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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO-PUNO FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA ELÉCTRICA ELECTRÓNICA Y SISTEMAS ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERÍA ELECTRONICA

SITEMAS DIGITALES II TEMA: INTERFACES APTICAS Y TELEINMERSIÓN ING.: PEDRO BEJAR MUÑOZ PRESENTADO POR: YAYER ANTHONIN QUISPE HERRERA CODIGO: 171560 SEMESTRE: V PUNO

- PERÚ

2019

INDICE I.

INTRODUCCION ................................................................................................................ 1

II.

MARCO TEORICO .............................................................................................................. 2

III.

CAMPOS DE APLICACIÓN DE LAS INTERFACES HÁPTICAS.................................................... 3

IV.

CLASIFICACION DE INTERFACES HAPTICAS ........................................................................ 5

V.

INTERFACES HÁPTICAS UTILIZADAS ................................................................................... 7 5.1.1

PHANTOM Sensable Techologies ..................................................................................... 7

5.2

FREEDOM 6S MPB TECHNOLOGIES................................................................................... 8

5.3

NOVINT TECHNOLOGIES ................................................................................................... 9

5.3.1

Requerimientos................................................................................................................ 10

5.3.2

Instalación ........................................................................................................................ 10

VI.

MODELO DE SESARROLLO DE INTERFACES APTICAS ........................................................ 11

A. Representación háptica ........................................................................................................... 11 VII. PARADIGMAS DE INTERACCIÓN HÁPTICA ........................................................................ 11 VIII. CONCLUSIONES .............................................................................................................. 17 IX.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS........................................................................................ 17

TELEINMERSIÓN………………………………………………………………………………..18

I. INTRODUCCION En la interacción hombre-computador requerida en un entorno remoto virtual, generalmente se utilizan las facultades visuales (a través de una pantalla) retroalimentación de información de una escena, sin embargo los niveles de inmersión del usuario pueden mejorarse con la aplicación de dispositivos que interactúen con otros sentidos. Las interfaces hápticas bidireccionales que retroalimentan señales táctiles y propioceptivas a un operador, sobre la información del relieve y la textura de un objeto virtual. El presente trabajo trata de dar un enfoque general en el uso y desarrollo de interfaces hápticas en medios virtuales y sus aplicaciones, enfocándose un poco en el área médica Los dispositivos hápticos producen la sensación de estar tocando realmente un mundo virtual o remoto. Según, el objetivo ideal es que el operador no distinga entre lo real y lo virtual y según esto permite que el cirujano tenga una experiencia más real, en la que se reproducen las fuerzas de contacto, se aumenta la sensación de presencia, se mejora la interacción y el manejo de los instrumentos médicos. La tecnología háptica en la tele-operación permite tener toda realimentación que conlleve percepción cutánea y hacer mediciones de: velocidades, aceleraciones, vibraciones e inercias. Esto es ideal en las investigaciones que conllevan sistemas de control con realimentación. Entre los principales dispositivos hápticos para aplicaciones médicas se encuentran: PHANToM de arquitectura serie (Sensable Technologies) y MAGISTERP de arquitectura paralela. Y estudios representativos como los presentados en: un desarrollo en el cual se realiza tele-operación con realimentación cinestésica pero a su vez incluye realimentación de fuerzas virtuales desde un simulador generando fuerzas de repulsión que eviten el contacto con objetos.

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II.

