Wstępne badania urządzenia dotykowego

Przed realizacją właściwych eksperymentów badawczych, zaplanowano wstępne badania urządzenia dotykowego, które miały na celu:

- testowanie stanowiska (głównie pod kątem integracji sprzętowej i programowej wszystkich komponentów systemu),

- weryfikację algorytmu pozycjonowania końcówki roboczej zgodnie z obiektem śledzonym (dłonią użytkownika).

Z założenia, głównym zadaniem aktywnego urządzenia dotykowego było symulowanie kształtu wirtualnych obiektów. Dlatego też w ramach badań wstępnych zrealizowano eksperyment polegający na symulowaniu przez efektor końcowy kształtu górnej powierzchni wirtualnego prostopadłościanu. Zadaniem osoby testującej symulację była próba jej dotknięcia.

Na potrzeby badań opracowano aplikację VR, przy wsparciu której symulowano dotknięcie dłonią cyfrowego obiektu. Aplikację przygotowano na podstawie ogólnej metodyki, szczegółowo opisanej w rozdziale 2.1.3. Z racji tego, że na etapie wstępnych eksperymentów, oprogramowanie Unity 3D nie znajdowało się na wyposażeniu Laboratorium Wirtualnego Projektowania PP, projekt wirtualnej sceny stworzono w środowisku EON Studio, którego interfejs przedstawiono na rysunku 4.34.

Strona | 106 Rys. 4.34. Interfejs środowiska EON Studio [źródło: www.pm.put.poznan.pl]

W przygotowanej aplikacji VR wizualizowane były:

- cyfrowy model robota,

- bryła wirtualnego prostopadłościanu koloru niebieskiego.

Aby odwzorować kształt wirtualnego prostopadłościanu (określającego przestrzeń roboczą manipulatora typu Delta), współrzędne wszystkich wierzchołków prostopadłościanu musiały być uwzględnione w skrypcie ograniczającym położenie cyfrowego robota w przestrzeni.

W praktyce, istotne były cztery wierzchołki górnej powierzchni (z racji tego, że platforma efektora końcowego wykonywała ruchy równoległe do płaszczyzny odniesienia). Dzięki temu urządzenie dotykowe nie mogło przemieścić się poza wyznaczony obszar. Próba dotknięcia górnej powierzchni prostopadłościanu wiązała się ze zmianą położenia dłoni użytkownika, która z kolei była rejestrowana przez system śledzenia (na dłoni użytkownika umieszczono marker, obiekt śledzono w czasie rzeczywistym). Zadaniem rzeczywistego manipulatora było ustawienie końcówki roboczej w pozycji umożliwiającej kontakt (czyli w pobliżu śledzonej dłoni użytkownika). W ten sposób osoba testująca symulację miała wrażenie kontaktu z wirtualnym obiektem (w praktyce był to fizyczny artefakt odwzorowujący płaską powierzchnię cyfrowego prostopadłościanu, umieszczoną na efektorze, rys. 4.35). Aby dodatkowo wzmocnić to odczucie, w aplikacji VR zastosowano cyfrowy model dłoni, której aktualną pozycję rejestrował system śledzenia. Dane o aktualnej pozycji cyfrowej dłoni były użyte do kontroli pozycji pud (xud,yud,zud) końcówki roboczej wirtualnego robota.

Panel właściwości obiektów Drzewo obiektów

Przybornik komponentów

Okno symulacji 3D

Strona | 107 Rys. 4.35. Kontakt z efektorem końcowym robota typu Delta na stanowisku

[źródło: opracowanie własne]

Śledzenie położenia dłoni użytkownika, który chciał przesunąć rękę po powierzchni wirtualnego prostopadłościanu, powodowało zmianę pozycji efektora, a co za tym idzie dawało efekt kontaktu z całym obiektem a nie tylko z jego częścią. Położenie wirtualnego robota było automatycznie wysyłane do aplikacji VR (utworzono skrypt do sterowania rzeczywistym urządzeniem, rys. 4.36). Co ważne, przed każdym eksperymentem należało skalibrować pozycje wirtualnego i rzeczywistego urządzenia, w celu prawidłowej reprezentacji obiektów w wirtualnym środowisku.

