تبلیغات
Elctrical-Control-Engineering - Haptics تكنولوژی لامسه مجازی

Elctrical-Control-Engineering

تكنولوژی لامسه مجازی

 Haptics تكنولوژی لامسه مجازی
Haptics تكنولوژی لامسه مجازی


 

ترجمه و نوشته: امیر نادرپور




 
Haptic از كلمه یونانی Haptesthai گرفته شده كه به معنی لمس كردن است. این لغت به عنوان صفت به معنی «بر پایه احساس لامسه» و به عنوان یك اسم معمولاً به صورت جمع، Haptics به كار برده می شود و به معنی علم و فیزیولوژی حس لامسه است. دانشمندان چندین دهه است كه روی Haptics تحقیق كرده اند و به نكاتی در رابطه با بیولوژی لامسه دست یافته اند. مثلاً آنها می دانند كه چه نوع گیرنده هایی در پوست بدن وجود دارند و چگونه اعصاب اطلاعات را بین سیستم اعصاب مركزی و نقطه تماس، ردّ و بدل می كنند. متأسفانه دانشمندان علم كامپیوتر مشكل بزرگی در انتقال این دریافت ابتدایی از لمس كردن به سیستم های واقعی مجازی Virtual Reality خود دارند. قابلیت تبدیل اشارات بصری و شنوایی به مدل های كامپیوتری آسان است ولی وقتی به لامسه می رسیم اوضاع پیچیده تر می شود. صفحه كلیدها به كاربران اجازه می دهند تا تایپ كنند و جوی استیك ها و غربیلك های فرمان نیز می توانند لرزش ویبره داشته باشند. ولی چگونه یك كاربر می تواند آن چه در دنیای مجازی وجود دارد را لمس كند؟ مثلاً چگونه كسی كه در حال انجام یك بازی ویدیویی است می تواند سختی و سرمای قسمت فلزی اسلحه شخصیت مجازی بازی را حس كند؟ یا چگونه یك فضانورد كه در یك شبیه ساز كامپیوتری در حال آماده شدن برای سفر به فضا است، میتواند وزن و یا ناهمواری های یك سنگ فضایی شبیه سازی شده را احساس كند؟ از دهه 1980 میلادی دانشمندان كامپیوتر در تلاش برای پاسخگویی به این سؤالات هستند و زمینه كاری آنها یك زیر مجموعه تخصصی از علم Haptics به نام Computer Haptics است.
iPhone كمپانی Apple با آن صفحه لمسی خود، مدّت هاست خیلی از افراد را مشتاق خود كرده است. ولی ساخته جدید كمپانی سامسونگ كه Any Call Hapic نام دارد علاوه بر اینكه صفحه نمایش بزرگ لمسی مشابه iPhone دارد، از ویژگی جدید دیگری نیز برخوردار است. این گوشی به كاربر اجازه می دهد تا كلیك ها، لرزه ها و دیگر ورودی های لامسه ای تلفن خود را روی صفحه نمایش احساس كند و در كل، 22 نوع حس لمسی را برای او فراهم می آورد.
این حس ها وجود كلمه Hapic در نام این گوشی را توجیه كرده اند.