MARCO TEORICO

2.1 INTERFACES HAPTICAS Historia Una de las formas más tempranas de uso de las tecnologías hápticas en dispositivos se introdujo en los sistemas servo de los grandes aviones con la intención de operarlos remotamente. Estos sistemas primitivos actuaban en una única vía de tal forma que la fuerza aplicada a un mando se multiplicaba hacia las superficies de control aerodinámico (alerones, etc.), pero el piloto no obtenía como respuesta un factor de la fuerza resistente. Es de pensar que en los inicios los pilotos de los pequeños aviones sin servo tenían todas las sensaciones acerca de la resistencia sobre las actuaciones de una palanca y esto suponía una seguridad en ciertas situaciones de peligro. Lo cierto es que con los servos iniciales el piloto no obtenía esta sensación. Para resolver este problema se instaló un sistema de control que proporcionaba una resistencia a la palanca del piloto proporcional al ángulo de ataque, este es un ejemplo de interfaz háptico. Teleoperadores y simuladores Los teleoperadores son operadores que controlan herramientas de forma remota, y es necesario en estos casos que las fuerzas de contacto resistentes retornen hacia el teleoperador. A esto se le denomina "teleoperación háptica". El primer operador háptico desarrollado se construyó en los años 50 en Argonne National Laboratory EE. UU. por el Doctor Raymond Goertz permitiendo operar remotamente sobre sustancias radiactivas. Desde estas experiencias el empleo de una "fuerza de retorno" se ha ido empleando ampliamente en muchos tipos de teleoperación tal y como la exploración de las profundidades marinas. Cuando estos dispositivos se emplean con un usuario mediante simulación guiada por ordenador, es importante proporcionar la fuerza de retorno que podría sentirse en las operaciones reales. Como en estos casos los objetos manipulables no existen en realidad, las fuerzas hápticas generadas como retorno mediante el ordenador al usuario deben ser de tal forma que proporcionen sensación al operador. Los simuladores hápticos se emplean en la actualidad (2004) en entrenamiento de operaciones médicas y en simuladores de vuelo para el entrenamiento de pilotos. a). ENTORNOS HÁPTICOS EN REALIDAD VIRTUAL. Es muy evidente que los interfaces hápticos vayan ganando cada vez más terreno en parte de la realidad virtual, añadiendo la sensación del tacto a los entornos visuales, tal y como es en el sistema denominado: '3DMobile Immersive Workstation'. Se puso muy de moda a comienzo de los años 2000 el entorno virtual del cibersexo (denominado también Teledildónica). Los avances logrados 2

hasta día de hoy ponen de manifesto la imparable carrera que nos avecina, pues lo mucho que aún está por descubrir cambiará muy probablemente nuestras vidas. b). INTERFACES APTICAS Háptica (del griego haptesthai, significa “tocar”): Término utilizado para hacer referencia a algo asociado con el sentido del tacto. Con el término “interfaces hápticas” se alude a aquellos dispositivos que permiten al usuario tocar, sentir o manipular objetos simulados en entornos virtuales y sistemas teleoperados. En la mayoría de simulaciones realizadas en entornos virtuales, basta con emplear displays 3D y dispositivos de sonido 3D stereo para provocar en el usuario, mediante imágenes y sonidos, la sensación de inmersión dentro del espacio virtual. No obstante, además de provocar en el usuario esta sensación de inmersión, se debe proporcionar la posibilidad de interactuar con el medio virtual, pudiendo establecer entre el usuario y el entorno virtual una transferencia bidireccional y en tiempo real de información mediante el empleo de interfaces de tipo háptico. III. CAMPOS DE APLICACIÓN DE LAS INTERFACES HÁPTICAS a) Medicina: Simuladores quirúrgicos para entrenamiento médico, micro robots para cirugía mínimamente invasiva (MIS), Existen diversos interfaces 'Hápticos en el caso de simulación médica y que pueden resultar útiles a la hora de intentar minimizar los daños ocasionados por el uso de procedimientos invasivos (laparoscopia/radiología de intervención) y permitir obtener de forma remota. En el futuro, es muy posible que los médicos expertos puedan hacer operaciones remotas. Además se han utilizado dispositivos hápticos en rehabilitación asistida por robots. etc. b) Educacional: Proporcionando a los estudiantes la posibilidad de experimentar fenómenos a escalas nano y macro, escalas astronómicas, como entrenamiento para técnicos, etc. Algunas investigaciones se han realizado en sobre diferentes tipos de sensaciones del tacto como vibraciones rápidas o estimulación mediante punciones. Un dispositivo de este tipo emplea una red de diminutos clavos que 3

vibran con el objeto de simular la sensación de la superficie de lo que se toca, permitiendo discriminación entre varias formas, texturas y resiliencias. c) Entretenimiento: Juegos de video y simuladores que permiten al usuario sentir y manipular objetos virtuales. Algunos dispositivos desarrollados para juegos tienen estas características. Es de destacar sobre todo En algunos joysticks y controladores de juego proporcionan un retorno háptico. La forma más sencilla en los juegos es lo que se denomina "tabletas vibradoras" ("rumble packs") con los que el usuario siente como hay irregularidades tales como un terreno desigual cuando conduce un automóvil. d) Industria: Integración de interfaces hápticos en los sistemas CAD de tal forma que el usuario puede manipular libremente los componentes de un conjunto en un entorno inmersivo. e) Artes gráficas: Exhibiciones virtuales de arte, museos, escultura virtual etc. Las interfaces hápticas en el campo de la cirugía ofrecen una percepción táctil de órganos y tejidos virtuales. Añadido a la visualización de los mismos, concede un mayor grado de realismo a un entorno de trabajo ficticio.

