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

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.