زنجیره Haptics
 

Haptics به عنوان یك فیلد تحقیقاتی، بسیار هم راستا با تكامل اتوماسیون به پیشرفته است. قبل از تحوّل صنعتی، تحقیقات دانشمندان روی اینكه موجودات زنده چگونه قادر به لمس كردن هستند متمركز بود. زیست شناسان آموختند كه حتّی ارگانیسم های ساده ای هم چون ستاره دریایی و كرم ها، پاسخ های پیچیده لمسی از خود بروز می دهند.
در اوایل قرن بیستم، روان شناسان و محققین پزشكی روی تجربه لامسه انسان ها تحقیقات وسیعی كردند و این شاخه از علم به نام Human Haptics شناخته شده و معلوم شد كه دست انسان كه ساختار ابتدایی مرتبط با حس لامسه دارد، فوق العاده پیچیده است.
دست با 27 استخوان و 40 ماهیچه كه شامل عضلات بازو نیز می شود، چابكی و آزادی عمل بسیار بالایی را برای ما انسان ها فراهم می آورد.
كارشناسان برای تعیین كمیت این آزادی عمل، از مفهومی به نام درجه آزادی استفاده می كنند. یك درجه آزادی، مقدار حركتی است كه از عهده یك مَفصَل ساده بر می آید. از آنجا كه دست انسان دارای 22 مَفصَل است، امكان به حركت درآمدن با 22 درجه آزادی را دارد.
پوستی كه دست را فرا گرفته نیز مجهز به گیرنده ها، اعصاب و بخش های سیستم عصبی است كه احساس لامسه را به مغز و نخاع شوكی متصل می سازند. سپس زمان توسعه ماشین ها و روبات ها فرا رسید. این وسایل مكانیكی نیز باید محیط خود را لمس و احساس می كردند.
بنابراین محققین تلاش برای یافتن اینكه چگونه این درك و احساس می تواند به ماشین ها منتقل شود را آغاز كردند و از آن زمان دوره Machine Haptics آغاز شد.
در دهه 1940 میلادی، سیستم های كنترل از راه دوری كه در آنها از Haptics استفاده شده بود برای جا به جایی مواد اتمی و خطرناك به كار گرفته شدند. در این سیستم ها كارگران از طریق اینترفیس یك ماشین می توانستند بدون هیچ گونه ریسكی، مواد خطرناك و سمی را جا به جا كنند.
سرانجام دانشمندان طرح هایی را ساختند كه در آنها موتورها و سیگنال های الكترونیكی جایگزین اتصالات مكانیكی گشتند. پیشرفت بزرگ دیگر در قالب كامپیوترها وارد این عرصه شد.
در ابتدا كامپیوترها برای كنترل ماشین ها در یك محیط واقعی مورد استفاده قرار می گرفتند (مثل كامپیوتری كه یك روبات را در خط مونتاژ یك كارخانه خودروسازی كنترل می كند) ولی در دهه 1980 میلادی، كامپیوترها توانایی تولید محیط های مجازی را پیدا كردند.
در سال 1993 در لابراتوار هوش مصنوعی دانشگاه MIT دستگاهی ساخته شد كه لامسه را شبیه سازی می كرد و در نهایت این امكان را فراهم ساخت تا بتوان چیزی را كه به وسیله كامپیوتر به وجود آمده، لمس و حس كرد.
دانشمندانی كه روی این پروژه فعالیت می كردند سعی كردند تا زمینه تحقیقاتی خود را با جدا ساختن از Machine Haptics Human،Haptics و Computer Haptics بنامند. امروزه این شاخه نیازمند نرم افزارها و سخت افزارهای ویژه است تا لمس و احساس اشیای مجازی را انتقال دهد و به سرعت در حال رشد بوده و منجر به دستیابی به تكنولوژی های Haptics خوبی شده است. وقتی از دستان خود در محیط اطراف استفاده می كنیم، دو نوع فیدبك جنبشی و لمسی دریافت می كنیم. برای درك بهتر تفاوت های این دو، دستی را تصور كنید كه به سمت یك توپ بیس بال بالا رفته و آن را می گیرد.
وقتی دست برای گرفتن توپ حركت می كند و خود را به شكل چنگ زدن در می آورد، مجموعه منحصر به فردی از اطلاعات كه مشخص كننده زاویه مفصل، طول ماهیچه و كشش آن هستند تولید می شود. این اطلاعات به وسیله گروه ویژه ای از گیرنده ها كه در ماهیچه ها، تاندون ها و مفاصل جا دارند، جمع آوری می شود. این گیرنده ها سیگنال ها را به مغز حمل می كنند، جایی كه آنها پردازش می شوند. مغز این اطلاعات را برای تأمین احساس اندازه و شكل توپ و موقعیت مناسب قرارگیری دست و بدن پردازش می كند. وقتی كه انگشتان دست، توپ را لمس می كنند، اتصال بین آنها و سطح توپ برقرار می شود. هر انگشت خود یك ساختار پیچیده سنسور بوده كه دارای گیرنده هایی هم در پوست و هم در بافت های زیرین است.
انواع مختلفی از این گیرنده ها وجود دارند كه هر كدام برای نوع خاصی از محرك ها هستند: لمس سبك، سنگین، فشار، لرزش و درد. اطلاعاتی كه به صورت جمع‌آوری شده از این گیرنده ها به مغز می رسند، به این عضو كمك می كنند تا جزئیات لامسه را درباره توپ دریافت كند.