3.1 Entornos Hápticos en Realidad Virtual. Es muy evidente que los interfaces hápticos vayan ganando cada vez más terreno en parte de la realidad virtual, añadiendo la sensación del tacto a los entornos visuales, tal y como es en el sistema denominado: '3D-Mobile Immersive Workstation'. Se puso muy de moda a comienzo de los años 2000 el entorno virtual del cibersexo (denominado también Teledildónica). Los avances logrados hasta día de hoy ponen de manifesto la imparable carrera que nos avecina, pues lo mucho que aún está por descubrir cambiará muy probablemente nuestras vidas.

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Gracias al avance producido tanto en el campo de la robótica como en los ordenadores, se permite el desarrollo de aplicaciones de simulación virtual pudiendo tener múltiples aplicaciones dentro del ámbito de la docencia quirúrgica. Mediante los simuladores quirúrgicos se desarrollan disciplinas de entrenamiento para cirujanos, además de ampliar la capacidad de percibir sensaciones táctiles virtuales. Esto genera un amplio espectro de posibilidades tanto en el área del entrenamiento como en la pre planificación de intervenciones, siendo muy interesantes cuanto más complejas sean las operaciones [3]. IV.

CLASIFICACION DE INTERFACES HAPTICAS

Clasificación de las interfaces hápticas según la portabilidad 1) Exoesqueletos: Pretenden reproducir los movimientos del operador en el entorno remoto mediante un robot antropomórfico o con brazos de estructura similar a los del operador. Pueden ser portátiles o estar sujetos al techo o a un muro. El brazo Master Arm (Fig. 2) es un ejemplo de exoesqueleto fijo tipo brazo robótico. Las interfaces portátiles se distinguen en que el soporte sobre el que se apoya todo el de la interfaz puede ser el propio usuario. Los actuadores deben disponer de unas relaciones potencia-peso y potencia-volumen altas. Se encuentran en dos grupos, los exoesqueletos para el brazo y los maestros para la mano o tipo guantes como el CyberGrasp

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Fig. 2 Brazo exoesqueleto Master Ar

Fig. 3 Guante CyberGrasp

2) Interfaces Manuales: Proporcionan información al operador del relieve, textura e inclusive temperatura de un objeto. Estas, constan de sensores de tacto remotos y de actuadores que entran en contacto con los dedos de la mano del operador. Se pueden distinguir joysticks esféricos como el Microsoft Force Feedback

3) Cartesianos como el Escalibur; basados en plataformas de Stewart como el Joystick Itawa; las interfaces cuyo efector final tiene forma de lápiz como la serie PHANToM de Sensable, o las interfaces construidas con cables como el MantisFlyer de Mimic Technologies. La principal aplicación de este tipo de interfaces, se da cuando se requiere una habilidad manual especial y donde la retroalimentación visual no es suficiente como puede ser en la telecirugía.

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V.

INTERFACES HÁPTICAS UTILIZADAS 5.1.1 PHANTOM Sensable Techologies

Actualmente se dispone de varios modelos de esta interfaz (Figura 0.1), cuyo número de grados de libertad en posicionamiento varía desde 3 hasta 6, pudiendo recibir forcefeedback a lo largo de todos o algunos de estos grados de libertad. El espacio de trabajo de los distintos modelos varía considerablemente desde los modelos iniciales a los superiores. La fuerza máxima que puede proporcionar es de 22N en el modelo Premium 3.0 y la fuerza sostenida (24h.) es de 3N. Conforme avanzamos hacia modelos superiores, aumenta la inercia de los dispositivos, al tiempo que disminuye su rigidez. El Phantom renueva el estado de sus fuerzas cada milisegundo, y presenta una alta resolución posicional.

Figura 0.1 Phantom Sensable Technologies En la Tabla 0.1 se pueden apreciar las especificaciones técnicas de esta interfaz háptica.

Tabla 0.1 Especificaciones técnicas de Phantom ~6.4 W x 4.8 H x 2.8 D in. Force feedback workspace > 160 W x 120 H x 70 D mm. Footprint (Physical area device base occupies on desk)

6 5/8 W x 8 D in. ~168 W x 203 D mm.

Weight (device only)

3 lbs. 15 oz.

