Háptico - Robolabo

Dispositivos hápticos y
cirugía robótica
Félix Monasterio-Huelin Maciá
robolabo.etsit.upm.es/haptico
A. Ciencia e historia
B. Dispositivos e Interfaces hápticos
 Cinemática
 Modos de interacción
C. Sistemas hápticos
 Métodos de manipulación
 Métodos de control
D. Cirugía robótica
•
•
Ciencia e historia
Dispositivos e Interfaces hápticos
 Cinemática
 Modos de interacción
C. Sistemas hápticos
 Métodos de manipulación
 Métodos de control
D. Cirugía robótica
A) Ciencia e historia
 De la definición de háptico al robot
con realimentación háptica
 Historia
 Enfoques para el estudio de la
sensibilidad háptica
DEFINICIONES
 Háptico, del griego “haptikos”: agarrar,tocar.
 Sinestesia: mezcla de impresiones de sentidos
diferentes. Un sinestético puede, por ejemplo, oír
colores, ver sonidos, y percibir sensaciones gustativas al
tocar un objeto con una textura determinada. La
sinestesia es un efecto común de algunas drogas
psicodélicas, como el LSD o la mescalina.
 Cinestesia o kinestesia: Etimológicamente significa
sensación o percepción del movimiento. En medicina y
en psicología, esta palabra alude a la sensación que un
individuo tiene de su cuerpo y, en especial, de los
movimientos que éste realiza; sensación principalmente
facilitada por los propioceptores, por ejemplo los
ubicados en la cóclea del oído interno, y la percepción
de la movilidad muscular.
Fenómenos hápticos
Sensaciones táctiles y vibro-táctiles
●
●
●
●
●
●
●
Presión
Textura
Punción
Propiedades térmicas
Dureza
Humedad
Fenómenos de fricción inducida:
–
–
–
●
Características locales de objetos:
–
–
–
●
Deslizamiento
Adhesión
Micro fracturas
Formas
Contornos
Realces
Sensaciones vibro-táctiles: percepción de objetos que oscilan en contacto
con la piel. Hay mecano-receptores.
Percepción cinestésica o propioceptiva (Informa
sobre el estado del cuerpo)
●
●
●
Posición
Velocidad
Fuerzas musculares: tendones,
haces musculares, articulaciones,
etc.
Anatomía, fisiología
•
•
RECEPTORES SOMESTÉSICOS o SUPERFICIALES
o SENSITIVOS Fuente: Lindsay, Bone & Callander
(1993:195)
RECEPTORES PROPIOCEPTIVOS O PROFUNDOS
Fuente: Zigmond et al. (1999:770).
CANALES HÁPTICOS
 Se habla de canales hápticos ya que se
considera que ciertas partes anatómicas (en
especial la mano) son órganos unitarios que
hacen inseparable la percepcion y acción
(enacción).
 Por ejemplo sujetar un objeto desconocido va
acompañado de una exploración activa.
 El estudio de la utilización del tacto como medio
de comunicación data de los años 80.
 Aparece el concepto de interacción
hombre/máquina
SOMESTESIA
Alteraciones de la sensibilidad (terminología patológica)
•
Alteración cutánea o de la sensibilidad pasiva. La terminología "estesia" indica trastornos de la sensibilidad táctil o profunda. Ej.:
Hiperestesia, Hipoestesia, Anestesia.
• Alteración kinestésica o de la sensibilidad activa.La
"estereognosia" es la identificación de objetos por el tacto. La
"astereognosia", su incapacidad
•
•
•
•
•
•
La patología relacionada con el dolor se describe con la terminación "-algesia". Ej.: Hiperalgesia,
Hipoalgesia, Analgesia.
"Palestesia"(vibración): Hiperpalestesia, Hipopalestesia;
El término "batiestesia" se relaciona con el conocimiento de las “actitudes” segmentarias
(posición del codo,...), y sus patologías serían: hiperbatiestesia, hipobatiestesia.
Con el término "Barestesia" se denomina todo aquello relacionado con la presión.
Con el de "grafoestesia" el reconocimiento táctil de números y letras escritos sobre la piel.
Con el de "barognosia" la discriminación de pesos.
Interacción con computadoras…
•
•
•
•
Realimentación de fuerza: aplicación de
fuerzas que se realimentan como sensación
de impacto y vibración.
Realimentación háptica: aplicación de fuerzas
para discernir geometría y textura.
Dispositivios hápticos.
Cobots: utiliza los anteriores conceptos para
guiar a los operadores en la realización de
tareas de manipulación de materiales de
manera suave, evitando la carga del operador
e impidiendo el acceso a zonas restringidas.
Realimentación háptica en cirugía
mínimamente invasiva
•
•
•
Medida de la información háptica: Precisión
quirúrgica, destreza
Presentación de la información háptica: Visual,
auditiva, háptica
Problemas comerciales
–
–
–
•
Coste
Complejidad
Biocompatibilidad
Obtención de datos reales, para la planificación,
diagnóstico y entrenamiento.
