Tactile Display for virtual 3D shape rendering

The product design process is based on a sequence of phases where the concept of the shape of a product is typically represented through a digital 3D model of the shape, and often also by means of a corresponding physical prototype. The digital model allows designers to perform the visual evaluation of the shape, while the physical model is used to better evaluate the aesthetic characteristics of the product, i.e. its dimension and proportions, by touching and interacting with it. If the new shape, either in its digital or physical form, does not satisfy the designers, it has to be modified. A modification of the digital model requires a new physical prototyping of the shape for further evaluation. Conversely, a modification of the physical prototype requires the consequent update of the digital model, which can be performed by remodelling the shape, or using techniques as reverse engineering. Design and valuation activities are typical cyclical, repeated many times before reaching the optimal and desired shape. This reiteration leads to an increase of the development time and, consequently, of the overall product development cost. Indeed, it would be very efficient and effective if the two kinds of evaluations would be performed at the same time, instead of in two distinct moments and by using different means. Today’s computer-based tools do not allow us to perform the visual evaluation and the tactile evaluation at the same time. The aim of this research work is to develop a novel system for the simultaneous visual and tactile rendering of product shapes, thus allowing designers to both touch and see new product shapes already during the product conceptual development phase. The proposed system for visual and tactile shape rendering consists of a Tactile Display able to represent in the real environment the shape of a product, which can be explored naturally through free hand interaction. It allows designers to explore the rendered surface through a continuous touch of curves lying on the product shape. Ideally, the designer selects curves on the shape surface, which can be considered as style features of the shape, and evaluate the aesthetic quality of these curves by manual exploration. In order to physically represent these selected curves, a flexible surface is modelled by means of servo-actuated modules controlling a physical deforming strip. The device is designed in order to be portable, low cost, modular and high performing in terms of types of shapes that can be represented. The developed Tactile Display can be effectively used if integrated with an Augmented Reality system, which allows rendering the visual shape on top of the tactile haptic strip. This allows a simultaneous representation of visual and tactile properties of a shape. The developed Tactile Display has been compared with similar devices, which are currently available both on the market and in research labs. In addition, preliminary tests have been performed with a group of designers. Both the comparison and the testing session have achieved positive and satisfactory results, which have highlighted the high innovative potential of the system. Several are the benefits of the Tactile Display used in the initial conceptual phases of product design. The designers will be able to change the shape of a product according to the tactile evaluation, before the development of the physical prototype. This feature will allow decreasing the number of physical prototypes needed reducing, consequently, both cost and overall time of the product development process. Moreover, designers may improve their creativity during the product shape conception, since they will have the chance to optimise the design-evaluation process by evaluating visual and tactile properties at the same time. Future works have been presented, so as to indicate the future research to pursue in order to further improve the design process and the creativity of designers.

Il processo di sviluppo prodotto consiste in una serie di fasi dove il concept della forma del prodotto è solitamente rappresentato attraverso un modello digitale tridimensionale. Molto spesso tale modello viene utilizzato per la produzione di prototipi fisici. Il modello digitale permette ai designer di effettuare una valutazione visiva della forma mentre il prototipo fisico è usato per effettuare una valutazione delle caratteristiche estetiche, come dimensioni e proporzioni, attraverso il senso del tatto. Se, a seguito della valutazione visiva o di quella tattile, la forma ottenuta non soddisfa il progettista, essa dovrà essere modificata. La modifica del modello digitale richiede la produzione di un nuovo prototipo fisico in modo da rendere possibile un'ulteriore valutazione tattile. La modifica del prototipo fisico richiede un aggiornamento del modello digitale che può essere ottenuta rimodellando direttamente la forma o attraverso tecniche di reverse engineering. Pertanto, le fasi di design e di valutazione sono ripetute ciclicamente diverse volte prima di ottenere la forma desiderata. Questo processo iterativo comporta un incremento dei tempi e dei costi del processo di sviluppo del prodotto. Infatti, lo sviluppo di un nuovo prodotto risulterebbe più efficiente se le valutazioni visive e tattili potessero essere compiute contemporaneamente, invece che in due momenti distinti e con strumenti diversi. Tuttavia, con gli strumenti informatici a disposizione al giorno d’oggi non è possibile effettuare contemporaneamente questi due tipi di valutazione. Lo scopo di questo lavoro di ricerca è quello di sviluppare un nuovo sistema che renderà possibile effettuare simultaneamente la valutazione visiva e quella tattile. Questo permetterà ai designer di vedere e toccare la forma del nuovo prodotto sin della prime fasi di sviluppo concettuale. Il sistema proposto consiste in un Display Tattile in grado di rappresentare nel mondo reale la forma di un prodotto, la quale potrà essere esplorata in modo naturale e intuitivo dal designer mediante un interazione di tipo “free hand”. Questo device permetterà ai desiger di esplorare la superfice seguendo delle curve disposte sulla forma che rappresenta il prodotto. Idealmente, i designer selezionano delle curve sulla superficie della forma, le quali possono essere considerate come caratteristiche di stile della forma, e valutano le caratteristiche estetiche mediante una valutazione tattile. Per rappresentare fisicamente tali curve, il device è dotato di una superficie flessibile che viene modellata da un sistema modulare servo-attuato. Il sistema è stato progettato con le seguenti caratteristiche: portatile, a basso costo, modulare e performante per quel che riguarda i tipi di forme che possono essere rappresentate. Il Display Tattile sviluppato può essere utilizzato con un sistema di visualizzazione in Realtà Aumentata, che permette di visualizzare la forma del modello digitale direttamente sul device. In tal modo si ottengono contemporaneamente la rappresentazione visuale e quella tattile delle proprietà della forma. Il Display Tattile sviluppato è stato confrontato con sistemi simili attualmente disponibili sul mercato o nei laboratori di ricerca. Inoltre, sono stati eseguiti dei test preliminari con un gruppo di designer. Sia il confronto sia la sessione di test hanno ottenuto dei risultati positivi e soddisfacenti, che hanno evidenziato l’alto potenziale innovativo del sistema. L’utilizzo del Display Tattile durante la fase iniziale di sviluppo prodotto offre diversi benefici. I designer avranno la possibilità di cambiare le caratteristiche di forma del prodotto, a seguito di una valutazione tattile, prima dello sviluppo del prototipo fisico. Tale caratteristica permetterà di ridurre il numero di prototipi fisici necessari, riducendo in questo modo i tempi ed i costi di sviluppo. Inoltre, i designer potranno avere la possibilità di incrementare la propria creatività durante lo sviluppo concettuale della forma, dato che avranno la possibilità di ottimizzare il processo sviluppo-valutazione. Futuri sviluppi del sistema sono stati presentati in modo da migliorare ulteriormente il processo di sviluppo prodotto.