Range of motion

Hand movement pivoting at wrist

Nominal position resolution

> 450 dpi. ~ 0.055 mm.

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Backdrive friction

< 1 oz (0.26 N)

Maximum exertable force at nominal (orthogonal arms)position

0.75 lbf. (3.3 N)

Continuous exertable force (24 hrs.)

> 0.2 lbf. (0.88 N)

Stiffness

X axis > 7.3 lbs. / in. (1.26 N / mm.) Y axis > 13.4 lbs. / in. (2.31 N / mm.) Z axis > 5.9 lbs. / in. (1.02 N / mm.)

Inertia (apparent mass at tip)

~0.101 lbm. (45 g)

Force feedback

x, y, z

Position sensing [Stylus gimbal]

x, y, z (digital encoders) [Pitch, roll, yaw (± 5% linearity potentiometers)

Interface

IEEE-1394 FireWire® port: 6-pin to 6-pin

Supported platforms

Intel or AMD-based PCs

OpenHaptics® Toolkit compatibility

Yes

Applications

Selected Types of Haptic Research, FreeForm® Modeling™ system, ClayTools™ system

5.2 FREEDOM 6S MPB TECHNOLOGIES Esta interfaz (Figura 0.2) posee 6 GDL y un nivel de fricción de aproximadamente 0.1 N en cada dirección. La inercia resultante en el extremo varía entre 0.09 y 0.15 Kg. Figura 0.2 Freedom 6S MPB

En la Tabla 0.2 se pueden observar las especificaciones técnicas de este dispositivo háptico. 8

Tabla 0.2 Especificaciones técnicas de Freedom 6S MPB Error! Reference source not found. Environmental Mounting Table top unit Footprint 25 x 25 cm Device Operating Temperature 22 ± 5 °C Mass of device with stand (45.3 lb) Mass of device without stand (11.2 lb) Control Connection Operating System Update Rate 1kHz recommended Mechanical Translation Pitch 17x22x33 Workspace 170° cm Tip Inertia 125 g 0.04 g.m2 Backdrive 40 mN 5 mN.m Friction 370 Max Force/ 2.5 N* mN.m** Torque 0.6 N*** 105 mN.m*** Position 2 µm 0.02 mrad Resolution Force 1.5 mN 0.1 mN.m Resolution Stiffness

2 N/mm

Two PCI or PCIe cards installed in a PC, with cable connection to device Windows, Linux Yaw

Roll

130°

340°

0.03 g.m2

0.003 g.m2

2 mN.m

1 mN.m

310 mN.m** 88 mN.m***

150 mN.m** 44 mN.m***

0.02 mrad

0.02 mrad

0.1 mN.m

0.05 mN.m

4.0 N.m/rad 2.5 N.m/rad

0.2N.m/rad

Electrical

5.3 NOVINT TECHNOLOGIES Novint Falcon (Figura 0.3) es un dispositivo fabricado por Novint Technologies, Inc. Error! Reference source not found. para interacción en escenarios 3D, con realimentación de fuerzas. Se ha diseñado inicialmente para aplicaciones de entretenimiento, videojuegos o sustitución de periféricos como el ratón o el joystick y por su bajo costo se ha convertido en el pionero en la categoría de productos hápticos para el mercado de consumo. Figura 0.3 Novint Falcon

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La aplicación que se presenta a continuación fue desarrollada para la visualización tridimensional del robot para laparoscopia llamado LapBot, que sigue las trayectorias realizadas por un usuario a través de la interfaz háptica Novint Falcon pasando por un punto de incisión. Además esta aplicación muestra la detección de colisiones, con realimentación de fuerza, entre el efector final del robot y el abdomen simulado del paciente.

5.3.1 Requerimientos Para que la aplicación funcione correctamente, el computador donde se va a instalar debe tener: 1. Windows XP, Windows Vista. (No se ha probado con Linux). 2. OpenGL o Direct3D (Normalmente OpenGL siempre está instalado). 3. 150MB o más de espacio en el disco duro. 4. 1GB o más de memoria RAM. 5. Procesador de 1.8GHz o mejor. 6. Preferiblemente una tarjeta aceleradora de video (funcionan mejor con Direct3D). Los requerimientos se han determinado de acuerdo a las pruebas que se han realizado en algunos computadores, sin embargo es posible que funcione en un computador con características similares. 5.3.2 Instalación Después de verificar los requerimientos del sistema, proceda a: 1. Instalar los drivers del dispositivo háptico que vienen en el CD o desde la pagina principal de Novint Technologies http://home.novint.com/support/download.php 2. Instalar el Software del sistema de PhysX para el correcto funcionamiento del motor físico. 3. Ejecutar el archivo con el nombre LapBotSimulator.exe y empezar a probar la aplicación.

