Interfacce Aptiche per Simulatori
M. Bergamasco, D. Checcacci, C.A. Avizzano, A. Frisoli, F. Salsedo, F. Tecchia
PERCRO
Scuola Superiore Sant’Anna
Pisa
SOMMARIO
Le condizioni di maggiore immersività e di resa delle “forze percepite” dall’utente, siano esse di
tipo inerziale (feedback vestibolare) che di puro contatto (feedback aptico) con l’ambiente,
risultano una caratteristica sempre piu’ richiesta nello sviluppo di simulatori di veicoli.
Presso il Laboratorio PERCRO della Scuola Superiore Sant’Anna, che da tempo opera nella
progettazione e sviluppo di sistemi di interazione con Ambienti Virtuali, sono stati sviluppati sia
sistemi completi di simulatori per veicoli a due-tre ruote, sia i diversi componenti di interfaccia
aptica per comandi primari da integrarsi in sistemi di simulatori.
L’attivita’ svolta in questo campo viene illustrata per i seguenti sistemi:
•
•
•
•
Sistema di simulatore per veicoli a 2-3 ruote con elevate caratteristiche di risposta
dinamica, attualmente integrato presso il Museo Piaggio di Pontedera;
Sistemi di comandi primari con retroazione di forza per simulatore di veicoli a 4 route, in
corso di realizzazione presso il Centro Ricerche FIAT, Orbassano;
Sviluppo di sistemi di visualizzazione stereo su grande schermo basati su piattaforme a
basso costo;
Sistemi di sensorizzazione corporea per la rilevazione dei movimenti dell’utente nello
spazio di controllo.
La nuova tendenza nella progettazione di interface aptiche in ambito di sistemi di simulatori
riguarda lo sviluppo di “Whole Body Motion Haptic Interfaces (WBMHI)”, cioe’ di sistemi robotici in
grado di generare forze inerziali/generalizzate direttamente sul corpo dell’utente durante
l’esecuzione di movimenti a corpo libero, quali la corsa o il camminare in condizioni di terreno
scosceso,ecc.. Si prevede una larga diffusione di tali sistemi nel prossimo futuro sia per
applicazioni di training militare che per lo sviluppo di sistemi innovativi di sparring-partners
robotici nelle attivita’ sportive in palestra. Nel corso della presentazione vengono illustrate le
caratteristiche dei sistemi di interfaccia aptica integrati in simulatori WBMHI.
Simulatore per veicoli a 2-3 ruote
Diversi dispositivi di simulation a base mobile sono stati sviluppati nel corso degli ultimi 30 anni
per molti tipi differenti di veicoli [1] [2]. La mobilità viene infatti spesso inserita tra le caratteristiche
di un simulatore per rendere la simulazione stessa più realistica e per valutare il comportamento
del guidatore in presenza di un adeguato feedback vestibolare.
Nel gennaio 2001 il laboratorio PERCRO in collaborazione con la Piaggio ha messo a punto
presso i locali del Museo Piaggio di Pontedera un simulatore di veicoli atto allo sviluppo ed alla
prototipazione rapida di nuovi ciclomotori.
Il sistema consiste in un simulatore a 7 gradi di libertà (6 attuati in posizione ed uno aptico) ed
è stato messo a punto nel corso del programma quadro ESPRIT della comunità Europea assime
ad un consorzio composto dai seguenti partner: SSSA-PERCRO, Piaggio, Humanware, HEAD
acoustics, Halmstad University e l’ Università di Bochum.
Figura 1 The MORIS Simulator (Courtesy of PVE, Pontedera – Pisa)
Il sistema per le sue caratteristiche e per la complessità delle dinamiche da rappresentare,
offre notevoli soluzioni interessanti dal punto di vista scientifico. Pochi simulatori esistono infatti
nello stesso settore: Honda [3] (con due gradi di libertà) e il YNL Simulator [4] (a 6 DOF).
