Wirtualna oprawa

Wirtualne urządzenie to nałożenie rozszerzonych informacji sensorycznych na postrzeganie przez użytkownika rzeczywistego środowiska w celu poprawy wydajności człowieka zarówno w zadaniach wykonywanych bezpośrednio, jak i zdalnie . Opracowany na początku lat 90. przez Louisa Rosenberga w Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych (AFRL) , Virtual Fixtures był pionierską platformą w technologii rzeczywistości wirtualnej i rzeczywistości rozszerzonej .

Historia

Virtual Fixtures został po raz pierwszy opracowany przez Louisa Rosenberga w 1992 roku w USAF Armstrong Labs , co zaowocowało pierwszą immersyjną rozszerzoną rzeczywistością system, jaki kiedykolwiek zbudowano. Ponieważ grafika 3D była zbyt wolna na początku lat 90., aby prezentować fotorealistyczną i zarejestrowaną przestrzennie rzeczywistość rozszerzoną, Virtual Fixtures wykorzystywało dwa prawdziwe fizyczne roboty, kontrolowane przez pełny egzoszkielet górnej części ciała noszony przez użytkownika. Aby stworzyć wciągające wrażenia dla użytkownika, zastosowano unikalną konfigurację optyki, która obejmowała parę lornetkowych lup ustawionych w taki sposób, że widok użytkownika na ramiona robota był przesunięty do przodu, tak aby wydawał się zarejestrowany w dokładnej lokalizacji rzeczywistych fizycznych ramion użytkownika . Rezultatem było przestrzennie zarejestrowane immersyjne doświadczenie, w którym użytkownik poruszał rękami, jednocześnie widząc ramiona robota w miejscu, w którym powinny się znajdować. System wykorzystywał również generowane komputerowo wirtualne nakładki w postaci symulowanych fizycznych barier, pól i prowadnic, które miały pomagać użytkownikowi w wykonywaniu rzeczywistych zadań fizycznych.

zgodnie z prawem Fittsa przeprowadzono na bateriach ludzi, wykazując po raz pierwszy, że można osiągnąć znaczną poprawę wydajności zręcznych zadań w świecie rzeczywistym, udostępniając użytkownikom immersyjne nakładki rozszerzonej rzeczywistości.

Pojęcie

Wirtualne urządzenia: używane do zwiększania wydajności operatora w telerobotycznym sterowaniu zadaniami związanymi z prawem Fitta.

Koncepcja wirtualnych urządzeń została po raz pierwszy wprowadzona jako nakładanie wirtualnych informacji sensorycznych na przestrzeń roboczą w celu poprawy wydajności człowieka w zadaniach wykonywanych bezpośrednio i zdalnie. Wirtualne nakładki sensoryczne mogą być prezentowane jako fizycznie realistyczne struktury, zarejestrowane w przestrzeni w taki sposób, że są postrzegane przez użytkownika jako w pełni obecne w rzeczywistym środowisku przestrzeni roboczej. Wirtualne nakładki sensoryczne mogą być również abstrakcjami, które mają właściwości niemożliwe do uzyskania w przypadku rzeczywistych struktur fizycznych. Koncepcja nakładek sensorycznych jest trudna do zobrazowania i omówienia, w konsekwencji wprowadzono metaforę wirtualnego osprzętu. Aby zrozumieć, czym jest wirtualne urządzenie, często stosuje się analogię do rzeczywistego urządzenia fizycznego, takiego jak linijka. Proste zadanie, takie jak narysowanie odręcznej linii prostej na kartce papieru, jest zadaniem, którego większość ludzi nie jest w stanie wykonać z dobrą dokładnością i dużą szybkością. Jednak użycie prostego przyrządu jakim jest linijka pozwala na wykonanie zadania szybko iz dobrą dokładnością. Użycie linijki pomaga użytkownikowi, prowadząc pióro wzdłuż linijki, zmniejszając drżenie i obciążenie psychiczne użytkownika, zwiększając w ten sposób jakość wyników.

Urządzenia wirtualne używane w chirurgii rzeczywistości rozszerzonej umożliwiają zwiększenie zręczności chirurgicznej.