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VI.

MODELO DE SESARROLLO DE INTERFACES APTICAS A. Representación háptica La representación háptica es el proceso de cómputo y generación de fuerzas en respuesta a las interacciones del usuario con objetos virtuales. Existen varios paradigmas en cuanto al modo de representar el contacto con objetos virtuales, cuando existe un único punto de contacto se les denominan algoritmos de 3DoF (degree of freedom/grados de libertad); otros algoritmos hacen uso de la representación de la fuerza y momentos que surgen al momento de la interacción con los objetos virtuales, a los que se les conoce como 6-DoF pues cuentan con una posición y una orientación en 3D. El campo de estudio y desarrollo de interfaces hápticas, kinestesicas o de retroalimentación de fuerzas es muy amplio y ha ido evolucionando paralelamente con los sistemas de tele operación y de realidad virtual. Se pueden clasificar en función del tipo de actuadores utilizados, la escala en generación de fuerza, su portabilidad o soporte, pudiendo ser interfaces de escritorio, suspendidas en el techo, fijos a la pared o portátiles (Fig. 1). Para su aplicación, se debe contar con un kit de desarrollo o un sistema programable que permita la integración con el entorno remoto virtual sobre el cual se interactué. VII.

PARADIGMAS DE INTERACCIÓN HÁPTICA

1) Visualización de datos: Generalmente, los datos que se perciben no son necesariamente en la modalidad táctil, pero se transforma en este tipo ya sea porque se trata de datos de alta dimensión o porque la colocación con el sistema motor humano puede ser beneficioso. 2) Aumento háptico de las acciones de un cursor: El cursor en las interacciones humanocomputadora es un elemento pasivo, sin embargo bajo este paradigma se puede aumentar la percepción del usuario ayudando a distinguir varias señales. Se asocia a dispositivos para ayudar a discapacitados visuales y además en los dispositivos de pantallas táctiles. 3) Interacción táctil con un mundo virtual: Es el tipo de interacción más común, se presenta un mundo virtual para el usuario al cual se le permite poder mover un objeto en dicho mundo y además se percibe el contacto con el medio ambiente. Es el más conocido como la representación táctil.

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C. Pantalla kinestesica como herramienta de contacto La percepción háptica puede ser dividida en dos categorías principales, basadas en la naturaleza de los mecano receptores que son activados (cutáneos o kinestesicos) y el tipo de fuerza de contacto que puede ser percibida, que se pueden clasificar en fuerzas que aparecen debido al contacto directo de la piel con el medio y aquellas que aparecen debido al contacto del objeto manipulado por el usuario y el otro objeto con el que se interactúa. E. Representación háptica para manipulación virtual Ciertas actividades profesionales, tales como entrenamiento para operaciones de alto riesgo o pruebas de prototipos en preproducción, pueden tener grandes beneficios si se simulan. La fidelidad de las simulaciones depende, entre otros factores, de la similitud del comportamiento de los objetos reales y virtuales. En el mundo real, los objetos sólidos no pueden penetrarse. Las fuerzas de contacto pueden ser interpretadas matemáticamente como fuerzas de restricciones impuestas por restricciones de penetración. Como sea, a menos que las restricciones de penetración sean explícitamente impuestas, los objetos virtuales son libres de penetrarse entre sí en el medio virtual. De hecho, uno de las experiencias más desconcertantes en medios virtuales es pasar a través de los objetos virtuales. Los medios virtuales requieren la simulación de no penetrabilidad de cuerpos rígidos dinámicos, y este problema ha sido explorado intensamente en robótica y computación gráfica. F. Tareas de la representación háptica Se debería discutir dos asuntos computacionales, por ejemplo, encontrar laconfiguración de la herramienta y computar las fuerzas de contacto, y usar la información de la configuración del dispositivo. Esto requiere conocimiento acerca del medio que en algunos casos se modifica. Con estos aspectos en mente, una posible definición general del problema de renderizado podría ser: Dada una configuración del dispositivo háptico H, encontrar una configuración de la herramienta T que minimice la función objetivo f(H-T), sujeta a las restricciones del medio. Mostrar al usuario una fuerza F(H,T) dependiente de las configuraciones del dispositivo y la herramienta. Esta definición asume una prioridad causal donde la variable de entrada es la configuración del dispositivo háptico H, y la variable salida es la fuerza F. Esta prioridad es conocida como renderizado de impedancia, porque el algoritmo de representación puede ser considerado como una impedancia mecánica programable. En renderizado de impedancia, el dispositivo del sistema de control debería proveer la información de la posición e implementar un ciclo de fuerzas de control. Una posibilidad diferente es el renderizado de admitancia donde la representación puede ser considerada como una admitancia mecánica programable que compute la 12