Il simulatore sviluppato [5] si distingue da quelli esistenti per la caratteristica di assistere
Piaggio in diversi processi di sviluppo ed in particolare: progettazione, simulatore e test della
dinamica di nuovi motocicli, test di conducibilità dei veicoli, addestramento di personale a basso
rischio. A tal fine lo sviluppo simulatore (le sue strutture di controllo e la progettazione stessa
delle parti elettromeccaniche) è stato basato su un’insieme di dati di input (denominati basicmanouvres) in grado di certificarne le sue caratteristiche dinamiche, ed il risultato ottenuto è stato
verificato sullo stesso set in manovre.
Oltre al sistema elettromeccanico composto dallo scheletro sensorizzato ed attuato della moto
e dalla piattaforma mobile, lo scenario del simulatore comprende:
• una interfaccia grafica che consente all’operatore di avere una visoine della
rappresentazione virtuale;
• una interfaccia acustica in grado fi fornire una adeguata percezione dei suoni prodotti
all’interno dell’ambiente virtuale.
Architettura del sistema
L’architettura generale del sistema è riportata nella figura 2. La struttura del sistema è composta
da un sistema di controllo della piattaforma (denominato Frame Controller: FC); un sistema per la
gestione delle componenti di tempo reale (denominato Real Time Subsystem: RTS); Una unità
DSP per la gestione del modello dinamico della moto (DM);
un sottosistema grafico per la visualizzazione (VS); un sotto-sistema audio (AUS) ed una console
per il controllo e la gestione dell’intero sistema (COS).
Figura 2 Architettura del sistema
Il corpo del veicolo è stato progettato sulla base di un veicolo commerciale (Hexagon) di
produzione Piaggio. Un insieme rigido di connessioni ne permette il collegamento con la
piattaforma mobile, mentre un numero di sensori disposti sul veicolo consentono la registrazione
in tempo reale di tutte le azioni esercitate dal pilota sul veicolo ed in particolare: comandi ai freni,
accelerazione, inclinazione sul veicolo del corpo del pilota, controlli al quadro.
Figura 3 Corpo del simulatore
Sull’asse dello sterzo è stato posizionato un motore di tipo direct drive in grado di misurare la
coppia esercitata dal pilota e di provvedere allo stesso un feedback di posizione in accordo con
quanto previsto dal modello matematico della moto simulato in DM.
La dinamica del veicolo [6] è stata implementata tramite un modello a 2DOF di De Carbon per
quanto riguarda i movimenti lungo la verticale (sospensioni) ed un modello laterale (di Weir) a
4DOF per lo sviluppo delle dinamiche laterali. Inoltre la dinamica longitudinale del sistema è stata
sviluppata in accordo con i dati dei motori disponibili presso PVE. Un particolare strategia per la
gestione delle instabilità a basse velocità è stata implementata sul modello per migliorarne la
sicurezza e la conducibilità nelle fasi di partenza/arresto del veicolo.
Ω
z1
z2
β
Vertical
Pitch
Motion
Engine
Model
θf
Brake
Model
θr
η&
&, η&, η
zH , z&H , &
z&
H
FM
Derived from
De Carbon Model
Longitudinal
Motion
ax
Derived fromPiaggio Model
δ, δ&, δ&
&
T
Input Quantities:
β: Gas Throttle Angle
θF θR: Front and Rear
Brake Angle
Ω: Road Inclination
T: Steer Torque
ϕR: Ride’r Leaning Angle
z1, z2: Front and Rear
Wheel Height
Output Quantities:
θ, η, ψ: Roll, Pitch and
Yaw Quantities
zH: Vertical Quantities
aX, vX, aY, vY:
longitudinal and Lateral
Accelerations and
Velocities
δ: Steer Angle
vx
ϕR
Lateral
Motion
vy , a y
ψ&
&, ψ&
θ&
&, θ&, θ
Derived from Weir Model
Figura 4 Struttura del modello dinamico
Mechanical Subsystem
La progettazione meccanica della piattaforma mobile è impostata sulle basi delle manovre di
riferimento per il veicolo ed i progetti ottenuti sono stati verificati (analisi cinematiche, dinamiche e
di stress) per assicurare il raggiungimento delle specifiche richieste a meno di un fattore
percentuale (quality factor).
