Método y aparato para control háptico.

Un método de simulación de movimiento, comprendiendo el método las etapas de:

proporcionar al menos seis grados de libertad de movimiento a un usuario asociando de forma operativa un brazorobot antropomórfico (99) con un receptáculo del usuario (97) para alojar todo el cuerpo del usuario, en el que elbrazo robot (99) está adaptado para situar el receptáculo del usuario (97) en cualquier lugar en el plano X, Y y Z deun sistema de coordenadas cartesianas con cualquier orientación;

proporcionar retroalimentación háptica al usuario en correspondencia con el movimiento del receptáculo del usuario(97) además de la sensación háptica en todo el cuerpo proporcionada por el brazo robot en solitario.

Método y aparato para control háptico

Campo de la invención La presente invención se refiere al campo del establecimiento de interfaces a distancia utilizando tecnología háptica. "Háptica" se refiere al sentido del tacto y, como tal, cualquier tecnología que crea una sensación de tacto o, sensación o sensaciones de retroalimentación generalmente sensoriales a un operario humano puede clasificarse como tecnología háptica.

Antecedentes de la invención En toda esta memoria descriptiva, el uso de la palabra “inventor” en forma singular puede tomarse como referencia a uno de (singular) o todos (plural) los inventores de la presente invención. El inventor ha identificado la siguiente técnica relacionada.

En general, el campo de la háptica se refiere al desarrollo, ensayo y refinamiento de dispositivos de retroalimentación táctiles y de fuerza y el software de soporte que permite a los usuarios detectar o “sentir”, y manipular objetos o un entorno virtual con respecto a atributos tales como forma, peso, texturas superficiales, temperatura y demás.

Generalmente, puede afirmarse que de los cinco sentidos, concretamente vista, oído, olfato, tacto y gusto, son la vista, el oído y el tacto los que proporcionan la mayor cantidad de información sobre un entorno, donde los otros sentidos son más sutiles.

En seres humanos, la detección táctil generalmente se consigue por medio de células receptoras ubicadas cerca de la superficie de la piel, cuya mayor densidad puede encontrarse en las manos. Estos receptores pueden percibir vibraciones de hasta aproximadamente 300 Hz. Por lo tanto, en una interfaz háptica, la retroalimentación táctil puede implicar generalmente sensaciones de frecuencia relativamente alta aplicadas en las proximidades de la superficie de la piel, habitualmente en respuesta al contacto, como tal, entre un usuario y un objeto virtual. Por el contrario, la detección humana de fuerzas puede considerarse como de naturaleza más cinestésica, y puede conseguirse generalmente mediante receptores situados a mayor profundidad en el cuerpo. Estos receptores están ubicados en músculos, tendones y articulaciones y pueden ser estimulados mediante el movimiento y la carga de las partes del

cuerpo de un usuario. La frecuencia de estímulo de estos receptores puede ser mucho menor, estando en el intervalo de aproximadamente 0-10 Hz. Por consiguiente, en una interfaz háptica, la retroalimentación de fuerza puede comprender fuerzas artificiales ejercidas directamente sobre el usuario desde alguna fuente externa.

Por lo tanto, puede considerarse que hay dos aspectos para el sentido del tacto; en primer lugar el que proporciona información cinestésica y en segundo lugar el que proporciona información táctil. La información cinestésica que un usuario percibe sobre un objeto son propiedades groseras tales como su posición en el espacio, y si las superficies son deformables o elásticas al tacto. Puede considerarse que la información táctil transmite la textura o aspereza de un objeto que está siendo “tocado”. Es deseable que se usen ambos tipos de información “del tacto” en una interfaz háptica realista.

Las interfaces hápticas son sistemas que permiten a un usuario interactuar con un entorno virtual detectando los movimientos de un usuario y a continuación transmitiendo esta información al entorno virtual. Además de esta interacción, al usuario se le proporciona retroalimentación sensorial que refleja sus acciones dentro de este entorno y, como resultado, es el diseño de la interfaz háptica el que transmite el nivel de interactividad sensorial entre el usuario y el entorno virtual.

