CyberGlove Systems CyberForce

Na zapytanie

CyberGlove Systems CyberForce

CyberGlove Systems — producent Stany Zjednoczone

 

CyberForce to profesjonalny, stacjonarny system haptyczny umożliwiający nie tylko śledzenie ruchów dłoni, lecz także odczuwanie fizycznego oporu w kontakcie z obiektami wirtualnymi. Mechaniczne ramię CyberForce jest połączone z egzoszkieletem palców CyberGrasp i rękawicą pomiarową CyberGlove. Dzięki temu użytkownik może oprzeć dłoń na wirtualnej kierownicy, wyczuć bezwładność przenoszonego obiektu albo natrafić na opór symulowanej ściany.

Nie jest to zwykła „rękawica VR”. CyberForce jest mechanicznie zakotwiczonym systemem informacji zwrotnej siłowej: nieruchoma podstawa i ramię mogą oddziaływać na całą dłoń, podczas gdy CyberGrasp odpowiada za opór poszczególnych palców, a CyberGlove mierzy ich ułożenie. System zapewnia również śledzenie dłoni w sześciu stopniach swobody, czyli położenia w trzech osiach oraz obrotu wokół trzech osi.

Najważniejsze rozróżnienie
CyberGlove – mierzy zgięcia palców i ułożenie dłoni.
CyberGrasp – nakłada programowalny opór na poszczególne palce.
CyberForce – dodaje siłę odnoszoną do nieruchomej podstawy, pozwalając symulować opór działający na całą dłoń i częściowo ramię.
CyberTouch II – zapewnia wibracje na palcach i dłoni, czyli informację wibrotaktylną, ale nie zastępuje oporu mechanicznego CyberGrasp ani CyberForce.

Specyfikacja techniczna

Rodzaj rozwiązania: mechaniczny system haptyczny z informacją zwrotną siłową.
Śledzenie dłoni: 6 stopni swobody – 3 osie położenia i 3 osie orientacji.
Maksymalna siła CyberForce: do 8,8 N.
Zakres siły: zależny od położenia dłoni w przestrzeni roboczej.
Przestrzeń robocza objęta pełną specyfikacją: około 30,5 × 30,5 cm, przemieszczana po łuku 133° w promieniu około 51 cm.
Całkowita przestrzeń robocza podana w instrukcji: około 0,328 m³, przy czym poza przestrzenią nominalną parametry siły i dokładności mogą być niższe.
Nominalna rozdzielczość położenia: około 0,06–0,073 mm.
Rozdzielczość orientacji: 0,09°.
Interfejs komunikacyjny: Ethernet 10/100 Mb/s.
Jednostka sterująca: Force Control Unit, czyli FCU.
Zasilacz: oddzielna jednostka Power Supply Unit, czyli PSU.
Zasilanie FCU i PSU: 100–240 V AC, 47–63 Hz.
Wymagane uziemienie ochronne: urządzenie klasy I.
Masa mechanicznego ramienia: około 8,6 kg.
Masa FCU według instrukcji: około 20 kg.
Masa PSU według instrukcji: około 9,1 kg.
Łączna masa trzech głównych elementów: około 37,7 kg, bez CyberGrasp, CyberGlove, przewodów i dodatkowego wyposażenia.
Środowisko pracy: wyłącznie wewnątrz budynków, laboratorium lub pomieszczenie biurowe.
Temperatura pracy: od +5°C do +40°C.
Maksymalna wysokość pracy: 2000 m n.p.m.
Warianty: ramię prawe lub lewe; możliwe jest zbudowanie stanowiska dwuręcznego.

Ważna niezgodność w dokumentacji
Strona produktu i broszura podają 8,8 N jako wartość maksymalną oraz 6,6 N jako dolną wartość w opisanej przestrzeni roboczej. Instrukcja wersji Rev E podaje natomiast 8,8 N przy promieniu 14 cali oraz 7,2 N przy promieniu 26 cali.

Elementy wymagane do działania

Pełna konfiguracja opisywana przez producenta obejmuje:
ramię mechaniczne CyberForce,
CyberGrasp z egzoszkieletem i modułem siłowników,
22-sensorową rękawicę CyberGlove,
jednostkę sterującą FCU,
jednostkę zasilającą PSU,
pedał bezpieczeństwa,
przewody danych, sterowania i zasilania,
komputer sterujący,
oprogramowanie i sterowniki,
stabilne stanowisko montażowe,
sieć Ethernet lub bezpośrednie połączenie z komputerem.

Publiczna strona CyberForce przedstawia system również jako opcję współpracującą z CyberGrasp.

Oprogramowanie

Podstawowym środowiskiem programistycznym producenta jest VirtualHand SDK, czyli Software Development Kit – zestaw narzędzi do tworzenia własnych aplikacji. Obejmuje on:
Device Manager do komunikacji ze sprzętem,
Device Configuration Utility do konfiguracji i kalibracji,
bibliotekę programistyczną C++,
obsługę kolizji obiektów trójwymiarowych,
zarządzanie interakcją wirtualnej dłoni,
sterowanie informacją zwrotną CyberGrasp i CyberForce,
komunikację sieciową,
przykładowe aplikacje i kod demonstracyjny,
mechanizmy importu modeli oraz współpracy z zewnętrznym oprogramowaniem wizualizacyjnym.

Producent pokazuje także przykłady integracji z MATLAB-em, MotionBuilderem, oprogramowaniem Jack oraz Unity. Publiczne materiały nie podają jednak aktualnych numerów wspieranych wersji Unity, Unreal Engine, OpenXR, SteamVR ani współczesnych systemów Windows.

Dla kogo jest CyberForce

Laboratoria badawcze i uczelnie – bardzo wysoka przydatność
Najlepsze zastosowanie systemu to laboratoria zajmujące się haptyką, interakcją człowiek–komputer, robotyką, teleoperacją, biomechaniką, wirtualnym prototypowaniem i badaniem percepcji. System daje dostęp do programowalnej informacji zwrotnej siłowej oraz danych o dłoni, a VirtualHand SDK pozwala tworzyć własne eksperymenty.

Wojsko i sektor obronny – wysoka przydatność warunkowa

Producent wskazuje symulacje wojskowe i teleoperację jako zastosowania CyberForce. CyberGrasp został pierwotnie opracowany w ramach kontraktu STTR dla US Navy do zastosowań telerobotycznych.

System może znaleźć zastosowanie w:
szkoleniu obsługi manipulatorów i robotów,
badaniu interfejsów operator–maszyna,
symulacji urządzeń sterujących,
teleoperacji platform pracujących w środowisku niebezpiecznym,
badaniu obciążenia i ergonomii operatorów.

Nie jest natomiast rozwiązaniem terenowym ani mobilnym. Do zamówienia wojskowego należy uzyskać od producenta aktualną klasyfikację eksportową, warunki końcowego użytkownika, informacje o serwisie oraz możliwość pracy w odseparowanej sieci.

Przemysł, motoryzacja i lotnictwo – wysoka przydatność

CyberForce pozwala oceniać prototypy cyfrowe, rozmieszczenie elementów sterujących, zasięg dłoni, chwytanie komponentów oraz interakcję z modelem CAD przed wykonaniem fizycznego prototypu. Producent wymienia wprost motoryzację, lotnictwo, projektowanie inżynierskie i wirtualne prototypowanie.

Robotyka i teleoperacja – bardzo wysoka przydatność

Połączenie śledzenia dłoni, informacji zwrotnej palców oraz siły oddziałującej na całą dłoń jest szczególnie wartościowe podczas sterowania manipulatorem robotycznym. Operator może nie tylko wydawać polecenia ruchem dłoni, ale również otrzymywać informację o kontakcie i oporze obiektu.

Medycyna i rehabilitacja – przydatność badawcza

Materiały producenta wymieniają szkolenia medyczne oraz rehabilitację po udarze jako przykłady zastosowań. Publiczne strony nie przedstawiają jednak aktualnej deklaracji, że CyberForce jest certyfikowanym wyrobem medycznym. Do zastosowań klinicznych należy osobno potwierdzić przeznaczenie regulacyjne, procedury dezynfekcji, wymagania dotyczące bezpieczeństwa pacjenta oraz dopuszczenia obowiązujące na danym rynku.

Przykładowe zastosowania
symulacja kierownic, uchwytów, dźwigni i manipulatorów,
odczuwanie oporu powierzchni i wirtualnych barier,
manipulowanie ciężkimi lub bezwładnymi obiektami cyfrowymi,
zdalne sterowanie robotami i manipulatorami,
projektowanie i ocena modeli CAD,
badania ergonomiczne,
szkolenia proceduralne,
prototypowanie interfejsów człowiek–maszyna,
badania percepcji dotyku i siły,
rehabilitacja eksperymentalna,
szkolenia medyczne,
wizualizacja i manipulacja danymi trójwymiarowymi

Zalety

Rzeczywista informacja zwrotna siłowa
CyberForce może oddziaływać na całą dłoń względem nieruchomej podstawy. To ważna przewaga nad lekkimi rękawicami, które jedynie blokują zginanie palców albo generują wibracje.

Połączenie kilku rodzajów danych
System łączy położenie dłoni, orientację, zgięcia palców i programowalny opór.

Indywidualne sterowanie palcami
CyberGrasp wykorzystuje pięć siłowników, po jednym dla każdego palca, i może generować do 12 N ciągłej siły na palec.

Wariant prawy, lewy i dwuręczny
Daje możliwość przygotowania symulatora obejmującego obie dłonie.

Rozbudowane środowisko programistyczne
VirtualHand SDK udostępnia C++, wykrywanie kolizji, obsługę modeli i sterowanie siłą.

System bezpieczeństwa
Urządzenie ma pedał umożliwiający aktywowanie siłowników, system automatycznego wyłączania oraz osłony chroniące przed punktami przycięcia mechanizmu.

Wady i ograniczenia

Duże gabaryty i masa
Samo ramię, FCU i PSU ważą łącznie około 37,7 kg. Konieczne jest stabilne biurko lub stół laboratoryjny.

Montaż stacjonarny
Producent zaleca zamocowanie ramienia zaciskami albo śrubami do stołu. Jest to stanowisko laboratoryjne, a nie urządzenie do swobodnego poruszania się po pomieszczeniu.

Ograniczona przestrzeń robocza
Najlepsza dokładność i deklarowana siła obowiązują tylko w określonym obszarze. Poza nim system może działać, ale parametry mogą być gorsze.

Złożone zakładanie i dopasowywanie
CyberGrasp wymaga prawidłowego ustawienia płyty na dłoni, pierścieni palców, prowadzenia cięgien i dopasowania elementów do wielkości ręki.

Konieczność kalibracji
Zmiana użytkownika lub sposobu założenia rękawicy może wymagać ponownej konfiguracji i kalibracji.

Brak pełnego odwzorowania dotyku
CyberForce i CyberGrasp generują przede wszystkim opór kinestetyczny. Drobne tekstury, kliknięcia i wibracje wymagają dodatkowego CyberTouch II. System nie oferuje publicznie opisanej symulacji temperatury ani innych właściwości materiału, takich jak wilgotność czy przewodnictwo cieplne.

Starsza architektura sprzętowo-programowa
Publiczna dokumentacja opisuje Windows XP, porty szeregowe, konfigurację z dyskietki i narzędzia konsolowe. Jest to największe ryzyko wdrożeniowe.

Bezpieczeństwo sieciowe

FCU komunikuje się z komputerem przez Ethernet, otrzymuje własny adres IP i może być zdalnie zarządzany. Instrukcja opisuje również konsolowe sterowanie jednostką przez sieć.

Przed podłączeniem urządzenia do sieci firmowej lub wojskowej należy uzyskać od producenta informacje o:
aktualnym systemie operacyjnym FCU,
mechanizmie uwierzytelnienia,
szyfrowaniu komunikacji,
dostępnych aktualizacjach i podatnościach,
otwartych portach sieciowych,
możliwości pracy całkowicie offline.

Do czasu potwierdzenia tych kwestii rozsądne byłoby używanie wydzielonego segmentu sieci lub bezpośredniego połączenia z dedykowanym komputerem.

Inne rozwiązania CyberGlove Systems

 
CyberGrasp

Lżejszy egzoszkielet zapewniający programowalny opór pięciu palców. Oferuje do 12 N ciągłej siły na palec i około metrowy promień przestrzeni roboczej od modułu siłowników. Może działać bez ramienia CyberForce, ale wówczas nie generuje siły odnoszonej do nieruchomego otoczenia i nie zatrzyma całej dłoni na wirtualnej ścianie.

CyberTouch II

Rozwiązanie do wibracyjnej informacji dotykowej: sześć aktuatorów, po jednym na każdym palcu i jeden na dłoni, częstotliwość 0–125 Hz. Jest dodatkiem do symulacji impulsów, kontaktu, drgań i prostych tekstur, a nie zamiennikiem CyberForce.

CyberGlove II i CyberGlove III

Rękawice przeznaczone przede wszystkim do śledzenia ruchu palców. Oferują 18 lub 22 sensory, rozdzielczość poniżej jednego stopnia oraz rejestrację ruchu dłoni, ale same nie zapewniają informacji zwrotnej siłowej.

Haptic Workstation

Kompletne stanowisko dwuręczne obejmujące prawy i lewy CyberForce, konstrukcję wsporczą, system wizualizacji, komputer symulacyjny, oprogramowanie VirtualHand oraz regulowane siedzenie. Jest przeznaczone dla organizacji potrzebujących gotowego stanowiska, a nie pojedynczego komponentu do własnej integracji.

Ocena końcowa
CyberForce jest wartościowym rozwiązaniem przede wszystkim wtedy, gdy projekt rzeczywiście wymaga fizycznej siły działającej na całą dłoń względem nieruchomego stanowiska. W badaniach haptycznych, teleoperacji, robotyce i specjalistycznych symulatorach może oferować możliwości trudne do uzyskania za pomocą lekkich rękawic VR.