Producenci sprzętu komputerowego koncentrują się na ulepszaniu wyświetlaczy i systemów audio, ponieważ większość informacji odbiera osoba wizualnie lub przez ucho. Tymczasem dotykowy kanał komunikacyjny pozostaje prawie bezczynny. Drgania kierownicy gry i joysticków się nie liczą. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology postanowili skorygować irytujące pominięcie. Opracowywane przez nich „ekrany dotykowe” mogą zmieniać pomysły na temat interakcji z komputerem.
Matryca takiego „wyświetlacza” może wykorzystywać liczne receptory skóry, których całkowita powierzchnia u osoby dorosłej wynosi około dwóch metrów kwadratowych. Główne opcje montażu znajdują się z tyłu (gorset) i na nadgarstku, w postaci bransoletki.
Aktywne elementy „wyświetlacza”, w zależności od scenariusza zastosowania, mogą być reprezentowane przez silniki wibracyjne lub elektrody skórne. Opcja z umieszczeniem z tyłu jest dość oryginalna. Być może wcześniej nikt nie próbował podłączyć osoby do komputera wstecz. Użytkownicy otrzymują bezpłatny masaż i zapobiegają zmęczeniu mięśni pleców, a gracze nauczą się dosłownie odczuwać plecy wroga ... lub miejsca, w którym zdecydują się naprawić urządzenie.
Średnia liczba receptorów w różnych częściach powierzchni ciała jest bardzo różna. Większość z nich spoczywa na dłoniach, ustach i języku (dlatego dzieci chwytają wszystko rękami i wsuwają do ust, ucząc się otaczającego ich świata). Są nieco mniejsze na podeszwach i bardzo mało na przedniej, tylnej i bocznych powierzchniach ciała. Razem tworzą grupę pól recepcyjnych, odzwierciedlonych w korze somatosensorycznej półkul mózgowych. Ogólny obraz jest często przedstawiany jako homunkulus czuciowy, w którym rozmiary różnych obszarów anatomicznych są proporcjonalne do liczby znajdujących się w nich receptorów.
Niska gęstość receptorów dotykowych z tyłu jest równoważona przez duży obszar i łatwy dostęp do tego obszaru. Silniki wibracyjne lub elektrody skórne mogą być wykonane stosunkowo duże, a gorset z nimi nie będzie zakłócał ruchu i łatwo ukryje się pod ubraniem.
Lynette Jones, starszy pracownik Massachusetts Institute of Technology, uważa nawigację z dotykowym sprzężeniem zwrotnym za główną aplikację tego rozwoju. W przeciwieństwie do tradycyjnych opcji nie odwracają uwagi kierowcy, ponieważ nie wymagają patrzenia na ekran i nie zawracają sobie głowy komunikatami głosowymi. Ich praca na ogół nie jest widoczna z zewnątrz, a dla pasażera pozostanie tajemnicą, jak kierowca jest tak zręcznie zorientowany w nieznanym miejscu. Wcześniej naukowcy z University of Utah zaproponowali prostszą opcję w postaci wibratora kierownicy.
Uproszczoną wersję takiej nawigacji z dotykowymi wskazówkami bez elektroniki można było zaobserwować wcześniej w ćwiczeniach wojskowych. Pośpiesznie przeszkoleni kierowcy pojazdów piechoty i transportery opancerzone są niezwykle trudne w nawigacji ze względu na ograniczoną widoczność. Dlatego kolega, spoglądając z włazu, postawił stopy na ramionach. Kiedy trzeba było skręcić w prawo, po prostu kopnął kierowcę prawą stopą, im silniejszy, tym ostrzejszy był zwrot. W porównaniu z nawigatorem GPS jego podpowiedzi głosowe były niezwykle ekspresyjne i aktualne.
Oprócz zwojów kierowca musi podać inne informacje, które będą wymagały więcej niż dwóch źródeł sygnału do zakodowania za pomocą „alfabetu dotykowego”. Jedną z wcześniej wdrożonych opcji był pas taktyczny operatora-robota, który pozwala go „wyczuć” dzięki ośmiu silnikom wibracyjnym.
Aby zbadać optymalne rozmieszczenie aktywnych elementów, Lynette Jones dokonała kilku opcji z szeregu akcelerometrów i silników wibracyjnych z telefonów komórkowych. Były przymocowane do pleców, bioder i przedramion w różnych odległościach.
Podczas eksperymentu badani zostali poproszeni o wskazanie, z ilu źródeł i gdzie dokładnie odczuwają wpływ. Na podstawie tych danych oszacowano, jak dobrze ludzie są w stanie rozpoznać dokładną lokalizację i jaka jest optymalna liczba aktywnych elementów.
Podczas testów wibracje silników krawędziowych były wskazywane najdokładniej, a obszar nadgarstka był przewidywalnie najbardziej wrażliwy. Według danych z akcelerometrów wibracje skóry tłumiły się w promieniu ośmiu milimetrów od strefy uderzenia, ale sami badani często odczuwali to trzy razy dalej.
Sugeruje to, że zmniejszenie rozmiaru urządzenia nie ma sensu. Jeśli między dwoma impulsami dotykowymi będzie mniej niż dwa i pół centymetra, wówczas większość użytkowników pomyli się przy określaniu ich lokalizacji.
Oprócz gęstości receptora, charakterystyka „dotyku” jest ograniczona przez zdolność tłumienia skóry, która zależy głównie od ilości tłuszczu podskórnego. W obszarze przedramion jego nasilenie jest zwykle minimalne, więc bransoletki wykazały ogólnie lepsze wyniki.
Najprostsza wersja w postaci dwóch bransoletek daje już co najmniej cztery punkty wpływu - na wewnętrzną i zewnętrzną stronę nadgarstka. Dodaj do tej wibracji o różnej sile i częstotliwości, a otrzymasz rodzaj systemu kodowania. Podobne zmiany zostały wcześniej przeprowadzone w Niemczech.
Po podłączeniu „dotykowego wyświetlacza” do smartfona przez Bluetooth, zarówno korzystanie z niego, jak i wędrówki są uproszczone. Na przykład kierunek do wybranego obiektu można łatwo ustawić, po prostu zmieniając poziom sygnału na dwie ręce. Jednocześnie możliwe jest bardziej elastyczne powiadamianie o połączeniach przychodzących i wiadomościach. Czy umieszczasz indywidualne melodie w każdym kontakcie lub grupie? Teraz to samo można zrobić z wibracjami.