●
●
La realimentación háptica es
uno de los problemas aún no
resueltos satisfactoriamente en
las aplicaciones quirúrgicas
Realimentación al cirujano de la
cantidad de fuerza aplicada por
el robot: proporciona un sentido
de telepresencia
HISTORIA
●
●
●
●
●
●
Antigüedad: ilusiones hápticas
Aristóteles, en “del alma” (metafísica).
Distingue:
–
De animales y humanos: sensibilidad
táctil pasiva o cutánea
–
Exclusivamente de humanos.
Diderot,1749, La percepción de los ciegos.
Condillac, Tratado de las sensaciones
Radishev, s.XVIII. La mano en la formación
de la conciencia.
Primera mitad del siglo XIX:
–
Weber, Frey, etc. Psicofísica: Sólo la
pasiva: cutánea y mucosa.
–
Seguidores como Skramlik, Head y
otros: lo cutáneo y la palpación es un
todo indiferenciado.
•
•
Segunda mitad del s. XIX: sensibilidad
mioarticular o cinestésica.
– I. Sechenov (1829-1905).
Reflexología.Fundamentos reflejos de
mano y sensibilidad táctil. Influyó hasta
los 60 del s.XX.
– Estuvo trabajando en Paris en el
laboratorio de Bernard, este autor
demosotro la accion inhibidora del
cerebro sobre la actividad refleja de la
medula espinal, su obra mas importante
es “Reflejos del cerebro”, de esta obra
dijo Pavlov que le habia inspirado su
interes por la investigacion. En esta obra
señala que el cerebro, ademas de la
medula trabaja en forma refleja lo cual
implica una vision del psiquismo
completamente objetiva. Su programa
naturalista se centraba en investigar
cientificamente la actividad psiquica del
cerebro de los animales y del hombre. En
su opinion era tarea de la fisiologia
descubrir las leyes cientificas que rigen
los fenomenos psiquicos.
Hasta la teoría de la evolución de Darwin (1809-1882) no se busca
fundamentar científicamente la percepción… Engels (1820-1895):
la mano es lo primero, en “humanización del mono por el trabajo”.
Siglo XX: biología
•
●
Katz (fenomenólogo) y
Gibson (óptica ecológica),
no comparten el atomismo
o reduccionismo
psicofísico: es la mano
el órgano háptico, así
como el ojo es el
órgano visual…
•
D. Katz, 1925 (fenomenólogo):
textura, temperaturas, peso,dureza,
vibraciones, grosor de un papel, son
más salientes para el sentido
háptico que para el visual, o
imposibles para éste último.
Gibson,1962 (óptica ecológica):
Tacto activo o háptico, como sistema
exploratorio, y no como un sentido
receptivoNo hay propiamente
hablando sentidos sino sistemas
perceptivos. No se realiza
procesamiento de la información
(pasivo) sino de affordances
(facilitadores) en la interacción con
el medio, interacción exploratoria.
Enacción
•
Varela (1946-2001).
•
•
•
•
La enacción es un nuevo modo de concebir el conocimiento según el cual éste
se va configurando en imbricación directa con la situación vivida de la que surge
y en ausencia de la cual carecería de cualquier justificación.
La actividad cognitiva ya no es planteada como la mera representación de una
realidad ya configurada que aquélla se limitaría a 'reproducir', sino que, "se
modela continuamente a través de los actos que efectuamos" (Varela,
Thompson y Rosch 1991 [1992: 173]), con el resultado de que "el mundo y quien
lo percibe se definen recíprocamente" y la cognición pasa a ser entendida como
la "historia del acoplamiento estructural que enactúa (hace emerger) un
mundo" (Varela 1988 [1990: 109).
De lo que se desprende que no es posible conocer sin experimentar la
situación en que se inserta ese conocimiento, al tiempo que esa situación se
va conformando en la medida que resulta conocida. Carácter, en definitiva, in
fieri (lo que está por hacer), performativo y no representativo del conocimiento
cuya peculiaridad Varela enfatiza con frecuencia a través de los famosos versos
de Antonio Machado: "Caminante no hay camino, se hace camino al andar".
Maturana: los seres vivos son máquinas, que se distinguen de otras por su
capacidad de autoproducirse (autopoiesis): autonomía.
Enfoques para el estudio de la
sensibilidad háptica
¿Qué se investiga?
1. Sensibilidad cutánea: Ejemplo de sujeción de un
huevo: formando una elipse.
2. Sensibilidad háptica: Ejemplo de discriminación de
objetos. Movimientos exploratorios; extracción de
propiedades de los objetos.
Formas de investigar
1. Restringiendo la naturaleza de los movimientos
exploratorios. Recorriendo superficies con la punta
de un dedo.