Figura 5 Verifica delle interferenze
Unità di mobilità
Il ritorno di forza inerziale, viene generato nel sistema da una specifica unità (denominata
Washout Filter) in grado di miscelare movimentazione ed inclinazione della piattaforma per far
sentire al pilota una data accelerazione (od una sua approssimazione a meno del quality factor).
Nel corso dello sviluppo di questo simulatore una particolare attenzione è stata posta al fine di
ottenere una massimizzazione della qualità delle accelerazioni replicate rispetto ai limiti di
movimentazione offerti dalla meccanica del sistema [9].
A tal fine, alcuni moglioramenti rispetto alla teoria classica di replicazione delle accelerazioni
[10] [11] sono stati introdotti nel sistema con un notevole miglioramento della gamma di
accelerazioni replicabili.
Inoltre il simulatore sviluppato, è stato progettato per tener conto della mobilità della testa del
pilota (che in questi casi può variare anche ampiamente rispetto le dimensioni del veicolo).
ρ
a MOV
ρ
a HH
Strategy
Splitter
(SS)
ρ
aGRAV
Direct Linear
Motion
(DLM)
Gravitational
Strategy
(GS)
XP, YP, ZP
ΘP, ΦP, ΨP
Drift
Compensation
(DC)
ρ
ω HH
Strategy
Filter
ρ
ω MOV
(SF)
Direct Angular
Motion
(DAM)
Figura 6 Struttura dell’unità di mobilità
Le seguenti componenti consentono la mobilità della piattaforma:
! Strategy Splitter (SS):
! Direct Linear Motion (DLM):
! Gravity Strategy (GS):
! Strategy Filter (SF):
! Drift Compensation (DC):
! Direct Angular Motion (DAM):
Altre componenti del sistema
Una console consente l’accesso a tutte le funzionalità del sistema, la registrazione dei dati di
guida, l’ispezione, la gestione di un database di circuiti e di eventi riproducibili nel sistema, la
gestione della sicurezza e delle eccezioni.
Figura 7 Console: finestra di controllo principale
Il sottosistema acustico riproduce in maniera stereofonica i suoni generati dalla simulazione.
Esso include un sistema di modellazione dei suoni nello scenario, un modulo di generazione dei
suoni ed un sistema di riproduzione acustica.
Il sistema grafico è composto da una Sylicon SGI Onyx Reality Engine 2: 4 processori
4400@250MHz, 256 Mbytes RAM, 16 Mbytes di texture memory ed un raster manager.
Il sistema ha la capacità di renderizzare le immagini 3D ad una frequenza minima di 24 fps e con
una latenza inferiore a 40mS. Uno speciale sistema di sincronizzazione incluso nel modulo di
mobilità consente l’adeguato coordinamento con le accelerazioni provviste dalla piattaforma
mobile evitando in questo caso il ben noto problema della sickness da incoerenza sul VOR
(Vetibulo-Ocular-Reflex) [12] [12].
Figura 8 Alcune immagini relative ad un circuito
Comandi primari ed interfacce aptiche intraveicolo
In alcuni casi, soprattutto per ciò che concerne le verifiche ergonomiche dei controlli di un veicolo,
risulta necessario, non tanto replicare l’intero veicolo quanto poter progettare e sperimentare il
comportamento di forza (responso meccanico) di alcune sue componenti. Nel corso di un’altro
progetto Europeo (VIRTUAL) condotto in collaborazione con il Centro Ricerche Fiat (ed altri
partner europei). il laboratorio PERCRO ha sviluppato una serie di interfacce per gli interni di una
automobile (comandi primari). Si tratta del gruppo di controlli: pedali, sterzo e cambio, che
l’operatore gestisce per la condotta del veicolo. Il progetto integra un complesso sistema di realtà
virtuale orientato allo studio di problematiche ergonomiche durante lo sviluppo di autoveicoli.
Le interfacce sono rappresentate in figura 9.
