Exoskeletons as Man-Machine Interface Systems for Teleoperation and Interaction in Virtual Environments

Since the beginning of teleoperation, exoskeleton systems have been considered as man-machine interfaces at the master level. Exoskeletons are robotics systems, that can be put on by the human operator, with a kinematic structure similar to that of operator’s upper or lower limbs. They have a twofold functionality: a) to record the movement at the level of human limb, b) to generate forces at the points of attachment with the human limb. The first examples of exoskeletons can be traced back to systems for the arm and the hand specifically designed for replicating grasping and contact forces to the operator. Nowadays exoskeleton systems are successfully employed also as body extenders for human power augmentation and rehabilitation. This chapter describes different types of exoskeleton systems from the point of view of mechanical and control design, and presents different examples of applications from the current state of the art

Exploring Cognitive Processes with Virtual Environments

The scope of this thesis is the study of cognitive processes with, and within Virtual Environments (VEs). Specifically, the presented work has two main objectives: (1) to outline a framework for situating the applications of VEs to cognitive sciences, especially those interfacing with the medical domain; and (2) to empirically illustrate the potential of VEs for studying specific aspects of cognitive processes. As for the first objective, the sought framework has been built by proposing classifications and discussing several examples of VEs used for assessing and treating disorders of attention, memory, executive functions, visual-spatial skills, and language. Virtual Reality Exposure Therapy was briefly discussed as well, and applications to autism spectrum disorders, schizophrenia, and pain control were touched on. These applications in fact underscore prerogatives that may extend to non-medical applications to cognitive sciences. The second objective was sought by studying the time course of attention. Two experiments were undertaken, both relying on dual-target paradigms that cause an attentional blink (AB). The first experiment evaluated the effect of a 7-week Tibetan Yoga training on the performance of habitual meditators in an AB paradigm using letters as distractors, and single-digit numbers as targets. The results confirm the evidence that meditation improves the allocation of attentional resources, and extend this conclusion to Yoga, which incorporates also physical exercise. The second experiment compared the AB performance of adult participants using rapid serial presentations of road signs -- hence less abstract stimuli -- under three display conditions: as 2-D images on a computer screen, either with or without a concurrent auditory distraction, and appearing in a 3-D immersive virtual environment depicting a motorway junction. The results found a generally weak AB magnitude, which is maximal in the Virtual Environment, and minimal in the condition with the concurrent auditory distraction. However, no lag-1 sparing effect was observed. == La tesi attiene allo studio dei processi cognitivi in ambiente virtuale (AV). In particolare il lavoro presentato ha due obiettivi principali: (1) proporre un quadro di riferimento per le applicazioni degli AV nelle scienze cognitive, specialmente quando queste rientrano nel settore medico; e (2) illustrare empiricamente il potenziale degli AV per lo studio di specifici aspetti cognitivi. Il quadro di riferimento del primo obiettivo è stato costruito discutendo classificazioni ed esempi di AV usati per valutare e trattare disturbi dell'attenzione, della memoria, esecutivi, delle abilità visuo-spaziali e del linguaggio. Sono stati brevemente discussi anche esempi di applicazioni di Virtual Reality Exposure Therapy, e per i disturbi dello spettro autistico, la schizofrenia, e l'analgesia. Esse sono infatti rappresentative delle prerogative degli AV trasferibili ad aspetti non medici delle scienze cognitive. Per il secondo obiettivo del lavoro si è studiata l'attenzione nel dominio temporale. Sono stati realizzati due esperimenti, entrambi basati su un paradigma sperimentale di doppio-compito tale da indurre il fenomeno dell'attentional blink (AB). Il primo esperimento ha valutato l'effetto di 7 settimane di Yoga tibetano sull'AB di un gruppo di meditatori. La presentazione visiva seriale rapida comprendeva lettere come distrattori e numeri a una cifra come target. I risultati confermano che la meditazione riduce l'AB, ed estendono questa conclusione allo Yoga, che include anche l'esercizio fisico. Il secondo esperimento ha confrontato l'AB di un gruppo di adulti utilizzando presentazioni visive seriali rapide di segnali stradali -- dunque stimoli meno astratti -- in 3 condizioni: immagini 2-D sullo schermo di un computer, essendo simultaneamente presente o assente una distrazione uditiva, e presentazione 3-D in un AV immersivo che simula un incrocio autostradale. I risultati rilevano un AB lieve, che è massimo nell'AV, e minimo nella condizione 2-D con la distrazione uditiva. L'effetto lag-1 sparing non è presente