Według Roberta Klatzky, profesor psychologii na Carnegie Mellon University, praca Lynette ma szansę na opracowanie całego systemu alfabetu dotykowego, który będzie doskonałym dodatkiem do brajla dla osób niewidomych. W przyszłości „dotykowe wyświetlacze” można łatwo dostosować do użytku z większością urządzeń i sparować z bionicznymi oczami.
Zdecydowana większość ludzi komunikuje się z komputerami za pomocą wzroku i słuchu. Jednak w niektórych przypadkach najbardziej odpowiednim uczuciem byłby dotyk. Producenci technologii komputerowych zdają sobie z tego sprawę i rozszerzają wykorzystanie rozwiązań dotykowych.
Dotykowy (od greckiego słowa „chwycić” lub „dotknąć”) odzwierciedla zdolność urządzenia do dawania sygnału wyjściowego, który możemy wyczuć przez dotyk, a nie widzieć ani słyszeć. Dotykowy sygnał to zwykle odrzut lub wibracja. Jak silny jest zwrot? „Małe jednostki dostarczają 3-4 niutony [300 do 400 gramów], a niektóre większe wytwarzają więcej niż 30 N”, mówi Ben Landon, specjalista od urządzeń dotykowych SensAble Technologies Inc.
Zastosowanie technologii dotykowej
Można wyróżnić dwa główne obszary zastosowania technologii dotykowych: rzeczywistość wirtualna (w tym gry i szkolenia medyczne) oraz zdalne sterowanie (lub telekontrola). Chociaż gry komputerowe są najbardziej oczywistym zastosowaniem technologii dotykowej, podobne projekty istnieją w przemyśle. Na przykład technologie dotykowe dają użytkownikom możliwość dotyku i odczucia obiektów projektowania i inżynierii komputerowej w systemach CAD i tym podobnych. Takie narzędzia przekazują informacje zwrotne do aplikacji, w której realizowany jest projekt, a w pełni elektroniczny układ kierowniczy i hamulce reagują dość realistycznie na działania operatorów lub kierowców, eliminując masywne i złożone bezpośrednie połączenia lub systemy ze wzmacniaczami.
Omni Hand firmy SensAble Technologies obsługuje sześć stopni swobody pozycjonowania i sprzężenie zwrotne siły
Technologie dotykowe stosowane w medycynie są sposobem ochrony pacjenta przed błędami medycznymi, zapewniają „wirtualne” szkolenie dla niedoświadczonego personelu. Dotykowe systemy treningu medycznego z niesamowitym realizmem odtwarzają wrażenie zanurzenia igły lub peritoneoskopu i pozwalają zobaczyć wyniki na ekranie, a jednocześnie usłyszeć, jak pacjent narzeka, jeśli coś jest zrobione źle. Takie urządzenia mogą być używane do zabiegów dentystycznych i nie tylko.
„Obecny proces szkolenia lekarzy jest obarczony ryzykiem”, mówi Tom Anderson, prezes Novint Technologies. „Uczą się podczas pierwszych 50 zabiegów na żywym pacjencie.” Novint ma symulatory znieczulenia zewnątrzoponowego i zębów, które otrzymały pozytywne opinie od użytkowników. Michael Levin, wiceprezes i dyrektor generalny ds. Technologii przemysłowych i gier w Immersion Corp., informuje, że około 800 symulatorów układu naczyniowego w jego firmie jest wykorzystywanych do nauczania uczniów, jak wkładać igłę z kroplomierzem.
Technologie dotykowe są również wykorzystywane w rozwoju implantów medycznych, powiedział Bob Steingart, prezes i dyrektor ds. Produkcji w SensAble Technologies Inc. Dane tomografii komputerowej mają postać wokseli (trójwymiarowych pikseli objętościowych). Urządzenia SensAble używają tego samego formatu. „Wyobraź sobie osobę z dziurą w czaszce”, wyjaśnia Steingart. „Powinieneś zacząć od modelu uzyskanego za pomocą komputera lub aparatu do rezonansu magnetycznego. Celem jest uzyskanie protezy, która wypełnia tę dziurę. Używając naszego systemu wokseli i wirtualnego wypełniacza - model czaszki również będzie się składać z wokseli: „można uzyskać bardzo dobrze dopasowaną syntetyczną część ciała, a co najważniejsze bardzo szybko. Dane wyjściowe są zwykle przekazywane do urządzenia, które szybko tworzy prototyp, aw niektórych przypadkach do frezarki”.
„Technologie dotykowe można również wykorzystać do poprawy prezentacji danych”, mówi Landon (firma SensAble), „co pozwala użytkownikowi poruszać się po całym morzu danych (na przykład obrazowanie sejsmiczne formacji skalnych) przy użyciu dodatkowych środków postrzegania. Masz więcej niż tylko kolor i czas, ale także siła, która pomaga określić charakter danych ”.
Przyciski, myszy, joysticki
Być może najprostszym przykładem technologii dotykowej są pokrętła regulacyjne, podobne do tych używanych do strojenia radia. Wyposażając taki uchwyt w silnik i hamulec, możliwe jest uzyskanie różnego rodzaju zamocowania, nacisku, a nawet amortyzacji. Wszystkie te cechy można w razie potrzeby zmienić.
Dotykowe myszy obsługują odrzut lub wibracje, lub oba w odpowiedzi na działania oprogramowania wykonywane przez użytkownika. Są one wykorzystywane w szerokim zakresie zadań: od gier po fizjoterapię, a obecnie badane jest użycie dotykowej myszy jako narzędzia do wprowadzania danych do komputera dla osób niewidomych. Podczas korzystania z myszy dotykowej pojawia się jeden problem. Polega ona na tym, że mysz musi mieć pewne środki do śledzenia swojej absolutnej pozycji; teraz w tym celu użyj osi lub gwintu związanego z podstawą.
Robotyka na odwrót: wirtualne manipulatory
W wirtualnym trójwymiarowym świecie technologie dotykowe odpowiadają „robotom odwrotnie”. Robot pozwala wirtualnemu światu (oprogramowaniu) na manipulowanie rzeczywistymi obiektami. Urządzenie dotykowe pozwala na manipulowanie wirtualnymi przedmiotami i odczuwanie ich, jakby były prawdziwe.