Un dispositivo desarrollado por M.I.T and SensAble Technologies, Inc, se denomina la interfaz PHANToM™ (Mecanismo de Interfaz Háptica Personal) , que se usa ampliamente en el campo de la háptica computarizada. La interfaz PHANToM™ puede permitir a un usuario sentir las fuerzas de interacción que experimentarían tocando una 55 versión real de un objeto con un lápiz o la punta de su dedo.

La mayoría de dispositivos hápticos son dispositivos de mesa, tales como los comercializados en la gama PHANToM™ incluyendo PHANToM omni™ y PHANToM premium™. Otros dispositivos son generalmente dispositivos que se pueden llevar puestos tales como guantes y trajes hápticos y pueden tener altos grados de libertad y por consiguiente son muy caros. Los dispositivos hápticos de menor coste son habitualmente dispositivos de mesa dado que tienen menos grados de libertad (DOF) controlados/accionados en comparación con sus DOF totales. Por ejemplo, el PHANToM omni™ tiene 6 DOF sin embargo solamente 3 de estos están accionados y, por lo tanto, se considera que este dispositivo solamente proporciona interactividad limitada, es decir los sensores son más fáciles y más baratos de instalar que los motores. Por consiguiente, actualmente, ciertos dispositivos hápticos de 65 menor coste comercializados con la marca PHANToM™ muestran una retroalimentación de fuerza que está disponible solamente para tres grados de libertad, concretamente, en las dimensiones lineales (x, y, z) de los seis grados de libertad completos.

Durante la fase de diseño de una interfaz háptica, es necesario determinar el número de sensores y accionadores a usar en la interfaz de modo que el nivel de interacción proporcione la retroalimentación de fuerza de la más alta 5 calidad. En diseños de interfaz existentes, el inventor es testigo del uso de una mayor relación de sensor con respecto a accionador, que da como resultado una experiencia dimensional altamente interactiva, pero tiene un nivel de retroalimentación sensorial reducido. La introducción de mayores números de sensores se debe principalmente a las dificultades para diseñar un sistema de retroalimentación de fuerza completamente transparente con altos grados de libertad. Otro colaborador es el factor de bajo coste para la implementación comercial de más sensores respecto a accionadores.

La transparencia permite a un usuario sentir fuerzas realistas sin ajustarse a problemas mecánicos tales como reacción antagónica y el peso de la propia interfaz. Es comprensible, por lo tanto, ver interfaces de mayor transparencia en un sistema comercial de bajo coste, dado que utiliza menos grados de libertad que proporcionan retroalimentación de fuerza. Los dispositivos más complejos y, por lo tanto, más caros ofrecen por consiguiente menos transparencia; sin embargo proporcionan mayor capacidad de usa para los requisitos de renderizar e interactuar con mundos virtuales ricos y complejos.

Las actuales interfaces de bajo coste tienen limitaciones que se ha reconocido que proporcionan ciertas restricciones al usuario para interactuar con el entorno virtual. Una de estas restricciones es la capacidad de agarrar y manipular objetos virtuales con retroalimentación sensorial/de fuerza. Agarrar es una de las capacidades más básicas de la interacción humana, aunque ha demostrado ser una de las más difíciles de conseguir con respecto al diseño de una interfaz háptica.

Los intentos tempranos de simular el agarre se basaban en el uso de dispositivos con dos, tres grados de libertad (DOF) . Aunque esta configuración proporciona una simulación muy realista, se requiere una cantidad significativa de espacio de trabajo, lo que es muy limitante si se realiza un intento de utilizar una estrategia de dos manos. Se han producido varios intentos de desarrollar un dispositivo de mesa que sea capaz de estimular el agarre con manipulación tridimensional y retroalimentación de fuerza, sin embargo la mayoría de estos dispositivos han representado herramientas tales como herramientas laparoscópicas o endoscópicas para cirugía mínimamente invasiva. En vista de esto, también sería deseable proporcionar un dispositivo que es capaz de adaptarse a diferentes aplicaciones.

El rendimiento interactivo del dispositivo PHANToM™ depende de un único punto de interacción con el entorno virtual o manipulado a distancia. Se han realizado intentos de introducir múltiples puntos de interacción a través de la adición de mecanismos de agarre con retroalimentación de fuerza a un dispositivo háptico. Esta estrategia permite la extensión de agarre con retroalimentación de fuerza, la adición de movimiento y retroalimentación de fuerza con tres grados de libertad. Normalmente dichas adiciones pueden comprender el motor o motores impulsores y el sistema o sistemas de poleas requeridos para la función de agarre que se incluirán en el extremo del dispositivo háptico, lo que añade peso extra al sistema y da como resultado una disminución del rendimiento global.