Kiedy koncepcja Virtual Fixture została zaproponowana Siłom Powietrznym Stanów Zjednoczonych w 1991 roku, rozszerzona chirurgia była przykładem zastosowania, rozszerzając ideę od wirtualnej linijki prowadzącej prawdziwy ołówek do wirtualnego uchwytu medycznego prowadzącego prawdziwy fizyczny skalpel, którym manipuluje prawdziwy chirurg . Celem było nałożenie wirtualnych treści na bezpośrednie postrzeganie rzeczywistego obszaru roboczego przez chirurga z wystarczającym realizmem, aby były one postrzegane jako autentyczne dodatki do środowiska chirurgicznego, a tym samym zwiększały umiejętności chirurgiczne, zręczność i wydajność. Proponowaną zaletą wirtualnych urządzeń medycznych w porównaniu z rzeczywistym sprzętem było to, że ponieważ były one wirtualnymi dodatkami do otaczającej rzeczywistości, mogły być częściowo zanurzone w rzeczywistych pacjentach, zapewniając wskazówki i / lub bariery w nienaświetlonych tkankach.

Definicja urządzeń wirtualnych jest znacznie szersza niż zwykłe kierowanie efektorem końcowym. Na przykład wirtualne urządzenia dźwiękowe są wykorzystywane do zwiększania świadomości użytkownika poprzez dostarczanie wskazówek dźwiękowych, które pomagają użytkownikowi poprzez dostarczanie multimodalnych wskazówek dotyczących lokalizacji efektora końcowego. Jednak w kontekście systemów współpracy człowiek-maszyna termin wirtualne urządzenia jest często używany w odniesieniu do zależnej od zadania wirtualnej pomocy, która jest nakładana na rzeczywiste środowisko i kieruje ruchem użytkownika wzdłuż pożądanych kierunków, jednocześnie zapobiegając ruchowi w niepożądanych kierunkach lub regionach obszaru roboczego.

Wirtualne oprawy mogą być albo prowadzącymi wirtualnymi oprawami , albo wirtualnymi oprawami regionów zabronionych . Wirtualne urządzenie z zakazanymi regionami może być używane na przykład w teleoperacji , w których operator musi prowadzić pojazd w odległym miejscu, aby osiągnąć cel. Jeśli w odległym miejscu znajdują się doły, które byłyby szkodliwe dla pojazdu, wpadnięcie do zakazanych regionów można zdefiniować w różnych lokalizacjach dołów, uniemożliwiając w ten sposób operatorowi wydawanie poleceń, które skutkowałyby zatrzymaniem pojazdu w takim dołku.

Przykład wirtualnego urządzenia regionów zabronionych

Takie nielegalne polecenia mogą być łatwo wysłane przez operatora z powodu np. opóźnień w pętli teleoperacyjnej , słabej teleobecności lub wielu innych przyczyn.

Przykładem wirtualnego uchwytu prowadzącego może być sytuacja, w której pojazd musi podążać określoną trajektorią,

Przykład wirtualnego uchwytu prowadzącego

Operator jest wtedy w stanie kontrolować postęp wzdłuż preferowanego kierunku , podczas gdy ruch wzdłuż kierunku niepożądanego jest ograniczony.

Zarówno w przypadku obszarów zabronionych, jak i wirtualnych uchwytów prowadzących można regulować sztywność , lub jej odwrotność podatności , uchwytu. Jeśli podatność jest wysoka (mała sztywność), mocowanie jest miękkie . Z drugiej strony, gdy podatność wynosi zero (maksymalna sztywność) mocowanie jest twarde .

Sztywność wirtualnego osprzętu może być miękka lub twarda. Twarde mocowanie całkowicie ogranicza ruch do mocowania, podczas gdy mocowanie bardziej miękkie pozwala na pewne odchylenia od mocowania.

Prawo sterowania urządzeniami wirtualnymi

Ta sekcja opisuje, w jaki sposób można wyprowadzić prawo sterowania, które implementuje wirtualne urządzenia. Zakłada się, że robot jest urządzeniem czysto kinematycznym z pozycją efektora końcowego i efektorem końcowym $\ prawej]}$ z orientacja ${\ Displaystyle \ mathbf {r} = \ lewo [r _ {\ textrm {x}}, r _ {\ textrm {y}}, r _ {\ textrm {z} }\Prawidłowy]}$ wyrażone w podstawowej ramie robota ${\ displaystyle F _ {\ textrm {r}}}$ . Zakłada się, że wejściowy sygnał sterujący $robota$ jest pożądaną prędkością efektora końcowego ${\ Displaystyle \ mathbf {v} = {\ kropka {\mathbf {x}}}=\lewo[{\kropka {\mathbf {p}}},{\kropka {\mathbf {r}}}\prawo]}$ . W systemie zdalnie sterowanym często przydatne jest skalowanie prędkości wejściowej od operatora, ${\ displaystyle \ mathbf {v} _ {\ textrm {op}}}$ przed podaniem go do kontrolera robota. Jeśli dane wejściowe użytkownika mają inną postać, taką jak siła lub położenie, należy je najpierw przekształcić w prędkość wejściową, na przykład poprzez skalowanie lub różniczkowanie.

