Sanal fikstür - Virtual fixture

Bir sanal fikstürü hem doğrudan ve insan performansını artırmak amacıyla gerçek ortamın bir kullanıcının algısı üzerine artar duyusal bilginin bir bindirme olan uzaktan manipüle görevleri. Tarafından 1990'ların başlarında geliştirilen Louis Rosenberg de ABD Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuarı (AFRL) , sanal Fikstür öncü bir platform oldu sanal gerçeklik ve artırılmış gerçeklik teknolojilerinin.

Tarih

Louis Rosenberg, şimdiye kadar geliştirilen ilk artırılmış gerçeklik sistemlerinden biri olan Sanal Fikstürleri test ediyor (1992)

Sanal Fikstürler ilk olarak 1992 yılında Louis Rosenberg tarafından USAF Armstrong Laboratuvarlarında geliştirildi ve şimdiye kadar yapılmış ilk sürükleyici artırılmış gerçeklik sistemi ile sonuçlandı . 1990'ların başında 3D grafikler fotogerçekçi ve uzamsal olarak kaydedilmiş bir artırılmış gerçeklik sunmak için çok yavaş olduğundan, Virtual Fixtures, kullanıcı tarafından giyilen tam bir üst vücut dış iskeleti tarafından kontrol edilen iki gerçek fiziksel robot kullandı. Kullanıcı için sürükleyici bir deneyim yaratmak için, kullanıcının robot kollarına bakış açısı, kullanıcının gerçek fiziksel kollarının tam konumunda kayıtlı görünecek şekilde hizalanmış bir çift dürbün büyüteci içeren benzersiz bir optik konfigürasyon kullanıldı. . Sonuç, kullanıcının kollarını hareket ettirdiği ve kollarının olması gereken yerde robot kollarını gördüğü uzamsal olarak kayıtlı sürükleyici bir deneyimdi. Sistem ayrıca, gerçek fiziksel görevleri gerçekleştirirken kullanıcıya yardımcı olmak için tasarlanmış, simüle edilmiş fiziksel engeller, alanlar ve kılavuzlar biçiminde bilgisayar tarafından oluşturulan sanal kaplamalar da kullandı.

Fitts Law performans testi, insan test deneklerinin pilleri üzerinde gerçekleştirildi ve ilk kez, kullanıcılara sürükleyici artırılmış gerçeklik kaplamaları sağlayarak gerçek dünyadaki hünerli görevlerin insan performansında önemli bir gelişme sağlanabileceğini gösterdi.

konsept

Rosenberg (1992) tarafından Fitt's Law peg-board görevinin telerobotik kontrolünde operatör performansını artırmak için sanal armatürler kullanıldı.

Sanal fikstürler kavramı ilk olarak Rosenberg (1992) tarafından, doğrudan ve uzaktan manipüle edilen görevlerde insan performansını geliştirmek için bir çalışma alanı üzerindeki sanal duyusal bilgilerin üst üste bindirilmesi olarak tanıtıldı. Sanal duyusal kaplamalar, kullanıcı tarafından gerçek çalışma alanı ortamında tam olarak mevcut olarak algılanacak şekilde uzayda kayıtlı fiziksel olarak gerçekçi yapılar olarak sunulabilir. Sanal duyusal kaplamalar, gerçek fiziksel yapılarda mümkün olmayan özelliklere sahip soyutlamalar da olabilir. Duyusal bindirmeler kavramını görselleştirmek ve hakkında konuşmak zordur, bunun sonucunda sanal fikstür metaforu tanıtıldı. Sanal bir fikstürün ne olduğunu anlamak için, genellikle bir cetvel gibi gerçek bir fiziksel fikstür ile bir benzetme kullanılır. Bir parça kağıda serbest elle düz bir çizgi çizmek gibi basit bir görev, çoğu insanın iyi bir doğruluk ve yüksek hızda gerçekleştiremeyeceği bir görevdir. Ancak cetvel gibi basit bir cihazın kullanılması, görevin hızlı ve iyi bir doğrulukla gerçekleştirilmesini sağlar. Cetvel kullanımı, kalemi cetvel boyunca yönlendirerek kullanıcının titremesini ve zihinsel yükünü azaltarak, sonuçların kalitesini yükselterek kullanıcıya yardımcı olur.

Artırılmış Gerçeklik Cerrahisi için kullanılan Sanal Fikstürler, gelişmiş cerrahi el becerisi sağlar.

Sanal Fikstür konsepti Rosenberg tarafından 1991'de ABD Hava Kuvvetlerine önerildiğinde, artırılmış cerrahi, fikri gerçek bir kalemi yönlendiren sanal bir cetvelden, bir el aleti tarafından manipüle edilen gerçek bir fiziksel neşteri yönlendiren sanal bir tıbbi fikstüre genişleten örnek bir kullanım durumuydu. gerçek cerrah. Amaç, cerrahın gerçek çalışma alanını doğrudan algılaması üzerine sanal içeriği, cerrahi ortama özgün eklemeler olarak algılanacak ve böylece cerrahi beceri, el becerisi ve performansı artıracak yeterli gerçekçilikle kaplamaktı. Gerçek donanıma kıyasla sanal tıbbi armatürlerin önerilen bir yararı, ortam gerçekliğine sanal eklemeler oldukları için kısmen gerçek hastaların içine daldırılabilmeleri, böylece maruz kalmayan dokular içinde rehberlik ve/veya bariyerler sağlayabilmeleriydi.

Rosenberg tarafından sanal armatürlerin tanımı, yalnızca son efektöre rehberlik etmekten çok daha geniştir. Örneğin, işitsel sanal armatürler, son efektörün lokalizasyonu için çok modlu ipuçları sağlayarak kullanıcıya yardımcı olan sesli ipuçları sağlayarak kullanıcı farkındalığını artırmak için kullanılır. Rosenberg, sanal armatürlerin başarısının yalnızca kullanıcının armatür tarafından yönlendirilmesinden kaynaklanmadığını, aynı zamanda kullanıcının uzak çalışma alanında daha büyük bir varlık ve daha iyi yerelleştirme deneyimlemesi olduğunu savunuyor. Bununla birlikte, insan-makine işbirliği sistemleri bağlamında, sanal armatürler terimi genellikle, gerçek bir ortam üzerine bindirilen ve kullanıcının hareketini istenen yönlerde yönlendirirken, istenmeyen yönlerde veya bölgelerde hareketi önleyen, göreve bağlı bir sanal yardıma atıfta bulunmak için kullanılır. çalışma alanından. Bu, bu makalenin sonraki bölümünde ayrıntılı olarak açıklanan sanal fikstür türüdür.

Sanal fikstürler, sanal fikstürlere rehberlik edebilir veya yasak bölge sanal fikstürleri olabilir . Bir yasak bölge sanal fikstürü, örneğin, operatörün bir hedefi gerçekleştirmek için uzak bir yerde bir araç sürmek zorunda olduğu tele-operasyonlu bir ortamda kullanılabilir . Uzak bölgede aracın yasak bölgelere düşmesine zarar verecek çukurlar varsa çeşitli çukur konumlarında tanımlanarak operatörün aracın böyle bir çukura düşmesine neden olacak komutlar vermesi engellenir.

Yasak bölge sanal fikstürü örneği

Bu tür yasadışı komutlar, örneğin teleoperasyon döngüsündeki gecikmeler , zayıf telepresence veya bir dizi başka nedenden dolayı bir operatör tarafından kolayca gönderilebilir .

Bir yol gösterici sanal fikstürün bir örneği, aracın belirli bir yörüngeyi takip etmesi gerektiği zaman olabilir,

Kılavuz sanal fikstür örneği

Operatör daha sonra tercih edilmeyen yön boyunca hareket kısıtlanırken tercih edilen yön boyunca ilerlemeyi kontrol edebilir .

Hem yasak bölgeler hem de kılavuz sanal fikstürler ile fikstürün sertliği veya tersi uyumluluğu ayarlanabilir. Uyum yüksekse (düşük sertlik) fikstür yumuşaktır . Öte yandan, uyum sıfır olduğunda (maksimum sertlik) fikstür serttir .

Sanal bir fikstürün sertliği yumuşak veya sert olabilir. Sert bir fikstür, fikstürün hareketini tamamen kısıtlarken, daha yumuşak bir fikstür, fikstürden bazı sapmalara izin verir.

