Μοντελοποίηση λογισμικού απτικών συστημάτων

Abstract

Haptic interfaces are an important part of the human-machine interaction suggesting innovative technologies in interaction through touch, developing a variety of applications. The evolution in technologies that are used in design and construction of haptic devices leads to the development of applications that simulate the tactile sensation with greater accuracy. The representation of the tactile characteristics of an object that can be perceived through a haptic interface is the main concern of the software for haptic systems. The development of haptic software systems differs from the development of any traditional software. However software design for haptic systems is not a trivial task since the representation of touch is difficult as in the tactile interaction two systems are taking part, the user system and the device system. Furthermore, the large heterogeneity of the sensory information makes it difficult to encode in programs that achieve the haptic interaction. Haptic systems programmers must have thorough knowledge of the skin physiology and the way of tactile information transmission. In this thesis, tactile information and haptic interaction are modeled, and is specified how software for tactile systems can be designed and developed. Specifically the thesis is divided into three parts:1.Design and development of a model using ontologies which includes all steps of tactile information generation and processing and represents the information that is produced by a haptic device and is being transferred to the skin through its receptors and then to the brain through nerves where perception is integrated.2.Development of HASM ontology (Haptic Applications Software Modelling) which is based on the previous work and models haptic systems (haptic human system and haptic device system). HASM captures the existing knowledge in haptics domain and its scope is to provide to devices the capability to control the semantics (logic) of the domain data and to be used as a basis to design effective user interfaces and assist the development of software modeling for haptic devices. Moreover, HASM introduces not only the organization of knowledge of haptic interaction in classes, properties and instances but also includes rules that model the different pathways that the haptic information follows depending on the device that is being used.3.Case studies analysis for a haptic characteristic. Based on the findings for roughness perception through some haptic devices and with HASM ontology, the way of modeling the haptic interaction through HASM ontology has been validated. The case studies that have been developed provide a proof of concept of how flexible and useful HASM is connecting the stimulus to the perception and thus providing a practical tool in the haptic software design process.

Οι απτικές διεπαϕές αποτελούν ένα σημαντικό μέρος της αλληλεπίδρασης ανθρώπου-μηχανής προτείνοντας καινοτόμες τεχνολογίες στην διάδραση μέσω της αϕής και αναπτύσσοντας πληθώρα εϕαρμογών. Η εξέλιξη των τεχνολογιών με τις οποίες σχεδιάζονται και κατασκευάζονται οι απτικές συσκευές οδηγεί στην ανάπτυξη εφαρμογών που προσομοιώνουν την αίσθηση της αφής με μεγαλύτερη ακρίβεια. Η αναπαράσταση των απτικών χαρακτηριστικών ενός αντικειμένου που μπορούν να γίνουν αντιληπτά μέσω μιας απτικής διεπαϕής αποτελεί το ϐασικό μέλημα του λογισμικού για απτικά συστήματα. Ωστόσο η σχεδίαση λογισμικού για απτικά συστήματα δεν είναι εύκολη υπόθεση αφού η αναπαράσταση της αφής είναι δύσκολη καθώς στην απτική διάδραση συμμετέχουν δύο συστήματα, του χρήστη και της συσκευής. Ακόμη η μεγάλη ανομοιογένεια της αισθητήριας πληροφορίας καθιστά δύσκολη την κωδικοποίηση σε προγράμματα που επιτυγχάνουν την απτική διάδραση. Οι προγραμματιστές απτικών συστημάτων ϑα πρέπει να έχουν γνώση της φυσιολογίας του δέρματος και του τρόπου μετάδοσης της απτικής πληροϕορίας. Στην παρούσα διατριβή μοντελοποιείται η απτική πληροϕορία, η απτική διάδραση και ορίζεται ο τρόπος με τον οποίο μπορεί να σχεδιαστεί και να αναπτυχθεί λογισμικό για απτικά συστήματα. Πιο συγκεκριμένα η διατριβή χωρίζεται σε τρία μέρη:1. Ανάπτυξη και κατασκευή ενός μοντέλου με τη χρήση οντολογιών που περιλαμβάνει όλα τα ϐήματα της δημιουργίας και επεξεργασίας της απτικής πληροφορίας και αναπαριστά την πληροφορία που παράγεται από μια απτική συσκευή και μεταφέρεται στο δέρμα μέσω των υποδοχέων του και στη συνέχεια στον εγκέϕαλο μέσω των νεύρων ώστε να δημιουργηθεί η αντίληψη.2. Ανάπτυξη της οντολογίας HASM (Haptic Applications Software Modelling) που ϐασίζεται στην προηγούμενη δουλειά η οποία μοντελοποιεί τα απτικά συστήματα (απτικό σύστημα χρήστη και σύστημα μηχανής). Η οντολογία έχει ως σκοπό να αναπαραστήσει τη γνώση για τον τομέα των απτικών και να παρέχει σε μηχανές τη δυνατότητα να ελέγχουν τη λογική των δεδομένων του τομέα. Επιπρόσθετα, η HASM δεν συνιστά μόνο μια οντολογία για την οργάνωση της γνώσης σε κλάσεις, ιδιότητες και στιγμιότυπα αλλά περιλαμβάνει και κανόνες που μοντελοποιούν τα διαφορετικά μονοπάτια που ακολουθεί η απτική πληροφορία εξαρτώμενα από τη συσκευή που χρησιμοποιείται.3. Ανάλυση case studies για ένα απτικό χαρακτηριστικό. Βασιζόμενοι στα δεδομένα που ισχύουν για την αντίληψη της τραχύτητας, δεδομένων κάποιων απτικών συσκευών, και με βάση τη HASM τεκμηριώθηκε ο τρόπος μοντελοποίησης της απτικής διάδρασης μέσω της οντολογίας. Τα case studies αποτέλεσαν μια απόδειξη για το πόσο ευέλικτη και χρήσιμη είναι η οντολογία HASM αϕού συνδέει το ερέθισμα με την αντίληψη και έτσι παρέχει ένα πρακτικό εργαλείο για τη διαδικασία σχεδίασης απτικού λογισμικού.