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Macchelli A.
"Controllo di un sistema robotico per l'interazione con realtà virtuale"
 
Type Master Thesis
Author(s) Macchelli A.
Title Controllo di un sistema robotico per l'interazione con realtà virtuale
Editor Università degli Studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - DEIS
Keywords Realtà virtuale, Sistemi operativi Real-Time, Interfacce haptic, Controllo dell'interazione, Manipolatore a fili
Abstract

Il termine haptic si riferisce a quella parte della fisiologia che si occupa del senso del tatto: è divenuto il vocabolo tramite il quale si qualificano gli studi e le tecnologie che fanno riferimento a questo senso. Tale canale di comunicazione coinvolge due sensi cognitivi: il tatto vero e proprio, che fornisce consapevolezza a stimoli che avvengono sulla superficie del corpo, ed il senso cinestetico che fornisce informazioni sulla posizione del proprio corpo ed i suoi movimenti. Caratteristica fondamentale del tatto, che influenza evidentemente la natura stessa delle interfacce haptic, è la bidirezionalità nello scambio di informazioni. La percezione avviene con uno scambio di energia meccanica e di informazioni tra il corpo e l'ambiente che lo circonda.

Si deduce che un'interfaccia haptic deve essere progettata in modo tale che possa "leggere" e "scrivere" la parte del corpo umano con cui interagisce.
La fase di lettura è relativamente semplice da realizzare: esiste in commercio un grande numero di dispositivi che possono essere utilizzati a tale scopo (si pensi ai joystick, alle tastiere, ai dispositivi di puntamento) e la realizzazione di nuovi non presenta grosse difficoltà concettuali.
La vera difficoltà risiede nel processo di scrittura, durante il quale l'interazione deve essere resa reale, ovvero i sensi cognitivi di cui sopra devono essere sollecitati in modo credibile e coerente con il contesto dal sistema di attuazione. Il fatto di dover interagire direttamente con il corpo umano ed in modo bi-direzionale rende la progettazione di tali dispositivi, così come la loro valutazione, abbastanza complessa.

L'obbiettivo di questa tesi è stato quello di riunire in un prototipo funzionante il lavoro svolto da gruppi diversi (visione, controllo, meccanica), quindi di testare in modo sistematico le prestazioni dello stesso su un certo numero di volontari. L'implementazione del dispositivo in tutti i suoi componenti fondamentali è stata portata a termine sviluppando il software di controllo in ambiente real-time, descritto nel capitolo 3, ed un miglioramento notevole delle prestazioni del dispositivo robotico è stato ottenuto con l'introduzione del nuovo controllo dei motori, descritto nel capitolo 2.
Di notevole importanza è stato, poi, completare lo sviluppo del protocollo di rete per lo scambio delle mappe di disparità tra stazione di acquisizione e di controllo, e ciò ha portato a sfruttare appieno le caratteristiche sia dell'hardware che del software di visione, migliorando conseguentemente la risoluzione con cui le scene possono essere percepite tramite l'interfaccia haptic.
Il passo successivo è stata la formulazione delle prove sperimentali e la raccolta e rielaborazione dei dati relativi: gli esperimenti con volontari hanno messo in luce la bontà del sistema nel ricostruire i movimenti degli oggetti nello spazio, le loro distanze relative e rispetto all'osservatore e le dimensioni in termini qualitativi: tutte queste funzioni sono svolte con successo da uno strumento più semplice, il bastone per ciechi, ma fa piacere constatare che, allo stato attuale, il VIDET sarebbe in grado di prenderne il posto.
La percezione delle forme, invece, è ancora lontana dalle possibilità che il sistema meccanico ed il controllo offrono, essendo limitata dalle prestazioni del software di matching: pensiamo che, con l'introduzione dei filtri simulati e discussi nel capitolo 4, le prestazioni globali saranno destinate a crescere. Un salto di qualità potrebbe essere fatto scegliendo anche un sistema di telecamere stereoscopiche dotato di una maggiore risoluzione.
Le prove con volontari dovranno, poi, coinvolgere anche persone "realmente" non vedenti, soprattutto per stabilire una volta per tutte se gli errori in fase di riconoscimento sono da attribuirsi alla disabitudine nell'uso del tatto come strumento di osservazione.
Sarebbe quantomai auspicabile passare da un procedimento di interpolazione basato sui triangoli di Delaunay ad un metodo che facesse uso di superfici interpolanti, in modo da fornire all'utilizzatore una superficie virtuale dotata, oltre della continuità semplice, anche della continuità sulla derivata nei tratti di raccordo: ciò renderebbe l'esplorazione della scena più confortevole e più ricca di dettaglio.

Passando ad una prospettiva temporale di più lunga scadenza, il lavoro fondamentale dovrà riguardare l'integrazione del tutto in un dispositivo effettivamente portabile: il problema fondamentale da risolvere sarà quello dell'alimentazione, ovvero riuscire a costruire un sistema di attuazione efficace, ma non troppo oneroso in termini di energia. In questa ottica, risulta interessante l'ulteriore sviluppo dell'interfaccia VIDET ad un solo filo, che potrà essere aggiornata con i contenuti del presente lavoro in termini di sistema di controllo e da un punto di vista meccanico con la terminazione di un nuovo tipo di sensore attualmente in lavorazione presso il D.I.E.M.. Tale interfaccia presenta, inoltre, notevoli vantaggi in termini di usabilità, versatilità ed ingombri.

Il futuro di questo tipo di interfaccia passa, secondo me, proprio attraverso una sua realizzazione che preveda l'utilizzo di un solo filo, soprattutto per via dei minori ingombri e del minore impaccio che una realizzazione monofilo del VIDET comporta. Il lavoro sviluppato con la presente tesi è facilmente portabile a questa nuova versione dell'interfaccia, che godrà già da subito di un versatile sistema di controllo RT e di un valido meccanismo di acquisizione ed elaborazione delle immagini.

Anche se ritengo altamente improbabile che in un prossimo futuro le persone non vedenti potranno girare il mondo con il VIDET sulle spalle, le conoscenze acquisite nello sviluppo di tale progetto sono notevoli: sono stati creati un sistema di visione tridimensionale in tempo reale dotato di buone caratteristiche, un sistema di controllo real-time la cui struttura è adattabile ad ogni tipo di controllo di complessità analoga ed un sistema di comunicazione e sincronizzazione via rete tra due software che operano in tempo reale. E' stato prodotto un insieme di conoscenze che possono essere, dunque, il punto di partenza e di ispirazione per altri nuovi progetti nei campi più diversi.

Notes
Relatore:
Chiar.mo Prof. Ing. Claudio Melchiorri
Correlatori:
Ing. Paolo Arcara
Ing. Daniele Arduini
Year 2000


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