Sanal fikstür kontrol yasası

Bu bölüm, sanal fikstürleri uygulayan bir kontrol yasasının nasıl türetilebileceğini açıklar. Robotun, robotun temel çerçevesinde ifade edilen uç efektör konumu ve uç efektör oryantasyonu ile tamamen kinematik bir cihaz olduğu varsayılır . Robota giriş kontrol sinyalinin istenen bir son efektör hızı olduğu varsayılır . Uzaktan kumandalı bir sistemde , robot kontrolörüne beslemeden önce operatörden gelen giriş hızını ölçeklendirmek genellikle yararlıdır . Kullanıcıdan gelen girdi, bir kuvvet veya konum gibi başka bir biçimdeyse, ilk önce, örneğin ölçeklendirme veya türevlendirme yoluyla bir girdi hızına dönüştürülmelidir. ${\displaystyle \mathbf {p} =\sol[x,y,z\sağ]}$${\displaystyle \mathbf {r} =\sol[r_{\textrm {x}},r_{\textrm {y}},r_{\textrm {z}}\sağ]}$${\displaystyle F_{\textrm {r}}}$${\displaystyle \mathbf {u} }$${\displaystyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {x} }}=\left[{\dot {\mathbf {p} }},{\dot {\mathbf {r} }}\sağ] }$${\displaystyle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}$

Böylece kontrol sinyali , operatörün giriş hızından şu şekilde hesaplanacaktır : ${\displaystyle \mathbf {u} }$${\displaystyle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}$

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

Eğer operatör ve köle robot arasında bire bir eşleme vardır. ${\görüntüleme stili c=1}$

Sabit , bir diyagonal matris ile değiştirilirse, uyumun farklı boyutları için bağımsız olarak ayarlanması mümkündür . Örneğin, diyagonal ilk üç elemanı ayarı için sadece öteleme hareketi değil, rotasyon imkan veren sistemi neden olacaktır sıfıra ve diğer tüm unsurları. Bu, ile arasındaki hareketi sınırlayan bir sabit sanal fikstür örneği olabilir . Köşegen üzerindeki diğer elemanlar sıfır yerine küçük bir değere ayarlansaydı, fikstür yumuşak olacak ve dönüş yönlerinde bir miktar harekete izin verecekti. ${\görüntüleme stili c}$${\displaystyle \mathbf {C} }$${\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}}$${\displaystyle \mathbf {C} }$${\görüntüleme stili c}$${\displaystyle \mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{6}}$${\displaystyle \mathbf {p} \in \mathbb {R} ^{3}}$

Daha genel kısıtlamaları ifade etmek için , zamanda tercih edilen yönü temsil eden zamanla değişen bir matris varsayın . Bu nedenle , tercih edilen yön, içinde bir eğri boyunca ise . Aynı şekilde, bir yüzeye yayılan tercih edilen yönleri verir. Kaynaktan iki projeksiyon operatörler, yayılma ve sütun alanı çekirdek tanımlanabilir: ${\displaystyle \mathbf {D} (t)\in \mathbb {R} ^{6\times n},~n\in [1..6]}$${\görüntüleme stili t}$${\görüntüleme stili n=1}$${\displaystyle \mathbb {R} ^{6}}$${\görüntüleme stili n=2}$${\displaystyle \mathbf {D} }$

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

Eğer yayılma hesaplanamaz tam sütun dereceye sahip değildir, dolayısıyla sözde tersini kullanarak yayılma hesaplamak için daha iyidir, böylece uygulamada açıklık olarak hesaplanır: ${\displaystyle \mathbf {D} }$

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

nerede sözde tersini belirtir . ${\displaystyle \mathbf {D} ^{\hançer }}$${\displaystyle \mathbf {D} }$

Giriş hızı aşağıdaki gibi iki bileşene ayrılırsa:

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

kontrol yasasını şu şekilde yeniden yazmak mümkündür:

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

Ardından, hız girişinin yalnızca tercih edilmeyen bileşenini etkileyen yeni bir uyum sağlayın ve son kontrol yasasını şu şekilde yazın:

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

Referanslar