سیستم های Haptics
 

تلاش های زیادی برای ساخت سیستم های Haptics صورت گرفته است. با وجود اینكه آنها ممكن است خیلی متفاوت از هم به نظر آیند ولی دو نكته مشترك مهم دارند: یك نرم فزار برای تعیین نیروهایی كه نتیجه زمانی هستند كه یك شخصیت مجازی از كاربر روی یك شی اثر متقابل می گذارد و دستگاهی كه از طریق آن این نیروها بر كاربر اعمال شوند.
یك شیوه معمول برای چنین كاری استفاده از مدل های چند وجهی برای نمایش اشیاء در جهان مجازی است. این مدل های سه بعدی به درستی می توانند چندین شیء مختلف را به تصویر كشیده و مجسم كنند هم چنین می توانند اطلاعات لمس كردن را به وسیله ارزیابی چگونگی اثرگذاری خطوط نیرو روی وجوه مختلف شیء مجازی محاسبه كنند. در ادامه تعدادی از دستگاه های Haptic را بررسی می كنیم تا با عملكرد آنها بیشتر آشنا شویم. Phantom از كمپانی Sensable Technologies از اولین سیستم های Haptics بود كه به صورت تجاری به فروش رسید و موفقیتش را نیز باید مدیون سادگی خود باشد.
این دستگاه لمسی به جای تلاش برای نمایش اطلاعات از چندین نقطه مختلف، لمس كردن را در تنها یك نقطه تماس شبیه سازی می كند.
Phantom این كار را به وسیله قلمی كه به بازوی لامپی شكلش متصل است انجام می دهد.
سه موتور كوچك باز خورد نیرو را توسط اعمال فشار روی قلم به كاربر ارائه می دهند.
بنابراین یك كاربر می تواند قابلیت ارتجاعی یك بادكنك مجازی و یا سختی آجرهای یك دیوار را حس كند. هم چنین می تواند ساختار، دما و وزن اجسام مجازی را نیز احساس كند.
قلم این دستگاه می تواند به صورت دلخواه تنظیم شود.
بنابراین شبیه به هر شیء در می آید. مثلاً می تواند با اتصال یك سرنگ، احساسی را كه از سوراخ كردن پوست و ماهیچه در زمان تزریق به انسان دست می دهد، شبیه سازی كند.
محققین دانشگاه كارنگی ملون در حال آزمایش روی یك اینترفیس لمسی هستند كه به اتصالات و كابل ها نیازمند نیست و به جای آنها از یك الكترومغناطیس قدرتمند برای شناور شدن دسته ای كه به یك جوی استیك شبیه است استفاده می كند.
كاربر با تكان دادن دسته، با محیط مجازی ارتباط برقرار می كند.
با حركت دادن و چرخاندن دسته او می تواند حركت، شكل، مقاومت و ساختار سطح اشیای شبیه سازی شده را حس كند.
هم چنین اجازه حركت محدود در 6 درجه آزدی را می دهد. (با تنها سه درجه آزادی فعال Phantom مقایسه كنید.)
یكی از اشكالات اینترفیس لمسی شناوری مغناطیسی، فضایی است كه اشغال می كند.
یك قفسه كامل برای جای دادن منابع برق، آمپلی فایرها و پردازشگرهای كنترل مورد نیاز است.
سیستم هایی كه به شرح آنها پرداختیم می توانند خیلی گران قیمت باشند. یعنی كاربردهای این تكنولوژی هنوز محدود به برخی صنایع خاص و انواع ویژه، آماده سازی می شود.

