Visión global sobretecnología háptica

“Quien se conforma tan solo con ver, ni siquiera piensaen tocar”

Anónimo

“Una de las definiciones de cordura es la capacidad dedistinguir lo real de lo irreal. Pronto necesitaremos unanueva definición”

Alvin Toffler

Laura Raya González

Máster en Informática Gráfica, Juegos y Realidad VirtualProfesora de la Universidad Rey Juan Carlos

AUTORES CIENTÍFICO-TÉCNICOS Y ACADÉMICOS

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Se conoce como realidad virtual a un sistema tecnológico, basadoen el empleo de ordenadores y otros dispositivos, cuyo fin es produ-cir una apariencia de realidad que permita al usuario tener la sensa-ción de estar presente en ella. En la vida real, el ser humano recibeinformación de su hábitat mediante los cinco sentidos de exterocep-ción: vista, oído, tacto, gusto y olfato. Dichos sentidos se complemen-tan para que el cerebro pueda interpretar de la mejor manera posiblela información contenida en su hábitat. Cuando se simula una reali-dad virtual, la información recibida del escenario virtual debe ser muysemejante a la percibida en la vida cotidiana para conseguir que unusuario olvide que un entorno no es real.

Un sistema de realidad virtual se basa en tres pilares [4]:

� Interacción: consiste en la capacidad del usuario de poder inter-actuar con el entorno virtual. Cuanto mayor sea la interacción(siempre en tiempo real) del usuario con los objetos virtuales,mayor será la sensación de realismo. Un entorno virtual dondeel usuario no pueda moverse por él, tocar objetos o modificar elescenario será un entorno carente de realismo y no apropiadopara un sistema de realidad virtual de calidad.

� Inmersión: es la capacidad del sistema de acaparar toda la con-centración y atención de la persona involucrada, de manera queconsiga obviar todos los estímulos que indican que la experien-cia que se presenta no es real.

� Imaginación: es la voluntad o capacidad delusuario para creer que el entorno virtual es real.

En los sistemas de realidad virtual más comunes,el canal más explotado es la visión mediante el uso depantallas o gafas estereoscópicas, por donde se perci-be la mayoría de los datos a procesar. Sin embargo,aunque resulta el canal sensorial más importante parauna persona común, no es capaz de recibir caracterís-ticas propias de los canales táctil, olfativo, gustativo osonoro. Dicha información puede resultar imprescin-dible para comprender la totalidad de informaciónproporcionada por un determinado hábitat.

Por lo tanto, un sistema de realidad virtual con unalto grado de interacción e inmersión, debe propor-cionar una interfaz multimodal (con múltiples moda-lidades sensoriales de interacción), capaz de enviar yrecibir información de diferentes canales sensorialesde manera semejante a la vida real.

El presente artículo se centra en la incorporación dela información háptica en los sistemas de realidad vir-tual, que surgen con el fin de ayudar al usuario a inter-pretar y entender los datos hápticos proporcionados porel sistema de manera similar a la vida cotidiana.

�El término háptico

El término háptico (del griego haptesthai, que sig-nifica “tocar”) es el adjetivo usado para describir algorelacionado con o basado en el sentido del tacto. Lainformación háptica contiene tanto información pro-pioceptiva (información kinestésica), táctil como ves-tibular, todas necesarias en ciertos casos.

� Sistema propioceptivo: la propiocepción es elsentido que informa al organismo de la posiciónde los músculos y es capaz de sentir la posiciónrelativa de partes corporales contiguas. El térmi-no correcto sería proprioceptivo pues deriva del

latín proprius, que significa propio. A diferenciade los seis sentidos de exterocepción (visión,olfato, tacto, audición, gusto y equilibriocep-ción) por los que se percibe el mundo exterior,la propiocepción es un sentido de interocepciónpor el que se tiene conciencia del estado inter-no del cuerpo.

� Sistema táctil: permite interactuar con las termi-naciones nerviosas de la piel que indican calor,presión y textura. El sentido del tacto se hallaprincipalmente en la piel, órgano en el que seencuentran diferentes clases de receptores ner-viosos que se encargan de transformar los dis-tintos tipos de estímulos del exterior en informa-ción susceptible de ser interpretada por elcerebro.

� Sistema vestibular: relativo a la percepción de laposición de la cabeza, su aceleración y decele-ración.