Figura 9 Controlli primari del sistema VIRTUAL
L’architettura del sistema, sebbene differente dal quella già vista per il sistema MORIS non è di
particolare rilevanza quanto invece lo è la funzionalità aggiunta di poter programmare le
caratteristiche meccaniche dei dispositivi e non sarà pertanto di seguito analizzata. Il cuore del
sistema è infatti una particolare architettura di controllo che consente la parametrizzazione e la
modellazione delle “componenti virtuali” e la possibilità di poter programmare il relativo responso
meccanico delle interfacce aptiche anche tramite dati rilevati sperimentalmente.
Una struttura gerarchica e modulare, mostrata nella seguente figura permette infatti di
parametrizzare e gerarchizzare il controllo delle componenti presenti nel sistema:
Figura 10 Struttura gerarchica dell’architettura di controllo
Lo schema, un’architettura di controllo ibrida, si compone di una struttura modulare di macchine
a stati in grado di gestire moduli di controllo continui divisibili in due classi: controlli di interfaccia,
e controlli comportamentali. I moduli appartenenti alla prima classe, univoci per ogni interfaccia
meccanica progettata, si occupano di gestire le componenti meccaniche e di replicare uno
specifico input di forza/posizione sul dispositivo; i restanti moduli, sono intercambiabili (nei limiti
fisici delle prestazioni dell’interfaccia sviluppata) e consentono di testare sullo stesso dispositivo
differenti comportamenti meccanici (provare il cambio di una BWM piuttosto che quello di una tipo
e verificare il comportamento sullo operatore. Oppure cambiare le lunghezze delle corse, l’entità
delle forze in gioco e così via).
Figura 11 Interfacce sviluppate ed integrate nel simulatore VIRTUAL (Courtesy of CRF, Torino)
Sistemi di visualizzazione su grande schermo
Lo sviluppo dell’attuale società richiede alle industrie una maggiore capacità di produrre nuovi
beni con funzionalità più complesse, basso costo e livelli di qualità sempre pi elevati. Al
contempo, sono richiesti tempi di sviluppo più brevi e metodi di produzione più rispettosi
dell’ambiente (crescita sostenibile).
In quest’ambito le tecnologie per la generazione e interazione con ambienti virtuali (Virtual Reality
Technologies) stanno trovando un numero crescente di applicazioni, tale da modificare
profondamente i processi produttivi.In generale tali tecnologie consentono una maggiore
collaborazione tra i vari specialisti coinvolti nello studio delle differenti fasi produttive
(Collaborative Design), così che la rispondenza del progetto alle esigenze di tali fasi possa
essere verificata prima ancora che vengano realizzati i primi prototipi.
Quello automobilistico è ad oggi il settore industriale in cui maggiormente tali tecnologie sono
state introdotte con successo: sono impiegate nella fase di progettazione, per la
verifica/ottimizzazione di assemblaggi complessi in cui occorre integrare gruppi meccanici,
elettrici, idraulici etc., progettati da differenti gruppi di lavoro (tra cui i fornitori della
componentistica) e per la verifica ergonomica degli interni dell’auto, nello studio della fase
produttiva, per la verifica dei processi di saldatura, di assemblaggio e per il progetto del layout
della fabbrica e nello studio della fase di riciclaggio, per la verifica di (dis)assemblaggio del
prodotto.
Figura 12 Verifiche di assemblaggio in ambiente CAVE
Componente fondamentale per l’interazione con questi ambienti virtuali è un sistema di
visualizzazione (immersivo o meno) che consenta la visualizzazione stereoscopica e l’interazione
con i modelli tridimensionali di assemblati complessi o degli interni dei veicoli. Tuttavia, benché
l’immagine stereoscopica sia visibile da più utenti contemporaneamente, uno solo di questi
(utente attivo) può interagire con il sistema. In particolare, l’immagine stereoscopica sarà
generata sulla base del punto di vista dell’utente attivo.
