Haptyka w badaniach naukowych

Testowanie innowacyjnych rozwiązań inżynieryjnych bez konieczności tworzenia kosztownych prototypów, czy bezpieczne trenowanie skomplikowanych operacji przez przyszłych chirurgów — to tylko niektóre z możliwości, jakie oferuje technologia haptyczna.

Czym jest technologia haptyczna?

Haptyka, to technologia siłowego sprzężenia zwrotnego, która pozwala operatorowi nie tylko sterować ramieniem robota na odległość, ale także odczuwać w czasie rzeczywistym siły działające na efektor, tak jakby sam fizycznie dotykał obiektów manipulowanych przez robota. W praktyce oznacza to, że operator sterujący ramieniem robota z wykorzystaniem kontrolera haptycznego – może nie tylko nim poruszać, ale także odczuwać siły, opór, strukturę czy sprężystość przedmiotów, z którymi robot wchodzi w kontakt.

Gdzie obecnie wykorzystuje się technologię haptyczną?

Zastosowania haptyki są bardzo zróżnicowane. Kilka wybranych obszarów to między innymi:

Edukacja i badania naukowe – zaawansowane eksperymenty z zakresu sterowania, robotyki i przetwarzania sygnałów, trenowanie sztucznej inteligencji;
Inżynieria i projektowanie – testowanie rozwiązań bez konieczności fizycznej budowy prototypów;
Symulacje medyczne – trening precyzyjnych zabiegów chirurgicznych;
Bezpieczne sterowanie w środowiskach izolowanych (manipulacje w cleanroomach) chroniących operatora przed oddziaływaniem szkodliwych czynników.

Edukacja i badania naukowe z wykorzystaniem haptyki

Operator – za pomocą kontrolera haptycznego – może w czasie rzeczywistym „wyczuwać”, czy robot prawidłowo chwyta i manipuluje skomplikowanymi obiektami. Takie manualne sterowanie z siłowym sprzężeniem zwrotnym pozwala nie tylko testować algorytmy chwytu, ale również rejestrować precyzyjne ścieżki ruchu, które później mogą zostać wykorzystane do trenowania modeli AI. W ten sposób powstają zestawy danych wysokiej jakości, służące do nauczania robotów zachowań przez naśladowanie. Dzięki technologii haptycznej naukowcy mogą tworzyć bardziej naturalne i adaptacyjne modele sterowania, wspierające ludzi w zadaniach wymagających precyzji, zwinności i kontekstowego rozumienia środowiska. Tego typu rozwiązania otwierają nowe kierunki w dydaktyce technicznej oraz interdyscyplinarnych badaniach nad interakcją człowiek–robot.

Inżynieria i projektowanie z technologią haptyczną

Systemy haptyczne znajdują coraz szersze zastosowanie w inżynierii i projektowaniu procesów przemysłowych – zwłaszcza tam, gdzie istotne jest testowanie sekwencji montażowych lub ergonomii stanowisk pracy, zanim zostaną one fizycznie wdrożone. Dobrym przykładem może być symulacja montażu fotela w samochodzie, przeprowadzona w środowisku wirtualnym z wykorzystaniem kontrolera haptycznego. Operator, nie ryzykując uszkodzenia fizycznych komponentów sprawdza, czy robot na końcowej linii produkcyjnej będzie w stanie wykonać konkretną operację przy ograniczonej przestrzeni.

Co więcej, dzięki rozwiązaniu zwanemu Scale 1 – czyli ruchomemu suwnicowemu systemowi montażu kontrolera (np. Virtuose) – operator może swobodnie przemieszczać się w przestrzeni roboczej. System śledzi jego pozycję w osi X i Y, co pozwala na dynamiczną zmianę punktu obserwacji i interakcji z cyfrowym modelem. Takie podejście nie tylko zwiększa realizm symulacji, ale także rozszerza funkcjonalność kontrolera haptycznego na skalę całego pomieszczenia, umożliwiając wygodne testowanie złożonych procesów montażowych i wykrywanie potencjalnych kolizji lub błędów projektowych na bardzo wczesnym etapie.

