Virtual reality has been recognized as a powerful tool for creating natural and intuitive human-computer interfaces beneficial for many applications. However, the inability to interact in a virtual environment through touch compromises its realism and usefulness. Haptic interfaces with intermittent contacts allow users to touch virtual objects physically to simulate contact between the user and the environment to increase the realism of interaction. They establish contact with fingers at the encounter in the virtual environment when force feedback is required. Their end-effectors are mechanically detached from the operator, and thus they allow a wide range of physical interactions throughout the user’s workspace transparently with a physical input that resembles reality. However, these devices are costly, with limited speed, and have user safety challenges. This thesis addresses the challenges of haptic interface with intermittent contacts. Several motion strategies and a trajectory generation scheme were developed and evaluated in the context of two case studies. The first is upper limb rehabilitation training for people with reduced motor skills, while the second is for automotive interior design. User studies conducted to evaluate the efficacy of the motion strategies showed robustness in our approach towards improvement in device efficiency and user safety.

La realtà virtuale è stata riconosciuta come un potente strumento per la creazione di interfacce uomo-computer naturali e intuitive utili per molte applicazioni. Tuttavia, l'impossibilità di interagire in un ambiente virtuale attraverso il tocco ne compromette il realismo e l'utilità. Le interfacce aptiche con contatti intermittenti consentono agli utenti di toccare fisicamente gli oggetti virtuali per simulare il contatto tra l'utente e l'ambiente per aumentare il realismo dell'interazione. Stabiliscono il contatto con le dita durante l'incontro nell'ambiente virtuale quando è richiesto un feedback di forza. I loro effettori finali sono meccanicamente staccati dall'operatore e quindi consentono un'ampia gamma di interazioni fisiche in tutto lo spazio di lavoro dell'utente in modo trasparente con un input fisico che ricorda la realtà. Tuttavia, questi dispositivi sono costosi, con velocità limitata e presentano problemi di sicurezza per gli utenti. Questa tesi affronta le sfide dell'interfaccia aptica con contatti intermittenti. Diverse strategie di movimento e uno schema di generazione della traiettoria sono stati sviluppati e valutati nel contesto di due casi di studio. Il primo è l'allenamento riabilitativo degli arti superiori per persone con capacità motorie ridotte, mentre il secondo è per l'interior design automobilistico. Gli studi sugli utenti condotti per valutare l'efficacia delle strategie di movimento hanno mostrato solidità nel nostro approccio al miglioramento dell'efficienza del dispositivo e della sicurezza dell'utente.

Motion strategies for a haptic interface with intermittent contacts to ensure safe human-robot interaction

MUGISHA, STANLEY
2022

Abstract

La realtà virtuale è stata riconosciuta come un potente strumento per la creazione di interfacce uomo-computer naturali e intuitive utili per molte applicazioni. Tuttavia, l'impossibilità di interagire in un ambiente virtuale attraverso il tocco ne compromette il realismo e l'utilità. Le interfacce aptiche con contatti intermittenti consentono agli utenti di toccare fisicamente gli oggetti virtuali per simulare il contatto tra l'utente e l'ambiente per aumentare il realismo dell'interazione. Stabiliscono il contatto con le dita durante l'incontro nell'ambiente virtuale quando è richiesto un feedback di forza. I loro effettori finali sono meccanicamente staccati dall'operatore e quindi consentono un'ampia gamma di interazioni fisiche in tutto lo spazio di lavoro dell'utente in modo trasparente con un input fisico che ricorda la realtà. Tuttavia, questi dispositivi sono costosi, con velocità limitata e presentano problemi di sicurezza per gli utenti. Questa tesi affronta le sfide dell'interfaccia aptica con contatti intermittenti. Diverse strategie di movimento e uno schema di generazione della traiettoria sono stati sviluppati e valutati nel contesto di due casi di studio. Il primo è l'allenamento riabilitativo degli arti superiori per persone con capacità motorie ridotte, mentre il secondo è per l'interior design automobilistico. Gli studi sugli utenti condotti per valutare l'efficacia delle strategie di movimento hanno mostrato solidità nel nostro approccio al miglioramento dell'efficienza del dispositivo e della sicurezza dell'utente.
Virtual reality has been recognized as a powerful tool for creating natural and intuitive human-computer interfaces beneficial for many applications. However, the inability to interact in a virtual environment through touch compromises its realism and usefulness. Haptic interfaces with intermittent contacts allow users to touch virtual objects physically to simulate contact between the user and the environment to increase the realism of interaction. They establish contact with fingers at the encounter in the virtual environment when force feedback is required. Their end-effectors are mechanically detached from the operator, and thus they allow a wide range of physical interactions throughout the user’s workspace transparently with a physical input that resembles reality. However, these devices are costly, with limited speed, and have user safety challenges. This thesis addresses the challenges of haptic interface with intermittent contacts. Several motion strategies and a trajectory generation scheme were developed and evaluated in the context of two case studies. The first is upper limb rehabilitation training for people with reduced motor skills, while the second is for automotive interior design. User studies conducted to evaluate the efficacy of the motion strategies showed robustness in our approach towards improvement in device efficiency and user safety.
La réalité virtuelle a été reconnue comme un outil puissant pour créer des interfaces homme-machine naturelles et intuitives bénéfiques pour de nombreuses applications. Cependant, l'impossibilité d'interagir dans un environnement virtuel par le toucher compromet son réalisme et son utilité. Les interfaces haptiques à contacts intermittents permettent aux utilisateurs de toucher physiquement des objets virtuels pour simuler un contact entre l'utilisateur et l'environnement afin d'augmenter le réalisme de l'interaction. Ils établissent un contact avec les doigts lors de la rencontre dans l'environnement virtuel lorsque le retour de force est requis. Leurs effecteurs finaux sont mécaniquement détachés de l'opérateur, et permettent ainsi un large éventail d'interactions physiques dans l'espace de travail de l'utilisateur de manière transparente avec une entrée physique qui ressemble à la réalité. Cependant, ces dispositifs sont coûteux, avec une vitesse limitée et posent des problèmes de sécurité pour les utilisateurs. Cette thèse aborde les enjeux de l'interface haptique avec contacts intermittents. Plusieurs stratégies de mouvement et un schéma de génération de trajectoire ont été développés et évalués dans le cadre de deux études de cas. Le premier est une formation en rééducation des membres supérieurs pour les personnes à motricité réduite, tandis que le second concerne l'aménagement intérieur automobile. Les études d'utilisateurs menées pour évaluer l'efficacité des stratégies de mouvement ont montré la robustesse de notre approche pour améliorer l'efficacité de l'appareil et la sécurité des utilisateurs.
intermittent contacts interface; Encountered type haptic interface; Human robot interaction; Virtual reality; human safety
interfaccia contatti intermittenti; Interfaccia aptica di tipo incontrato; interazione uomo robot; realtà virtuale; sicurezza umana;
interface contacts intermittents ; Interface haptique de type rencontré  ; Interaction homme-robot ; Réalité virtuelle; sécurité humaine
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Tipologia: Tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11567/1095170
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