The use of haptic devices to convey directional information

The vast majority of the activities we perform during the day, while working or during our free time, is multimodal. This means that several senses are involved in such activity, usually with a different effort. Vision is usually a very important sense for humans, and for this reason it is often overloaded in respect to the other senses. Information overload is a common issue in multimodal activities, and it has been investigated within several contexts, such as for the human-system interfaces in industrial and nuclear plants, for fighter jet pilot's cockpit or car drivers. Acoustic alarms are a common example of a way to remove part of workload from the sight, since the supervisor can be informed about the danger even if he/she is not continuously looking at the warning light. Vibrations are another example of non-visual signaling, commonly used to raise driver's attention if he/she is crossing a lane, approaching a speed bump or zebra crossing. Common mobile phones use vibrations to signal an incoming call, text, or email using the sense of touch instead of vision or hearing. In this thesis, the use of haptic information to balance sensory workload has been examined. As case study, the wayfinding activity for pedestrian resulted to be a good scenario for experiments, since it can be considered as one of the most common multimodal activities performed by people. In fact, as discussed and documented in detail in this thesis, during pedestrian wayfinding, sight is the main sense involved, but hearing, touch and, to some extent, smell are extensively used during such activity as well. In addition, it has been developed a novel haptic device, using a torque produced through the gyroscopic effect to inform the user about the direction to follow. The large majority of haptic devices able to guide the user to a destination are tactile (in general, vibro-tactile). Despite some kinesthetic haptic guidance device has been developed, the device, which is the result of this research work, is novel because it is the first one developed by using the gyroscopic effect to produce a torque able to guide the user. This technique permits the miniaturization of the device, thus allowing the integration with modern mobile phones and, in general, small-scale handheld devices. A perceptual test and a navigation task have been performed during the research documented in this thesis. The perceptual test has been performed to validate the effectiveness of the kinesthetic stimulation provided by the device. The navigation task had the aim to prove the effect of haptic, kinesthetic information on the distribution of mental workload, and in particular on the partial discharge of the vision. This second test has been performed using a small indoor maze (4.20 x 3.60 m) built in one of the labs available for our research group. From the tests, it resulted that, despite the users provided with a visual map found the way out from the maze faster than the users guided by the haptic device (this also because of technical reasons), the latter performed better in the individuation of visual distractors, i.e. some visual signs which represented potential threats or however useful information. At the time of writing, haptic information for wayfinding is a growing field of study, and several research groups are active on this topic. This research work covers part of this topic, making a step beyond in the knowledge of the impact of haptic information on the distribution of mental workload among the senses, during wayfinding activities. In addition, the working principle of the device designed and developed for the tests has been put through patenting process. Of course, further developments are possible, from a broad investigation about mental workload in wayfinding involving more senses (such as hearing and smell) and different scenarios (escape from dangerous situations, or guidance underwater) to the design of a smaller, more effective and efficient device using the gyroscopic effect to convey directional information.

La stragrande maggioranza delle attività che si eseguono durante il giorno, a lavoro o durante il tempo libero, è multimodale. Questo significa che in tale attività sono coinvolti molti sensi, di solito in proporzioni differenti. La vista è di solito un senso molto importante per gli esseri umani, e per questo motivo è spesso sovraccarico rispetto agli altri sensi. Il sovraccarico di informazioni è un problema comune nelle attività multimodali, ed è stato studiato all'interno di contesti diversi, come per l'interfaccia uomo-macchina in impianti industriali e nucleari, per i piloti di cacciabombardieri o gli automobilisti. Gli allarmi acustici sono un tipico esempio di soluzione per rimuovere una parte del carico di lavoro dalla vista, dal momento che il supervisore può dover essere informato sul pericolo, anche se non osserva continuamente la spia luminosa relativa. Le vibrazioni sono un altro esempio di segnalazione non visiva, e sono comunemente usate per attirare l'attenzione del conducente se sta passando da una corsia all'altra o si avvicina ad un dosso artificiale o alle strisce pedonali. I comuni telefoni cellulari utilizzano le vibrazioni per segnalare una chiamata in arrivo, SMS o e-mail utilizzando il senso del tatto, invece della vista o dell'udito. In questa tesi, è stato esaminato l'uso delle informazioni haptic per bilanciare il carico di lavoro sensoriale. Come caso studio, l'attività di wayfinding per pedoni è risultato essere un buon scenario per gli esperimenti, dato che può essere considerata come una delle attività multimodali più comuni. Infatti, come discusso e documentato in dettaglio in questa tesi, durante il wayfinding, la vista è il senso principale coinvolto, ma l'udito, il tatto e, in qualche misura, l'olfatto sono ampiamente utilizzati. Inoltre, è stato messo a punto un dispositivo haptic innovativo, il quale sfrutta una coppia prodotta attraverso l'effetto giroscopico per informare l'utente circa la direzione da seguire. La maggior parte dei dispositivi haptic in grado di guidare l'utente verso una destinazione sono tattili (in generale, vibro-tattili). Nonostante sia stato sviluppato qualche dispositivo di guida cinestetico, il dispositivo concepito e creato durante questo lavoro di ricerca è innovativo, perché è il primo sviluppato utilizzando l'effetto giroscopico per produrre una coppia in grado di guidare l'utente. Questa tecnica permette una forte miniaturizzazione del dispositivo, permettendo così l'integrazione con i moderni telefoni cellulari e, in generale, dispositivi palmari di piccole dimensioni. Un test di tipo percettivo e uno scenario di navigazione sono stati effettuati nel corso della ricerca documentata in questa tesi. Il test percettivo è stato eseguito per convalidare l'efficacia della stimolazione cinestetica fornita dal dispositivo. Lo scenario di navigazione invece ha avuto lo scopo di dimostrare l'effetto di informazioni haptic cinestetiche sulla distribuzione del carico di lavoro mentale, e in particolare sul parziale alleggerimento del carico della vista. Questo secondo test è stato eseguito utilizzando un piccolo labirinto indoor (4.20 x 3.60 m ), costruito in uno dei laboratori disponibili per il nostro gruppo di ricerca. Dai test è emerso che, nonostante gli utenti dotati di una mappa visiva abbiano trovato la via d'uscita dal labirinto più velocemente rispetto agli utenti guidati dal dispositivo haptic (questo anche a causa di motivi tecnici), questi ultimi sono risultati migliori nell'individuazione di distrattori visuali, cioè di alcuni segni visivi che rappresentano potenziali minacce o informazioni comunque utili. Al momento della scrittura, l'informazione haptic per wayfinding è un settore in crescita, e diversi gruppi di ricerca sono attivi su questo argomento. Questo lavoro di ricerca copre una parte di questo argomento, facendo un passo avanti nella conoscenza dell'impatto delle informazioni haptic sulla distribuzione del carico di lavoro mentale tra i sensi, durante le attività wayfinding. Inoltre, per il principio di funzionamento del dispositivo progettato e sviluppato per i test è in atto un processo di brevettazione. Ovviamente, sono ulteriori sviluppi, partendo da una più vasta indagine sul carico di lavoro mentale in wayfinding che coinvolga più sensi (come udito e olfatto) e diversi scenari (fuga da situazioni di pericolo, o la guida in ambiente subacqueo) per la progettazione di un dispositivo più piccolo, efficace ed efficiente che utilizzi l'effetto giroscopico di trasmettere informazioni direzionali.