Sistemi di questo tipo sono realizzabili con costi contenuti utilizzando le risorse di calcolo
attualmente disponibili con normali calcolatori da ufficio. In linea di massima, essi sono costituiti
da una unità, basata su 2 Personal Computer, connessa a due Videoproiettori che generano le
due immagini sincronizzate associate alla visione bioculare. Entrambi i proiettori tracciano le
immagini su un medesimo schermo rigido retro-proiettato. L’utente attivo inoltre indossa un
dispositivo di rilevazione della posizione/orientazione della testa, e utilizza un dispositivo per la
navigazione nell’ambiente virtuale e la selezione/movimentazione degli oggetti. Tutti gli utenti
indossano degli occhiali polarizzati per accedere alla visione stereoscopica.
Le funzionalità ottenibili con un sistema del genere, anche in assenza delle interfacce avanzate
discusse nelle altre sessioni, sono le seguenti:
• Visualizzazione stereoscopica di assemblati complessi.
L’immagine stereoscopica sarà generata in base al punto di vista dell’utente attivo.Le
informazioni da visualizzare saranno fornite al sistema in un formato standard.
•
•
Navigazione interattiva.
L’utente attivo deciderà la direzione di navigazione e la scalatura di visualizzazione tramite il
dispositivo di navigazione/selezione.
Selezione movimentazione degli oggetti.
L’utente attivo potrà selezionare e movimentare particolari dell’assemblato visualizzato
tramite il dispositivo di navigazione/selezione. Al termine della movimentazione dell’oggetto il
sistema visualizzerà l’entità dello spostamento rispetto alla posizione originaria.
Figura 13 Un sistema a di visualizzazione a proiezione stereoscopica
Sistemi per la sensorizzazione corporea e la rilevazione dei movimenti
Sistemi di sensorizzazione corporea per la rilevazione dei movimenti sono stati sviluppati nel
corso degli ultimi anni nel corso di un ampia gamma di applicazioni. Tra queste una particolare
rilavanza ha assunto il campo automotive in quanto le specifiche richieste e le applicazioni hanno
delle peculiarità proprie da non poter rendere adeguati sistemi commerciali.
In particolare nel corso degli ultimi anni presso il laboratorio PERCRO sono stati messi a punto i
sistemi di acquisizione ed i relativi modelli matematici per la postura corporea (sia agenti in tempo
reale che off-line).
Le applicazioni più frequenti per questi sistemi sono:
o Analisi ergonomiche: valutazione di raggiungibilità, ergonomia dei movimenti, ingombri
visivi, ergonomia della postura;
o Analisi biomeccaniche del movimento (richiede la ricostruzione in tempo reale):
o Valutazioni estetiche del veicolo;
o Creazione di video digitali: per animazioni e presentazioni, per show interattivi;
o Interazione con simulatori senza retroazione di forza.
Differenti tecnologie sono state impiegate nel corso degli anni per lo sviluppo di questi sistemi.
Tra le diverse tecnologie utilizzate correntemente troviamo sensori quali: elettromeccanici
(potenziometri, sensori ad effetto Hall, sensori di deformazione montati su strutture flessibili);
acustici che sfruttano il tempo di volo tra un gruppo di sensori ed un gruppo di emettitori per
ricostruire la postura; ottici: basati sulla triangolazioni di immagini/segnali riprese da CCD;
Magnetici che sfruttano un campo magnetico indotto a radiofrequenza e sensori magnetici per
determinare posizione ed orientazione dei marche sul corpo.
I sensori per il corpo si distinguono in base a parametri tecnici quali l’accuratezza, l’immunità ai
disturbi, all’ambiente; ed a fattori funzionali quali la necessità di calibrazione, l’ingombro corporeo,
la necessità di un ambiente ad hoc.
