Tehnologie haptică - Haptic technology

Un afișaj montat pe cap din epoca anilor 1980 și mănuși cu fir la Centrul de Cercetare NASA Ames

Tehnologia haptică , cunoscută și sub numele de comunicare kinestezică sau atingere 3D , se referă la orice tehnologie care poate crea o experiență a atingerii prin aplicarea forțelor , vibrațiilor sau mișcărilor utilizatorului. Aceste tehnologii pot fi folosite pentru a crea obiecte virtuale într-o simulare pe computer , pentru a controla obiecte virtuale și pentru a îmbunătăți controlul de la distanță al mașinilor și dispozitivelor ( telerobotică ). Dispozitivele haptice pot încorpora senzori tactili care măsoară forțele exercitate de utilizator asupra interfeței. Cuvântul haptic , din greacă : ἁπτικός ( haptikos ), înseamnă „tactil, referitor la simțul tactil”. Dispozitivele haptice simple sunt frecvente sub formă de controlere de jocuri , joystick-uri și volane .

Tehnologia haptică facilitează investigarea modului în care funcționează simțul tactil uman permițând crearea de obiecte virtuale haptice controlate. Majoritatea cercetătorilor disting trei sisteme senzoriale legate de simțul tactil la om: cutanat , kinestezic și haptic . Toate percepțiile mediate de sensibilitatea cutanată și kinestezică sunt denumite percepție tactală. Simțul tactil poate fi clasificat ca pasiv și activ, iar termenul „haptic” este adesea asociat cu atingerea activă pentru a comunica sau a recunoaște obiecte.

Istorie

Una dintre primele aplicații ale tehnologiei haptice a fost în aeronavele mari care utilizează sisteme de servomecanism pentru a opera suprafețele de control. În aeronavele mai ușoare fără sisteme servo , pe măsură ce aeronava se apropia de un stand , tamponarea aerodinamică (vibrațiile) a fost resimțită în comenzile pilotului. Acesta a fost un avertisment util cu privire la o stare de zbor periculoasă. Servo-sistemele tind să fie „unidirecționale”, ceea ce înseamnă că forțele externe aplicate aerodinamic pe suprafețele de control nu sunt percepute la comenzi, rezultând în lipsa acestui reper senzorial important . Pentru a aborda acest lucru, forțele normale lipsă sunt simulate cu arcuri și greutăți. Unghiul de atac este măsurat și, pe măsură ce punctul critic de blocare se apropie, se angajează un agitator care simulează răspunsul unui sistem de control mai simplu . Alternativ, forța servo poate fi măsurată și semnalul direcționat către un servomotor de pe control, cunoscut și sub numele de feedback de forță . Feedback-ul forței a fost implementat experimental în unele excavatoare și este util atunci când se excavează material mixt, cum ar fi roci mari încorporate în nămol sau argilă. Permite operatorului să „simtă” și să lucreze în jurul obstacolelor nevăzute.

În anii 1960, Paul Bach-y-Rita a dezvoltat un sistem de substituție a vederii folosind o serie de 20x20 de tije metalice care puteau fi ridicate și coborâte, producând „puncte” tactile analogi pixelilor unui ecran. Oamenii care stau pe un scaun echipat cu acest dispozitiv ar putea identifica imagini din modelul de puncte băgate în spate.

Primul brevet american pentru un telefon tactil i-a fost acordat lui Thomas D. Shannon în 1973. Un sistem de comunicare tactil om-mașină timpuriu a fost construit de A. Michael Noll la Bell Telephone Laboratories, Inc. la începutul anilor 1970 și a fost eliberat un brevet pentru invenția sa în 1975.

O fotografie a unei veste Aura Interactor
Vesta Aura Interactor

În 1994, a fost dezvoltată vesta Aura Interactor . Vesta este un dispozitiv portabil de forță-feedback care monitorizează un semnal audio și utilizează tehnologia de acționare electromagnetică pentru a converti undele sonore ale basului în vibrații care pot reprezenta acțiuni precum un pumn sau o lovitură. Vesta se conectează la ieșirea audio a unui stereo, TV sau VCR, iar semnalul audio este reprodus printr-un difuzor încorporat în vesta.

