Virtuell fixtur

En virtuell fixtur är en överlagring av förstärkt sensorisk information på en användares uppfattning om en verklig miljö för att förbättra mänsklig prestation i både direkta och fjärrmanipulerade uppgifter. Virtual Fixtures utvecklades i början av 1990-talet av Louis Rosenberg vid US Air Force Research Laboratory (AFRL), och var en banbrytande plattform inom virtual reality och augmented reality- teknik.

Historia

Virtual Fixtures utvecklades först av Louis Rosenberg 1992 vid USAF Armstrong Labs , vilket resulterade i det första uppslukande augmented reality- systemet som någonsin byggts. Eftersom 3D-grafik var för långsam i början av 1990-talet för att presentera en fotorealistisk och rumsligt registrerad förstärkt verklighet, använde Virtual Fixtures två riktiga fysiska robotar, styrda av ett helt överkroppsexoskelett som bärs av användaren. För att skapa den uppslukande upplevelsen för användaren användes en unik optikkonfiguration som involverade ett par binokulära förstorare inriktade så att användarens syn på robotarmarna flyttades fram för att se registrerad på den exakta platsen för användarens verkliga fysiska armar . Resultatet var en spatialt registrerad uppslukande upplevelse där användaren rörde sina armar samtidigt som han såg robotarmar på den plats där hans eller hennes armar skulle vara. Systemet använde också datorgenererade virtuella överlagringar i form av simulerade fysiska barriärer, fält och guider, utformade för att hjälpa användaren medan han utför verkliga fysiska uppgifter.

Fitts Law- prestandatestning utfördes på batterier av mänskliga testpersoner, vilket för första gången visar att en betydande förbättring av mänsklig prestation av verkliga skickliga uppgifter kan uppnås genom att tillhandahålla uppslukande augmented reality-överlägg till användare.

Begrepp

Virtuella fixturer: Används för att förbättra operatörens prestanda vid telerobotstyrning av Fitt's Law peg-board-uppgift.

Konceptet med virtuella fixturer introducerades först som en överlagring av virtuell sensorisk information på en arbetsyta för att förbättra mänsklig prestation i direkta och fjärrmanipulerade uppgifter. De virtuella sensoriska överläggen kan presenteras som fysiskt realistiska strukturer, registrerade i rymden så att de av användaren uppfattas vara helt närvarande i den verkliga arbetsmiljön. De virtuella sensoriska överläggen kan också vara abstraktioner som har egenskaper som inte är möjliga för verkliga fysiska strukturer. Begreppet sensoriska överlägg är svårt att visualisera och prata om, som en konsekvens av den virtuella fixturmetaforen introducerades. För att förstå vad en virtuell armatur är används ofta en analogi med en riktig fysisk fixtur som en linjal. En enkel uppgift som att rita en rak linje på ett papper på fri hand är en uppgift som de flesta människor inte kan utföra med god noggrannhet och hög hastighet. Användningen av en enkel anordning som en linjal gör dock att uppgiften kan utföras snabbt och med god noggrannhet. Användningen av en linjal hjälper användaren genom att styra pennan längs linjalen och minskar användarens skakningar och mentala belastning, vilket ökar kvaliteten på resultaten.

Virtuella fixturer som används för Augmented Reality Surgery, möjliggör förbättrad kirurgisk skicklighet.

När Virtual Fixture-konceptet föreslogs till det amerikanska flygvapnet 1991, var utökad kirurgi ett exempel på användningsfall, som utökade idén från en virtuell linjal som styr en riktig penna, till en virtuell medicinsk fixtur som styrde en riktig fysisk skalpell manipulerad av en riktig kirurg . Målet var att lägga virtuellt innehåll över kirurgens direkta uppfattning av den verkliga arbetsytan med tillräcklig realism för att det skulle uppfattas som autentiska tillägg till den kirurgiska miljön och därigenom förbättra kirurgisk skicklighet, skicklighet och prestanda. En föreslagen fördel med virtuella medicinska fixturer jämfört med riktig hårdvara var att eftersom de var virtuella tillägg till den omgivande verkligheten, kunde de delvis nedsänkas i riktiga patienter, vilket ger vägledning och/eller barriärer i oexponerade vävnader.

Definitionen av virtuella fixturer är mycket bredare än att bara ge vägledning för sluteffektorn. Till exempel används auditiva virtuella fixturer för att öka användarens medvetenhet genom att tillhandahålla ljudledtrådar som hjälper användaren genom att tillhandahålla multimodala ledtrådar för lokalisering av sluteffektorn. Men i samband med samarbetssystem mellan människa och maskin används termen virtuella fixturer ofta för att hänvisa till ett uppgiftsberoende virtuellt hjälpmedel som är överlagrat på en verklig miljö och styr användarens rörelse längs önskade riktningar samtidigt som den förhindrar rörelse i oönskade riktningar eller regioner av arbetsytan.