programación del dispositivo deseable, como resultado de las fuerzas de entrada. En este caso, el dispositivo de control debería proveer un dispositivo de fuerzas e implementar un ciclo de control de posición. Estos dos tipos de sistemas de renderizado presentan propiedades duales y su diseño puede ser abordado de manera unificada. G. Algoritmo de interacción estable Una representación háptica es un sistema que está integrado por un subsistema discreto (algoritmo de representación) y un subsistema continuo (el dispositivo y el usuario). La simulación de un medio virtual usando un modelo discreto, junto con muestreo y la asociación de un tiempo de retardo en las comunicaciones, lleva a una percepción no muy exacta en el medio virtual. La implicación práctica de esta diferencia es que un sistema completo de usuariodispositivo algoritmo podría volverse inestable cuando es perfectamente estable en un mundo real. Muchos trabajos en representación háptica se han enfocado en el diseño de algoritmos de representaciones estables. H. Algoritmo de renderizado directo La representación directa se basa en una impedancia en la estrategia de control de tipo. Primero, la configuración del dispositivo háptico es recibida desde el controlador y es asignada directamente a la herramienta virtual. La detección de la colisión se realiza entonces entre la virtual y el medio. La respuesta a la colisión es típicamente computada como una función de la separación del objeto o la profundidad de separación usando métodos basados en penalizaciones. Finalmente, la fuerza de contacto resultante es directamente retroalimentada al dispositivo controlador. La representación háptica tiene dos problemas principales: computar las fuerzas y la configuración de la herramienta. La popularidad del renderizado directo nace de la simplicidad de calcular la configuración de la herramienta como si no hubiera necesidad de formular un problema de optimización compleja (por ejemplo, una representación de cuerpos rígidos dinámicos de 6- DoF). Sin embargo, el uso de métodos de cómputo de fuerzas por penalización tiene sus inconvenientes, como que los valores de penetración podrían ser más grandes que los visualmente percibidos, y la inestabilidad del sistema se podría observar si la actualización de la tasa de fuerzas esta fuera del rango de los valores estables. A través de los años, arquitecturas de renderizado directo han sido usadas a menudo como un primer enfoque practico para la representación háptica. Así, los primeros algoritmos de 3-DoF computaron fuerzas basadas en campos potenciales definidos dentro del medio. Sin embargo, este enfoque podría permitir problemas en discontinuidades de fuerzas.

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Algoritmos de renderizado directo son quizás más populares para representaciones de 6-DoF, y muchos han utilizado estos en combinación con descomposición convexa y detección de colisiones jerárquicas con superficies paramétricas, basadas en conos normales u otros con rápido cómputo de profundidad de penetración y contacto.

I. Renderizado a través de acoplamiento virtual A pesar de la aparente simplicidad delrenderizado directo, el cálculo y visión de las fuerzas de contacto puede ser una tarea compleja desde el punto de estabilidad de la vista. La estabilidad de la representación háptica puede ser encontrada a través del estudio de impedancias programables. Con el renderizado directo y el cálculo de fuerzas de contacto basadas en penalización, el renderizado de impedancia es difícilmente controlable, permitiendo una visualización inestable. La ejecución de estabilidad se puede simplificar en gran medida por la separación de las configuraciones del dispositivo y la herramienta, y la inserción de un enlace viscoelástico que se refiere al acoplamiento virtual. La conexión de subsistemas pasivos a través de acoplamiento virtual permite un sistema estable general. J. Teleoperación de una herramienta virtual Para que el contacto virtual pueda ser percibido como resultado de la interacción entre una herramienta virtual y un medio virtual, la representación háptica debe tener en cuenta dos tareas: 1. Computar y mostrar las fuerzas resultantes desde el contacto entre la herramienta y el medio virtual. 2. Computar la configuración de la herramienta virtual. Un sistema de representación háptica está compuesto por dos subsistemas: un sistema real (el usuario y el dispositivo háptico) y uno virtual (la herramienta y el medio). La herramienta actúa como una contraparte virtual del dispositivo háptico. Desde esta perspectiva, la representación háptica presenta una remarcable similitud a la 14