كاربردهای تكنولوژی لمسی
 

یافتن راه های استفاده از تكنولوژی Haptics مشكل نیست.
سازندگان بازی های كامپیوتری از اولین مصرف كنندگان Haptics های انفعالی بودند و از آنها برای لرزاندن جوی استیك ها، كنترلرها و غربیلك های فرمان بهره برده اند. ولی بازی های ویدیویی آینده به افراد این امكان را می دهند تا اشیاء مجازی را احساس نموده و با آنها برخورد كنند.
كنترلر لمسی Novint Falcon هم اكنون این وعده را به واقعیت تبدیل ساخته است.
این كنترلر كه دارای بازخورد نیروی سه بعدی بوده، به شما اجازه می دهد كه تفاوت های بین شلیك یك تپانچه را با یك شات گان و یا مقاومت كمان در یك تیر و كمان وقتی كه تیر را برای پرتاب به سوی خود می كشید، حس كنید.
اینترفیس های گرافیكی، همانند آنهایی كه محیط های عملیاتی ویندوز و MAC را تعریف می كنند نیز از ارتباطات لامسه ای، سود زیادی خواهند برد.
تصور كنید قادرید دكمه های گرافیكی مجازی را لمس كرده و با فشار روی آنها درست همانند محیط واقعی بازخورد نیرویی را دریافت كنید. برخی سازندگان صفحات لمسی در حال حاضر در حال آزمایش این تكنولوژی هستند.
طراحان تلفن همراه نوكیا یك صفحه لمسی ساخته اند كه همان گونه كه گفته شد، كاربر دكمه های روی صفحه نمایش آنرا همانند دكمه های واقعی حس می كند.
با فشار یك دكمه كاربر حركتی را به سمت داخل و سپس خارج صفحه حس می كند و هم چنین یك صدای كلیك نیز شنیده می شود.
مهندسین نوكیا با قرار دادن دو صفحه سنسور فیزیوالكتریكی در زیر صفحه نمایش و طراحی آن به گونه ای كه قابلیت حركت به سمت داخل و بیرون را داشته باشد، به طرح جدید خود رسیده اند.
با وجود اینكه كمپانی های متعددی در راه استفاده از اینترفیس های لمسی به نوكیا و نووینت پیوسته اند ولی قیمت هنوز یك مانع بزرگ است.
پیچیده ترین تكنولوژی های لمسی در صنعت، ارتش و كاربردهای درمانی یافت می شود.
آموزش دادن با استفاده از Haptics هر روز متداول تر می شود.
برای مثال دانشجویان پزشكی می توانند با استفاده از كامپیوتر و محیط های مجازی، تكنیك های حساس جراحی را فرا گیرند. مكانیك های هواپیما می توانند با قطعات و روندهای سرویس پیچیده آشنا شوند و هر چیزی را كه روی صفحه نمایش مشاهده می كنند، لمس كنند و سربازان می توانند از راه های گوناگونی برای نبرد آماده شوند و از چگونگی خنثی سازی یك بمب گرفته تا حركت با یك تانك یا به پرواز درآوردن یك هلی كوپتر یا جت جنگنده را در سناریوهای جنگی مجازی فراگیرند.
تكنولوژی لمسی كاربرد گسترده ای نیز در تلروباتیك دارد.
در یك سیستم تلروباتیك یك اپراتور، حركات روباتی را كه در مكانی دیگر قرار دارد، كنترل می كند. برخی روبات های این چنینی وظایف ساده ای مثل عكس برداری و فرستادن آن به واحد كنترل را برعهده دارند.
در یك حالت پیچیده تر تلروباتیك كه Telepresence نام دارد، اپراتور، احساس قرارگرفتن در محیط قرارگیری روبات را دارد.

اهمیت تكنولوژی لمسی
 

در بازی های ویدیویی، وجود قابلیت های لمسی بسیار جالب و جذاب است، چرا كه واقعیت نمایی بازی و در نتیجه لذّت كاربر را افزایش می دهد.
ولی در آموزش و دیگر كاربردها اینترفیس های لمسی حیاتی هستند. چرا كه احساس لامسه، اطلاعات غنی و یا جزئیات بالا را درباره یك شیء انتقال می دهند.
وقتی كه حس لامسه با دیگر حس ها و خصوصاً بینایی، تركیب می شود میزان اطلاعاتی را كه برای پردازش به مغز فرستاده می شود، افزایش می دهد.
افزایش اطلاعات دریافتی خطای كاربر و میزان مصرف انرژی را كم می كند.
سامسونگ به وضوح با معرفی گوشی تلفن همراه لمسی Anycall به امید استفاده از برخی مزایای فوق است. نوكیا نیز با معرفی گوشی های تلفن همراه با صفحه نمایش لمسی جدید، گام بزرگی را در این راستا برخواهد داشت.
این گوشی ها معمولاً زیبا به نظر می رسند و البته لمس كردن آنها جذاب است ولی علاوه بر این موارد، استفاده از آنها نیز آسان تر خواهد بود.
منبع:نوآور-ش59



 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر


همه پیوندها