Possiamo considerare come percezione aptica il processo di riconoscimento degli oggetti at-traverso il tatto. Tale percezione deriva dalla combinazione tra la percezione tattile, data dagli oggetti sulla superficie della pelle (si riconosce la conformazione e la rugosità degli og-getti) e la propriocezione derivante dalla capacità di percepire la posizione della mano nello spazio.
Negli anno ‘60 del secolo scorso, contemporaneamente alla nascita ed allo sviluppo della robotica, sono nate le tecnologie aptiche.
Inizialmente, queste tecnologie hanno trovato la loro applicazione nello sviluppo di sistemi per il controllo remoto di robot e dei bracci robotizzati, sia nell’ambito di voli spaziali, sia nel trattamento di materiali altamente nocivi per l’uomo (come ad esempio i combustibili utilizzati nelle centrali nucleari). Il primo sistema robotizzato master-slave controllato in forza, è stato sviluppato nel 1951 da Raymond Goertz che, per la commissione per l’energia atomica, realizzò, presso il “Argonne National Laboratory”, un manipolatore master-slave per la manipolazione di materiale radioattivo; ancora oggi questo robot è considerato la pietra miliare del controllo in forza. Le prime applicazioni impiegavano, in genere, un’interfaccia uomo-macchina (Human Machine Interface, HMI) connessa fisicamente con il dispositivo controllato, ma incapace di effettuare il force feedback, quindi non in grado di restituire sensazioni tattili o cinestetiche. Solo a partire dalla seconda metà degli anni ’80 sono state sviluppate le prime interfacce aptiche in grado di effettuare il force feedback, costituite da sistemi robotici collegati tramite la rete. Ciò ha permesso la nascita di innumerevoli nuove applicazioni basate sul controllo remoto e sensorizzato.
6.1. Dispositivi aptici
Le interfacce aptiche (Figura 6.1) sono dispositivi robotici, atti a gestire l’interazione tra uo-mo e computer. Questo tipo di interfacce manovrano robot in ambiente reale o virtuale ed desercitano all’operatore (feedback), in modo interattivo, degli stimoli, che inducono perce-zioni tattili e di forza. Tali dispositivi, a differenza delle comuni interfacce, non interagiscono con l’operatore, soltanto attraverso i canali uditivo e visivo, ma anche sfruttando il canale tattile (recettori posizionati sotto la pelle) e quello cinestetico (capacità di percepire il peso, la posizione ed il movimento del proprio corpo): in questo modo è possibile simulare, ad esempio, un campo di forze, oppure la rugosità superficiale di un oggetto. In [42] è presente un esempio di interfaccia ibrida che combina il senso tattile e cinestetico.
Figura 6.1.: Interfacce aptiche: dispositivi tattili che stimolano la pelle per creare la sensa-zione di contatto;dispositivi cinestetici che applicano forze per guidare o inibire i movimenti del corpo; dispositivi ibridi combinano ritorno tattile e cinestetico
La peculiarità delle interfacce aptiche è legata alla possibilità di avere delle proprietà mec-caniche programmabili e permettere di realizzare uno scambio bidirezionale di informazioni tra l’operatore ed il mondo esterno. Questa bidirezionalità contraddistingue le interfacce aptiche dalle più convenzionali interfacce uomo-macchina, come ad esempio mouse e tastie-ra. Un dispositivo aptico deve essere progettato per leggere e scrivere da e verso la “mano umana”.
Le interfacce aptiche sono a tutti gli effetti dei robot, vanno perciò trattate come tali; la loro peculiarità è quella di interagire direttamente con l’operatore, generalmente attraverso le sue mani. I movimenti dell’end-effector, che tipicamente è il punto di contatto tra operatore ed interfaccia, vengono imposti dall’operatore e rilevati da un sistema di controllo che aziona gli attuatori in modo da fornire all’utente il feedback di forza in funzione dello stato del sistema; per questo motivo una parte molto importante delle interfacce aptiche è costituita dall’insieme di algoritmi che correlano le informazioni ricevute dai sensori con gli input da inviare agli attuatori.
Affinchè un’interfaccia aptica possa essere ritenuta idonea alla simulazione dell’interazione fisica con l’ambiente virtuale o reale, deve possedere tre caratteristiche fondamentali:
• Elevata trasparenza: Durante la fase in cui non si determinano interazioni con l’am-biente circostante, l’utente non deve avvertire la presenza del dispositivo aptico. Dal punto di vista tecnico, occorre ridurre al minimo le forze, indotte sull’operatore, dovute al peso proprio del dispositivo, agli attriti interni ed alle masse in movimento (forze inerziali). Questa condizione può essere ottenuta sia agendo, in fase di progetto, sul-la componente meccanica del dispositivo (ottimizzazione delsul-la cinematica, scelta dei sistemi di trasmissione, configurazione dei vincoli strutturali, etc.) sia su quella di controllo degli attuatori (utilizzo di opportune tecniche di compensazione dell’attrito, dell’inerzia e della gravità).