Ekran dotykowy wyposażony w siłowniki elektromagnetyczne
Na przykład użytkownik może podnieść manipulator (niektóre systemy używają rękawicy lub „pierścienia”) podłączonego do systemu wsporników.
Urządzenia dotykowe mogą mieć trzy stopnie swobody (3 SS), które pozwalają poczuć oś X, Y i Z, lub 6 stopni swobody (6 SS), które są również wrażliwe na obrót i pochylenie. Liczba stopni swobody odzwierciedla liczbę parametrów zmiennych. System wykrywa pozycję uchwytu i przekazuje odpowiednie sprzężenie zwrotne i wibracje do użytkownika za pomocą wbudowanych silników i układów hamulcowych. Gdy kursor napotka wirtualny obiekt, operator odczuwa opór, który może być sztywny (dla obiektu stałego), miękki lub elastyczny. W razie potrzeby rączka może wibrować, symulując na przykład wrażenie osoby prowadzącej pióro po nierównej powierzchni. Dotykowe rękawiczki można stosować w fizjoterapii, aby pomóc pacjentom po zawale serca odzyskać siły i poprawić funkcje organizmu.
Naukowcy z japońskiego uniwersytetu technologicznego w Toyohashi badali użycie dotykowych joysticków do sterowania dźwigami w celu zapobiegania kolizjom. Niektóre organizacje opracowują dotykowe systemy sprzężenia zwrotnego dla robotów chirurgicznych (które w rzeczywistości są zdalnie sterowane). Nanotechnologowie próbują zintegrować urządzenia dotykowe ze skaningowymi mikroskopami elektronowymi, aby zapewnić poczucie dotyku podczas manipulowania nanobiektami.
Ekrany dotykowe z opiniami
Ostatnio w produkcji ekranów dotykowych zaczęto stosować technologię dotykową. Konwencjonalne ekrany dotykowe pozwalają operatorowi pracować w dowolnym miejscu na powierzchni ekranu, a technologia dotykowa pozwala naprawdę go poczuć. Naciśnij przycisk, a poczujesz (a często nawet usłyszysz) kliknięcie. Przyciski wirtualne mogą mieć dowolny rozmiar i kształt i można je znaleźć w dowolnym miejscu na ekranie. Rodzaj reakcji dotykowej może się również różnić.
W grudniu 2005 r. Volkswagen AG otrzymał licencję na stosowanie technologii dotykowej Immersion w panelach samochodowych. Zamiast czuć twardą powierzchnię wirtualnego panelu sterowania, kierowcy czują, że przyciski są cofnięte i zwolnione, tak jak prawdziwe przyciski i przełączniki. Według Levina użytkownicy, którym zaoferowano wybór między ekranami dotykowymi z dotykowym sprzężeniem zwrotnym i bez niego, wykazali wielką preferencję dla opcji dotykowych, a jeśli mogli wybrać tylko jedną opcję, wybrali tę.
Zmysł dotyku można odtworzyć na kilka sposobów. Prawdopodobnie najprostszym rozwiązaniem będzie zbudowanie na ekranie szeregu ruchomych styków, aby powierzchnia nabierała pożądanego kształtu. Chociaż takie podejście jest skuteczne, jest złożone i kosztowne. Prostszym podejściem jest umieszczenie napędów elektromagnetycznych w rogach ekranu, które będą kontrolować ruch zewnętrznej powierzchni ekranu dotykowego (patrz schemat). Badania wykazały, że krytycznym parametrem nie jest odległość, ale przyspieszenie. Zgodnie ze standardem stowarzyszenia NEMA przemieszczenie może wynosić od 0,1 do 0,2 mm.
Podczas gdy technologia dotykowa zyskuje coraz większe uznanie w grach i symulatorach szkoleniowych, ekspansja aplikacji przemysłowych jest wolniejsza. Jednym z czynników, który przyczyni się do rozszerzenia zastosowania tej technologii w urządzeniach przemysłowych, jest uproszczenie zadania polegającego na zintegrowaniu technologii dotykowych w interfejsach powietrznych.
Większość firm oferujących technologie dotykowe oferuje szereg interfejsów programistycznych (API) do różnych zastosowań tych technologii i innego oprogramowania ułatwiającego programowanie. Immersion Corp pracuje nad wszechstronnym zestawem składającym się z małego okrągłego panelu, zestawu napędów i instrukcji obsługi. Efekty dotykowe są wstępnie zaprogramowane w panelu, wszelkie inne można dodatkowo pobrać i zapisać w pamięci flash. SensAble Technologies oferuje także różnorodne produkty dotykowe do swoich urządzeń.
Niższe koszty doprowadzą również do wzrostu popytu na technologię dotykową. W niższym przedziale cenowym znajduje się model Novint Falcon z trzema stopniami swobody, który sprzedaje za 150-200 USD. Doświadczenie pokazało, że chociaż przeznaczone do codziennego użytku, niektóre elektroniczne produkty konsumenckie przenikają do sektorów przemysłowych i handlowych przy niewielkich zmianach lub bez zmian. A jeśli są produkowane i sprzedawane w ilościach typowych dla sprzedaży detalicznej, ceny mogą być bardzo atrakcyjne. Jeśli chodzi o niezawodność urządzenia, według Andersona (Novint), produkty te są „zaprojektowane z myślą o ludziach, aby na niego zapukać, chcą też, aby działało nieprzerwanie przez długi czas, szczególnie gdy się na nim bawią. Gry wideo. "
Phantom Omni firmy SensAble - sześciostopniowe „ramię” przymocowane do podstawy, którą można ustawić na pulpicie - kosztuje około 2400 USD za pakiet oprogramowania. Jeśli chodzi o ekrany dotykowe: Wyświetlacze zanurzeniowe są dostępne w rozmiarach do 19 ", cena dotykowego urządzenia zwrotnego jest w przybliżeniu równa cenie ekranu dotykowego.
Chociaż technologie dotykowe są dalekie od doskonałości, już teraz jest jasne, że mają obiecującą przyszłość w sektorze przemysłowym. Chociaż zwykłe myszy prawdopodobnie nie znikną, pomimo faktu, że Novint nazwał jeden ze swoich modeli Falcon na cześć drapieżnego ptaka jedzącego myszy, może się okazać, że nie tylko mogą wykonywać takie funkcje.