Dentro de la robótica e informática, existen dispo-sitivos hápticos que son capaces de devolver al usua-rio retroalimentación de fuerza y táctil, dependiendode si el usuario toca un tipo u otro de superficie, coli-siona con un objeto tridimensional, manipula unobjeto virtual, etc.

�Tipos de dispositivos hápticos

Actualmente, la tecnología y la robótica ofrecen alos usuarios multitud de dispositivos orientados a lainvestigación, a la ciencia, a la industria o al ocio,capaces de simular con gran realismo distintas sensa-ciones hápticas (propioceptivas, táctiles y vestibula-res). Dichos dispositivos se caracterizan por propor-cionar contacto físico entre el ordenador y el usuario,así como realimentación de fuerza y/o táctil al sujetoque interactúa con entornos virtuales o remotos.

Los dispositivos o interfaces hápticos más comu-nes y básicos son las pantallas táctiles de los teléfonosmóviles, actualmente en auge debido a su facilidadde manipulación y grado de novedad. Dichas panta-llas son capaces de obtener la posición del dedo ostylus del usuario y, según dicha posición, realizar laacción pedida por el sujeto. Sin embargo, dichos apa-ratos son dispositivos hápticos solo de entrada, yaque la respuesta a la acción suele ser visual o sonora.

En ciertos casos, estos dispositivos devuelventambién una respuesta háptica en forma de vibración,la cual puede considerarse la respuesta háptica másbásica.

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Figura 1. El sistema del tacto es de los primeros sentidos que desarrolla un feto.

Figura 2. Pantalla táctil de un dispositivo móvil.

Sin embargo, si el usuario desea conocer la sensa-ción de percibir información háptica virtual, deberecurrir a dispositivos más complejos, especializados ycaros, capaces de enviar y recibir información hápti-ca en tres dimensiones.

Estos dispositivos avanzados son capaces dehacer creer al usuario que tocan o colisionan conobjetos virtuales, sólidos o deformables. También soncapaces de proporcionar diferentes texturas hápticas,dependientes del tipo de la superficie del objeto(rugosa, lisa, sin fricción, pegajosa, penetrable, etc.).

Uno de los dispositivos de entrada y salida máseconómicos y utilizados que ofrecen informaciónháptica es el Novint Falcon. Para su manipulación, elusuario debe coger la esfera blanca (véase figura 3) ydesplazarla a la posición que desee. El usuario podráobservar en la pantalla cómo el objeto que represen-ta al dispositivo háptico en el entorno virtual (unamano, una herramienta, un punto, etc.) se mueve

simultáneamente, controlándolo mediante los movi-mientos del robot. Hasta aquí, la sensación es similara la de un ratón pero en tres dimensiones. Sin embar-go, una vez que la mano virtual toque o colisione conuna de las paredes virtuales, el dispositivo hápticodevolverá al usuario una sensación de fuerza, quepermita al sujeto percibir que realmente se ha colisio-nado con un objeto tridimensional. Esta característicaes similar en todos los dispositivos hápticos.

Este dispositivo tiene un precio en el mercadoactualmente de 300 €� , aproximadamente, y contienemultitud de accesorios para que el sujeto pueda inter-cambiar la esfera blanca por una pistola, una herra-mienta, etc.

Otro dispositivo muy utilizado es el PhantomOmni de Sensable. Mientras que el dispositivo ante-rior devuelve retroalimentación de fuerza en tresdirecciones (posee tres grados de libertad), el Phan-tom Omni ofrece tres grados de libertad en fuerzapero seis grados de libertad en orientación, debido aque el stylus también puede rotar en tres direcciones,además de desplazarse. Esta característica junto a sumayor precisión frente al Falcon, le hacen tener unprecio de 2000 euros, siendo, curiosamente, el dispo-sitivo háptico más barato de la gama de Sensable,quien cuenta con dispositivos de mayor precisión,una gama de fuerzas más amplia y un precio muchomayor.

Aunque la gama de dispositivos similares a losexplicados previamente es inmensa en la industria,todos se caracterizan por permitir la interacción pun-tual con el objeto virtual a través de un terminal,materializado como un lápiz, dedo virtual o un joystick(ver figura 4). Esto permite a los sujetos sentir la fuer-za al colisionar con un objeto virtual, sentir la formade una superficie palpándola con el stylus o utilizar eldispositivo para guiar al usuario de manera háptica através de diversos caminos. Sin embargo, con estetipo de dispositivos no se permite una manipulaciónen múltiples puntos de contacto sintiendo toda su

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Figura 3. Dispositivo háptico Novint Falcon.