• Elevata rigidezza: Durante la fase di interazione, il dispositivo deve essere in grado di indurre realisticamente la percezione del contatto con gli oggetti. Questi ultimi, nel caso limite, possono essere infinitamente rigidi. Il dispositivo, quindi, dovrà essere in grado di mostrare all’operatore rigidezze sufficientemente elevate. Anche in questo caso si può agire sia sulla componente meccanica (trasmissioni, parti strutturali) sia sulla componente di controllo (elevato guadagno d’anello).
• Elevata banda passante: Durante la transizione tra la fase di non contatto e quella di contatto, il dispositivo deve essere in grado di generare delle forze con elevata di-namica temporale (alto contenuto spettrale). Questo è particolarmente vero nel caso
fosse necessario simulare degli urti con oggetti rigidi. Questa caratteristica può essere ottenuta aumentando la frequenza propria del sistema controllato.
6.2. Classificazione dispositivi aptici
In letteratura esistono piu metodologie per la classificazione delle interfacce aptiche [43] si possono suddividere in desktop, se la base è fissa, oppure in non-desktop che possono, per esempio, essere indossati. Una seconda suddivisione può essere fatta analizzando il principio meccanico che ne determina il funzionamento. Possiamo trovare dispositivi a impedenza e dispositivi ad ammettenza.
Le interfacce aptiche (Figura 6.2) possono essere classificate anche in funzione del loro numero di gradi di libertà; in generale si distingue tra:
• Dispositivi con un numero ridotto di gradi di libertà: Questi dispositivi permettono di controllare al massimo 2 o 3 DOF (gradi di libertà ); in genere due traslazioni e una rotazione o le tre traslazioni nello spazio.
• Dispositivi con un alto numero di gradi di libertà: Appartengono a questa categoria quei dispositivi che mirano a riprodurre integralmente le interazioni con l’ambiente; tipicamente hanno al massimo 6 DOF. In questa categoria si ritrovano solitamente i dispositivi che sono stati progettati per essere impugnati.
• Dispositivi con un elevato numero di gradi di libertà: In questi dispositivi la simulazione delle operazioni avviene sfruttando l’interazione del sistema meccanico con diverse parti del corpo dell’operatore. Le interfacce aptiche sono impiegate, ad esempio, per riprodurre i movimenti della mano, dell’intero braccio, del torso o delle gambe; il dispositivo finale assumerà la forma di un esoscheletro il cui peso viene completamente o parzialmente sorretto dall’uomo.
Figura 6.2.: Manopola aptica 1 DOF; Phantom Omni 6 DOF; Guanto virtuale (Cyberglove) Di seguito, verranno elencati altri criteri, secondo i quali è possibile classificare le interfacce aptiche:
• Tipo di cinematica: in questo caso si distingue tra architettura seriale, parallela oppure ibrida
• Numero di punti di contatto: in tal caso il dispositivo si classifica in funzione dell’in-terazione uomo-interfaccia, ossia se l’interfaccia aptica è in contatto con l’operatore in un solo punto (single-point), in almeno due punti (multi-point) oppure se è con-nessa per mezzo di un utensile analogo a quello necessario per eseguire le operazioni (task-replica).
• Morfologia costruttiva: secondo questo criterio le interfacce aptiche vengono distin-te a seconda che siano antropomorfe (riproducono la struttura cinematica dell’arto), portabili oppure desktop (un link della catena cinematica ‘e posizionato a terra).
6.2.1. Macchine a cinematica parallela
I robot a cinematica parallela, meglio conosciuti come PKM (Parallel Kinematic Machine), sono manipolatori in cui l’end-effector è collegato alla base fissa mediante almeno due catene cinematiche indipendenti. Tali dispositivi si distinguono dai più comuni robot per la capacità di realizzare delle traiettorie con un’elevata dinamica all’interno del proprio volume di lavoro, mantenendo buone precisioni e consentendo di sopportare elevate forze. Generalmente questa categoria di robot è caratterizzata dall’avere almeno una base fissa, una piattaforma mobile ed una serie di arti (limb o leg) che congiungono le due piattaforme, realizzando così delle catene cinematiche chiuse.
