Тактильное управление: наработка опыта

Возрастание эффективности и роли тактильных средств управления сопровождается снижением их стоимости.

Подавляющая часть людей общается с компьютерами при помощи зрения и слуха. Однако, в некоторых случаях, самым подходящим чувством стало бы осязание. Производители в сфере компьютерных технологий признают это и расширяют использование тактильных решений.

Тактильный (от греческого слова, означающего "схватить" или "потрогать") отражает способность оборудования давать на выходе сигнал, который мы можем чувствовать, благодаря осязанию, а не видеть или слышать. Тактильный сигнал — это обычно отдача или вибрация. Насколько сильная отдача? "Маленькие аппараты выдают 3-4 ньютона [от 300 до 400 грамм], а некоторые большие — более, чем 30 Н [3 килограмма]”, — утверждает Бен Лэндон, специалист по тактильному оборудованию компании SensAble Technologies Inc.

Применение тактильных технологий

Можно выделить две основные сферы применения тактильных технологий: виртуальная реальность (в том числе игры и медицинские тренинги) и удаленное управление (или телеуправление). Хотя самой очевидной возможностью использования тактильных технологий являются компьютерные игры, аналогичные проекты существуют и в промышленности. Например, тактильные технологии предоставляют пользователям возможность потрогать и почувствовать объекты компьютерного дизайна и проектирования в системах САПР и подобных. Такие средства предоставляют обратную связь с программным приложением, в котором ведется проектирование, а полностью электронное рулевое управление и тормоза вполне реалистично реагируют на действия операторов или водителей, избавляя от массивных и сложных прямых соединений или систем с усилителями.

"Рука" Omni производства компании SensAble Technologies поддерживает позиционирование с шестью степенями свободы и силовую обратную связь

Тактильные технологии, применяемые в медицине, — это способ защитить пациента от врачебных ошибок, они обеспечивают "виртуальный" тренинг для неопытного персонала. Тактильные медицинские тренировочные системы с поражающей реалистичностью воспроизводят ощущение погружения иглы или перитонеоскопа и позволяют видеть результаты на экране, а заодно и слышать, как жалуется пациент, если что-то сделано неправильно. Такие приборы могут быть использованы для проведения стоматологических процедур и многого другого.

"Существующий сегодня процесс обучения врачей сопровождается долей риска, — считает Том Андерсон, президент компании Novint Technologies. — Во время первых 50 процедур на живом пациенте, они учатся”. В Novint есть эпидуральный и дентальный имитаторы, которые получили положительные отзывы от пользователей. Майкл Левин, вице-президент и главный менеджер по промышленным и игровым технологиям компании Immersion Corp., сообщает, что сейчас используются около 800 приборов его компании, имитирующих сосудистую систему. Они позволяют обучать студентов технике введения иглы капельницы.

Тактильные технологии также находят применение при разработке медицинских имплантатов, отмечает Боб Стейнгарт, президент и директор по производственным вопросам компании SensAble Technologies Inc. Данные компьютерного томографа поступают в виде вокселов (трехмерных объемных пикселов). Оборудование SensAble использует тот же формат. "Представьте себе человека с дыркой в черепе, — объясняет Стейнгарт. — Следует начать с модели, полученной при помощи компьютерного или магнитно-резонансного томографа. Цель — получить протез, который заполнит это отверстие. Используя нашу систему вокселов и виртуальный наполнитель — модель черепа тоже будет состоять из вокселов, — можно получить очень хорошо подогнанную синтетическую часть тела, и, главное, очень быстро. Выходные данные обычно подаются на прибор, который быстро создает прототип, а в некоторых случаях — на фрезерный станок".

"Тактильные технологии также могут быть использованы для улучшения представления данных, — отмечает Лэндон (комапния SensAble), — что дает возможность пользователю ориентироваться в целом море данных (например, сейсмическое отображение скальных пород) при помощи дополнительных средств восприятия. У Вас есть не только цвет и время, но также силовое воздействие, что поможет вам определить характер данных".

Кнопки, мыши, джойстики

Возможно, самый простой пример тактильных технологий — это регулировочные ручки, наподобие тех, которые используются для настройки радио. Оснастив такую ручку двигателем и тормозом, можно добиться различных типов фиксации, упора и даже амортизации. И все эти характеристики можно изменять по мере необходимости.

Тактильные мыши поддерживают отдачу или вибрацию, или и то и другое в качестве реакции программного обеспечения на действия пользователя. Они применяются в широком спектре задач: от игр до физиотерапии, а сейчас исследуется применение тактильной мыши в качестве инструмента ввода данных в компьютер для слепых людей. При использовании тактильной мыши возникает одна проблема. Она заключается в том, что мышь должна иметь какие-либо средства отслеживания своего абсолютного положения; сейчас для этого используют оси или нити, связанные с основой.

Робототехника наоборот: виртуальные манипуляторы

В виртуальном трехмерном мире тактильные технологии соответствуют "роботам наоборот”. Робот позволяет виртуальному миру (программному обеспечению) манипулировать реальными объектами. Тактильный прибор позволяет человеку манипулировать виртуальными объектами и чувствовать их, как если бы они были настоящими.

Сенсорный экран, оборудованный электромагнитными приводами

Тактильный сенсорный экран использует электромагнитные приводы в углах экрана, чтобы верхний слой, к которому прикасается человек, мог вибрировать (схема дана с разрешения Immersion Corp.)