A seconda delle loro caratteristiche i sensori per il corpo possono essere usati soltanto in
alcune specifiche applicazioni. Questo comporta notevoli drawback soprattutto nel campo
dei simulatori per autoveicoli in quanto lo spazio in cui questi operano è fortemente
strutturato ed i vincoli imposti dallo stesso sono molto complessi (spazi ristretti, presenza
di componenti metalliche, disturbi elettromagnetici,...). In figura alcuni guanti
sensorizzati sviluppati dal laboratorio nel corso dell’ultima decade:
Figura 14 Guanti sensorizzati per il corpo
Al fine di ridurre questi inconvenienti nel corso degli ultimi anni il laboratorio PERCRO ha investito
per la messa a punto di una nuova tecnologia economica/precisa ed affidabile con la quale
costruire sensori per il corpo di elevate prestazioni e che in particolare: non hanno bisogno di
calibrazione, hanno una notevole ripetibilità, hanno una buona selezione sui movimenti specifici.
In figura un esempio dell’ultimo prototipo del sensore (attualmente ancora in fase di sviluppo) ed
un’esempio di applicazione (ad una tuta sensorizzata) dello stesso.
Figura 15 Prototipo sistema tuta per sensorizzazione del braccio destro
Interfacce per il moto a corpo libero
Lo sviluppo di simulatori di veicoli presuppone che l'interazione tra l'utente ed il mondo esterno
avvenga tramite il veicolo stesso. L'utente, generalmente vincolato al simulatore, si muove di fatto
pressoché solidalmente ad esso. Il moto del sistema è controllato in modo da sviluppare le
necessarie accelerazioni a livello degli organi vestibolari dell'utente, secondo il modello dinamico
previsto del veicolo, in base ai comandi impartiti.
Un successivo possibile sviluppo nella simulazione è quello di sostituire completamente
l'abitacolo ed i comandi del simulatore stesso, con un’interfaccia aptica generalizzata (ad
esempio di tipo esoscheletrico), in grado di simulare differenti tipi di abitacolo e posizione/risposta
dei comandi primari. Ciononostante l'interazione tra utente ed ambiente virtuale è sempre filtrata
dalla presenza di un modello meccanico di qualche tipo di veicolo.
Una delle ultime tendenze nella progettazione di interfacce aptiche riguarda invece un nuovo
livello nell'interazione fisica con l'ambiente virtuale, quello del moto a corpo libero.
Si tratta cioè di un livello di interazione che consente all'utente di fruire direttamente dell'ambiente
virtuale muovendosi in esso come avviene normalmente nella vita quotidiana. Si tratta cioè di
sistemi di whole body motion haptic interfaces, ovvero di dispositivi che permettono all'utente di
muoversi senza il vincolo di un veicolo a cui essere solidali.
Per definizione un dispositivo di locomozione è un sistema che consente ad un soggetto di
modificare la sua posizione nell'ambiente (auto, bicicletta,...). Una interfaccia di locomozione è
invece un sistema che consente di modificare la posizione di un soggetto all'interno di un
ambiente virtuale, cancellandone il moto effettivo nell'ambiente reale (es: bicicletta fissata al
suolo associata ad un sistema di realtà virtuale).
Figura 16 Interfaccia per il moto a corpo libero in ambiente CAVE
Anche se in termini generali ogni tipo di moto a corpo libero (arrampicata, nuoto, ...) può essere
oggetto di sviluppo di una possibile WBMHI, di fatto i prototipi attualmente sviluppati riguardano
principalmente la possibilità di camminare e correre liberamente in ambienti virtuali. Questo è
dovuto essenzialmente al fatto che nella stragrande maggioranza delle possibili aplicazioni il
moto più naturale è proprio quello della libera locomozione.