Una potencial... [Seguir leyendo]

1. Un método de simulación de movimiento, comprendiendo el método las etapas de: proporcionar al menos seis grados de libertad de movimiento a un usuario asociando de forma operativa un brazo

robot antropomórfico (99) con un receptáculo del usuario (97) para alojar todo el cuerpo del usuario, en el que el brazo robot (99) está adaptado para situar el receptáculo del usuario (97) en cualquier lugar en el plano X, Y y Z de un sistema de coordenadas cartesianas con cualquier orientación; proporcionar retroalimentación háptica al usuario en correspondencia con el movimiento del receptáculo del usuario (97) además de la sensación háptica en todo el cuerpo proporcionada por el brazo robot en solitario.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además una o una combinación de las siguientes etapas de: proporcionar a un usuario una percepción del entorno simulado; y seguir el movimiento del usuario.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende además la etapa de una o una combinación de: generar una base de datos de movimientos empíricos constituida por datos de movimientos capturados para simular escenarios de simulación predeterminados y/o modelización; acceder a una base de datos de movimientos empíricos existente constituida por datos de movimientos capturados para simular escenarios de simulación predeterminados y/o modelización.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, en el que seguir el movimiento comprende una o una combinación de información posicional y/o de orientación del cuerpo y/o partes del cuerpo del usuario y que se obtiene mediante uno o una combinación de:

medios de captura de movimientos magnéticos; electromagnéticos; y ópticos (1112) .

5. Aparato simulador de movimientos que comprende, en combinación: un brazo robot antropomórfico (99) adaptado para proporcionar al menos seis grados de libertad de movimiento; un receptáculo del usuario (97) para alojar todo el cuerpo de un usuario, estando dicho receptáculo del usuario (97) conectado de forma operativa al brazo robot antropomórfico (99) , en el que el brazo robot (99) está adaptado para situar el receptáculo del usuario (97) en cualquier lugar en el plano X, Y y Z de un sistema de coordenadas cartesianas con cualquier orientación;

una interfaz háptica asociada de forma operativa con el receptáculo del usuario (97) para proporcionar retroalimentación háptica al usuario en correspondencia con el movimiento del receptáculo del usuario (97) además de la sensación háptica en todo el cuerpo proporcionada por el brazo robot en solitario.

6. Aparato de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende además: una interfaz de control del usuario asociada de forma operativa con el receptáculo del usuario (97) y el brazo robot

(99) para proporcionar a un usuario una percepción del entorno simulado; y dispositivos de seguimiento (1112) para seguir el movimiento del usuario.

7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la interfaz háptica está adaptada para retroalimentar el

movimiento sometido a seguimiento del usuario a la interfaz de control del usuario para adaptar la percepción del usuario del entorno simulado.

8. Aparato de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además medios de transformación para transformar la vista de un usuario mediante una cantidad negativa que complementa el movimiento sometido a seguimiento.

9. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que el movimiento sometido a seguimiento comprende uno o una combinación de: posición en coordenadas cartesianas X, Y y Z; y orientación que comprende viraje, cabeceo y rotación.

10. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en el que el aparato está adaptado para proporcionar uno o una combinación de: al menos una referencia de movimiento principal generada por el brazo robot (99) y que corresponde a la posición y/o la orientación del receptáculo del usuario (97) ; al menos una referencia de movimiento secundario generada por al menos un accionador háptico (94) provisto en el receptáculo del usuario (97) y asociado de forma operativa con el usuario; al menos una referencia de retroalimentación de fuerza generada por el al menos un accionador háptico (94) para simular fenómenos físicos encontrados por el usuario en el entorno simulado.

11. Aparato adaptado para simular movimiento, comprendiendo dicho aparato: medios procesadores adaptados para operar de acuerdo con un conjunto de instrucciones predeterminadas, estando dicho aparato, junto con dicho conjunto de instrucciones, adaptado para realizar el método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.

12. Un programa informático que comprende instrucciones para, cuando se ejecuta en un procesador, llevar a cabo el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.

Cámara de a bordo 4, 5