Zatem sygnał sterujący byłby obliczany $}}}$ wejściowej operatora jako: u ${ \ Displaystyle \ mathbf {$

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

Jeśli istnieje mapowanie $jeden do$ między operatorem a robotem

Jeśli stała $możliwe$ zastąpiona macierzą diagonalną, jest niezależne dostosowanie zgodności dla różnych wymiarów ${\ mathbf {x} } }}}$$\ Displaystyle {\$ . ${\ displaystyle \ mathbf {C}$ przykład ustawienie pierwszych trzech elementów na przekątnej na $}$ a wszystkie inne elementy do zera skutkowałyby systemem, który zezwala tylko na ruch postępowy, a nie na obrót. Byłby to przykład twardego wirtualnego urządzenia, które ogranicza ruch od ${\ Displaystyle \ mathbf {x} \ in \ mathbb {R} ^ {6}}$ do ${\ Displaystyle \ mathbf { p} \in \mathbb {R} ^{3}}$ . Gdyby reszta elementów na przekątnej została ustawiona na małą wartość zamiast zera, oprawa byłaby miękka, pozwalając na pewien ruch w kierunkach obrotowych.

Aby wyrazić bardziej ogólne ograniczenia, przyjmij zmienną w czasie macierz ${\ Displaystyle \ mathbf {D} (t) \ in \ mathbb {R} ^ {6 \times n}, ~ n\ in [1..6]}$ , co reprezentuje preferowany kierunek w czasie ${\ displaystyle t}$ . Zatem jeśli $\ Displaystyle \ mathbb {R$ jest wzdłuż krzywej w $^ {6}}$ . Podobnie ${\ displaystyle n = 2}$ dałoby preferowane kierunki obejmujące powierzchnię. Na podstawie można zdefiniować dwa operatory projekcji, rozpiętość i jądro przestrzeni kolumn: ${\ displaystyle \ mathbf {D}}$

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} {\ textrm {Rozpiętość}} (\ mathbf {D}) i \ równoważnik \ lewo [\ mathbf {D} \ prawo] = \ mathbf {D} (\ mathbf {D} ^ {T}\mathbf {D} )^{-1}\mathbf {D} ^{T}\\{\textrm {Kernel}}(\mathbf {D} )&\equiv \langle \mathbf {D} \ zakres =\mathbf {I} -\lewo[\mathbf {D} \prawo]\end{wyrównane}}}$

Jeśli $kolumny,$ rozpiętości nie można obliczyć, w związku z czym lepiej jest obliczyć rozpiętość za pomocą pseudoodwrotności, więc w praktyce rozpiętość jest obliczana jako: re {\ displaystyle \ mathbf {D}}

${\ Displaystyle {\ textrm {Rozpiętość}} (\ mathbf {D}) \ równoważnik \ lewo [\ mathbf {D} \ prawo] = \ mathbf {D} (\mathbf {D} ^{T}\mathbf {D} )^{\sztylet}\mathbf {D} ^{T}}$

gdzie oznacza pseudo-odwrotność ${\$$displaystyle \ mathbf {D} ^$ .

Jeśli prędkość wejściowa jest podzielona na dwie składowe, jak:

${\ Displaystyle \ mathbf {v} _ {\ textrm {D}} \ równoważnik \ lewo [\ mathbf {D } \right]\mathbf {v} _{\textrm {op}}{\textrm {~i~}}\mathbf {v} _{\tau }\equiv \mathbf {v} _{\textrm {op} }-\mathbf {v} _{\textrm {D}}=\langle \mathbf {D} \rangle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}$

można przepisać prawo sterowania jako:

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

Następnie wprowadź nową zgodność, która wpływa tylko na niepreferowaną składową prędkości wejściowej i zapisz ostateczne prawo sterowania jako:

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