Android to świetny system operacyjny pod każdym względem, w pełni konfigurowalny, z milionami bezpłatnych i płatnych aplikacji, mnóstwem lancerów i mnóstwem gier - to tylko niektóre z korzyści. Jedyną wadą, którą można znaleźć w Androidzie, jest zużycie energii baterii. W porównaniu do innych systemów operacyjnych możesz mieć wrażenie, że telefony z Androidem szybciej zużywają energię baterii. Dlatego, aby rozwiązać ten problem, mamy kilka wskazówek dotyczących oszczędzania baterii w telefonie.
1. Wyświetlacz zużywa większość energii
Ekran twojego urządzenia mobilnego zużywa znacznie więcej energii niż jakakolwiek inna aplikacja / proces. Staraj się, aby wyświetlacz nie włączał się, gdy bateria jest słaba, wydłuży to działanie urządzenia.
2. Zmniejsz jasność ekranu.
Ponieważ ekran zużywa dużo energii, należy ustawić jasność na minimalnym poziomie, wygodnym dla postrzegania.
3. Wyłącz połączenie bezprzewodowe
Włącz mobilną transmisję danych, Wi-Fi, NFC, Bluetooth i GPS tylko wtedy, gdy ich potrzebujesz. Wszystko to zużywa dużo energii i nie powinno być używane przez cały czas.
4. Wolę WiFi
Jeśli możesz mieć dostęp do sieci Wi-Fi, powinieneś jej używać zamiast komórkowej transmisji danych. Mobilna transmisja danych zużywa znacznie więcej energii niż Wi-Fi, dlatego należy ją całkowicie wyeliminować, jeśli to możliwe.
5. Wyłącz automatyczną synchronizację
Większość instalowanych aplikacji synchronizuje pliki z serwerami po określonym czasie. Proces synchronizacji należy uruchomić ręcznie i tylko dla aplikacji, dla których chcesz synchronizować dane.
6. Użyj minimalnej liczby widżetów
Widżety zużywają energię do aktualizacji danych i wyświetlania zmian. Zawsze działają w tle. Nie musisz używać wielu widżetów jednocześnie.
7. Nie używaj żywych tapet
Animowane tapety są bardzo energochłonne i mogą bardzo szybko wyczerpać baterię Androida. Musisz je odłączyć, jeśli chcesz skrócić maksymalny czas pracy baterii, lub lepiej, nie używaj ich wcale.
8. Zamknij aplikacje ręcznie lub za pomocą specjalnych narzędzi
Po zamknięciu program nadal działa w tle. Odbywa się to w celu skrócenia czasu potrzebnego do uruchomienia i zwiększenia responsywności aplikacji. Ale będąc wszystkim w pamięci RAM, zużywają energię baterii. Zatrzymaj ich przy użyciu menedżera zadań w telefonie lub użyj aplikacji innych firm.
9. Użyj czarnego tła
Jeśli twój telefon ma ekran AMOLED, powinieneś użyć czarnego obrazu jako tła. Zmniejszy to zużycie baterii do wyświetlania zawartości ekranu. Jeśli to możliwe, wybierz również ciemny motyw.
10. Ustaw limit czasu ekranu na najniższą wartość.
Limit czasu ekranu określa czas, po którym podświetlenie ekranu gaśnie, gdy urządzenie nie jest używane. Ustawienie niższej wartości pozwoli zaoszczędzić baterię telefonu.
11. Wyłącz dotykowe sprzężenie zwrotne
Informacje zwrotne dotyczące wibracji to opcja, za pomocą której telefon wysyła sygnał zwrotny w postaci wibracji po kliknięciu ekranu. Mimo że jest przydatny do pisania, zużywa wiele zasobów. Musisz go wyłączyć, aby oszczędzać baterię w telefonie.
12. Przełącz na tryb samolotowy
Kiedy jesteś w samolocie, musisz ustawić swój telefon komórkowy w trybie samolotowym. Ponieważ nie masz połączenia z siecią, nadajnik telefonu będzie nadal próbował znaleźć sieć. Po prostu rozładowuje baterię i nic więcej. Dlatego przełącz się na tryb samolotowy, gdy jesteś na pokładzie samolotu. Możesz go również wyłączyć, jeśli nie chcesz korzystać z modułu radiowego telefonu.
13. Włącz tryb oszczędzania energii
Tryb oszczędzania energii domyślnie ogranicza użycie procesora, zmniejsza jasność ekranu, wyłącza moduł przesyłania danych, gdy ekran jest wyłączony, i wyłącza dotykowe sprzężenie zwrotne. Być może jest to najskuteczniejszy sposób oszczędzania baterii telefonu z Androidem.
14. Ograniczenie transferu danych
Wiele aplikacji, takich jak Gmail, Google Play Store i wiele innych, gromadzi i przesyła dane na swoje serwery w tle. To bardzo szybko rozładowuje akumulator. Aby temu zapobiec, możesz ograniczyć wykorzystanie danych, przejdź do Ustawienia - użycie danych i wybierz opcję „Ogranicz transfer danych w tle”.
Nawiasem mówiąc, jeśli wysyłasz dużo wiadomości SMS, sensowne może być użycie bramki SMS - będzie ona zarówno tańsza, jak i bardziej wydajna, umożliwiając wysyłanie wiadomości do znacznej liczby abonentów telefonii komórkowej.
2.3.3 Sposoby przesyłania poleceń
Oprócz ustawienia położenia obiektu w przestrzeni trójwymiarowej pożądana jest również możliwość wydawać poleceniaktóre należy wykonać w określonych punktach. Najłatwiejszym sposobem wydawania poleceń jest użycie zwykłej klawiatury komputerowej i znanego systemu menu ekranowego, ale najlepiej jest użyć zestawu przycisków na czujniku położenia typu „pływająca mysz”.
Mikrofon i słuchawki kasku wideo można podłączyć do generatora dźwięku oraz do systemu rozpoznawania i syntezy mowy. W środowisku syntetycznej rzeczywistości w zasadzie możesz nawet używać wirtualnej klawiatury i kontrolować cały proces jej pracy za pomocą rękawicy dotykowej. Ale nadal jest łatwiej i prościej korzystać z kanału mowy do wydawania poleceń, a dziś komputerowy system wprowadzania głosowego można już „wyszkolić” w rozpoznawaniu dziesiątek tysięcy słów z wystarczająco wysoką niezawodnością.
