Un dispositivo virtual es una superposición de información sensorial aumentada sobre la percepción de un usuario de un entorno real con el fin de mejorar el desempeño humano en tareas tanto directas como manipuladas de forma remota . Desarrollado a principios de la década de 1990 por Louis Rosenberg en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. (AFRL) , Virtual Fixtures fue una plataforma pionera en tecnologías de realidad virtual y realidad aumentada .
Historia
Los accesorios virtuales fueron desarrollados por primera vez por Louis Rosenberg en 1992 en USAF Armstrong Labs , lo que resultó en el primer sistema de realidad aumentada inmersiva jamás construido. [1] [2] [3] [4] [5] Debido a que los gráficos 3D eran demasiado lentos a principios de la década de 1990 para presentar una realidad aumentada fotorrealista y registrada espacialmente, Virtual Fixtures utilizó dos robots físicos reales, controlados por una exoesqueleto corporal usado por el usuario. Para crear la experiencia de inmersión para el usuario, se empleó una configuración óptica única que involucró un par de lupas binoculares alineadas para que la vista del usuario de los brazos del robot se adelantara para que pareciera registrada en la ubicación exacta de los brazos físicos reales del usuario. . [1] [6] [4] El resultado fue una experiencia inmersiva registrada espacialmente en la que el usuario movía los brazos, mientras veía los brazos del robot en el lugar donde deberían estar sus brazos. El sistema también empleó superposiciones virtuales generadas por computadora en forma de barreras físicas, campos y guías simuladas, diseñadas para ayudar al usuario mientras realiza tareas físicas reales. [7] [2]
Las pruebas de rendimiento de Fitts Law se llevaron a cabo en baterías de sujetos de prueba humanos, demostrando por primera vez que se podría lograr una mejora significativa en el desempeño humano de tareas diestras del mundo real al proporcionar superposiciones de realidad aumentada inmersiva a los usuarios. [4] [8]
Concepto
El concepto de dispositivos virtuales fue introducido por primera vez por Rosenberg (1992) [1] como una superposición de información sensorial virtual en un espacio de trabajo para mejorar el desempeño humano en tareas manipuladas de forma directa y remota. Las superposiciones sensoriales virtuales se pueden presentar como estructuras físicamente realistas, registradas en el espacio de manera que el usuario las perciba como plenamente presentes en el entorno del espacio de trabajo real. Las superposiciones sensoriales virtuales también pueden ser abstracciones que tienen propiedades que no son posibles de estructuras físicas reales. El concepto de superposiciones sensoriales es difícil de visualizar y hablar, como consecuencia se introdujo la metáfora de la instalación virtual. Para entender qué es un dispositivo virtual, a menudo se utiliza una analogía con un dispositivo físico real, como una regla. Una tarea simple, como dibujar una línea recta en una hoja de papel a mano alzada, es una tarea que la mayoría de los humanos no pueden realizar con buena precisión y alta velocidad. Sin embargo, el uso de un dispositivo simple como una regla permite que la tarea se lleve a cabo de forma rápida y con buena precisión. El uso de una regla ayuda al usuario al guiar el lápiz a lo largo de la regla reduciendo el temblor y la carga mental del usuario, aumentando así la calidad de los resultados.
Cuando Rosenberg propuso el concepto de Aparato Virtual a la Fuerza Aérea de los EE. UU. En 1991, la cirugía aumentada fue un caso de uso de ejemplo, expandiendo la idea de una regla virtual que guía un lápiz real, a un accesorio médico virtual que guía un bisturí físico real manipulado por un cirujano real. [1] El objetivo era superponer contenido virtual a la percepción directa del cirujano del espacio de trabajo real con suficiente realismo para que se percibiera como auténticas adiciones al entorno quirúrgico y, por lo tanto, mejorara la habilidad, destreza y rendimiento quirúrgicos. Un beneficio propuesto de los dispositivos médicos virtuales en comparación con el hardware real fue que, debido a que eran adiciones virtuales a la realidad ambiental, podían sumergirse parcialmente dentro de pacientes reales, proporcionando orientación y / o barreras dentro de los tejidos no expuestos. [9] [1]
La definición de dispositivos virtuales de Rosenberg [1] [6] [7] es mucho más amplia que simplemente proporcionar una guía del efector final. Por ejemplo, los dispositivos virtuales auditivos se utilizan para aumentar la conciencia del usuario al proporcionar pistas de audio que ayudan al usuario al proporcionar pistas multimodales para la localización del efector final. Rosenberg sostiene que el éxito de los dispositivos virtuales no se debe solo a que el usuario se guía por el dispositivo, sino que el usuario experimenta una mayor presencia y una mejor localización en el espacio de trabajo remoto. Sin embargo, en el contexto de los sistemas de colaboración hombre-máquina, el término dispositivos virtuales se usa a menudo para referirse a una ayuda virtual dependiente de la tarea que se superpone a un entorno real y guía el movimiento del usuario a lo largo de las direcciones deseadas mientras evita el movimiento en direcciones o regiones no deseadas. del espacio de trabajo. Este es el tipo de dispositivos virtuales que se describen en detalle en la siguiente sección de este artículo.