O imagine a ceasului de mână Tap-in.
Dispozitivul Jensen's Tap-in

În 1995, Thomas Massie a dezvoltat sistemul PHANToM (Personal HAptic iNTerface Mechanism). A folosit recipiente asemănătoare unui degetar la capătul brațelor computerizate în care degetele unei persoane puteau fi introduse, permițându-le să „simtă” un obiect pe ecranul computerului.

În 1995, norvegianul Geir Jensen a descris un dispozitiv haptic de ceas de mână cu un mecanism de atingere a pielii, denumit Tap-in. Ceasul de mână se va conecta la un telefon mobil prin Bluetooth , iar modelele de frecvență prin atingere ar permite utilizatorului să răspundă apelantilor cu mesaje scurte selectate.

În 2015, Apple Watch a fost lansat. Folosește detectarea prin atingere a pielii pentru a transmite notificări și alerte de pe telefonul mobil al purtătorului de ceas.

Implementare

Vibrații

Majoritatea electronice care oferă feedback haptic utilizează vibrații și majoritatea utilizează un tip de actuator de masă rotativă excentrică (ERM), constând dintr-o greutate neechilibrată atașată la un arbore al motorului. Pe măsură ce arborele se rotește, rotirea acestei mase neregulate determină agitarea dispozitivului de acționare și a dispozitivului atașat. Unele dispozitive mai noi, cum ar fi MacBook - urile și iPhone- urile Apple cu „Taptic Engine”, își realizează vibrațiile cu un actuator cu rezonanță liniară (LRA), care deplasează o masă în mod reciproc prin intermediul unei bobine magnetice de voce , similar cu modul în care este electric semnalele sunt traduse în mișcare în conul unui difuzor . LRA-urile sunt capabile de timpi de răspuns mai rapide decât ERM-urile și, astfel, pot transmite imagini haptice mai precise.

Actuatoarele piezoelectrice sunt, de asemenea, utilizate pentru a produce vibrații și oferă o mișcare chiar mai precisă decât LRA-urile, cu mai puțin zgomot și pe o platformă mai mică, dar necesită tensiuni mai mari decât ERM-urile și LRA-urile.

Forțează feedback-ul

Dispozitivele de feedback forțat utilizează motoare pentru a manipula mișcarea unui articol deținut de utilizator. O utilizare obișnuită este în jocurile video și simulatoarele de conducere a automobilelor, care rotesc volanul pentru a simula forțele experimentate la virarea unui vehicul real. Roțile cu antrenare directă , introduse în 2013, se bazează pe servomotoare și sunt cele mai de ultimă generație, pentru rezistență și fidelitate, tipul de roți de curse cu reacție de forță.

În 2007, Novint a lansat Falcon , primul dispozitiv tactil 3D pentru consumatori cu feedback forțat tridimensional de înaltă rezoluție. Acest lucru a permis simularea haptică a obiectelor, texturilor, reculului, impulsului și prezența fizică a obiectelor în jocuri.

Inele de vortex de aer

Inelele cu vortex de aer sunt buzunare de aer în formă de gogoșă formate din rafale de aer concentrate. Vârtejele de aer focalizate pot avea forța să sufle o lumânare sau să deranjeze hârtiile de la câțiva metri distanță. Atât Microsoft Research (AirWave), cât și Disney Research (AIREAL) au folosit vortexuri de aer pentru a oferi feedback haptic fără contact.

Ecografie

Razele cu ultrasunete focalizate pot fi folosite pentru a crea un sentiment local de presiune pe un deget fără a atinge niciun obiect fizic. Punctul focal care creează senzația de presiune este generat prin controlul individual al fazei și intensității fiecărui traductor într-o serie de traductoare cu ultrasunete. Aceste fascicule pot fi, de asemenea, utilizate pentru a oferi senzații de vibrații și pentru a oferi utilizatorilor posibilitatea de a simți obiecte 3D virtuale.