Interfacce di locomozione
Come accennato la maggior parte dei prototipi di interfacce di locomozione oggi esistenti si
focalizza sulla realizzazioe di un sistema che consenta all'utente di camminare/correre in un
ambiente virtuale di grandi dimensioni. Esistono due principali approcci a questo tipo di
applicazione:
Il primo prevede l'utilizzo di piattaforme indipendenti collegate ai piedi dell'utente e controllate in
accordo al moto impartito dal soggetto stesso [Fig.14 Gaitmaster]. Questo approcio, sebbene in
linea di principio consenta di simulare le più generali condizioni del terreno (pendii, scalini,
superfici più o meno soffici) risulta comunque piuttosto complessa sia dal punto di vista
meccanico che del controllo: di fatto riuscire ad assecondare il moto dei piedi dell'utente in
maniera efficace senza produrre effetti che influiscano sensibilmente sulla naturalezza del
movimento dell'utante è compito piuttosto arduo. Di fatto, per motivi di stabilita' dell'utente e di
sicurezza, questi sistemi prevedono solitamente una ringhiera a cui il soggetto possa afferrarsi,
chiaro indice della scarsa naturalezza d'uso e la libertà di moto ottenibile con questo tipo di
dispositivi. Questa tipologia di interfacce di locomozione resta, comunque, quella potenzialmente
più promettente per la estrema varietà delle condizioni simulabili.
Il secondo approccio, che attualmente sta riscuotendo il maggiore successo di applicazione e
risultati, è quello che prevede l'utilizzo di un tappeto scorrevole come mezzo fondamentale atto a
cancellare il moto dell'utente nel mondo reale. La velocità del tappeto è controllata attivamente in
base alla posizione dell'utente, in modo da mantenerlo sempre in prossimità del centro della
piattaforma. La maggiore diffusione di questo tipo di sitemi rispetto a quelli che utilizzano
piattaforme indipendenti è ha varie motivazioni. Principalmente la realizzazione costruttiva è
notevolmente semplificata, soprattutto grazie alla larga disponibilità di modelli commericiali che
possono generalmente essere modificati in base alle esigenze di progetto a cifre piuttosto
contenute. L'altro grande vantaggio è che in questo caso l'utente è effettivamente libero di
muoversi, le sue gambe essendo prive di vincoli esterni. Ne risulta una notevole naturalezza del
moto ed, a differenza del caso precedente, una estrema semplicita' nell'adattare il sistema ad
utenti con diverse caratteristiche fisiche. I principali svantaggi delle interfacce che utilizzano il
solo tappeto scorrevole sono nella difficoltà nel modificare la direzione di moto dell'utente nonché
nel simulare differenti condizioni del terreno. Infatti il tappeto scorrevole è intrinsecamente un
sistema unidirezionale e la possibilita' di cambiare direzione può essere ottenuta solo
aumentando la complessità: del sistema. Le soluzioni adottate possono essere o di tipo
meccanico, realizzando un tappeto girevole o addirittura un tappeto che consenta direttamente di
controllare le due velocità nel piano del moto, oppure di controllo grafico, variando la direzione di
moto nell'ambiente virtuale ad una velocità proporzionale alla distanza laterale dell'utente dal
centro del tappeto. Con il primo approccio si aggiungono DOFs al tappeto che segue l'utente nel
cambio di direzione (opportunamente rilevato tramite sensori posti sui piedi del soggetto) con il
secondo in pratica il tappeto resta di direzione costante ed è richiesto che l'utente si sposti
lateralmente in una certa direzione per far sì che si abbia un corrispondente effetto grafico di
rotazione in quella direzione.
La soluzione di controllo non può però essere adottata per simulare diverse inclinazioni del
terreno. In questo caso, infatti più che un effetto grafico l'utente si aspetta un effetto fisico, ovvero
una componente della forza di gravità che è diretta parallelamente al piano, secondo il naturale
declivio del terreno. Apparentemente, quindi, differenti pendenze possono essere simulate
solamente aggiungendo i necessari DOFs al tappeto scorrevole, rendendolo orientabile secondo
le esigenze. Questa soluzione è adottata, ad esempio nel sistema sviluppato all ATR lab, Japan
in cui il tappeto scorrevole è montato su un giunto sferico e la sua orientazione è modificata
secondo la direzione di moto dell'utente e la pendenza del terreno.
In realtà recenti studi e prove sperimentali hanno dimostrato, sia dal punto di vista psicologico
che biomeccanico, che un’elevata fedeltà nella simulazione di pendenza può essere realizzata
anche lasciando il tappeto in posizione orizzontale ed applicando all'utente una forza esterna
proporzionale alla componente di gravità che esso si aspetterebbe di percepire parallelamente al
piano del moto. La forza necessaria è applicata tramite un'asta attuata esternamente e collegata
al bacino dell'utente (approssimativamente all'altezza del baricentro).
