è riportato in figura(5.3) dove sono rappresentate deformazione e forza su ciascun dito durante l’esplorazione.
Figura 5.3: Andamento delle forze (sopra) e andamento delle deformazioni (sotto), esercitate dal pollice, dall’indice e dal medio durante la simulazione di presa di un oggetto ottenuto mandando nel CASR corrispondente al pollice una pressione costante di 1,5 bar, in quello corrispondente all’indice una pres- sione costante di 1,25 bar e nel CASR corrispondente al medio una pressione costante di 1 bar.
5.2
Osservazioni
Analizzando le figure si notano alcuni aspetti particolarmente interessanti. Dalla figura(5.1) si vede, ad esempio, che nella presa dell’oggetto la forza sviluppata dal pollice risulta raggiungere valori pari a quasi il doppio della
forza sviluppata dalle altre dita. Questa caratteristica risulta essere con- fermata anche nella seconda prova di presa mostrata in figura(5.2), dove l’oggetto è comunque meno cedevole. L’operatore può facilmente riconoscere che il secondo oggetto è più cedevole del precedente. Per quanto riguarda le forze sviluppate dall’indice e dal medio queste si mantengono mediamente uguali sia nella prima che nella seconda prova di presa.
Le cose non cambiano neanche nella terza prova di presa, mostrata in figura(5.3). Infatti anche in questo caso, pur essendo l’oggetto disomogeneo, la forza sviluppata dal pollice risulta essere maggiore di quella sviluppata dalle altre due dita. Tuttavia, la maggiore forza sviluppata dal dito medio rispetto a quella sviluppata dall’indice, è giustificata in tal caso dal fatto che, nel CASR corrispondente al dito medio, viene inviata una pressione maggiore rispetto a quella mandata nell’altro CASR. In particolare in quest’ultima prova l’operatore può facilmente riconoscere che l’oggetto è disomogeneo.
Si osservi che le simulazioni ottenute sono comunque in accordo con i risultati teorici derivati dalla legge di hertz, presentata nel capitolo (2).
Capitolo 6
Conclusioni
L’obiettivo del presente lavoro è stato quello di progettare e realizzare un display tattile in grado di simulare un’interazione multi contatto con ogget- ti virtuali, privilegiando la sensazione cutanea. La principale motivazione è che la maggior parte dei dispositivi aptici commerciali sono tipicamente cinestetici e hanno un’interazione con l’ambiente virtuale stabilita attraverso un solo punto di contatto. Le ulteriori specifiche che sono state poste come obiettivo riguardano la leggerezza, la portabilità, il minimo ingombro e la facile realizzazione.
Il punto di partenza del nostro studio è stato il CASR (Contact Area Spread Rate) display, precedentemente studiato presso il Centro Interdipar- timentale di Ricerca E. Piaggio”. L’ipotesi su cui si basa il dispositivo CASR, è che la maggior parte delle informazioni tattili necessarie per discriminare la morbidezza degli oggetti tramite interazione tattile è regolata dalla legge che lega la forza e l’area di contatto, ossia il rapporto con cui l’area di con- tatto aumenta sul dito man mano che questo viene premuto sempre con più forza sull’oggetto. La conferma teorica di questa osservazione è giustificabile utilizzando la teoria standard di Hertz sul contatto tra due corpi elastici.
Per consentire la presa multi dito il dispositivo che è stato realizzato si compone di tre differenti CASR display montati in configurazione pressochè radiale. Più precisamente la loro disposizione è stata studiata in modo da garantire una presa ergonomica, svolgendo test psicofisici su oggetti cilindrici
dimensioni di ingombro massime consentite per una presa comoda da parte di una mano di medie dimensioni.
Il dispositivo è stato dotato di opportuni sensori di posizione ad effetto Hall e sensori di forza (i dettagli sono riportati in AppendiceA).
Come sensori di forza la scelta è stata fatta tra due diversi tipi di celle di carico che hanno dato lo spunto per due differenti soluzioni costruttive.
La prima soluzione prevede l’impiego di una cella di carico di tipo a bot- tone in grado di misurare solo carichi di compressione. Ciò, ha permesso di realizzare un dispositivo con dimensioni ridotte di ingombro, basso peso, e semplice da costruire anche se presenta lo svantaggio di un non perfet- to allineamento del dito medio secondo il giusto angolo di presa valutato con l’indagine psicofisica (Par.4.5.1). La seconda soluzione considera, in- vece, l’impiego di una cella di carico che consente la lettura della forza sia in trazione che in compressione. Ciò, ha consentito di realizzare una seconda soluzione costruttiva che presenta un posizionamento delle dita leggermente più ergonomico del primo e minori attriti ma con lo svantaggio di un mag- giore ingombro e peso e, con un CASR di difficile realizzazione (Par.4.5.2). Considerando i vantaggi e gli svantaggi di entrambe le soluzioni si è optato per la realizzazione della prima soluzione.
Gli aspetti di maggiore innovazione introdotti dal nuovo dispositivo, rispet- to all’impiego del vecchio CASR, sono rappresentati dalle dimensioni molto più contenute dei singoli CASR, dalle minori perdite di pressione, dai tre punti di contatto, e dall’impiego di opportuni sensori di forza.
Per verificare infine l’efficacia e la funzionalità del dispositivo si è reso necessario preparare un opportuno setup sperimentale.
Il sistema di controllo finale sviluppato ed implementato in ambiente Mat- lab, è in grado di impostare, modulando le pressioni delle servovalvole, in modo indipendente, la cedevolezza di ogni componente CASR. Inoltre è pos- sibile misurare con precisione le forze e la deformazioni di ogni dito durante l’esplorazione degli oggetti virtuali simulati.
In particolare è stato possibile simulare delle sfere deformabili omogenee e disomogenee in termini di consistenza e sono state monitorate sia le defor-
mazioni che le forze imposte sul provino in fase di esplorazione e presa. I risultati sperimentali ottenuti e riportati nel capitolo (5) sono in accordo con i risultati teorici ricavati dalla teoria hertziana.
Appendice A
Sensori di Forza e di posizione
A.1
Principi di funzionamento dei sensori ad
effetto Hall
I sensori più versatili, con grande sensibilità e capacità di determinare anche la direzione del campo magnetico, sono quelli che sfruttano l’effetto Hall in un cristallo semiconduttore.
L’effetto Hall è schematicamente il seguente: in un semiconduttore di forma parallelepipeda, rappresentato in figura(A.1) immerso in un campo
Figura A.1: Schema di funzionamento delle’effetto Hall.
Gli elettroni acquistano una velocità di deriva vd = mEx nel campo elet- trico Ex, e sono quindi soggetti alla forza di Lorentz FL= qνdB, che agisce nel verso delle y negative.
Essi quindi tendono ad accumularsi sulla faccia del semiconduttore per- pendicolare all’asse y.
Questo accumulo di cariche porta alla formazione di una differenza di potenziale VH fra le due facce del campione perpendicolari all’asse y, e quindi di un campo elettrico EH tale che la forza elettrica qEH sia uguale ed opposta alla forza di Lorentz, cioè EH = µExB.
Ricordando le definizioni di campo elettrico, di resistività r e la legge di Ohm, si ottengono le relazioni
• VH = EH/b,
• Ex = Vx/l = RIx/l, • R = r(l/bc),
che forniscono VH = µ(r/c)IxB. Si vede quindi che la tensione di Hall è proporzionale al campo magnetico, e alla densità di corrente, tramite un coefficiente che include la mobilità dei portatori di carica µ, la resistività r e lo spessore del campione c.