Figura 4. Dispositivo háptico Phantom Omni (a la izquierda) y Premium de Sensable (a la derecha).

superficie, y su uso se limita a sistemas de realidadvirtual donde el usuario interactúa con el entorno através de un punto.

Cuando los requisitos del sistema virtual requierenque el sujeto interactúe con la mano entera parapoder tocar, manipular y coger los objetos virtuales,existen los llamados guantes hápticos. Un ejemplo deello es el Cybergrasp, fabricado por Immersion Co. ElCybergrasp consiste en una estructura exoesqueléticafijada a la parte posterior de la mano, que es acciona-da por unos actuadores que impiden el movimientode cada dedo, con el fin de dar la sensación al usua-rio de colisión [1].

Figura 5. Guante háptico Cybergrasp.

Hasta aquí, todos los dispositivos proporcionanretroalimentación de fuerza para el sistema kinestési-co. Sin embargo, el lector debe recordar que el serhumano recibe otra información háptica del exteriorademás de la kinestésica, como la temperatura, lapresión o la textura.

Para proporcionar esta información al sujeto exis-ten los guantes táctiles. Estos guantes son mucho másligeros que los que poseen retroalimentación de fuer-za y emplean normalmente vibradores electromecáni-cos para proporcionar datos de texturas o rugosida-des. La colocación de los actuadores es más simpleque en los guantes hápticos, lo que facilita su diseño,

reduciendo a su vez su coste de producción. Un ejem-plo de este guante es el Cybertouch Immersion Co.Se basa en seis vibradores electromecánicos situadosen la parte posterior de los dedos y en la palma de lamano [1].

Figura 6. Guante táctil Cybertouch.

Para proporcionar información al sistema vestibu-lar se requieren dispositivos más complejos, caros yde mayor tamaño. Un ejemplo de ello son las plata-formas Stewart, utilizadas en simuladores de vuelo oautomoción. El mecanismo de la plataforma Stewartse basa en una estructura cinemática que puede serutilizada como una base para controlar el movimien-to con seis grados de libertad. Su mecanismo consis-te en una plataforma estacionaria unida a una plata-forma móvil conectada por seis brazos.

Figura 7. Plataforma Stewart.

Estas plataformas juegan con la forma de percibirla aceleración o la inercia del sistema vestibular para

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engañar al usuario, haciéndole creer que está en unavión o en un coche real. Un sistema de realidad vir-tual basado en un simulador de coches, por ejemplo,es un sistema multimodal en el que interviene la vistaque ve avanzar el paisaje de manera rápida, el oídoque oye acelerar o decelerar el automóvil y el hápti-co. Según el sujeto desee acelerar, la plataforma seinclinará de manera que la parte delantera se sitúe enuna posición más elevada que la trasera (figura 7).Esto hace que los otolitos situados en el oído, perte-necientes al sistema vestibular tengan sensación deinercia y de aceleración. Los otolitos son materialessólidos que se encuentran en el sistema vestibular enmuchos organismos. Le permiten al organismo notarlas aceleraciones y la dirección de la gravedad. Ungiro a la derecha, un frenado o una parada se simu-larán de manera similar. Se consiguen sensacionestan realistas que, actualmente, estas técnicas se utili-zan para entrenadores de vuelos militares y simulado-res de Fórmula 1.

Otros dispositivos hápticos se colocan en todo elcuerpo y no se reducen a un dedo o una mano. Enestos casos hablamos de exoesqueletos hápticos, dis-positivos muy caros, pesados y complejos utilizadospara ampliar los movimientos o la fuerza del serhumano.

Figura 8. Exoesqueleto háptico Sarcos.

�¿Cómo sabe el dispositivo háptico qué fuerza debe devolver?

Para llegar a comprender cómo funcionan algu-nos de los dispositivos hápticos, es necesario entrarun poco más en detalle técnico. Recuerde que el dis-positivo háptico devuelve fuerza al sujeto dependien-

do de si colisiona con un objeto virtual o no. Inicial-mente, se podría pensar que la fuerza que devuelve elbrazo robótico es siempre la misma, siendo un siste-ma binario que devuelve fuerza si colisiona con algoy no mostrando restricción si no hay contacto. Sinembargo, estos sistemas son mucho más complejos yla gama de fuerzas disponibles permite crear aplica-ciones realistas.

El sistema háptico es el proceso de la aplicaciónde fuerzas a un ser humano “observador”, dando lasensación de tocar e interactuar con objetos físicosreales. Se considera que un sistema háptico cuentacon tres componentes principales. El primero es lainterfaz táctil o dispositivo háptico capaz de ejercerfuerzas controlables en el usuario con uno o más gra-dos de libertad, los cuales se han explicado en lospuntos anteriores. Estas fuerzas se crean mediantetensores que permiten o impiden el movimiento delos brazos robots, según las indicaciones del software.

El segundo componente fundamental es el mode-lo de objetos virtuales con una representación mate-mática del objeto que contiene la forma y otras pro-piedades relacionadas con la forma háptica percibida.

Figura 9. Los cinco sólidos platónicos. El tetraedro opirámide rectangular (a), el hexaedro o cubo (d), eloctaedro (b), el dodecaedro (e) y el icosaedro (c).

El tercer componente se conoce como renderiza-do háptico. Une los dos primeros componentes paracalcular, en tiempo real, las fuerzas para dar al usua-rio la sensación de tocar los objetos simulados [6].Este cálculo de fuerzas debe actualizarse a una fre-cuencia de 500-1000 Hz, para dar la sensación derealismo al ser humano, mientras que el refrescovisual debe corresponder a 25-30 Hz.

Para calcular la fuerza que siente el usuario, eningeniería se utiliza el concepto de god-object o proxy[2]. Dicho concepto es el objeto virtual que represen-

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ta la posición del dispositivo háptico pero restringidoal mundo virtual. El proxy mantiene las restriccionesde las superficies de los objetos tridimensionales, y nose le permite penetrar en ellos ni traspasándolo si lascaracterísticas de los objetos no lo permiten.

Por otro lado, se conoce como probe a la posicióndel dispositivo háptico en el mundo virtual, sin las res-tricciones de penetrabilidad, rigidez, etc., de los obje-tos virtuales.

Figura 10. Proxy y probe.

Para calcular la fuerza que siente el usuario se uti-lizan ambos conceptos. En cada iteración del renderi-zado háptico, el sistema informático debe leer lanueva posición del probe háptico y calcular la nuevaposición del proxy según las restricciones de lassuperficies o el volumen del mundo virtual. Conambas posiciones, la fuerza de retroalimentación esdeterminada por la ley de elasticidad de Hooke (utili-zada en los muelles):

F = K (proxy – probe)

Donde K es una constante de rigidez definida porel usuario. Como se puede observar en la fórmula, lafuerza que recibe el usuario viene dada por la distan-cia entre el proxy y el probe. Por ello, cuanto másquiera penetrar el usuario un objeto empujando elprobe, mayor distancia habrá entre el proxy que esta-rá en la superficie y el probe, por lo que la sensaciónde fuerza percibida será mayor.

En el espacio libre sin colisiones, la posición delprobe y del proxy coinciden, pero a medida que elprobe penetra dentro del objeto, la posición del proxy(calculada para reducir la distancia entre ambos) per-manece en la superficie y la sensación de fuerzaaumenta.

Figura 11. Cálculo de la fuerza con la ecuación del muelle [2].

�Aplicaciones

Los simuladores de realidad virtual son una exce-lente opción para aprender y practicar cualquier tipode tareas con riesgo para la salud de seres humanosy altos costes económicos. Se utilizan en múltiplesaplicaciones actualmente, tanto de medicina, milita-res, industria, ocio, educación y un largo etcétera. Lasprincipales aplicaciones se pueden encontrar enentrenadores de medicina, donde se deben minimizarlos riesgos para el ser humano, tanto durante el

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Figura 12. Simulador artroscópico con el dispositivoPhantom Omni de Sensable.

aprendizaje como durante el ejercicio de la misma, porlo que los cirujanos deben recibir un entrenamientomuy especializado. Dicho entrenamiento solía reali-zarse con maniquíes (que conlleva un alto coste eco-nómico cuando se requieren diversas variantes) o concadáveres. Con un entrenador háptico, los futurosmédicos pueden entrenar las operaciones con elsimulador tantas veces como quieran, así como defi-nir casos anómalos de cada enfermedad o inclusorealizar evaluaciones del trabajo realizado. Se puedenencontrar simuladores hápticos en entrenamientos detécnicas de cirugía mínimamente invasiva, palpacio-nes o exploraciones. Empresas como GMV cuentancon una gama de productos de simulación quirúrgicacomo, por ejemplo, el simulador de entrenamientoartroscópico (véase figura 12).

Los dispositivos hápticos también pueden serdiseñados para ser controlados a distancia (dispositi-vos remotos), de manera que un profesional puedacontrolar a distancia un dispositivo capaz de realizaroperaciones médicas (como el robot Da Vinci [3]) omilitares para la desactivación de bombas y controlde explosivos (como el proyecto Sarco de la figura 8),sin poner en peligro al ser humano.

En el ámbito de la investigación, en especial en lasuniversidades, los dispositivos se utilizan ampliamen-te con el fin de obtener la mayor información posiblede un sistema [5] (véase figura 14).

Una amplia gama de aplicaciones se encuentranen la cura de traumatismos psicológicos, donde unsistema de realidad virtual puede emular situacionessin peligro, que ayuden a curar todo tipo de fobias alos pacientes.

Por otro lado, muchos sujetos aseguran que elhecho de poder tocar diferentes objetos que no sonreales, impulsará a la creación de entornos sexualesmás completos a través de Internet.

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Figura 13. Dispositivo háptico teledirigido.

Figura 14. Utilización del Phantom para el análisis de neuronas.Proyecto BlueBrain.

Figura 15. Utilización de sistemas de realidad virtual para la superación de fobias.

Existen también multitud de aplicaciones educa-tivas o lúdicas en el mercado, actualmente no muyutilizadas por su alto coste. Gracias a los sistemas derealidad virtual, los alumnos pueden tocar objetosde magnitudes del orden de la micra, palpar casosanómalos o sentir el tacto de multitud de texturasdiferentes sin un coste adicional. También existenaplicaciones hápticas para personas visualmenteincapacitadas.

�Conclusiones

En los últimos años, los dispositivos hápticos hancaptado el interés de muchos investigadores, empre-sarios y usuarios debido a su alto grado de realismoofrecido, así como las múltiples aplicaciones que brin-dan.

“Es un mundo ya explorado pero con un caminomuy largo aún por descubrir”, aseguran algunosinvestigadores del Grupo de Modelado y RealidadVirtual de la Universidad Rey Juan Carlos (Madrid).Dichos investigadores, expertos en la investigaciónháptica a nivel mundial, creen que “en un futuro nomuy lejano las aplicaciones hápticas (en fuerza y entacto) estarán disponibles en las videoconsolas, dis-positivos móviles, ordenadores, etc., en multitud decasas a un precio mucho más asequible que actual-mente. Los sistemas de realidad virtual actuales nosparecerán de juguete en unos años”.

Porque…, ¿quién no quiere poder tocar cualquierinstrumento musical desde su casa, conducir cual-quier tipo de coche, sentir todas las experiencias háp-ticas posibles de un videojuego, deformar objetos vir-tuales o concebir el cine no solo visualmente sinotambién hápticamente?

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Figura 16. Aplicaciones hápticas educativas.

�Bibliografía

[1] Aplicación en Entornos Virtuales. XVI Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica.

[2] C. B. Zilles and J. K. Salisbury. A constraint-based god-object method for haptic display. In Proceedings of2007 IFAC Workshop on Intelligent Assembly and Disassembly, pages 146-151, 1995.

[3] Da Vinci Surgical System. http://www.intuitivesurgical.com

[4] Grigore C. Burdea, Philippe Coiffet. Virtual Reality Technology. Ed. Wiley-Interscience (Second Edition).

[5] Laura Raya, Miguel A. Otaduy, Marcos García. Haptic Navigation along Filiform Neural Structures. Procee-ding in IEEE WorldHaptics Conference 2011. Estambul.

[6] S. D. Laycock and A. M. Day. A Survey of Haptic Rendering Techniques. COMPUTER GRAPHICS fórum.Volume 26 (2007), number 1, pp. 50-65.