2.3.4 Dotykaj rękawicy i dotykowej informacji zwrotnej
Dotknij rękawicy. Bezpośrednie śledzenie ruchy rąk od dawna cieszył się dużym zainteresowaniem wielu programistów. Na przykład w 1983 r. Opatentowano urządzenie Digital Entry Glove. Ale prawdziwym przełomem była rękawica z czujnikiem DataGlove, opracowana w NASA Joseph Ames Research Center, a następnie ulepszona i uruchomiona przez VPL Research (ryc. 2.20).
Aby ustalić wartość kąty zgięcia palców rękawica VPL DataGlove jest elastyczna włókna optyczne (włókna optyczne). Zgięcie palca jest wykrywane za pomocą zestawu dziesięciu czujników światłowodowych wszytych w rękawicę nad każdym stawem palca. Działanie czujników polega na tym, że jeśli światłowód jest zgięty, światło przepuszczane przez niego słabnie proporcjonalnie do zgięcia. Każdy czujnik składa się ze źródła światła na jednym końcu światłowodu i detektora na drugim. Mikroprocesor kolejno skanuje wszystkie czujniki i oblicza kąt zgięcia każdego stawu palcowego przy użyciu określonego modelu struktury ludzkiej dłoni. Rękawica łączy się z komputerem przy użyciu standardowego interfejsu szeregowego RS-232.
|
Ryc.2.20. VPL DataGlove Touch Glove |
Opracowano kilka konkurencyjnych rękawiczek dotykowych, z których najsłynniejsza to niedroga rękawica Nintendo PowerGlove (rysunek 2.21, po lewej), zaprojektowana do użytku w grach wideo. Rękawice z czujnikami światła zostały opracowane przez Kalifornijskie Virtual Technologies, na przykład najprostsze rękawiczki z serii CyberGlove. Istnieje również model z 18 czujnikami, który śledzi ruchy palców (ryc. 2.21, pośrodku), oraz model z 22 czujnikami, który może także wykrywać rozciąganie zginania wszystkich palców z wyjątkiem kciuka. Rękawice te dają błąd tylko 0,5-1 °. Model 22-czujnikowy wykonuje odczyty 149 razy na sekundę, a model 18-dotykowy - 112 razy na sekundę. Komputery i nie tylko wypuszczają rękawicę 5. rękawicy (ryc. 2.68 po prawej).
W innych modelach, w szczególności Virtex CyberGlove, czujniki napięcia służą do określania wielkości kątów zgięcia palców. W przypadku niektórych zadań dokładność (rzędu ± 10º) i powtarzalność odczytów takich czujników mogą być niewystarczające. Dokładniejszą metodę pomiaru zapewnia Exos Dexterous Handmaster, który ma zewnętrzny szkielet przymocowany do stawów palców i czujników za pomocą efektu Halla. Czujniki pozwalają określić kąt zgięcia palców z dokładnością ± 0,5º. Jednak nie jest do końca jasne, czy z takiej dokładności można uzyskać jakąkolwiek korzyść, i może się okazać, że cztery poziomy danych, które zapewnia rękawica Nintendo PowerGlove, są w rzeczywistości wystarczające do większości zadań.
|
|
|
Rysunek 2.21. Rękawiczki dotykowe: Nintendo PowerGlove; 18-czujnikowy model technologii wirtualnych; 5. rękawica
Istnieje technologia z czujnikami mechanicznymi, ale jest ciężka i niedoskonała.
System śledzenia również digitalizuje pozycja ręki. Aerospace Corporation McDonnell Douglas opracował system Polyhemus, który jest wbudowany w rękawicę DataGlove i służy do określania pozycji dłoni.
Wspomniany kask wideo VIEW i rękawica DataGlove wykorzystują system czujników wrażliwych na pole elektromagnetyczne. Dokładność określania pozycji rzędu dwóch milimetrów. Rękawica może znajdować się w dowolnym punkcie kulki warunkowej o średnicy 1 m.
Bardziej nowoczesne rękawice P5 amerykańskiej firmy Essential Reality pokazano na ryc. 2.22 Stacja bazowa jest podłączona do portu USB i nie wymaga zewnętrznego zasilania; rękawica jest włączana przewodem do stacji bazowej. Z tyłu „dłoni” znajduje się 8 diod LED na podczerwień, które pozwalają stacji bazowej śledzić ruch dłoni w przestrzeni. W stacji bazowej znajdują się 2 kamery na podczerwień, co pozwala bardziej niezawodnie monitorować rękawicę i dokładnie określać odległość do niej.
|
|
|
|
Rysunek 2.22. Stacja bazowa i rękawica P5
Zasięg widoczności stacji bazowej wynosi 45 ° w pionie i poziomie oraz około 1,5 m głębokości. W tym stożku P5 może śledzić współrzędne dłoni wzdłuż 3 osi z dokładnością do 0,6 cm (60 cm od podstawy), a także obrót i pochylenie dłoni z dokładnością do 2 °. Współrzędne są odpytywane z częstotliwością 40 Hz (opóźnienie wynosi 12 ms). Oprócz diod LED systemu śledzenia, rękawica ma 5 gumowych „palców” z czujnikami zgięcia. Są one przymocowane do palców użytkownika za pomocą plastikowych pierścieni i mierzą zgięcie z dokładnością do 1,5 °. Z tyłu rękawicy znajdują się 4 przyciski, z których jeden jest zaprogramowany (pozostałe służą do kalibracji, włączania / wyłączania i przełączania trybów pracy). Zatem pod względem joysticka P5 ma 11 osi analogowych i 1 przycisk.
Dotykowe informacje zwrotne Do wymuszenia używa się (wymuszonego sprzężenia zwrotnego) w rękawiczkach dotykowych dotknąć ręce do obiektu. Dotykowe informacje zwrotne najłatwiej wdraża się mały głośnik w dłoni, ponieważ ręka wydaje dobre kliknięcia wydawane przez mówcę w odpowiedzi na zdarzenie. Ale to tylko sygnał wydarzeń i chciałbym poczuć dotykanie wirtualnych obiektów. To uczucie można naśladować na wiele sposobów.