Attraverso un buon progetto della struttura è possibile posizionare tutti i motori a terra (sulla base fissa), permettendo quindi di ridurre le masse in movimento e conseguentemente, a parità di potenza installata, ottenere delle accelerazioni dell’end-effector più elevate. Questa tipologia di robot porta con se anche degli aspetti negativi legati principalmente al volume di lavoro ed a problematiche di tipo costruttivo. Per quanto riguarda il primo aspetto, il volume di lavoro dei PKM è ridotto se paragonato a quello di un robot seriale. Inoltre, all’interno del volume di lavoro, esistono dei punti in cui il robot assume delle configurazioni singolari. Da un punto di vista costruttivo, l’aspetto più critico è rappresentato dalla presenza dei giunti passivi cardanici e sferici che, caratterizzati da giochi ed imprecisioni di lavorazione, portano a diminuire la rigidezza teorica della struttura.
Infine, a differenza dei robot seriali, lo studio della cinematica diretta ed il calcolo del numero di gradi di libertà del manipolatore risultano essere più difficili e meno intuitivi.
6.2.2. Robot 3 DOF moto traslazionale
La categoria di manipolatori a 3 gradi di libertà (DOF) per moto traslatorio ha riscosso un grande successo, attirando infatti l’attenzione di numerosi ricercatori. Possiamo, a nostro avviso, affermare, che questo tipo di architettura consente di beneficiare dei vantaggi dati da una struttura parallela senza limitare troppo l’area di lavoro, complicare eccessivamente la cinematica (spesso risolvibile in forma chiusa) e incorrere in problemi costruttivi. Il manipolatore più famoso appartenente a questa categoria è il robot Delta ideato da Clavel [44] nel 1985 ed ultimato nel 1988.(Schema del robot Delta di Clavel.) Come è possibile notare in Figura 6.3, il robot è costituito da una base fissa, sulla quale sono incernierate tre aste equispaziate a 120ř nel piano e comandate da motori elettrici; all’altra estremità di ogni asta è invece, collegato, per mezzo di una cerniera, un parallelogramma articolato, costituito da quattro aste rigide e quattro giunti sferici.
Figure 6.3.: Il robot Delta a 3 DOF traslazionali
L’altra estremità dei parallelogrammi viene collegata, anche qui, tramite delle cerniere, alla base mobile del robot con la medesima distribuzione della base fissa (equispaziate a 120ř nel piano). Originariamente questo robot venne concepito per applicazioni di pick&place, con l’obiettivo di riposizionare oggetti molto leggeri (1030 grammi) ad una distanza di 20 cm e con una frequenza di tre volte al secondo: questa è la motivazione per quale la sua struttura scheletrica risulta essere molto leggera. I principali problemi del robot,appena descritto, sono le numerose configurazioni singolari entro lo spazio di lavoro e le difficoltà nel realizzare un parallelogramma di sufficiente precisione.
6.2.3. Dispositivi aptici con ritorno di forza
Una netta differenza tra le interfacce aptiche è se sono feedback tattile o cinestetico. Un dispositivo di feedback tattile stimola il contatto della pelle per creare sensationsm tattile mentre un dispositivo cinestetica crea campo di forza per guidare o inibire il movimento del corpo. Il disegno del dispositivo tattile è generalmente difficile perché la densità di stimolazione deve essere elevata, il che rende il dispositivo ingombrante e meno portabile. La sfida principale della progettazione del dispositivo cinestetica è limitata area di lavoro e rigidità. Dispositivo con qualità sufficiente può essere molto costoso. Ad esempio, sigma 7 da Forza Dimension costa circa 80 mila dollari e il costo di manutenzione è più di $ 3000 all’anno. Un’altra sfida del dispositivo cinestetica è la sua struttura ingombrante e di solito è costretto a superficie piana come una scrivania. Le strutture meccaniche utilizzate in cinestetica escogitare aptico possono essere suddivisi in meccanismi seriali, parallele e ibridi.
6.2.3.1. Architettura di controllo
Esistono due principali modi in cui un dispositivo aptico può essere controllato; controllo di impedenza e di controllo di ammettenza.
• Il sistema di controllo di impedenza: il movimento del dispositivo (posizione, orienta-zione) rappresentano ingressi specificati dall’utente ed il sistema di controllo risponde con una forza. Il ciclo interazione di base tra utente e sistema di controllo è "spostamen-to ingresso - forza in uscita". Un primo esempio di sistema di controllo di impedenza ben noto è rappresentato dai dispositivi della Sensable come il PHANTOM [45].
• Il sistema di controllo di ammettenza: Il ciclo interazione di base tra utente e sistema di controllo è "forza in - spostamento in uscita". Un primo esempio di sistema di controllo ingresso è FCS Haptic Master [46].
• Il sistema di controllo ibrido: il tipo di uscita (forza o posizione) sarà usato per deter-minare la classe del sistema di controllo, di solito chiamato sistema di controllo ibrido. Un primo esempio di sistema di controllo ibrido è VISHARD6 dispositivi tattili seriali [47].