Rys. 4.36. Skrypt do sterowania rzeczywistym robotem typu Delta [źródło: www.pm.put.poznan.pl]

Strona | 108 Na potrzeby wizualizacji przemieszczeń kątowych ramion oraz ruchu liniowego końcówki roboczej wirtualnego urządzenia, w projekcie symulacji zdefiniowano niezbędne wiązania kinematyczne. W aplikacji VR zaimplementowano także algorytm pozycjonowania końcówki roboczej (kinematyka odwrotna). Aby zachowanie wirtualnego urządzenia dotykowego było zbliżone do rzeczywistego, operator aplikacji testowej na bieżąco kontrolował prędkości jego przemieszczania się. Każdorazowe polecenie zmiany pozycji przez robota powodowało, że współrzędne kątowe jego ramion były automatycznie obliczane, a animacja ruchu została wyświetlona (rys. 4.37). Wszystkie funkcje logiczne zostały zaprogramowane przy wsparciu technik klasycznych (skrypty przygotowane w języku VBScript) oraz wizualnych (definiowanie połączeń pomiędzy węzłami).

Rys. 4.37. Graficzny interfejs operatora aplikacji testowej (kontrola przemieszczeń wirtualnego robota) [źródło: www.pm.put.poznan.pl]

Należy zaznaczyć, że dynamika robota została przebadana w ramach projektu VISIONAIR (m.in. dokonywano pomiarów czasów przejść z pozycji A do B). Z punktu widzenia interakcji człowiek-maszyna, czas przejścia do pozycji dedykowanej i ewentualne ograniczenia z tym związane są istotne. Dlatego też, na potrzeby badań wstępnych dokonano 40 pomiarów czasów przejść efektora końcowego do kolejnych pozycji docelowych²⁹ (w celu wyznaczenia

29 Na podstawie geometrii cyfrowego zespołu do montażu wałków (opracowanej w środowisku CAD 3D na potrzeby scenariusza badawczego nr 3 - zadanie proceduralne), wyznaczono współrzędne (x,y,z) sześciu pozycji docelowych, do których powinien przemieścić się efektor końcowy. Dokonano pomiarów czasów losowych przejść efektora do wszystkich pozycji w wirtualnym zespole do montażu wałków.

Strona | 109 przebiegów i czasów uzyskania dedykowanych pozycji). Średni czas przejścia wynosił 1,06 [s], a rozstęp wyników wyniósł 0,58 [s], co biorąc pod uwagę specyfikę symulowanego zadania ręcznego było w opinii autora wartością zadowalającą (w praktyce chwycenie i przeniesienie części do zespołu trwa dłużej).

Wstępne badania urządzenia dotykowego oparto na grupie 10 użytkowników, których zadaniem była próba dotknięcia górnej powierzchni wirtualnego prostopadłościanu. Po realizacji eksperymentu, z każdą osobą testującą zintegrowane środowisko wirtualne przeprowadzono wywiady, dzięki którym otrzymano szereg informacji zwrotnych. Były to subiektywne opinie co do stopnia immersji aplikacji VR, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowanego urządzenia dotykowego jako elementu alternatywnie dostarczającego bodźce dotykowe.

Na podstawie analizy odpowiedzi i sugestii udzielonych przez użytkowników stwierdzono, że rozwiązanie spełnia swoją podstawową funkcję – zapewnia dotyk, a tym samym wpływa na stopień zanurzenia dając wrażenie kontaktu z obiektem wirtualnym. Powyższe rezultaty badań wstępnych pozwoliły na udowodnienie pierwszej części hipotezy badawczej.

Po stwierdzeniu poprawności działania zarówno samej aplikacji VR, jak i wszystkich komponentów sprzętowych systemu, przystąpiono do realizacji właściwych eksperymentów badawczych.

Strona | 110