2. Mediante el uso de dispositivos hápticos para
aumentar el espacio de trabajo.
Approaches to the
Study of Haptic
Sensing
●
●
●
Denise Y. P. Henriques and John F.
Soechting
Department of Neuroscience, University
of Minnesota, Minneapolis, Minnesota
J Neurophysiol 93: 3036-3043, 2005
1. Sin el uso de dispositivos hápticos
teletacto
2. Mediante el uso de dispositivos hápticos
Mediante la generación de contornos:
–
–
las fuerzas son cero cuando se está
en el contorno, y al atravesar la
figura se producen fuerzas
elásticas.
Investigación sobre muchas clases
de figuras
FIG. 1. Boundaries generated by
the robot manipulandum.
Subjects gripped the handle of
the robot arm, which constrained
the hand to move in a horizontal
plane just above waist level.
Robot exerted a force field,
shown here by arrows, so that at
a boundary, subjects felt a
resistance as if they were hitting
a wall. Some of the force
boundaries ran in the
mediolateral (x) direction or the
anterior-posterior (y) direction
(dotted lines), at the locations
shown; these formed a grid
spanning 45 x 30 cm centered on
the body's midline, 15 cm in front
of the subject's torso at the
nearest point. Another 24
boundaries ran along the 45°
diagonals, 4 of which are
illustrated (dotted-dashed lines)
in the top right corner of the
workspace.
a) Distorsión del
espacio háptico
FIG. 2. Distortions of haptic
space. Schematic illustrates
the various types of
distortions in subjects' sense
of the length or orientation of
lines. Actual shape is shown
by solid lines and the sensed
shape is depicted by dashed
lines.
b) Síntesis háptica de formas complejas.
●
●
Deberían aparecer todos los efectos de
distorsión del espacio háptico estudiados.
Pero aparecen nuevos fenómenos,
posiblemente debidos a la realimentación
visual.
FIG. 4. Haptic sensing of
the shape of quadrilaterals.
Traces show results of 5
trials from one subject (top)
and average results from all
subjects (bottom). Heavy
lines depict the traced
quadrilaterals and the dotted
lines show the subjects'
reproductions made using
the manipulandum (left side)
or on a touch screen (right
side). Circles mark the
centroids of the traced
shapes. Ellipses represent
68% confidence intervals for
segment endpoints.
Estudio de magnitudes psicofísicas
●
●
●
●
●
Se trata de extaer relaciones funcionales entre parámetros o estímulos físicos y lo
que se suele llamar, “dimesiones subjetivas” o respuesta sensorial.
Uno de los objetivos es el diseño de dispositivos hápticos realistas.
El concepto clave es el de “umbral sensorial”.
Algunas de las leyes psicofísicas son también válidas para objetos (superficies)
virtuales.
Utilización de PHANTOM para la generación de estímulos hápticos. Requiere de un
modelo teórico/práctico del fenómeno.
• Ley de Weber: linealidad entre umbral
diferencial (mínimo incremento
perceptible) e intensidad del estímulo
Modelos
Relación percepción-acción
• Percepción de profundidad: la acción
influye incluso en ausencia de
realimentación sensorial externa.
Relación háptico-visual
• Fuerza versus forma. Si se utlizan estímulos paradójicos se
demuestra cierta preeminencia de lo háptico frente a lo visual. Por
ejemplo la presentación simultánea de protuberancias (A1: visual; B1:
táctil) y agujeros (A2:táctil; B2:visual). Se percibe lo que se ha
presentado hápticamente (es decir B1 y A2).
●
Se utilizó el dispositivo (o interface) háptico PenCAT/Pro
(Immersion Canada Inc.).
Ilusiones
hápticas
•
●
• Ilusiones
relacionadas
con las
visuales.
La ilusión de Sander.
La ilusión de Sander con patrones en bajorrelieve se cumple en la
exploración háptica activa de videntes y ciegos.
Dos ilusiones derivadas de la de Muller-Lyer.
•
•
La ilusión de Jastrow (1891). (izquierda) las líneas parecen de arriba a abajo cada
vez más grandes pero son todas iguales.
La ilusión del paraleogramo de Sander (1926), en la que AB mide lo mismo que BC.
Factors influencing the radial-tangential
illusion in haptic perception
James McFarland1 and John F. Soechting
Experimental Brain Research
Volume 178, Number 2 / April, 2007
According to the radial-tangential illusion, in the horizontal plane,
arm movements executed in directions radial to the trunk are sensed
to be longer than movements of the same length in the orthogonal
direction.
• Ilusiones
propiamente
hápticas.
A. Ciencia e historia
B. Dispositivos e Interfaces hápticos
 Cinemática
 Modos de interacción
C. Sistemas hápticos
 Métodos de manipulación
 Métodos de control
D. Cirugía robótica
2