Design and analysis of a haptic device design for large and fast movements

Haptic devices tend to be kept small as it is easier to achieve a large change of stiffness with a low associated apparent mass. If large movements are required there is a usually a reduction in the quality of the haptic sensations which can be displayed. The typical measure of haptic device performance is impedance-width (z-width) but this does not account for actuator saturation, usable workspace or the ability to do rapid movements. This paper presents the analysis and evaluation of a haptic device design, utilizing a variant of redundant kinematics, sometimes referred to as a macro-micro configuration, intended to allow large and fast movements without loss of impedance-width. A brief mathematical analysis of the design constraints is given and a prototype system is described where the effects of different elements of the control scheme can be examined to better understand the potential benefits and trade-offs in the design. Finally, the performance of the system is evaluated using a Fitts’ Law test and found to compare favourably with similar evaluations of smaller workspace devices.

Représentation interne des caractéristiques physiques d'un objet

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible.

‘Crows’ vs. ‘Avatar’, or: 3D vs. total-dimensional immersion

3D film’s explicit new space depth arguably provides both an enhanced realistic quality to the image and a wealth of more acute visual and haptic sensations (a ‘montage of attractions’) to the increasingly involved spectator. But David Cronenberg’s related ironic remark that ‘cinema as such is from the outset a «special effect»’ should warn us against the geometrical naiveté of such assumptions, within a Cartesian ocularcentric tradition for long overcome by Merleau-Ponty’s embodiment of perception and Deleuze’s notion of the self-consistency of the artistic sensation and space. Indeed, ‘2D’ traditional cinema already provides the accomplished «fourth wall effect», enclosing the beholder behind his back within a space that no longer belongs to the screen (nor to ‘reality’) as such, and therefore is no longer ‘illusorily’ two-dimensional. This kind of totally absorbing, ‘dream-like’ space, metaphorical for both painting and cinema, is illustrated by the episode ‘Crows’ in Kurosawa’s Dreams. Such a space requires the actual effacement of the empirical status of spectator, screen and film as separate dimensions, and it is precisely the 3D caracteristic unfolding of merely frontal space layers (and film events) out of the screen towards us (and sometimes above the heads of the spectators before us) that reinstalls at the core of the film-viewing phenomenon a regressive struggle with reality and with different degrees of realism, originally overcome by film since the Lumière’s Arrival of a Train at Ciotat seminal demonstration. Through an analysis of crucial aspects in Avatar and the recent Cave of Forgotten Dreams, both dealing with historical and ontological deepening processes of ‘going inside’, we shall try to show how the formal and technically advanced component of those 3D-depth films impairs, on the contrary, their apparent conceptual purpose on the level of contents, and we will assume, drawing on Merleau-Ponty and Deleuze, that this technological mistake is due to a lack of recognition of the nature of perception and sensation in relation to space and human experience.

Intimité et sensations dans les films d'animation en volume de Girlin Bassovskaja

Peu satisfaite des concepts généralement mentionnés lorsqu’il s’agit d’écrire sur les films réalisés en stop-motion, je propose d’analyser un corpus de quatre films réalisés par un duo estonien peu connu, les réalisatrices Jelena Girlin et Mari-Liis Bassovskaja, en ancrant mon discours dans une recherche plus large sur l’intimité et la sensorialité en art. J’effleure, par l’entremise d’une revue de littérature, le paradoxe d’animer l’inanimé et l’idée du umheimlich freudien, prégnants dans les écrits substantiels autour du cinéma d’animation en volume. Après avoir démontré que l’œuvre de Girlin Bassovskaja s’incrit dans le domaine de l’intime, j’approfondis l’analyse en m’appuyant sur les théories de la visualité haptique appliquée aux films. Je découvre le corpus à la lumière de ces théories, et évoque l’idée du regard caressant du spectateur vers le film, mais aussi de sa réversibilité. De plus, en tant que réalisatrice-animatrice de court-métrages d’animation, les théories susmentionnées outillent ma pensée afin de décrire ma volonté quasi obsessionnelle de rendre l’intimité tangible par une animation sensuelle en pâte à modeler sur verre.

Intimité et sensations dans les films d'animation en volume de Girlin Bassovskaja

Peu satisfaite des concepts généralement mentionnés lorsqu’il s’agit d’écrire sur les films réalisés en stop-motion, je propose d’analyser un corpus de quatre films réalisés par un duo estonien peu connu, les réalisatrices Jelena Girlin et Mari-Liis Bassovskaja, en ancrant mon discours dans une recherche plus large sur l’intimité et la sensorialité en art. J’effleure, par l’entremise d’une revue de littérature, le paradoxe d’animer l’inanimé et l’idée du umheimlich freudien, prégnants dans les écrits substantiels autour du cinéma d’animation en volume. Après avoir démontré que l’œuvre de Girlin Bassovskaja s’incrit dans le domaine de l’intime, j’approfondis l’analyse en m’appuyant sur les théories de la visualité haptique appliquée aux films. Je découvre le corpus à la lumière de ces théories, et évoque l’idée du regard caressant du spectateur vers le film, mais aussi de sa réversibilité. De plus, en tant que réalisatrice-animatrice de court-métrages d’animation, les théories susmentionnées outillent ma pensée afin de décrire ma volonté quasi obsessionnelle de rendre l’intimité tangible par une animation sensuelle en pâte à modeler sur verre.