Например, пользователь может взяться за манипулятор (некоторые системы используют перчатку или "кольцо"), соединенный с системой кронштейнов.

У тактильных приборов могут быть три степени свободы (3 СС), которые позволяют ощущать оси X, Y и Z, или 6 степеней свободы (6 СС), которые также чувствительны к повороту и наклону. Количество степеней свободы отражает количество изменяемых параметров. Система чувствует положение рукоятки и передает пользователю соответствующую отдачу и вибрацию с помощью встроенных двигателей и систем торможения. Когда курсор встречает виртуальный объект, оператор чувствует сопротивление, которое может быть жестким (для твердого объекта), мягким или эластичным. Если это необходимо, рукоятка может вибрировать, чтобы имитировать, например, ощущения человека, ведущего пером по неровной поверхности. Тактильные перчатки могут использоваться в физиотерапии, чтобы помочь пациентам, перенесшим сердечный приступ, вернуть силы и улучшить функции организма.

Исследователи Японского технологического университета города Тоехаши изучали возможность применения тактильных джойстиков для управления подъемными кранами с целью предотвращения столкновений. Некоторые организации занимаются разработкой систем тактильной обратной связи для хирургических роботов (которые, в действительности, дистанционно управляются). Нано-технологи пытаются интегрировать тактильные приборы в сканирующие электронные микроскопы, чтобы обеспечить чувство прикосновения при манипуляции нано-объектами.

Сенсорные экраны с обратной связью

Совсем недавно тактильные технологии стали использовать при изготовлении сенсорных экранов. Обычные сенсорные экраны позволяют оператору воздействовать на любую точку поверхности экрана, а тактильные технологии дают возможность действительно это почувствовать. Нажмите на кнопку, и вы почувствуете (а часто даже услышите) щелчок. Виртуальные кнопки могут быть любого размера или формы и находиться где угодно на экране. Тип реакции на прикосновение тоже может различаться.

В декабре 2005 года компания Volkswagen AG получила лицензию на использование тактильных технологий компании Immersion в автомобильных панелях. Вместо того, чтобы просто ощущать твердую поверхность виртуальной контрольной панели, водители чувствуют, как кнопки утапливаются и отпускаются, совсем как настоящие кнопки и переключатели. По словам Левина, пользователи, которым предлагали выбор между сенсорными экранами с тактильным откликом и без него, выказывали большое предпочтение тактильным вариантам, и если они могли выбрать только один вариант, они выбирали именно этот.

Чувство прикосновения можно воссоздать несколькими способами. Вероятно, самым прямым будет построить целый ряд подвижных контактных выводов на экране так, что поверхность действительно примет желаемую форму. Хотя такой подход и эффективен, он сложен и дорог. Более простой подход — расположить в углах экрана электромагнитные приводы, которые будут управлять движением внешней поверхности сенсорного экрана (см. схему). Исследования показали, что критическим параметром является не расстояние, а ускорение. Согласно стандарту ассоциации NEMA, смещение может составлять от 0,1 до 0,2 мм.

В то время как тактильные технологии завоевывают все большее признание в играх и тренировочных имитаторах, расширение области промышленного применения проходит медленнее. Одним из факторов, который будет способствовать расширению применения этой технологии в промышленном оборудовании, является упрощение задачи интеграции тактильных технологий в итрерфейсы.

Большинство компаний, занимающихся тактильными технологиями, предлагают целый ряд программных интерфейсов (API) для различных областей применения этих технологий и другого программного обеспечения, облегчающего разработку. Immersion Corp работает над универсальным комплектом, состоящим из небольшой круглой панели, набора приводов и руководства по эксплуатации. В панели заранее запрограммированы тактильные эффекты, любые другие можно будет дополнительно загрузить и сохранить на флэш-памяти. Компания SensAble Technologies также предлагает различные тактильные средства для своего оборудования.

Снижение стоимости также приведет к увеличению спроса на тактильные технологии. В нижнем ценовом диапазоне находится модель Falcon компании Novint с тремя степенями свободы, которая продается за 150-200$. Хотя этот прибор создан для повседневного применения, опыт показал, что некоторые потребительские электронные товары проникают в промышленный и коммерческий сектор практически без изменений. И если они производятся и продаются в количествах, характерных для розничной продажи, цены могут оказаться весьма привлекательными. Что касается надежности прибора, то, по словам Андерсона (компании Novint), эта продукция "рассчитана на то, что люди будут по ней стучать, им также захочется, чтобы она работала непрерывно в течение длительного времени, особенно, когда они играют на ней в видео игры".

Первая версия Novint Falcon поддерживала три степени свободы и стоила около 100 $

Phantom Omni компании SensAble — "рука" с шестью степенями свободы, прикрепленная к основанию, которое может располагаться на рабочем столе — стоит около 2400$ вместе с пакетом программного обеспечения. Что касается сенсорных экранов: доступны дисплеи Immersion размером до 19", цена устройства тактильной обратной связи примерно равна цене сенсорного экрана.

Хотя тактильные технологии далеко не совершенны, уже ясно, что у них многообещающее будущее в промышленной сфере. Хотя обычные мыши, скорее всего, не исчезнут, несмотря на то, что компания Novint назвала одну из своих моделей Falcon (Сокол) в честь хищной птицы, питающейся мышами, может оказаться, что не только они смогут выполнять такие функции.

се