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Con el término “interface háptico” aludimos 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, debemos proporcionarle 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.
Algunos de los principales campos de aplicación de los interfaces hápticos son:
- Medicina: Simuladores quirúrgicos para entrenamiento médico, micro robots para cirugía mínimamente invasiva, etc.
- Educacional: Proporcionando a los estudiantes la posibilidad de experimentar fenómenos a escalas nano y macro, escalas astronómicas, como entrenamiento para técnicos, etc.
- Entretenimiento: Juegos de video y simuladores que permiten al usuario sentir y manipular objetos virtuales, etc.
- 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.
- Artes gráficas: Exhibiciones virtuales de arte, museos, escultura virtual etc.
Los interfaces hápticos pueden clasificarse en tres grandes grupos, según proporcionen: feedback de fuerza, feedback táctil, o feedback propioreceptivo. Cada uno de ellos aportará al usuario información referente a un determinado campo, siendo clave la selección del tipo de interface que necesitaremos, en función de las características que deseamos controlar en nuestra aplicación. Los interfaces que proporcionan force feedback aportan datos relacionados con la dureza, peso e inercia del objeto virtual. Los interfaces que proporcionan un feedback táctil nos permiten adquirir datos tales como la geometría del objeto virtual, su rugosidad y temperatura, entre otros. Por último, los interfaces que proporcionan feedback propioreceptivo nos dan información acerca de la posición del cuerpo del usuario o su postura.
A la hora de seleccionar un interface háptico para una determinada aplicación, debemos distinguir, en una primera etapa, que tipo de realimentación deseamos recibir, pudiendo elegir entre:
- Interfaces que proporcionen un feedback de fuerza.
- Dispositivos Desk-top.- que permiten la interacción puntual con el objeto virtual a través de un terminal, materializado como un lápiz, dedo virtual o un joystick.
- Guantes.- que permiten la manipulación “dexterizada” (en múltiples puntos de contacto) de objetos virtuales con retorno de fuerza.
- Interfaces que proporcionen un retorno táctil.
- Dispositivos Desk-top.- que permiten al usuario sentir o percibir la dureza de una superficie, su rugosidad, seguir contornos lisos, o materiales elásticos en 2 dimensiones.
- Guantes.- que permiten simular con libertad de movimiento el contacto en múltiples puntos con el objeto virtual, individuando su textura, pero no características tales como su peso.
En una segunda fase, debemos analizar las características técnicas de cada uno de los interfaces comerciales disponibles en el mercado, para seleccionar el más apropiado para nuestro objetivo. Las principales especificaciones técnicas que debemos considerar son:
- Número de grados de libertad del dispositivo que requiera nuestra aplicación.
- Espacio de trabajo; es decir, la extensión del volumen dentro del cual el manipulador puede posicionar el elemento terminal.
- Rango de control de fuerza; o lo que es lo mismo, los niveles máximo y sostenido de fuerza que puede ejercer el dispositivo. Según [Burdea 1996] los dedos de un humano pueden ejercer de 30 a 50 N de fuerza en periodos breves de tiempo y de 4 a 7 N en periodos sostenidos. Para que el confort del usuario u operador esté dentro de unos niveles de seguridad admisibles, las fuerzas ejercidas por el interface deben ser inferiores en un 15% a los valores máximos anteriormente citados.
- Fricción aparente: las pérdidas por fricción en un interface háptico deben ser inferiores a la mínima fuerza o para que podamos percibir mientras interactuamos con el entorno virtual, ya que en caso contrario nuestro interface dejaría de ser “transparente”, pues no podríamos diferenciar si las fuerzas percibidas por el usuario provienen de la realimentación deseada o de las pérdidas mecánicas del dispositivo en sí. Los valores de fricción aparente deben mantenerse en valores por debajo del 7% de las fuerzas y del 12,7 % de los pares de fuerza aplicados en la interacción con el entorno virtual.
- Rigidez: La rigidez de un interface háptico se relaciona íntimamente con la habilidad del mismo para generar restricciones al movimiento del operador dentro del entorno virtual, impidiendo que se penetre dentro de los distintos sólidos virtuales, y permitiendo, de este modo, su inspección y manipulación. La rigidez máxima de un interface depende de la fuerza máxima que pueda desarrollar y del mínimo desplazamiento que detecte (N/m). Según [Massie & Salisbury 1994], en la práctica, un interface debe proporcionar una rigidez mínima de 20 N/m. para que el operador pueda recorrer adecuadamente una superficie virtual.
- Inercia aparente: la inercia aparente es la masa mínima percibida por el operador cuando mueve el interface háptico a través del espacio libre. En el caso de que la inercia aparente del dispositivo fuese demasiado alta, el operador podría fatigarse en exceso. Un estudio piloto [Ellis entre ot. 1996] indicaba que eran aceptables masas de 50g para operaciones que duraran media hora o menos, si bien estudios recientes recomiendan valores cercanos a 100g.
- Back-driveability: con este término se alude a la transparencia del interface, en tanto que no debe ejercerse ninguna fuerza sobre la mano del usuario mientras no exista interacción física con el entorno virtual. Esta capacidad del sistema para seguir el movimiento de la mano del usuario rápidamente y sin oposición recibe el nombre de back-driveability.
- Rango dinámico: es el ratio entre el máximo valor de salida del actuador frente a la fricción del mecanismo.
- Ancho de banda: el ancho de banda de un dispositivo puede considerarse como una medida de su calidad, ya que cuanto mayor sea éste, menores serán los retardos en la transmisión de información, aumentando la estabilidad general del sistema.
Algunas de las variables usadas para caracterizar los interfaces force feedback deben utilizarse igualmente para seleccionar a los interfaces con feedback táctil, tales como: espacio de trabajo, grados de libertad, peso, o control del ancho de banda. De hecho, dispositivos con force feedback pueden también proporcionar un feedback táctil; por ejemplo, el Phantom permite individuar texturas del objeto virtual. El caso contrario no es posible.
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