Aplicații

Automobile

Odată cu introducerea panourilor de comandă cu ecran tactil de mari dimensiuni în tablourile de bord ale vehiculelor, tehnologia de feedback haptic este utilizată pentru a oferi confirmarea comenzilor tactile fără a fi nevoie ca șoferul să își ia ochii de pe drum. Suprafețele de contact suplimentare, de exemplu volanul sau scaunul, pot oferi, de asemenea, informații haptice șoferului, de exemplu, un model de vibrație de avertizare atunci când sunt aproape de alte vehicule.


Artă

Tehnologiile haptice au fost explorate în artele virtuale, cum ar fi sinteza sunetului sau designul grafic și animația . Tehnologia haptică a fost utilizată pentru a îmbunătăți piesele de artă existente în expoziția Tate Sensorium în 2015. În crearea muzicii, producătorul suedez de sintetizatoare Teenage Engineering a introdus un modul subwoofer haptic pentru sintetizatorul OP-Z care permite muzicienilor să simtă frecvențele basului direct pe instrumentul lor.

Aviaţie

Feedbackul forțat poate fi utilizat pentru a crește aderența la un anvelopă de zbor sigură și pentru a reduce astfel riscul ca piloții să intre în stări periculoase ale zborurilor în afara granițelor operaționale, menținând în același timp autoritatea finală a piloților și sporind gradul lor de conștientizare a situației .

Medicină și stomatologie

Interfețele haptice pentru simulare medicală sunt dezvoltate pentru instruirea în proceduri minim invazive, cum ar fi laparoscopia și radiologia intervențională , și pentru instruirea studenților dentari. Un Virtual Haptic Back (VHB) a fost integrat cu succes în programa de învățământ de la Ohio University College of Osteopathic Medicine . Tehnologia haptică a permis dezvoltarea chirurgiei de telepresență , permițând chirurgilor experți să opereze pacienții de la distanță. Pe măsură ce chirurgul face o incizie, se simte feedback tactil și de rezistență ca și cum ar lucra direct la pacient.

Tehnologia haptică poate oferi, de asemenea, feedback senzorial pentru a ameliora deficiențele legate de vârstă în controlul echilibrului și pentru a preveni căderile la vârstnici și cu deficiențe de echilibru.


Dispozitive mobile

Vibramotor al LG Optimus L7 II

Feedbackul tactil haptic este comun în dispozitivele celulare . În majoritatea cazurilor, aceasta ia forma răspunsului la vibrație la atingere. Alpine Electronics folosește o tehnologie de feedback haptic numită PulseTouch pe multe dintre unitățile lor de navigare și stereo cu ecran tactil. Nexus One oferă feedback haptic, în conformitate cu specificațiile lor. Samsung a lansat pentru prima dată un telefon cu haptici în 2007.

Haptica de suprafață se referă la producerea de forțe variabile pe degetul unui utilizator, deoarece acesta interacționează cu o suprafață, cum ar fi un ecran tactil. Tanvas folosește o tehnologie electrostatică pentru a controla forțele în plan experimentate de vârful degetului, ca o funcție programabilă a mișcării degetului. TPaD Tablet Project utilizează o tehnologie cu ultrasunete pentru a modula alunecarea aparentă a unui ecran tactil de sticlă.

În 2013, Apple Inc. a primit brevetul pentru un sistem de feedback haptic, potrivit pentru suprafețele multitouch. Brevetul SUA Apple pentru o „Metodă și aparat pentru localizarea feedback-ului haptic” descrie un sistem în care cel puțin doi actuatori sunt poziționați sub un dispozitiv de intrare multitouch, oferind feedback vibrator atunci când un utilizator intră în contact cu unitatea. În mod specific, brevetul prevede ca un actuator să inducă o vibrație de feedback, în timp ce cel puțin un alt actuator își folosește vibrațiile pentru a localiza experiența haptică, împiedicând ca primul set de vibrații să se propage către alte zone ale dispozitivului. Brevetul oferă exemplul unei „tastaturi virtuale”, cu toate acestea, se remarcă și faptul că invenția poate fi aplicată oricărei interfețe multitouch.