teleoperación maestro-esclavo. La principal diferencia es que en la teleoperación tanto el maestro como el esclavo son sistemas físicos reales, mientras que en la representación háptica la herramienta es un sistema virtual. Similarmente, la representación háptica muestra algunos de los retos de la teleoperación, como el cómputo de una teleoperación transparente (la herramienta debería seguir la configuración del dispositivo y producir fuerzas que se correspondan con las generadas sobre la herramienta). K. Modelos de representación de fuerzas La representación de fuerzas es el procedimiento para la trasmisión de una sensación táctil a través de la aplicación de una serie de vectores de fuerza en el dispositivo háptico debido a la interacción y transformación dinámica entre los objetos virtuales de la escena y el elemento que representa a la interfaz. Los métodos para el cálculo de fuerzas varía dependiendo de la configuración física del dispositivo y el modelo de representación háptica que se haga en el entorno virtual, tomado por ejemplo en los brazos robóticos seriales, con respecto a un solo punto de contacto o Proxy (conocido también como haptic interface point HIP) que corresponde con la posición del efector final. Algunas configuraciones tales como los exoesqueletos o guantes, requieren de representaciones más elaboradas (haptic interface mesh HIM) debido a la complejidad y uniformidad de sensaciones táctiles que deben transmitirse. Una vez representado el dispositivo háptico en el entorno virtual, el cálculo y aplicación de los vectores de fuerzas se pueden dar en dependencia del movimiento, el tiempo o una combinación de ambos. Los vectores de fuerza dependientes del movimiento requieren la retroalimentación de posiciones del dispositivo háptico. Algunos de los modelos utilizados de forma individual o combinada, son: 1) Modelo Resorte: Más comúnmente utilizado por su versatilidad y simplicidad. Se basa en la Ley de Hooke: F=k*x Donde k es la constante de elasticidad y x un vector de desplazamiento determinado dependiendo de la representación aceptada para el dispositivo háptico. Las variaciones de k permiten una retroalimentación de sensaciones táctiles sobre objetos rígidos o elásticos. 2) Modelo Amortiguador: Es una modificación del modelo anterior que tienen en cuenta las variaciones en el desplazamiento del efector final: F= -b*v= -b*x

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b es la constante de amortiguamiento determinada en el modelo para la disminución de vibraciones en la interacción háptica. El vector de fuerza siempre apunta en dirección opuesta al movimiento. 3) Modelos de Fricción: Incluyen la fricción de Coulombic, viscosa y la estáticadinámica. 4) Modelo de Inercia: Asociada con el movimiento de una masa conocida m. La determinación del vector de fuerza se realiza con la Ley de Newton: F=m*a=m*x Si el renderizado háptico se establece en dependencia del tiempo, la fuerza puede ser constante, periódica o aplicada a través de impulsos. Las magnitudes y frecuencias de los vectores aplicados, dependen de las características del dispositivo referidas a fuerzas máximas y ancho de banda táctil.

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VIII. CONCLUSIONES El háptica es un área que estudia cómo puede combinarse la modalidad sensorial del tacto con un medio virtual el cual puede ser representado por un entorno remoto. Así, las interfaces hápticas son dispositivos que proporcionan sensaciones de fuerza o tacto al operador lo cual aumenta la inmersión del mismo en un medio virtual. La mayoría de las interfaces hápticas comerciales disponibles son dispositivos que simulan las funcionalidades de brazos o manos, pues las aplicaciones diseñadas hoy en día se centran en aprovechar la alta densidad de sensores táctiles que se encuentran en los dedos. Muchos dispositivos hápticos que cuentan con sus interfaces son adecuados para aplicaciones de asistencia quirúrgica, para lo cual se han desarrollado diversos estudios que implican buscar una buena manera de lograr una representación del entorno virtual asociada a un entorno que podría ser real. Es por esto que se ha extendido el estudio en esta rama pues podría utilizarse para el adiestramiento de profesionales en labores que impliquen riesgo o poca visibilidad. Para lograr simulaciones casi reales en estos entornos virtuales, se han estudiado y desarrollado un sin número de técnicas para tratar de encontrar la mejor manera de lograr una réplica casi perfecta de lo que sería la simulación en un entorno real.