Symulowanie dotyku za pomocą nacisk często używam dmuchane puszki z aerozolemza pomocą którego regulowana jest siła lub sztywność nacisku rękawicy na palce. Podjęto próby zastosowania kryształy piezoelektrycznektóre, wibrowane, również wywołują uczucie presji stopy z pamięcią kształtu, które można zmusić do zgięcia, przepuszczając słaby prąd elektryczny. Podobne przenośne urządzenie Dexterous Master (rysunek 2.23), składające się z rękawicy VPL DataGlove wyposażonej w trzy pneumatyczne siłowniki, opracował wynalazca Grigor Berdia z Rutgers University.
Rycina 2.23. Portable Dextrous Master
Oprócz odczuwania ciśnienia ważne jest naśladowanie wrażeń. odporność podczas próby przeniesienia wirtualnego obiektu. W tym celu można wykorzystać miniaturowe ramię robotanaprawione na dłoni. Na przykład późniejsze modele rękawic DataGlove zawierały już czujniki piezoelektryczne na wyciągnięcie ręki, aby zapewnić pewien poziom dotykowego sprzężenia zwrotnego. Gdy użytkownik podnosi wirtualny przedmiot, odczuwa nacisk od zetknięcia palców z powierzchnią obiektu. Nawet później rękawica została wyposażona w specjalny robot egzoszkieletpozwalając stworzyć poczucie wagi i siły.
Sprzężenie zwrotne „mocy” można zastosować bez rękawiczek dotykowych. Proste urządzenie sprzężenia zwrotnego mocy zostało opracowane przez Digital. to dźwigniapodobny do uchwytu gazowego na motocyklu może zmienić siłę jego odporności na obrót. Grupa specjalistów z UNC wykorzystała elektromechaniczny manipulator do wytworzenia sprzężenia zwrotnego „mocy”.
Dotykowe sprzężenie zwrotne jest bardzo wrażliwe na charakterystykę pętli sprzężenia zwrotnego: użytkownik podświadomie natychmiast reaguje na impulsy z systemu i dostosowuje swoją reakcję, zanim system zdąży wypracować poprzednie reakcje. Uważa się, że w celu stworzenia wiarygodnego złudzenia wrażenia obiektu, system dotykowy powinien mieć prędkość aktualizowania informacji wynoszącą 300-1000 Hz, która jest co najmniej o rząd wielkości wyższa niż prędkość aktualizowania informacji wizualnych.
Firma Virtual Technologies opracowała urządzenie CyberGrasp z dotykowym sprzężeniem zwrotnym, dające użytkownikowi możliwość odczuwania świata wirtualnego własnymi rękami (ryc. 2.24).
Na rękawiczkach noszone są specjalne haczyki, które w razie potrzeby zapobiegają ściśnięciu dłoni siłą do 12 N (Newtonów) na każdy palec (siła 1 N musi zostać przyłożona, aby ciało o wadze 1 kg mogło zmienić przyspieszenie o 1 m / s; lub jest to siła grawitacji działająca na 1 / 9,8 kg). Maksymalny wpływ CyberGrasp jest porównywalny z tym, który można zaobserwować, zawieszając 1,2 kg na każdym palcu z prostym stawem łokciowym, a sama stopa waży kolejne 350 g.
Virtual Technologies wynalazło również urządzenie CyberTouch z dotykowym sprzężeniem zwrotnym (ryc. 2.25). To niewielkie urządzenie jest noszone na opuszkach palców i przekazuje im różnego rodzaju wibracje. Jest zamontowany na rękawicach VR.
|
Rysunek 2.24. Urządzenie CyberGrasp |
Rysunek 2.25. Urządzenie CyberTouch |
Brytyjczycy wymyślili rękawiczki z systemem kulkowym i kompresorem do ogrzewania powietrza, w którym można poczuć nie tylko szorstkość wirtualnych przedmiotów, ale także ich temperaturę. Takie urządzenie najdokładniej przekazuje dotykowe działanie na dłonie.
Czujniki ręczneprzeznaczony do śledzenia jego ruchów. W najprostszych czujnikach zintegrowany jest tylko moduł śledzenia pozycji, który śledzi ruchy małej kostki w dłoni użytkownika. Te czujniki są produkowane przez Ascension Technology Corporation. Na przykład czujnik MibiBird (ryc. 2.26, po lewej) jest w stanie śledzić pędzel, obracając ± 180 ° w pionie i poziomie, a także ± 90 ° wokół swojej osi z błędem 0,1-0,5 °. Urządzenie Motion Star (ryc. 2.26 po prawej) o bardziej masywnej naturze jest podobne do MibiBird. Istnieją bardziej wrażliwe podobne urządzenia.
Symulatory i symulatory. Wiele jednostek opiera się na precyzyjnej kontroli motorycznej i koordynacji ludzkich rąk. Studiowanie i przygotowanie w niektórych zawodach wymaga dużo praktyki i osiągnięcie pewnych umiejętności (na przykład kaligrafii) może zająć lata. Symulatory, symulatory i systemy symulacyjne mają na celu zwiększenie efektywności treningu. Korzystanie z urządzeń z dotykowym sprzężeniem zwrotnym pozwala na bardziej efektywne przeprowadzenie procesu uczenia się, szczególnie gdy ręka uczestnika jest prowadzona przez eksperta elektronicznego - urządzenie z dotykowym sprzężeniem zwrotnym.
Telekontrola (zdalne sterowanie) i mikro-manipulacje, robotyka. Praca z materiałami niedostępnymi lub niebezpiecznymi wymaga teleobecności operatora. Zastosowanie dotykowych urządzeń zwrotnych może poprawić jakość zdalnego sterowania robotami i różnymi urządzeniami wykonawczymi, przesyłając dodatkowe informacje dotykowe, które są intuicyjne dla operatora. Niestety standardowe joysticki nie pozwalają na korzystanie z tego kanału do odbierania informacji o ludziach.
Zastosowanie dotykowych urządzeń sprzężenia zwrotnego jest uzasadnione w krytycznych operacjach ze zdalnym sterowaniem robotami, gdy operatorzy mogą natychmiast poczuć reakcję i różne ograniczenia manipulatora (dynamika, ograniczenia przestrzeni roboczej itp.).
Mikromanipulatory to małe roboty zbudowane do wykonywania różnych zadań na przedmiotach, często drobniejszych niż ludzkie włosy. W związku z tym zastosowanie dotykowych urządzeń zwrotnych pozwala operatorowi manipulować mikrobotami w intuicyjny i znany sposób.