Neurorehabilitare

Pentru persoanele cu disfuncție motoră a membrelor superioare, dispozitivele robotizate care utilizează feedback haptic ar putea fi utilizate pentru neurorehabilitare. Dispozitivele robotice, cum ar fi efectorii finali, și atât exoscheletele împământate, cât și cele nefondate au fost concepute pentru a ajuta la restabilirea controlului asupra mai multor grupuri musculare. Feedbackul haptic aplicat de aceste dispozitive robotice ajută la recuperarea funcției senzoriale datorită naturii sale mai captivante.

Puzzle-uri

Puzzle-uri haptice au fost concepute pentru a investiga explorarea, căutarea, învățarea și memoria haptică orientată spre obiective în medii 3D complexe. Scopul este atât de a permite roboților cu mai multe degete, cu simțul tactilului, cât și de a obține mai multe informații despre meta-învățarea umană.

Calculatoare personale

În 2008, Apple Inc. lui MacBook și MacBook Pro a început care încorporează un «Tactile Touchpad» , de design , cu funcționalitate buton și feedback - ul haptic încorporată în suprafața de urmărire. Au urmat produse precum Synaptics ClickPad.

În 2015, Apple a introdus trackpad-urile „ Force Touch ” pe MacBook Pro 2015, care simulează clicurile cu un „motor Taptic”.


Robotica

Feedback-ul haptic este esențial pentru a efectua sarcini complexe prin telepresență . Umbra Mâna , o mână robotică avansată, are un total de 129 de senzori de atingere încorporat în fiecare pad în comun și cu degetul că informațiile releu operatorului. Acest lucru permite efectuarea de la distanță a unor sarcini precum tastarea. Un prototip timpuriu poate fi văzut în colecția NASA de roboți umanoizi sau robonauți .



Înlocuirea senzorială

În decembrie 2015, David Eagleman a demonstrat o vestă purtabilă care „traduce” vorbirea și alte semnale audio în serii de vibrații, acest lucru permitând persoanelor cu deficiențe de auz să „simtă” sunete pe corpul lor, de atunci a fost realizată comercial sub formă de brățară.

Spaţiu

Utilizarea tehnologiilor haptice poate fi utilă în explorarea spațiului , inclusiv vizitele pe planeta Marte , potrivit rapoartelor de știri.

Afișaje electronice tactile

Un afișaj electronic tactil este un dispozitiv de afișare care oferă text și informații grafice folosind simțul tactil. Dispozitive de acest fel au fost dezvoltate pentru a ajuta utilizatorii orbi sau surzi, oferind o alternativă la senzația vizuală sau auditivă.

Teleoperatori și simulatoare

Teleoperatorii sunt instrumente robotizate controlate de la distanță. Când operatorului i se oferă feedback cu privire la forțele implicate, aceasta se numește teleoperare haptică . Primii teleoperatori acționați electric au fost construiți în anii 1950 la Laboratorul Național Argonne de către Raymond Goertz pentru a manipula de la distanță substanțele radioactive. De atunci, utilizarea feedback-ului forței a devenit mai răspândită în alte tipuri de teleoperatori, cum ar fi dispozitivele de explorare subacvatică controlate de la distanță.

Dispozitivele precum simulatoarele medicale și simulatoarele de zbor oferă în mod ideal feedback-ul forței care ar fi resimțit în viața reală. Forțele simulate sunt generate folosind comenzile haptice ale operatorului, permițând salvarea sau redarea datelor reprezentând senzațiile tactile.

Teledildonică

Feedback-ul haptic este utilizat în cadrul teledildoniei , sau „tehnologiei sexuale”, pentru a conecta de la distanță jucăriile sexuale și a permite utilizatorilor să se angajeze în sex virtual sau să permită unui server de la distanță să-și controleze jucăria sexuală. Termenul a fost inventat pentru prima dată de Ted Nelson în 1975, când se discuta despre viitorul iubirii, intimității și tehnologiei. În ultimii ani, teledildonica și tehnologia sexuală s-au extins pentru a include jucării cu o conexiune bidirecțională care permit sexul virtual prin comunicarea vibrațiilor, presiunilor și senzațiilor. Multe vibratoare „inteligente” permit o conexiune unidirecțională între utilizator sau un partener la distanță, pentru a permite controlul jucăriei.

Jocuri video

Pachetele Rumble pentru controlere, precum acest Dreamcast Jump Pack, oferă feedback haptic prin mâinile utilizatorilor

Feedback-ul haptic este utilizat în mod obișnuit în jocurile arcade , în special în jocurile video de curse . În 1976, jocul de motociclete al Sega Moto-Cross , cunoscut și sub numele de Fonz , a fost primul joc care a folosit feedback haptic, provocând ghidonul să vibreze în timpul unei coliziuni cu un alt vehicul. TX-1 de la Tatsumi a introdus feedback-ul forței în jocurile de conducere a mașinilor în 1983. Jocul Earthshaker! a adăugat feedback haptic unui pinball în 1989.

Dispozitivele haptice simple sunt frecvente sub formă de controlere de jocuri , joystick-uri și volane. Implementările timpurii au fost furnizate prin componente opționale, cum ar fi controlerul Nintendo 64 Rumble Pak în 1997. În același an, Microsoft SideWinder Force Feedback Pro cu feedback încorporat a fost lansat de Immersion Corporation . Multe controlere consolă și joystickuri facilitate built-in dispozitive de feedback, care sunt motoare cu greutăți dezechilibrate care se rotesc, determinând - o să vibreze, inclusiv Sony e DualShock tehnologie și Microsoft e impuls de declanșare tehnologie. Unele controlere ale volanului auto, de exemplu, sunt programate pentru a oferi o „senzație” a drumului. Pe măsură ce utilizatorul face o virare sau accelerează, volanul răspunde prin rezistență la viraje sau alunecând de sub control.

Prezentările notabile includ:

  • 2013: Microconsole Steam Machines de la Valve , inclusiv o nouă unitate Steam Controller care folosește electromagneti ponderati capabili să ofere o gamă largă de feedback haptic prin trackpad-urile unității. Aceste sisteme de feedback ale controlerelor sunt configurabile de utilizator. Tot în 2013 a fost introdusă și prima roată cu tracțiune directă pentru curse SIM .
  • 2014: Un nou tip de pernă haptică care răspunde la intrările multimedia de la LG Electronics.
  • 2015: Steam Controller cu HD Haptics, cu acționatoare de forță haptică pe ambele părți ale controlerului, de către Valve.
  • 2017: a Nintendo switch „s Joy-Con , introducerea caracteristica HD Rumble, dezvoltat cu imersiune Corporation și utilizând Alpi actuatori.
  • 2018: Razer Nari Ultimate, căști de jocuri care utilizează o pereche de drivere haptice cu frecvență largă, dezvoltate de Lofelt .
  • 2020: Controlerele Sony PlayStation 5 pot adapta rezistența comenzilor de declanșare, cum ar fi simularea rezistenței crescute simțite în timp ce trageți șirul unui arc, precum și feedback-ul haptic mai precis prin intermediul dispozitivelor de acționare a bobinei vocale.

Realitate virtuala

Hapticii câștigă o acceptare pe scară largă ca parte cheie a sistemelor de realitate virtuală , adăugând simțul tactil la interfețele anterioare doar vizuale. Sunt dezvoltate sisteme pentru a utiliza interfețe haptice pentru modelarea și proiectarea 3D, inclusiv sisteme care permit vizualizarea și simțirea hologramelor. Mai multe companii realizează veste haptice pentru tot corpul sau trunchiul haptic sau costume haptice pentru a fi utilizate în realitate virtuală imersivă, pentru a permite utilizatorilor să simtă explozii și impacturi de glonț.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe