Relaterade artiklar

Om VR, del 4: Haptisk återkoppling

Även om vi kan se en fin visualisering av vår virtuella verklighet och dessutom navigera runt i den och kanske påverka objekten så är det en viktig komponent som fattas. Vi kan inte känna det vi ser, rent fysiskt. Detta gör naturligtvis att hela upplevelsen blir mindre övertygande. Här kommer haptisk återkoppling in i bilden som en räddare i…tja…nöden.

Haptik handlar per definition om upplevelsen och resultatet av att fysiskt röra vid saker. Detta är något vi ser som naturligt i vår vardag; att kunna manipulera objekt och få en känsla för deras egenskaper genom att ta på dem. Eftersom det kan bidra starkt till närvarokänslan i en VR-miljö vill man skapa konstgjord haptisk återkoppling, vilket har visat sig inte vara helt lätt.

Det man vill åstadkomma är alltså att kunna återskapa en känsla av krafter samt att låta användaren använda sitt känselsinne för att undersöka och påverka den virtuella världen. Man ska kunna känna att objekten har en massa, att deras ytor har olika egenskaper och så vidare. För att detta ska bli möjligt måste man i dagsläget använda sig av någon typ av hårdvara för "utmatning" från systemet.

En mycket enkel form av haptisk återkoppling hittar vi till exempel i handkontrollerna till dagens vanliga spelkonsoler. Här användes vibrationer för att till exempel illustrera att spelaren kört sin rallybil av vägen och nu är ute i den fria terrängen. Detta fungerar hyfsat bra i vissa situationer, men är naturligtvis inget alternativ om man vill skapa en känsla av mer komplicerade krafter.

Ett annat exempel på primitiv (men ibland effektiv) haptisk återkoppling är biografer med "hydrauliska biostolar" där publiken skumpar omkring lutar i kurvor och så vidare. Det kan visserligen kännas häftigt och förhöja upplevelsen, men har ett begränsat användningsområde och passar kanske bäst till enklare simuleringar av berg-och-dalbanor eller liknande snabba åkturer.

Mer sofistikerad haptisk utrustning finns naturligtvis, och bygger oftast på mekaniska lösningar. Ett exempel är de Phantom-enheter som finns i VR-labbet på NVIS här i Norrköping. Dessa består av en ledad arm som fungerar som mekaniskt haptik- och trackingsystem på samma gång, vilket är smidigt eftersom hela principen med att röra vid- och manipulera objekt naturligtvis bygger på att systemet vet var användaren petar någonstans. Rent gränssnittsmässigt använder man Phantom genom att hålla i den yttersta leden som fungerar som ett pennliknande verktyg.

Phantom-systemet erbjuder hög noggrannhet med en upplösning på ungefär 0,02 mm med avseende på positionen av "pennspetsen". Uppdateringsfrekvensen måste vara hög för att systemet ska vara effektivt, och ligger på cirka 1000 Hz. Eftersom trackingen och återkopplingen är så precis kan man till exempel simulera ojämnheter i objektens ytor och liknande. Däremot uppstår problem om man vill återskapa känslan av tunga objekt, eftersom systemet inte kan leverera så värst mycket kraft. Dessutom är det inte alltid naturligt att interagera med VR-miljön genom att peta med en pinne på den, men det finns helt klart områden där det fungerar utmärkt. Medicinska simuleringar är ett sådant exempel.

Rent tekniskt fungerar återkopplingen så att ett virtuellt objekt, en så kallad proxy, placeras ut i den virtuella världen på motsvarande position som pennspetsen har i den verkliga världen (och som spåras genom det mekaniska systemet). När användaren flyttar runt pennan (och därmed proxyobjektet) och stöter in i virtuella objekt och liknande, ger utrustningen riktade krafter som är proportionella mot avståndet mellan proxyobjektet och pennspetsen. Detta innebär att den verkliga pennspetsen tillåts passera genom ytor något, just för att systemet enkelt ska kunna räkna ut vilken motriktad kraft som ska produceras.

Interaktion med Phantom-pennor i all ära, men vore det inte bättre om man faktiskt kunde använda sina händer till att pilla på grejerna i scenen? Naturligtvis skulle det vara ännu läckrare och framförallt kännas mer naturligt för användaren. Problemet är att det inte är helt lätt att lösa rent tekniskt. Det existerar faktiskt "handskar" med haptisk återkoppling, till exempel företaget Immersion's CyberGrasp. Med sådana på händerna kan användaren känna objekten som om denne höll i dem på riktigt, med ett viktigt undantag – de kommer att kännas viktlösa. Synd. Inte så konstigt dock, eftersom det skulle krävas någon slags förankrad "arm" som drog i händerna för att användaren skulle kunna uppleva krafter som inte har med själva "klämmandet" att göra. Och naturligtvis har man konstruerat sådana armar! Men nu börjar vi snacka klumpighet här. När händerna på ett direkt sätt sitter fast i ledade metallarmar är användaren inte särskilt fri att röra sig runt i rummet, vilket får ses som en stor nackdel. Dessutom är systemet inte särskilt kraftfullt när det gäller att simulera tyngre objekt.

Tillämpningar

Vad ska man då använda haptiska VR-system till? Det är ju ganska långt kvar tills vi kan gå omkring i en virtuell värld och hantera objekten som vi skulle gjort i verkligheten…finns det några tillämpningsområden redan idag? Javisst! Här är några exempel:

Träningsprogram. Inom till exempel kirurgi finns det möjliga scenarion som innehåller kritiska moment som är svåra att träna på och samtidigt kan vara avgörande för, i värsta fall, liv och död för en patient. Genom att träna med hjälp av VR-teknik (där haptisk återkoppling är viktigt för att ge rätt "känsla") kan kirurgen förbereda sig bättre och därmed bättra på förutsättningarna för lyckade "skarpa" ingrepp. Liknande situationer finns inom militär träning (fast med helt annan typ av utrustning förstås) där det kanske främst är ekonomin som sätter gränser för hur mycket man kan träna med den "verkliga" utrustningen. Sofistikerade flygsimulatorer låter piloter träna på komplicerade uppdrag utan att kräva att man håller riktiga flygplan i luften.
Industriell design. Istället för dyra fysiska modeller kan man med haptisk teknik simulera till exempel "känslan" i en växellåda under utvecklingsfasen. Detta är något som Scania faktiskt har gjort på riktigt.
Fjärrstyrning. Människor kan på ett säkert avstånd men med hög närvarokänsla styra till exempel robotar som arbetar i farliga miljöer.
Dataundersökning. Det är möjligt att undersöka stora tredimensionella datamängder på ett helt nytt sätt genom att använda haptik. Till exempel kan man få en intuitiv känsla för luftströmmarna kring ett fordon i en simulering genom återkoppling riktad till känslosinnet.

Till sist kan vi nog dra slutsatsen att det är en lång väg till ett dynamiskt och kraftfullt system för haptisk återkoppling. Samtidigt är det ett område som säkert är värt att lägga ned tid och möda (och pengar) på, eftersom resultatet är användbart och i hög grad bidrar till närvarokänslan i VR-världar.

Anders Fjeldstad
Publicerad 17 oktober 2005, uppdaterad 18 oktober 2005