Medycyna. Duża liczba zaawansowanych technologicznie urządzeń medycznych jest często ograniczona do podstawowego narzędzia chirurga, a mianowicie ich rąk. W związku z tym zastosowanie dotykowych systemów sprzężenia zwrotnego w symulatorach medycznych i prawdziwych robotach medycznych umożliwia przesyłanie chirurgowi informacji dotykowych, co pozwala wykonywać wszystkie operacje w znany i intuicyjny sposób.
Zdecydowana większość ludzi komunikuje się z komputerami za pomocą wzroku i słuchu. Jednak w niektórych przypadkach najbardziej odpowiednim uczuciem byłby dotyk. Producenci technologii komputerowych zdają sobie z tego sprawę i rozszerzają wykorzystanie rozwiązań dotykowych.
Dotykowy (od greckiego słowa „chwycić” lub „dotknąć”) odzwierciedla zdolność urządzenia do dawania sygnału wyjściowego, który możemy wyczuć przez dotyk, a nie widzieć ani słyszeć. Dotykowy sygnał to zwykle odrzut lub wibracja. Jak silny jest zwrot? „Małe jednostki dostarczają 3-4 niutony [300 do 400 gramów], a niektóre większe wytwarzają więcej niż 30 N”, mówi Ben Landon, specjalista od urządzeń dotykowych SensAble Technologies Inc.
Zastosowanie technologii dotykowej
Można wyróżnić dwa główne obszary zastosowania technologii dotykowych: rzeczywistość wirtualna (w tym gry i szkolenia medyczne) oraz zdalne sterowanie (lub telekontrola). Chociaż gry komputerowe są najbardziej oczywistym zastosowaniem technologii dotykowej, podobne projekty istnieją w przemyśle. Na przykład technologie dotykowe dają użytkownikom możliwość dotyku i odczucia obiektów projektowania i inżynierii komputerowej w systemach CAD i tym podobnych. Takie narzędzia przekazują informacje zwrotne do aplikacji, w której realizowany jest projekt, a w pełni elektroniczny układ kierowniczy i hamulce reagują dość realistycznie na działania operatorów lub kierowców, eliminując masywne i złożone bezpośrednie połączenia lub systemy ze wzmacniaczami.
Omni Hand firmy SensAble Technologies obsługuje sześć stopni swobody pozycjonowania i sprzężenie zwrotne siły
Technologie dotykowe stosowane w medycynie są sposobem ochrony pacjenta przed błędami medycznymi, zapewniają „wirtualne” szkolenie dla niedoświadczonego personelu. Dotykowe systemy treningu medycznego z niesamowitym realizmem odtwarzają wrażenie zanurzenia igły lub peritoneoskopu i pozwalają zobaczyć wyniki na ekranie, a jednocześnie usłyszeć, jak pacjent narzeka, jeśli coś jest zrobione źle. Takie urządzenia mogą być używane do zabiegów dentystycznych i nie tylko.
„Obecny proces szkolenia lekarzy jest obarczony ryzykiem”, mówi Tom Anderson, prezes Novint Technologies. „Uczą się podczas pierwszych 50 zabiegów na żywym pacjencie.” Novint ma symulatory znieczulenia zewnątrzoponowego i zębów, które otrzymały pozytywne opinie od użytkowników. Michael Levin, wiceprezes i dyrektor generalny ds. Technologii przemysłowych i gier w Immersion Corp., informuje, że około 800 symulatorów układu naczyniowego w jego firmie jest wykorzystywanych do nauczania uczniów, jak wkładać igłę z kroplomierzem.
Technologie dotykowe są również wykorzystywane w rozwoju implantów medycznych, powiedział Bob Steingart, prezes i dyrektor ds. Produkcji w SensAble Technologies Inc. Dane tomografii komputerowej mają postać wokseli (trójwymiarowych pikseli objętościowych). Urządzenia SensAble używają tego samego formatu. „Wyobraź sobie osobę z dziurą w czaszce”, wyjaśnia Steingart. „Powinieneś zacząć od modelu uzyskanego za pomocą komputera lub aparatu do rezonansu magnetycznego. Celem jest uzyskanie protezy, która wypełnia tę dziurę. Używając naszego systemu wokseli i wirtualnego wypełniacza - model czaszki również będzie się składać z wokseli: „można uzyskać bardzo dobrze dopasowaną syntetyczną część ciała, a co najważniejsze bardzo szybko. Dane wyjściowe są zwykle przekazywane do urządzenia, które szybko tworzy prototyp, aw niektórych przypadkach do frezarki”.
„Technologie dotykowe można również wykorzystać do poprawy prezentacji danych”, mówi Landon (firma SensAble), „co pozwala użytkownikowi poruszać się po całym morzu danych (na przykład obrazowanie sejsmiczne formacji skalnych) przy użyciu dodatkowych środków postrzegania. Masz więcej niż tylko kolor i czas, ale także siła, która pomaga określić charakter danych ”.
Przyciski, myszy, joysticki
Być może najprostszym przykładem technologii dotykowej są pokrętła regulacyjne, podobne do tych używanych do strojenia radia. Wyposażając taki uchwyt w silnik i hamulec, możliwe jest uzyskanie różnego rodzaju zamocowania, nacisku, a nawet amortyzacji. Wszystkie te cechy można w razie potrzeby zmienić.
Dotykowe myszy obsługują odrzut lub wibracje, lub oba w odpowiedzi na działania oprogramowania wykonywane przez użytkownika. Są one wykorzystywane w szerokim zakresie zadań: od gier po fizjoterapię, a obecnie badane jest użycie dotykowej myszy jako narzędzia do wprowadzania danych do komputera dla osób niewidomych. Podczas korzystania z myszy dotykowej pojawia się jeden problem. Polega ona na tym, że mysz musi mieć pewne środki do śledzenia swojej absolutnej pozycji; teraz w tym celu użyj osi lub gwintu związanego z podstawą.
Robotyka na odwrót: wirtualne manipulatory
W wirtualnym trójwymiarowym świecie technologie dotykowe odpowiadają „robotom odwrotnie”. Robot pozwala wirtualnemu światu (oprogramowaniu) na manipulowanie rzeczywistymi obiektami. Urządzenie dotykowe pozwala na manipulowanie wirtualnymi przedmiotami i odczuwanie ich, jakby były prawdziwe.
Ekran dotykowy wyposażony w siłowniki elektromagnetyczne
Na przykład użytkownik może podnieść manipulator (niektóre systemy używają rękawicy lub „pierścienia”) podłączonego do systemu wsporników.
Urządzenia dotykowe mogą mieć trzy stopnie swobody (3 SS), które pozwalają poczuć oś X, Y i Z, lub 6 stopni swobody (6 SS), które są również wrażliwe na obrót i pochylenie. Liczba stopni swobody odzwierciedla liczbę parametrów zmiennych. System wykrywa pozycję uchwytu i przekazuje odpowiednie sprzężenie zwrotne i wibracje do użytkownika za pomocą wbudowanych silników i układów hamulcowych. Gdy kursor napotka wirtualny obiekt, operator odczuwa opór, który może być sztywny (dla obiektu stałego), miękki lub elastyczny. W razie potrzeby rączka może wibrować, symulując na przykład wrażenie osoby prowadzącej pióro po nierównej powierzchni. Dotykowe rękawiczki można stosować w fizjoterapii, aby pomóc pacjentom po zawale serca odzyskać siły i poprawić funkcje organizmu.
Naukowcy z japońskiego uniwersytetu technologicznego w Toyohashi badali użycie dotykowych joysticków do sterowania dźwigami w celu zapobiegania kolizjom. Niektóre organizacje opracowują dotykowe systemy sprzężenia zwrotnego dla robotów chirurgicznych (które w rzeczywistości są zdalnie sterowane). Nanotechnologowie próbują zintegrować urządzenia dotykowe ze skaningowymi mikroskopami elektronowymi, aby zapewnić poczucie dotyku podczas manipulowania nanobiektami.
Ekrany dotykowe z opiniami
Ostatnio w produkcji ekranów dotykowych zaczęto stosować technologię dotykową. Konwencjonalne ekrany dotykowe pozwalają operatorowi pracować w dowolnym miejscu na powierzchni ekranu, a technologia dotykowa pozwala naprawdę go poczuć. Naciśnij przycisk, a poczujesz (a często nawet usłyszysz) kliknięcie. Przyciski wirtualne mogą mieć dowolny rozmiar i kształt i można je znaleźć w dowolnym miejscu na ekranie. Rodzaj reakcji dotykowej może się również różnić.
W grudniu 2005 r. Volkswagen AG otrzymał licencję na stosowanie technologii dotykowej Immersion w panelach samochodowych. Zamiast czuć twardą powierzchnię wirtualnego panelu sterowania, kierowcy czują, że przyciski są cofnięte i zwolnione, tak jak prawdziwe przyciski i przełączniki. Według Levina użytkownicy, którym zaoferowano wybór między ekranami dotykowymi z dotykowym sprzężeniem zwrotnym i bez niego, wykazali wielką preferencję dla opcji dotykowych, a jeśli mogli wybrać tylko jedną opcję, wybrali tę.
Zmysł dotyku można odtworzyć na kilka sposobów. Prawdopodobnie najprostszym rozwiązaniem będzie zbudowanie na ekranie szeregu ruchomych styków, aby powierzchnia nabierała pożądanego kształtu. Chociaż takie podejście jest skuteczne, jest złożone i kosztowne. Prostszym podejściem jest umieszczenie napędów elektromagnetycznych w rogach ekranu, które będą kontrolować ruch zewnętrznej powierzchni ekranu dotykowego (patrz schemat). Badania wykazały, że krytycznym parametrem nie jest odległość, ale przyspieszenie. Zgodnie ze standardem stowarzyszenia NEMA przemieszczenie może wynosić od 0,1 do 0,2 mm.
Podczas gdy technologia dotykowa zyskuje coraz większe uznanie w grach i symulatorach szkoleniowych, ekspansja aplikacji przemysłowych jest wolniejsza. Jednym z czynników, który przyczyni się do rozszerzenia zastosowania tej technologii w urządzeniach przemysłowych, jest uproszczenie zadania polegającego na zintegrowaniu technologii dotykowych w interfejsach powietrznych.
Większość firm oferujących technologie dotykowe oferuje szereg interfejsów programistycznych (API) do różnych zastosowań tych technologii i innego oprogramowania ułatwiającego programowanie. Immersion Corp pracuje nad wszechstronnym zestawem składającym się z małego okrągłego panelu, zestawu napędów i instrukcji obsługi. Efekty dotykowe są wstępnie zaprogramowane w panelu, wszelkie inne można dodatkowo pobrać i zapisać w pamięci flash. SensAble Technologies oferuje także różnorodne produkty dotykowe do swoich urządzeń.
Niższe koszty doprowadzą również do wzrostu popytu na technologię dotykową. W niższym przedziale cenowym znajduje się model Novint Falcon z trzema stopniami swobody, który sprzedaje za 150-200 USD. Doświadczenie pokazało, że chociaż przeznaczone do codziennego użytku, niektóre elektroniczne produkty konsumenckie przenikają do sektorów przemysłowych i handlowych przy niewielkich zmianach lub bez zmian. A jeśli są produkowane i sprzedawane w ilościach typowych dla sprzedaży detalicznej, ceny mogą być bardzo atrakcyjne. Jeśli chodzi o niezawodność urządzenia, według Andersona (Novint), produkty te są „zaprojektowane z myślą o ludziach, aby na niego zapukać, chcą też, aby działało nieprzerwanie przez długi czas, szczególnie gdy się na nim bawią. Gry wideo. "
Phantom Omni firmy SensAble - sześciostopniowe „ramię” przymocowane do podstawy, którą można ustawić na pulpicie - kosztuje około 2400 USD za pakiet oprogramowania. Jeśli chodzi o ekrany dotykowe: Wyświetlacze zanurzeniowe są dostępne w rozmiarach do 19 ", cena dotykowego urządzenia zwrotnego jest w przybliżeniu równa cenie ekranu dotykowego.
Chociaż technologie dotykowe są dalekie od doskonałości, już teraz jest jasne, że mają obiecującą przyszłość w sektorze przemysłowym. Chociaż zwykłe myszy prawdopodobnie nie znikną, pomimo faktu, że Novint nazwał jeden ze swoich modeli Falcon na cześć drapieżnego ptaka jedzącego myszy, może się okazać, że nie tylko mogą wykonywać takie funkcje.
