Виртуальный прибор

Виртуальное приспособление представляет собой наложение дополненной сенсорной информации при восприятии пользователя реальной среды , в целях повышения производительности человека в прямых и удаленно манипулируют задачи. Virtual Fixtures, разработанная в начале 1990-х Луи Розенбергом из Исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL) , была новаторской платформой в области виртуальной реальности и технологий дополненной реальности .

История [ править ]

Луи Розенберг тестирует Virtual Fixture, одну из первых когда-либо разработанных систем дополненной реальности (1992)

Virtual Fixture была впервые разработана Луи Розенбергом в 1992 году в USAF Armstrong Labs , что привело к созданию первой из когда-либо созданных иммерсивных систем дополненной реальности . ^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]Поскольку в начале 1990-х годов 3D-графика была слишком медленной, чтобы представить фотореалистичную и пространственно зарегистрированную дополненную реальность, Virtual Fixtures использовала двух реальных физических роботов, управляемых полным экзоскелетом верхней части тела, который носил пользователь. Чтобы создать иммерсивный опыт для пользователя, была использована уникальная конфигурация оптики, которая включала пару бинокулярных луп, выровненных так, чтобы вид пользователя на руки робота был перенесен вперед, так что он выглядел зарегистрированным в точном местоположении реальных физических рук пользователя. . ^[1]^[6]^[4]Результатом стал пространственно зарегистрированный иммерсивный опыт, в котором пользователь двигал руками, видя руки роботов в том месте, где должны были быть его руки. В системе также использовались сгенерированные компьютером виртуальные оверлеи в виде смоделированных физических барьеров, полей и направляющих, предназначенные для помощи пользователю при выполнении реальных физических задач. ^[7]^[2]

Тестирование производительности по закону Фиттса было проведено на батареях испытуемых-людей, что впервые продемонстрировало, что значительное повышение производительности человека при выполнении сложных задач в реальном мире может быть достигнуто за счет предоставления пользователям иммерсивных наложений дополненной реальности. ^[4]^[8]

Концепция [ править ]

Виртуальные приспособления использовались Розенбергом (1992) для повышения производительности оператора при телероботическом управлении заданием доски Фитта с привязкой.

Концепция виртуальных приспособлений была впервые введена Розенбергом (1992) ^[1].как наложение виртуальной сенсорной информации на рабочее пространство с целью повышения производительности человека при выполнении прямых и удаленных задач. Виртуальные сенсорные наложения могут быть представлены как физически реалистичные структуры, зарегистрированные в пространстве, так что они воспринимаются пользователем как полностью присутствующие в реальной рабочей среде. Виртуальные сенсорные наложения также могут быть абстракциями, которые обладают свойствами, недоступными для реальных физических структур. Концепцию сенсорных наложений трудно визуализировать и говорить о ней, как следствие, была введена метафора виртуального приспособления. Чтобы понять, что такое виртуальное приспособление, часто используется аналогия с реальным физическим приспособлением, например, линейкой. Простая задача, такая как рисование от руки прямой линии на листе бумаги, - это задача, которую большинство людей не может выполнить с хорошей точностью и высокой скоростью. Однако использование такого простого приспособления, как линейка, позволяет выполнить задачу быстро и с хорошей точностью. Использование линейки помогает пользователю, направляя перо вдоль линейки, уменьшая тремор и умственную нагрузку пользователя, тем самым повышая качество результатов.

Когда в 1991 году Розенберг предложил ВВС США концепцию виртуального приспособления, в качестве примера использования была расширенная хирургия, расширяющая идею от виртуальной линейки, направляющей настоящий карандаш, до виртуального медицинского приспособления, направляющего реальный физический скальпель, которым манипулируют с помощью настоящий хирург. ^[1] Цель заключалась в том, чтобы наложить виртуальный контент на прямое восприятие хирурга реального рабочего пространства с достаточной реалистичностью, чтобы он воспринимался как подлинное дополнение к хирургической среде и, таким образом, повысил хирургические навыки, ловкость и производительность. Предлагаемое преимущество виртуальных медицинских приборов по сравнению с реальным оборудованием заключалось в том, что, поскольку они были виртуальным дополнением к окружающей реальности, они могли быть частично погружены в реальных пациентов, обеспечивая руководство и / или барьеры в неэкспонированных тканях. ^[9]^[1]

Определение виртуальных приспособлений Розенбергом ^[1]^[6]^[7]намного шире, чем просто руководство конечным эффектором. Например, слуховые виртуальные приспособления используются для повышения осведомленности пользователя, предоставляя звуковые подсказки, которые помогают пользователю, предоставляя многомодальные подсказки для локализации конечного эффектора. Розенберг утверждает, что успех виртуальных приборов объясняется не только тем, что пользователь руководствуется прибором, но и тем, что пользователь ощущает большее присутствие и лучшую локализацию в удаленном рабочем пространстве. Однако в контексте систем совместной работы человек-машина термин виртуальные приспособления часто используется для обозначения виртуального вспомогательного средства, зависящего от задачи, которое накладывается на реальную среду и направляет движение пользователя в желаемых направлениях, предотвращая движение в нежелательных направлениях или регионах. рабочего пространства.

Виртуальные светильники могут быть либо направляющими виртуальные приборы или запрещенных области виртуальных светильников . Запретной области виртуального приспособление может быть использовано, например, в teleoperated обстановке , где оператор должен управлять транспортным средством на удаленном узле для достижения цели. Если на удаленном участке есть ямы, которые могут быть опасными для транспортного средства, чтобы попасть в запрещенные зоны, можно определить в различных местах ям, тем самым не позволяя оператору подавать команды, которые могли бы привести к тому, что транспортное средство попадет в такую яму.

Пример виртуального приспособления запрещенных регионов

Такие недопустимые команды могут быть легко отправлены оператором из-за, например, задержек в цикле дистанционной работы , плохого дистанционного присутствия или ряда других причин.

Примером управляющего виртуального приспособления может быть ситуация, когда транспортное средство должно следовать определенной траектории,

Пример управляющего виртуального прибора

Затем оператор может контролировать продвижение в предпочтительном направлении, в то время как движение в нежелательном направлении ограничено.

С помощью как запрещенных областей, так и направляющих виртуальных приспособлений можно отрегулировать жесткость или обратную податливость приспособления. Если податливость высокая (низкая жесткость), приспособление мягкое . С другой стороны, когда податливость равна нулю (максимальная жесткость), приспособление становится жестким .

Жесткость виртуального приспособления может быть мягкой или жесткой. Жесткое приспособление полностью ограничивает движение приспособления, в то время как более мягкое приспособление допускает некоторые отклонения от приспособления.

Закон об управлении виртуальным прибором [ править ]

В этом разделе описывается, как можно вывести закон управления, реализующий виртуальные приборы. Предполагается, что робот представляет собой чисто кинематическое устройство с положением рабочего органа и его ориентацией, выраженной в базовой раме робота . Предполагается, что входной управляющий сигнал для робота представляет собой желаемую скорость рабочего органа . В телеуправляемых системах часто бывает полезно масштабировать входную скорость от оператора, прежде чем передавать ее контроллеру робота. Если ввод от пользователя имеет другую форму, такую как сила или положение, он должен сначала быть преобразован во входную скорость, например, путем масштабирования или дифференцирования. ${\ displaystyle \ mathbf {p} = \ left [x, y, z \ right]}$ ${\ displaystyle \ mathbf {r} = \ left [r _ {\ textrm {x}}, r _ {\ textrm {y}}, r _ {\ textrm {z}} \ right]}$ $F_{\textrm {r}}$ $\mathbf {u}$ $\mathbf {v} ={\dot {\mathbf {x} }}=\left[{\dot {\mathbf {p} }},{\dot {\mathbf {r} }}\right]$ $\mathbf {v} _{\textrm {op}}$

Таким образом, управляющий сигнал будет вычисляться на основе скорости, введенной оператором, как: $\mathbf {u}$ $\mathbf {v} _{\textrm {op}}$

 $\mathbf {u} =c\cdot \mathbf {v} _{\textrm {op}}$

Если существует взаимно однозначное соответствие между оператором и ведомым роботом. $c=1$

Если постоянную заменить диагональной матрицей, можно независимо отрегулировать податливость для разных размеров . Например, установка первых трех элементов по диагонали до и всех остальных элементов на ноль приведет к системе, которая допускает только поступательное движение, но не вращение. Это был бы пример жесткого виртуального приспособления, которое ограничивает движение от до . Если бы для остальных элементов по диагонали было установлено небольшое значение вместо нуля, приспособление было бы мягким, допускающим некоторое движение в направлениях вращения. $c$ $\mathbf {C}$ ${\dot {\mathbf {x} }}$ $\mathbf {C}$ $c$ $\mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{6}$ $\mathbf {p} \in \mathbb {R} ^{3}$

Чтобы выразить более общие ограничения, предположим, что матрица, изменяющаяся во времени, представляет предпочтительное направление во времени . Таким образом, если предпочтительным направлением является изгиб в . Точно так же давал бы предпочтительные направления, которые охватывают поверхность. Из двух операторов проекции могут быть определены ^[10] промежуток и ядро пространства столбцов: $\mathbf {D} (t)\in \mathbb {R} ^{6\times n},~n\in [1..6]$ $t$ $n=1$ $\mathbb {R} ^{6}$ $n=2$ $\mathbf {D}$

 ${\begin{aligned}{\textrm {Span}}(\mathbf {D} )&\equiv \left[\mathbf {D} \right]=\mathbf {D} (\mathbf {D} ^{T}\mathbf {D} )^{-1}\mathbf {D} ^{T}\\{\textrm {Kernel}}(\mathbf {D} )&\equiv \langle \mathbf {D} \rangle =\mathbf {I} -\left[\mathbf {D} \right]\end{aligned}}$

Если у него нет полного ранга столбца, интервал не может быть вычислен, следовательно, лучше вычислить интервал с помощью псевдообратного метода ^[10], таким образом, на практике интервал вычисляется как: $\mathbf {D}$

 ${\textrm {Span}}(\mathbf {D} )\equiv \left[\mathbf {D} \right]=\mathbf {D} (\mathbf {D} ^{T}\mathbf {D} )^{\dagger }\mathbf {D} ^{T}$

где обозначает псевдообратное к . $\mathbf {D} ^{\dagger }$ $\mathbf {D}$

Если входная скорость разделена на две составляющие:

 $\mathbf {v} _{\textrm {D}}\equiv \left[\mathbf {D} \right]\mathbf {v} _{\textrm {op}}{\textrm {~and~}}\mathbf {v} _{\tau }\equiv \mathbf {v} _{\textrm {op}}-\mathbf {v} _{\textrm {D}}=\langle \mathbf {D} \rangle \mathbf {v} _{\textrm {op}}$

закон управления можно переписать как:

 $\mathbf {v} =c\cdot \mathbf {v} _{\textrm {op}}=c\left(\mathbf {v} _{\textrm {D}}+\mathbf {v} _{\tau }\right)$

Затем введите новое соответствие, которое влияет только на нежелательный компонент входной скорости, и запишите окончательный закон управления как:

 $\mathbf {v} =c\left(\mathbf {v} _{\textrm {D}}+c_{\tau }\cdot \mathbf {v} _{\tau }\right)=c\left(\left[\mathbf {D} \right]+c_{\tau }\langle \mathbf {D} \rangle \right)\mathbf {v} _{\textrm {op}}$

Ссылки [ править ]

^ Б с д е е Л. Б. Розенберга (1992). «Использование виртуальных приборов в качестве перцептивных наложений для повышения производительности оператора в удаленных средах» (PDF) . Технический отчет AL-TR-0089 . База Райт-Паттерсон, штат Огайо: Лаборатория ВВС США в Армстронге.
^ a b Розенберг, LB (1993). Виртуальные приспособления: перцептивные инструменты для телероботических манипуляций . IEEE. DOI : 10.1109 / vrais.1993.380795 . ISBN 0-7803-1363-1.
^ Розенберг, Луи (1993). «Использование виртуальных приборов для улучшения телеманипуляции с задержкой по времени». Материалы зимнего ежегодного собрания ASME по достижениям в робототехнике, мехатронике и тактильных интерфейсах . Новый Орлеан, Луизиана. 49 : 29–36.
^ a b c Розенберг, Луи (1993). «Использование виртуальных приспособлений для повышения производительности оператора при дистанционной работе с задержкой по времени» (PDF) . J. Dyn. Syst. Контроль . 49 : 29–36.
^ Noer, Майкл (1998-09-21). «Отпечатки пальцев рабочего стола» . Forbes . Проверено 22 апреля 2014 года .
^ a b Розенберг, Л. (1993). «Виртуальные устройства как инструменты для повышения производительности оператора в средах дистанционного присутствия». Технология манипуляторов SPIE . 2057 : 10. Bibcode : 1993SPIE.2057 ... 10R . DOI : 10.1117 / 12.164901 .
^ a b Розенберг (1994). «Виртуальные тактильные наложения повышают производительность в задачах телеприсутствия». Технологии телеманипулятора и телеприсутствия . DOI : 10.1117 / 12.197302 .
^ Розенберг, Луи Б. (1993). «Виртуальные устройства как инструменты для повышения производительности оператора в средах дистанционного присутствия». Телеманипуляторная техника и космическая телероботика . 2057 : 10–21. Bibcode : 1993SPIE.2057 ... 10R . DOI : 10.1117 / 12.164901 .
Перейти ↑ Rosenberg, LB (1992). «Использование виртуальных устройств в качестве наложений восприятия для повышения производительности оператора» Стэнфордский университет, Стэнфорд, Калифорния, Центр исследований дизайна (CDR)
^ a b Marayong, P .; Окамура, AM; Хагер, GD (2003). Ограничения пространственного движения: теория и демонстрации для управления роботом с использованием виртуальных приспособлений . IEEE. п. 1270–1275. DOI : 10.1109 / robot.2003.1241880 . ISBN 0-7803-7736-2.

[B._Rosenberg_1992-1] Б с д е е Л. Б. Розенберга (1992). «Использование виртуальных приборов в качестве перцептивных наложений для повышения производительности оператора в удаленных средах» (PDF) . Технический отчет AL-TR-0089 . База Райт-Паттерсон, штат Огайо: Лаборатория ВВС США в Армстронге.

[perceptual_1993-2] Розенберг, LB (1993). Виртуальные приспособления: перцептивные инструменты для телероботических манипуляций . IEEE. DOI : 10.1109 / vrais.1993.380795 . ISBN 0-7803-1363-1.

[3] Розенберг, Луи (1993). «Использование виртуальных приборов для улучшения телеманипуляции с задержкой по времени». Материалы зимнего ежегодного собрания ASME по достижениям в робототехнике, мехатронике и тактильных интерфейсах . Новый Орлеан, Луизиана. 49 : 29–36.

[time_delay_1993-4] Розенберг, Луи (1993). «Использование виртуальных приспособлений для повышения производительности оператора при дистанционной работе с задержкой по времени» (PDF) . J. Dyn. Syst. Контроль . 49 : 29–36.

[5] Noer, Майкл (1998-09-21). «Отпечатки пальцев рабочего стола» . Forbes . Проверено 22 апреля 2014 года .

[:0-6] Розенберг, Л. (1993). «Виртуальные устройства как инструменты для повышения производительности оператора в средах дистанционного присутствия». Технология манипуляторов SPIE . 2057 : 10. Bibcode : 1993SPIE.2057 ... 10R . DOI : 10.1117 / 12.164901 .

[:1-7] Розенберг (1994). «Виртуальные тактильные наложения повышают производительность в задачах телеприсутствия». Технологии телеманипулятора и телеприсутствия . DOI : 10.1117 / 12.197302 .

[8] Розенберг, Луи Б. (1993). «Виртуальные устройства как инструменты для повышения производительности оператора в средах дистанционного присутствия». Телеманипуляторная техника и космическая телероботика . 2057 : 10–21. Bibcode : 1993SPIE.2057 ... 10R . DOI : 10.1117 / 12.164901 .

[9] Перейти ↑ Rosenberg, LB (1992). «Использование виртуальных устройств в качестве наложений восприятия для повышения производительности оператора» Стэнфордский университет, Стэнфорд, Калифорния, Центр исследований дизайна (CDR)

[Marayong-10] Marayong, P .; Окамура, AM; Хагер, GD (2003). Ограничения пространственного движения: теория и демонстрации для управления роботом с использованием виртуальных приспособлений . IEEE. п. 1270–1275. DOI : 10.1109 / robot.2003.1241880 . ISBN 0-7803-7736-2.

[1]