema aptico sono: sensori (meccanici, magnetici) ed attuatori (motori elettrici, attuatori pneumatici o idraulici, attuatori piezoelettrici).

Classificazione delle Interfacce Aptiche

In letteratura esistono più metodologie per la classificazione delle interfacce aptiche. Si può effettuare una prima distinzione, che scaturisce dalla posizione della base, che permette di suddividere tali dispositivi in desktop e non-desktop vediamo come viene fatta la distinzione delle due categorie di interfacce:

Interfacce desktop o fisse. Base fissa e posizionabili ovunque in un luogo di lavoro, esse hanno lo svantaggio di non permettere una estensione illimitata del workspace.
Interfacce non desktop o mobili (ad ampio workspace). Base mobile con molti gradi di libertà, caratterizzate dal coinvolgimento nei movimenti dell’intero corpo dell’utente generano sensazioni aptiche su larga scala (ad esempio applicate agli arti inferiori dell’utente). Non disponendo di una base fissa possono essere indossati dall’utente dell’applicazione.

Una seconda distinzione che viene fatta riguarda il comportamento meccanico dell’interfaccia aptica:

Interfacce a Impedenza, che simulano l’impedenza meccanica, generando una forza basandosi sulle misure della posizione.
Interfacce ad Ammetenza, che simulano l’ammettenza meccanica (l’inverso dell’impedenza) si basano su una misura di forza per raggiungere una posizione. Infine un’ultima classificazione che viene fatta, tra le interfacce aptiche, e’ quella strutturale, ed in specialmodo tra i dispositivi cinestetici, (che sono tra i più diffusi e usati nelle applicazioni), distinguiamo le interfacce di tipo:
- Finger-based, laddove il punto di contatto o i punti di contatto sono sempre le dita dell’utente.
- Point-based, laddove esiste un solo punto di contatto tra l’interfaccia e l’utente.
- Hand-based, laddove i punti di contatto sono sull’intera mano dell’utente.
- Exoskeleton, laddove i punti di contatto sono su un arto dell’utente.