Haptic Stabilization of Posture in Adults With Intellectual Disabilities Using a Nonrigid Tool

This study assessed the effects of haptic information on the postural control systems of individuals with intellectual disabilities (ID), through the use of a nonrigid tool that we call the ""anchor system"" (e.g., ropes attached to graduated weights that rest on the floor). Eleven participants with ID were asked to stand, blindfolded, on a balance beam placed at two heights (10 and 20 cm), for 30 s, while using the anchor system at two weights. The lighter anchor weight appeared to improve the individuals' balance in contrast to a control task condition; therefore, we concluded that haptic sensitivity was more significant in helping to orient the body than was the anchor's mechanical support alone.

Haptic information stabilizes and destabilizes coordination dynamics

Goal-directed, coordinated movements in humans emerge from a variety of constraints that range from 'high-level' cognitive strategies based oil perception of the task to 'low-level' neuromuscular-skeletal factors such as differential contributions to coordination from flexor and extensor muscles. There has been a tendency in the literature to dichotomize these sources of constraint, favouring one or the other rather than recognizing and understanding their mutual interplay. In this experiment, subjects were required to coordinate rhythmic flexion and extension movements with an auditory metronome, the rate of which was systematically increased. When subjects started in extension on the beat of the metronome, there was a small tendency to switch to flexion at higher rates, but not vice versa. When subjects: were asked to contact a physical stop, the location of which was either coincident with or counterphase to the auditor) stimulus, two effects occurred. When haptic contact was coincident with sound, coordination was stabilized for both flexion and extension. When haptic contact was counterphase to the metronome, coordination was actually destabilized, with transitions occurring from both extension to flexion on the beat and from flexion to extension on the beat. These results reveal the complementary nature of strategic and neuromuscular factors in sensorimotor coordination. They also suggest the presence of a multimodal neural integration process-which is parametrizable by rate and context - in which intentional movement, touch and sound are bound into a single, coherent unit.

Balancing acts: Respiratory sensations, motor control and human posture

1. The present brief review covers some novel aspects of integration between respiration and movement of the body. 2. There are potent viscerosomatic reflexes in animals involving small-diameter pulmonary afferents that, when excited, would limit exercise. However, recent studies using lobeline injections to excite pulmonary afferents in awake humans suggest that there is no evoked reflex motoneuronal inhibition. Instead, the noxious respiratory sensations generated by the vagal afferents may be crucial in the decision to stop exercise. 3. While respiratory movements may affect limb movements, the control of the trunk and limbs can involve interaction (and even interference) with key respiratory muscles, such as the diaphragm. Recent studies have revealed that not only does the diaphragm receive feed-forward drive prior to some limb movements, but that it also contracts both phasically and tonically during repetitive limb movements. 4. Thus, challenges to posture can indirectly challenge ventilation, while coordinated diaphragm contraction may contribute to control of the trunk.

Simulador em Realidade Virtual para Aprendizagem da Física

A forma como aprendemos depende do contexto tecnológico e sociocultural que nos rodeia, actualmente a inclusão de tecnologia recente na sala de aula não é mais considerada opcional, mas sim uma necessidade pois a forma como o aluno aprende está em constante evolução. Tendo em atenção esta necessidade, foi desenvolvido no decorrer desta tese um simulador em realidade virtual que utiliza comandos/interfaces hápticos. O objectivo deste simulador é ensinar conceitos de física de forma interactiva. Os dispositivos hápticos permitem adicionar o sentido táctil ou de toque à interacção entre homem e máquina, permitindo assim aceder a novas sensações relativas ao seu uso nomeadamente com objectivos de aprendizagem. O simulador desenvolvido designado por “Forces of Physics” aborda três tipos de forças da física: forças de atrito, forças gravitacionais e forças aerodinâmicas. Cada tipo de força corresponde a um módulo do simulador contendo uma simulação individual em que são explicados conceitos específicos dessa força num ambiente visual estimulante e com uma interacção mais realista devido à inclusão do dispositivo háptico Novint Falcon. O simulador foi apresentado a vários utilizadores bem como á comunidade científica através de apresentações em conferências. A avaliação foi realizada com recurso a um questionário com dez perguntas, cinco de sobre aprendizagem e cinco sobre a utilização, tendo sido preenchido por 14 utilizadores. O simulador obteve uma boa recepção por parte dos utilizadores, tendo vários utilizadores expressado as suas opiniões sobre estado actual do simulador, do futuro do mesmo e da respectiva validade para uso na sala de aula.

The influence of consumption vocabulary on the encoding and retrieval of haptic information

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Management from the NOVA – School of Business and Economics

Haptic robot-environment interaction for self-supervised learning in ground mobility

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores