Symulowanie wrażenia dotyku związanego z interakcją z elementami sterowniczymi i manipulowanymi przedmiotami w środowisku rzeczywistości wirtualnej dla potrzeb szkoleń w zakresie bezpiecznego użytkowania maszyn produkcyjnych do obróbki metalu

Głównym celem projektu było określenie, które czynności sterownicze związane z symulacją procesu użytkowania maszyn do obróbki metalu można realizować z wykorzystaniem uproszczonej metody symulowania wrażenia dotyku (przez zastosowanie rękawicy z siłowym sprzężeniem zwrotnym), a dla których niezbędne było wykorzystanie symulatora wyposażonego w rzeczywiste elementy sterownicze.

W 1. etapie projektu przeprowadzono analizę wybranych maszyn do obróbki metalu w aspekcie określenia typowych czynności wykonywanych podczas użytkowania tych maszyn i rodzaju stosowanych elementów sterowniczych. Na tej podstawie wytypowano najczęściej stosowane elementy sterownicze: koła ręczne pełne lub wieloramienne z rękojeścią na obrzeżu, pokrętła jedno- i czteroramienne, dźwignie blokujące i przełączające, przyciski lub przełączniki elementów sterowniczych. Następnie sformułowano wytyczne dla stanowiska badawczego i założenia funkcjonowania rękawicy z siłowym sprzężeniem zwrotnym i symulatora wyposażonego w rzeczywisty i wirtualny pulpit sterowniczy.

Na podstawie sformułowanych założeń w 2. etapie projektu wykonano prototyp rękawicy z siłowym sprzężeniem zwrotnym oraz symulator wyposażony w rzeczywisty i wirtualny pulpit sterowniczy. Urządzenia te odpowiednio oprogramowano w celu zapewnienia właściwego ich funkcjonowania oraz współdziałania ze sobą i z wirtualnym środowiskiem. Na bazie tych urządzeń i z wykorzystaniem oprzyrządowania VR (gogli VR i systemu śledzenia ruchów użytkownika) opracowano stanowisko badawcze do przeprowadzenia badań symulowania wrażenia dotyku związanego z interakcją z obiektami środowiska wirtualnego.

W 3. etapie projektu przeprowadzono badania w aspekcie porównania dwóch metod symulowania wrażenia dotyku, za pomocą których można prowadzić interakcję z elementami sterowniczymi i obiektami środowiska rzeczywistości wirtualnej. Pierwsza z metod umożliwia odczuwanie wirtualnych elementów sterowniczych i operowanie nimi za pomocą rzeczywistych elementów sterowniczych. Do tego celu posłużył opracowany (w 2. etapie projektu) symulator wyposażony w rzeczywisty i wirtualny pulpit sterowniczy. Symulator umożliwił uczestnikom badania prowadzenie wybranych zadań sterowniczych na wirtualnej maszynie kombinowanej (tokarko-frezarko-wiertarce). Opracowane zadania sterownicze obejmują proces frezowania (tj. ustawiania położenia stołu w osi z wrzecionem), toczenia (przemieszczanie suportu z imakiem nożowym wzdłuż łoża maszyny na zadaną odległość) oraz rozwiercania otworu w przedmiocie (tj. przemieszczania w poziomie stołu z imadłem i w pionie na zadaną głębokość uchwytu wiertarskiego).

Projekt IV.P.03. Symulator wirtualnej kombinowanej maszyny (tokarko-frezarko-wiertarki) wyposażony w rzeczywisty (1) i wirtualny (2) pulpit sterowniczy

Druga z metod umożliwia odczuwanie wirtualnych elementów sterowniczych i operowanie nimi w środowisku wirtualnym, bez konieczności stosowania rzeczywistych elementów sterowniczych. W tym celu opracowano rękawicę VR z siłowym sprzężeniem zwrotnym. Rękawica VR pozwoliła uczestnikom badania na odczuwanie wrażenie dotykania wirtualnych obiektów (w tym wirtualnych elementów sterowniczych) podczas ich obejmowania i operowania nimi w środowisku wirtualnym.

Projekt IV.P.03. Rękawica z siłowym sprzężeniem zwrotnym (1) i jej użycie podczas badania symulowania wrażenia odczucia dotyku (2)

W badaniach udział wzięło 30 ochotników, wśród których 19 deklarowało doświadczenie w obsłudze maszyn do obróbki metalu (tj. tokarki, wiertarki stołowej kolumnowej, frezarki). Wyniki badań uzyskano na podstawie kwestionariuszy (wg metody MEC-SPQ) zawierających ocenę środowiska wirtualnego, w tym ocenę realizmu prowadzenia symulacji procesu sterowania oraz zastosowanego interfejsu sterowania.

Badania pokazały, że obie metody symulowania wrażenia dotyku (tj. za pomocą rzeczywistych elementów sterowniczych lub rękawicy VR) charakteryzuje duży realizm i precyzja w prowadzeniu symulacji użytkowania wirtualnych maszyn. Analiza wyników wykazała również, że metoda symulowania wrażenia dotyku z wykorzystaniem rękawicy VR z siłowym sprzężeniem zwrotnym wpływa bardziej na realizm prowadzonej symulacji obsługi wirtualnej maszyny niż zastosowanie rzeczywistych elementów sterowniczych. Ponadto rękawica VR z siłowym sprzężeniem zwrotnym została najwyżej oceniona przez uczestników badania w aspekcie precyzji operowania elementami sterowniczymi podczas wykonywania zadań sterowniczych na symulatorze.

W ramach projektu opracowano rękawicę VR z siłowym sprzężeniem zwrotnym, symulator z rzeczywistym i wirtualnym pulpitem sterowniczym oraz wytyczne stosowania metod symulowania wrażenia dotyku w aspekcie opracowywania aplikacji szkoleniowych umożliwiających użytkowanie wirtualnych maszyn.
 

Wyniki projektu przedstawiono w 5 publikacjach naukowych oraz zaprezentowano w 4 referatach na konferencjach naukowych krajowych i międzynarodowych.

	Wytyczne stosowania metod symulowania wrażenia dotyku w aspekcie opracowywania aplikacji szkoleniowych umożliwiających użytkowanie wirtualnych maszyn Autor: mgr inż. Dariusz Kalwasiński 2016 r.
	Symulowanie odczucia wrażenia dotyku w technice VRAutor: mgr inż. Dariusz Kalwasiński 2016 r.