Perception-motivated parallel algorithms for haptics

Negli ultimi anni l’utilizzo di dispositivi aptici, atti cioè a riprodurre l’interazione fisica con l’ambiente remoto o virtuale, si sta diffondendo in vari ambiti della robotica e dell’informatica, dai videogiochi alla chirurgia robotizzata eseguita in teleoperazione, dai cellulari alla riabilitazione. In questo lavoro di tesi abbiamo voluto considerare nuovi punti di vista sull’argomento, allo scopo di comprendere meglio come riportare l’essere umano, che è l’unico fruitore del ritorno di forza, tattile e di telepresenza, al centro della ricerca sui dispositivi aptici. Allo scopo ci siamo focalizzati su due aspetti: una manipolazione del segnale di forza mutuata dalla percezione umana e l’utilizzo di architetture multicore per l’implementazione di algoritmi aptici e robotici. Con l’aiuto di un setup sperimentale creato ad hoc e attraverso l’utilizzo di un joystick con ritorno di forza a 6 gradi di libertà, abbiamo progettato degli esperimenti psicofisici atti all’identificazione di soglie differenziali di forze/coppie nel sistema mano-braccio. Sulla base dei risultati ottenuti abbiamo determinato una serie di funzioni di scalatura del segnale di forza, una per ogni grado di libertà, che permettono di aumentare l’abilità umana nel discriminare stimoli differenti. L’utilizzo di tali funzioni, ad esempio in teleoperazione, richiede la possibilità di variare il segnale di feedback e il controllo del dispositivo sia in relazione al lavoro da svolgere, sia alle peculiari capacità dell’utilizzatore. La gestione del dispositivo deve quindi essere in grado di soddisfare due obbiettivi tendenzialmente in contrasto, e cioè il raggiungimento di alte prestazioni in termini di velocità, stabilità e precisione, abbinato alla flessibilità tipica del software. Una soluzione consiste nell’affidare il controllo del dispositivo ai nuovi sistemi multicore che si stanno sempre più prepotentemente affacciando sul panorama informatico. Per far ciò una serie di algoritmi consolidati deve essere portata su sistemi paralleli. In questo lavoro abbiamo dimostrato che è possibile convertire facilmente vecchi algoritmi già implementati in hardware, e quindi intrinsecamente paralleli. Un punto da definire rimane però quanto costa portare degli algoritmi solitamente descritti in VLSI e schemi in un linguaggio di programmazione ad alto livello. Focalizzando la nostra attenzione su un problema specifico, la pseudoinversione di matrici che è presente in molti algoritmi di dinamica e cinematica, abbiamo mostrato che un’attenta progettazione e decomposizione del problema permette una mappatura diretta sulle unità di calcolo disponibili. In aggiunta, l’uso di parallelismo a livello di dati su macchine SIMD permette di ottenere buone prestazioni utilizzando semplici operazioni vettoriali come addizioni e shift. Dato che di solito tali istruzioni fanno parte delle implementazioni hardware la migrazione del codice risulta agevole. Abbiamo testato il nostro approccio su una Sony PlayStation 3 equipaggiata con un processore IBM Cell Broadband Engine.

In the last years the use of haptic feedback has been used in several applications, from mobile phones to rehabilitation, from video games to robotic aided surgery. The haptic devices, that are the interfaces that create the stimulation and reproduce the physical interaction with virtual or remote environments, have been studied, analyzed and developed in many ways. Every innovation in the mechanics, electronics and technical design of the device it is valuable, however it is important to maintain the focus of the haptic interaction on the human being, who is the only user of force feedback. In this thesis we worked on two main topics that are relevant to this aim: a perception based force signal manipulation and the use of modern multicore architectures for the implementation of the haptic controller. With the help of a specific experimental setup and using a 6 dof haptic device we designed a psychophysical experiment aimed at identifying of the force/torque differential thresholds applied to the hand-arm system. On the basis of the results obtained we determined a set of task dependent scaling functions, one for each degree of freedom of the three-dimensional space, that can be used to enhance the human abilities in discriminating different stimuli. The perception based manipulation of the force feedback requires a fast, stable and configurable controller of the haptic interface. Thus a solution is to use new available multicore architectures for the implementation of the controller, but many consolidated algorithms have to be ported to these parallel systems. Focusing on specific problem, i.e. the matrix pseudoinversion, that is part of the robotics dynamic and kinematic computation, we showed that it is possible to migrate code that was already implemented in hardware, and in particular old algorithms that were inherently parallel and thus not competitive on sequential processors. The main question that still lies open is how much effort is required in order to write these algorithms, usually described in VLSI or schematics, in a modern programming language. We show that a careful task decomposition and design permit a mapping of the code on the available cores. In addition, the use of data parallelism on SIMD machines can give good performance when simple vector instructions such as add and shift operations are used. Since these instructions are present also in hardware implementations the migration can be easily performed. We tested our approach on a Sony PlayStation 3 game console equipped with IBM Cell Broadband Engine processor.