Questo è quanto è stato realizzato nel sistema Treadport, che pur essendo dotato di un tappeto
ad orientazione fissa ed un'attuatore esterno ad un solo DOF, è attualmente uno dei sistemi più
realistici e funzionali. L'utilizzo di un tale sistema di attuazione esterna, oltre a non incidere sulla
naturale libertà di moto dell'utente ed a permettere la simulazione di differenti inclinazioni del
terreno, apre la strada ad altre possibili implementazioni a livello di controllo che rendono l'effetto
di locomozione ancora più realistico. In particolare è possibile replicare sull'utente la forza di
inerzia che egli si aspetterebbe di percepire nel momento in cui accelera nell'ambiente virtuale.
Tali azioni inerziali sono ovviamente assenti nel moto sul tappeto scorrevole in quanto l'utente, di
fatto, resta pressoché immobile. Anzi senza alcun attuatore esterno in caso di accelerazione
positiva l'utente tende a spostarsi in avanti sul tappeto scorrevole e l'algoritmo di cancellazione
del moto accelera il tappeto riportando l'utente indietro. Ne risulta, nel mondo reale, una forza di
inerzia corrispondente ad una breve fase di accelerazione negativa in chiaro contrasto con quella
positiva dell'ambiente virtuale.
Figura 17 Alcuni dispositivi sviluppati presso il PERCRO
In maniera analoga, disponendo di un sistema di attuazione esterna a più DOF sarebbe possibile
replicare le forze centrifughe che si hanno correndo secondo una traiettoria con una certa
curvatura. Un'altra possibile applicazione è la simulazione del contatto con oggetti dell'ambinete
ostruzioni dell'ambiente che ostruiscono o vincolano il moto.
Particolari aspetti percettivi e problematiche nello sviluppo di WBMHI
Da quanto illustrato in precedenza emerge chiaramente che due aspetti fondamentali nelle
WBMHI rigurdano la libertà di moto dell'utente e l'assenza di particolari sistemi meccanici (es.
abitacolo) che possano in qualche modo ostruire o filtrare la percezione dell'ambiente virtuale da
parte dell'utente.
Figura 18 Schema delle WBHI
Ne consegue che nello sviluppo di questi sitemi particolare attenzione va posta nell'analisi
biomeccanica del comportamento e risposta del soggetto agli stimoli esterni. L'utente stesso non
è più contenuto in un abitacolo e vincolato a restare solidale ad un sedile, quindi la strategia di
applicazione delle forze esterne deve essere studiata con particolare cautela.
Nei simulatori classici si applicano principalmente delle accelerazioni: le forze che si sviluppano
sull'utente ed il suo moto nell'abitacolo sono più una questione di comfort che di funzionamnete
intrinseco della simulazione. Nelle WBMHI si applicano delle forze ed i movimenti degli arti
dell'utente, ancorché liberi, sono fondamentali nel corretto controllo e funzionamento del
feedback aptico.
L'altro aspetto riguarda la diretta percezione dell'ambiente virtuale da parte dell'utente sia in
termini grafici (assenza di ostruzioni visive) che fisici (l'utente puo' effettivamente camminare
nell'ambiente virtuale e percepisce il procedere del suolo sotto i suoi propri piedi). Ne consegue
da un lato un positivo incremento nella capacità di orientarsi all'interno dell'ambiente, dall'altro la
necessità di porre particolare cura ed attenzione nel realizzare un ambiente grafico il più possibile
realistico sia in termini di textures che di flusso rispetto al moto dell'utente sull'interafccia.
Altri elementi possono essere presi in seria considerazione per incrementare l'effetto di realismo
quali il suono (sia per cancellare eventuali rumori ambientali che per simulare sorgenti sonore
nell'AV) ed effetti ambientali come il moto dell'aria incontro all'utente mentre esso procede.
Riferimenti
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