Bezpieczne symulacje medyczne dzięki haptyce

Precyzja, delikatność ruchów oraz realistyczne odwzorowanie kontaktu z tkanką to kluczowe aspekty symulacji medycznych. I choć same kontrolery haptyczne – jak np. urządzenia firmy Haption – nie są certyfikowanymi narzędziami medycznymi to doskonale sprawdzają się w dydaktyce klinicznej, szczególnie w symulacjach procedur chirurgicznych. Zastosowanie systemów haptycznych umożlwia operatorowi – znajdującemu się nawet na innym kontynencie – „poczuć” nie tylko sam moment kontaktu, ale także różnicę między twardą kością, elastyczną tkanką czy miękką skórą. Taka precyzja pozwala np. trenować ocenę siły nacisku i rozróżnianie rodzaju materiału, co jest kluczowe w teleoperacji i mikrochirurgii.

Co więcej, podobne efekty można uzyskać w środowisku wirtualnej symulacji, bez użycia fizycznego ramienia robotycznego. Dzięki połączeniu kontrolera haptycznego z cyfrowym modelem anatomicznym, możliwe jest wykonywanie zabiegów w VR z realistycznym odczuciem oporu i siły. Rozwiązania tego typu stanowią więc bezpieczne, realistyczne i skalowalne narzędzie do edukacji i badań w obszarze medycyny i robotyki chirurgicznej.

Jak dokładnie działa technologia haptyczna?

Technologia haptyczna polega na zastosowaniu kontrolerów haptycznych czyli urządzeń z siłowym sprzężeniem zwrotnym. Użytkownik manipuluje urządzeniem, które oddziałuje na jego rękę siłą – odwzorowując to, co dzieje się z drugim końcem systemu: ramieniem robota lub wirtualnym obiektem. Dzięki temu możliwe jest realistyczne odwzorowanie interakcji fizycznych, takich jak nacisk, opór, tarcie czy sztywność.

Rodzaje kontrolerów haptycznych

Jednym z wiodących producentów kontrolerów haptycznych jest francuska firma Haption, która specjalizuje się w tej dziedzinie od 2001 roku. Marka proponuje dwa rodzaje urządzeń:

Kontroler haptyczny Desktop 3D/6D – kompaktowy kontroler nabiurkowy, który odwzorowuje obszar ruchu dłoni człowieka. Występuje w opcji 3 lub 6 aktywnych siłowych sprzężeń zwrotnych, z których opcja 3D zapewnia sprzężenie zwrotne translacyjne (X, Y, Z), natomiast 6D ofertuje 6 sprzężeń: zarówno translacyjnych (X, Y, Z), jak i rotacyjnych (roll, pitch, yaw).
Kontroler haptyczny Virtuose – większy model odwzorowujący ruch całego ramienia. Dostarcza zatem precyzyjne sprzężenia zwrotne o większym zakresie i sile działania. Podobnie jak wersja biurkowa występuje w opcji 3D i 6D. W tej opcji istnieje jeszcze dodatkowy model: Virtuose TAO o 7 stopniach swobody – polecany do zastosowań przemysłowych.

Obydwa kontrolery oferują dużą siłę oddziaływania na ramię człowieka – do 10 N siły liniowej, do 0,8 Nm momentu obrotowego i częstotliwość odświeżania do 1 kHz, co umożliwia pracę w czasie rzeczywistym.

Integracja kontrolerów haptycznych z ramionami robotów

Kontrolery Haption można łatwo połączyć z robotami dzięki platformie TREX. Wbudowany komputer z dedykowanym oprogramowaniem, które pozwala bez programowanie połączyć kontroler Virtuose z jednym z bardzo wielu ramion robotów – różnych producentów.

Nagranie webinarium: Robotyka i haptyka w badaniach naukowych

Znaczenie technologii haptycznej

Technologia haptyczna jest coraz częściej stosowana we współczesnych badaniach naukowych i dydaktyce inżynierskiej. Umożliwia realistyczne testowanie rozwiązań bez konieczności fizycznej budowy prototypów, trenowanie precyzyjnych operacji w medycynie, a także bezpieczną manipulację w środowiskach nieprzyjaznych człowiekowi. Haptyka nie tylko wspiera rozwój kompetencji technicznych u studentów, ale również otwiera nowe kierunki badań – m.in. w obszarach teleoperacji, uczenia maszynowego i interakcji człowiek–robot. To rozwiązanie o wysokim potencjale dydaktycznym i aplikacyjnym.