Virtuella fixturer kan antingen vara styrande virtuella fixturer eller virtuella fixturer för förbjudna regioner . En virtuell fixtur för förbjudna regioner skulle kunna användas till exempel i en fjärrstyrd miljö där operatören måste köra ett fordon på en avlägsen plats för att uppnå ett mål. Om det finns gropar på den avlägsna platsen som skulle vara skadlig för fordonet att hamna i förbjudna områden kan definieras vid de olika depåplatserna, vilket förhindrar operatören från att utfärda kommandon som skulle resultera i att fordonet hamnar i en sådan grop.

Exempel på en virtuell fixtur för förbjudna regioner

Sådana olagliga kommandon kan lätt skickas av en operatör på grund av till exempel förseningar i teleoperationsslingan, dålig telenärvaro eller ett antal andra orsaker.

Ett exempel på en guidande virtuell fixtur kan vara när fordonet måste följa en viss bana,

Exempel på en guidande virtuell fixtur

Operatören kan sedan kontrollera framstegen längs den föredragna riktningen medan rörelse längs den icke föredragna riktningen är begränsad.

Med både förbjudna områden och styrande virtuella fixturer kan fixturens styvhet , eller dess omvända följsamhet , justeras. Om följsamheten är hög (låg styvhet) är fixturen mjuk . Å andra sidan, när följsamheten är noll (maximal styvhet) är fixturen hård .

Styvheten hos en virtuell armatur kan vara mjuk eller hård. En hård fixtur begränsar rörelsen helt till fixturen medan en mjukare fixtur tillåter vissa avvikelser från fixturen.

Lag om virtuell fixturkontroll

Detta avsnitt beskriver hur en kontrolllag som implementerar virtuella fixturer kan härledas. Det antas att roboten är en rent kinematisk enhet med sluteffektorposition $\mathbf {p} =\left[x,y,z\right]$ och sluteffektor orientering $\mathbf {r} =\vänster[r_{\textrm {x}},r_{\textrm {y}},r_{\textrm {z} }\right]$ uttryckt i robotens basram $F_{\textrm {r}}$ . Ingångsstyrsignalen $\mathbf {u}$ till roboten antas vara en önskad sluteffektorhastighet $\mathbf {v} ={\ punkt {\mathbf {x} }}=\left[{\dot {\mathbf {p} }},{\dot {\mathbf {r} }}\right]$ . I ett telestyrt system är det ofta användbart att skala ingångshastigheten från operatören, $\mathbf {v} _{\textrm {op}}$ innan den matas till robotstyrenheten. Om inmatningen från användaren är av annan form, såsom en kraft eller position, måste den först omvandlas till en ingångshastighet, genom till exempel skalning eller differentiering.

Således skulle styrsignalen $\mathbf {u}$ beräknas från operatörens ingångshastighet $\mathbf {v} _{\textrm {op}}$ som:

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

Om $c=1$ finns det en en-till-en-mappning mellan operatören och slavroboten.

Om konstanten $c$ ersätts med en diagonal matris $\mathbf {C}$ är det möjligt att justera överensstämmelsen oberoende för olika dimensioner av ${\dot {\mathbf {x } }}$ . Att till exempel ställa in de tre första elementen på diagonalen för $\mathbf {C}$ till $c$ och alla andra element till noll skulle resultera i ett system som endast tillåter translationell rörelse och inte rotation. Detta skulle vara ett exempel på en hård virtuell fixtur som begränsar rörelsen från $\mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{6}$ till $\mathbf { p} \in \mathbb {R} ^{3}$ . Om resten av elementen på diagonalen var inställda på ett litet värde, istället för noll, skulle fixturen vara mjuk och tillåta en viss rörelse i rotationsriktningarna.

För att uttrycka mer allmänna begränsningar antag en tidsvarierande matris $\mathbf {D} (t)\in \mathbb {R} ^{6 \times n},~n\in [1..6]$ som representerar den föredragna riktningen vid tidpunkten $t$ . Så om $n=1$ är den föredragna riktningen längs en kurva i $\mathbb {R} ^{6}$ . På samma sätt $n=2$ ge föredragna riktningar som spänner över en yta. Från $\mathbf {D}$ kan två projektionsoperatorer definieras, spännvidden och kärnan för kolumnutrymmet:

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

Om $\mathbf {D}$ inte har full kolumnrankning kan spannet inte beräknas, följaktligen är det bättre att beräkna spannet genom att använda pseudo-inversen, så i praktiken beräknas spannet som:

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

där $\mathbf {D} ^{\dolk }$ anger pseudo-inversen av $\mathbf {D}$ .

Om ingångshastigheten är uppdelad i två komponenter som:

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

det är möjligt att skriva om kontrolllagen som:

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

Inför sedan en ny överensstämmelse som endast påverkar den icke-föredragna komponenten av hastighetsinmatningen och skriv den slutliga kontrolllagen som:

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