IX.     

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Otaduy, Miguel et al. Interaction: Interfaces, algorithms and applications. 2009 Pinto Salamanca, María L. Análisis e implementación de una interfaz háptica en entornos virtuales. 2009 Hayward V., Astley O., Cruz-Hernandez M., Grant D., Robles-De La-Torre G. Tutorial Haptic Interfaces and Devices. Sensor Review, 24, 16-29. 2004. Wikipedia:Traducciones por revisar | Comunicacion no verbal

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Teleinmersión La Teleinmersión es un sistema avanzado de telecomunicación de alta velocidad, que permite captar los movimientos y otros aspectos de los usuarios, para que se retransmitan a través de una red de alta velocidad (como Internet2). Las personas pueden manipular datos, compartir simulaciones y experiencias como si estuvieran reunidas físicamente. Sin embargo, el sistema requiere gran ancho de banda, poco retardo y una mínima pérdida de datos en la red. A pesar de que falta mejorar algunos detalles como el olor y el tacto, significa un gran avance en las relaciones personales. Por otro lado, puede servir a la educación y medicina. Se podría dictar una clase y controlar a todos los alumnos sin tener que estar en la misma habitación o un cirujano podría estar presente en una sala de operaciones para dar consejos estando a miles de kilómetros. Potencial de la Teleinmersión La Teleinmersión tiene el potencial de cambiar significativamente los paradigmas educativos, científicos y de fabricación. Un sistema de Teleinmersión permitiría a personas situadas en distintos lugares compartir el mismo entorno virtual. Por ejemplo, los participantes en una reunión podrían interactuar con un grupo virtual, casi de la misma forma a como lo harían si estuvieran en la misma habitación. Los individuos podrían compartir y manipular datos, simulaciones y modelo de moléculas; construcciones físicas o económicas; y participar juntos en la simulación revisión de diseños o procesos de evaluación. Como ejemplo, piénsese en estudiantes de ingeniería mecánica o industrial trabajando juntos para diseñar un nuevo puente o brazo de robot mediante la Teleinmersión. Los miembros del grupo podrían interactuar con otros miembros del grupo mientras comparten el objeto virtual que está siendo modelado. Puntos críticos de la Teleinmersión Otro aspecto interesante es alcanzar parámetros de rendimiento suficientes que aseguren una conexión estable sin cortes, ruido o imperfecciones que romperían la sensación de la presencia física. Para lograr este nivel de comunicación deben cumplirse ciertas condiciones: • Calidad y resolución de las imágenes adecuada para que el usuario obtenga sensación de realidad y naturalidad. • Velocidad de sucesión de imágenes suficientemente rápida como para que el usuario no perciba cortes entre los movimientos del interlocutor y dé sensación de fluidez. • Sincronización de imagen y sonido. • Perspectiva dinámica de la imagen en función de la posición del usuario. • Retardo inferior a 50 milisegundos para asegurar la sensación de tiempo real.

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Aplicaciones más destacadas Medicina Por definición, Telemedicina es la provisión de cuidados de salud y de educación médica a distancia, utilizando tecnologías de información y de comunicaciones. La telemedicina (también conocida como tele salud o e-salud) permite a los profesionales del cuidado de la salud, utilizar dispositivos médicos “conectados” a redes telefónicas o a redes de datos (alámbricas e inalámbricas), en la evaluación, diagnóstico y tratamiento de pacientes localizados en sitios diferentes al del profesional médico. Esos dispositivos mejoran su rendimiento mediante el uso de tecnología de telecomunicaciones, computación en red, sistemas de videoconferencia y sistemas de codificación-decodificación (CODEC). El software de aplicación especializado, los dispositivos de almacenamiento de bases de datos, y los dispositivos médicos capaces de recolectar datos electrónicos, almacenar y transmitir son componentes claves de la infraestructura de Telemedicina. Campo militar Uno de los impulsos más fuertes al desarrollo de la realidad virtual ha sido su gran aplicación al área de defensa. Aunque no es muy fácil obtener información de las tecnologías y de las aplicaciones en defensa podemos distinguir fundamentalmente las siguientes aplicaciones, la mejora de los sistemas de simulación de vuelo y el entrenamiento militar y la incorporación de nuevas herramientas de realidad aumentada para los pilotos militares.

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