6.3. Novint Falcon
Il dispositivo aptico utilizzato in questa tesi (Figura 6.4) è il Novint Falcon [48]. Si basa sulla configurazione Delta-3 robot proposta da Thai [49], dove l’end-effector ha 3 gradi di libertà traslazionali. È molto simile al robot delta introdotto da Clavel nel 1987 [50, 44], ma la Novint Falcon sostituisce i giunti sferiche con singoli giunti rotoidali per ridurre il costo di produzione.
Figura 6.4.: Novint Falcon haptic interface (Novint Technologies)
La Novint Falcon è azionata da tre attuatori Mabuchi RS-555PH-15.280 controllati da encoder coassiali a 320 linee per giro. La coppia è trasmesso con una fune tesata invece di un sistema di ingranaggi, consentendo un basso attrito ed un basso costo di manutenzione.
La piattaforma mobile è collegato alla base da tre arti paralleli e identici. Ogni arto è costituito da un avambraccio e un braccio superiore. La Novint Falcon è stata creata princi-palmente per l’industria del gaming. La Società Novint ha fornito poche informazioni sulla modellazione per scopi di ricerca. In [51] sono riportate alcune caratteristiche geometriche del dispositivo Novint Falcon, come ad esempio le dimensioni dei links, le proprietà inerziali e di attuazione.
Una panoramica sulle interfacce aptiche attualmente disponibili viene riportata in sezione A.2.
6.3.1. Libreria libnifalcon
Grazie alla massiccia distribuzione del dispositivo Novint Falcon, come un nuovo tipo di con-troller di gioco USB, è stata creata una libreria open source alternativa chiamata libnifalcon [52]. La libreria libnifalcon è scritta nel linguaggio di programmazione C ++ e rilasciata sotto licenza BSD. La libreria funziona su Microsoft Windows, Linux e sistemi operativi Mac OS X, utilizza due librerie di accesso USB differenti:
• libusb 1.0 16 - una libreria multipiattaforma open source preferito su sistemi X Linux e Mac OS
• ftd2xx 17 - libreria utilizzata dal driver originale Novint Falcon preferito su sistemi Windows
Il driver fornisce la comunicazione, il caricamento del firmware sul dispositivo, un algoritmo di cinematica e la gestione degli interruttori presenti sul grip del dispositivo. Lo sviluppo della libreria è ancora in corso e l’obiettivo principale è rivolto a migliorare le prestazioni sulla comunicazione.
Per accedere alla Novint Falcon è necessario agire su 4 livelli: • Comunicazione
• Firmware
• Cinematica: la capacità di ottenere la posizione dell’end-effector e di applicare le forze su esso.
• Grip: Accede alle caratteristiche del grip (interruttori, e led)
6.4. Implementazione aptica
L’interfaccia aptica utilizzata in questa tesi è la Novint Falcon. Abbiamo utilizzato la libreria open source libnifalcon su Ubuntu 12.04 per poter comunicare con essa ed inviare la forza all’operatore.
Al fine di implementare il controllo a basso livello lato interfaccia e leggere le informazioni provenienti da ROS, abbiamo sviluppato un driver per la Novint Falcon. Per il raggiun-gimento dell’obiettivo, postoci, il nostro codice è stato sviluppato su Eclipse. Infine, per poter includere le librerie libnifalcon e contemporaneamente le librerie di ROS, abbiamo configurato il nostro integrated development environment (IDE). Inoltre,si è reso necessario fornire delle precise direttive al compilatore gcc per poter compilare ed includere le librerie libnifalcon.
Il driver implementato (Figura 6.5) è composto da una classe chiamata FalconHapitc e da un nodo ros chiamato rosfalcon. In figura ... si mostra le funzionalità di questo driver il quale è composto da tre thread. Il primo thread si occupa di gestire l’interfaccia a basso livello (lettura della posizione dell’interfaccia, stima della velocità, invio dei comandi ai motori„ etc..) e viene chiamato ogni 1Khz. Il secondo thread, che viene richiamato ogni 10 Hz invia su ROS i comandi di velocità del il robot sul topic /cmd_vel, ed inoltre invia su ROS la posizione e la velocità stimata dell’end-effector della Novint Falcon. L’ultimo thread invece si viene richiamato a 5Hz e si occupa della lettura dei bottoni presenti sul grip dell’interfaccia. Mediante questi bottono l’operatore può passare dalla modalità di navigazione standard alla modalità di navigazione ottima. Inoltre può decidere di disattivare gli algoritmi di assistenza, ovvero di guidare il veicolo senza ritorno di forza. Ed infine con un altro bottone può cambiare i profili di forza per la modalità di navigazione costiera e la modalità di navigazione ottima.