Los dispositivos virtuales pueden guiar dispositivos virtuales o dispositivos virtuales de regiones prohibidas . Se podría usar un accesorio virtual de regiones prohibidas, por ejemplo, en un entorno teleoperado donde el operador tiene que conducir un vehículo en un sitio remoto para lograr un objetivo. Si hay pozos en el sitio remoto que serían perjudiciales para que el vehículo cayera en regiones prohibidas, se podrían definir en las distintas ubicaciones de los pozos, evitando así que el operador emita comandos que darían como resultado que el vehículo terminara en dicho pozo.
Un operador podría enviar fácilmente estos comandos ilegales debido, por ejemplo, a retrasos en el bucle de teleoperación , mala telepresencia o una serie de otras razones.
Un ejemplo de un dispositivo virtual de guía podría ser cuando el vehículo debe seguir una determinada trayectoria,
El operador puede entonces controlar el progreso a lo largo de la dirección preferida mientras se restringe el movimiento a lo largo de la dirección no preferida .
Tanto con las regiones prohibidas como con los dispositivos virtuales de guía , se puede ajustar la rigidez , o su inverso, el cumplimiento , del dispositivo. Si el cumplimiento es alto (rigidez baja), el accesorio es blando . Por otro lado, cuando el cumplimiento es cero (rigidez máxima), la fijación es dura .
Ley de control de luminarias virtuales
Esta sección describe cómo se puede derivar una ley de control que implemente dispositivos virtuales. Se supone que el robot es un dispositivo puramente cinemático con la posición del efector final y orientación del efector final expresado en el bastidor base del robot . La señal de control de entrada al robot se supone que es la velocidad deseada del efector final . En un sistema operado a distancia, a menudo es útil escalar la velocidad de entrada del operador,antes de alimentarlo al controlador del robot. Si la entrada del usuario es de otra forma, como una fuerza o una posición, primero debe transformarse en una velocidad de entrada, por ejemplo, escalando o diferenciando.
Así, la señal de control se calcularía a partir de la velocidad de entrada del operador como:
Si existe un mapeo uno a uno entre el operador y el robot esclavo.
Si la constante se reemplaza por una matriz diagonal Es posible ajustar el cumplimiento de forma independiente para diferentes dimensiones de . Por ejemplo, colocando los primeros tres elementos en la diagonal de a y todos los demás elementos a cero resultarían en un sistema que solo permite el movimiento de traslación y no la rotación. Este sería un ejemplo de un dispositivo virtual duro que restringe el movimiento de a . Si el resto de los elementos de la diagonal se establecieran en un valor pequeño, en lugar de cero, el dispositivo sería blando, lo que permitiría cierto movimiento en las direcciones de rotación.
Para expresar restricciones más generales, suponga una matriz variable en el tiempo que representa la dirección preferida en el momento . Así que si la dirección preferida es a lo largo de una curva en . Igualmente,daría direcciones preferidas que abarcan una superficie. DeSe pueden definir dos operadores de proyección, [10] el intervalo y el núcleo del espacio de la columna:
Si no tiene un rango de columna completo, el intervalo no se puede calcular, por lo tanto, es mejor calcular el intervalo utilizando el pseudo-inverso, [10] por lo tanto, en la práctica, el intervalo se calcula como:
dónde denota el pseudo-inverso de .
Si la velocidad de entrada se divide en dos componentes como:
es posible reescribir la ley de control como:
A continuación, introduzca un nuevo cumplimiento que afecte solo al componente no preferido de la entrada de velocidad y escriba la ley de control final como:
Referencias
- ↑ a b c d e f L. B. Rosenberg (1992). "El uso de dispositivos virtuales como superposiciones de percepción para mejorar el rendimiento del operador en entornos remotos" (PDF) . Informe técnico AL-TR-0089 . Wright-Patterson AFB OH: Laboratorio Armstrong de la USAF.
- ^ a b Rosenberg, LB (1993). Luminarias virtuales: herramientas de percepción para la manipulación telerobótica . IEEE. doi : 10.1109 / vrais.1993.380795 . ISBN 0-7803-1363-1.
- ^ Rosenberg, Louis (1993). "El uso de dispositivos virtuales para mejorar la telemanipulación con retardo de tiempo". Actas de la reunión anual de invierno de ASME sobre avances en robótica, mecatrónica e interfaces hápticas . Nueva Orleans, LA. 49 : 29–36.
- ^ a b c Rosenberg, Louis (1993). "El uso de dispositivos virtuales para mejorar el rendimiento del operador en la teleoperación retardada" (PDF) . J. Dyn. Syst. Control . 49 : 29–36.
- ^ Noer, Michael (21 de septiembre de 1998). "Huellas digitales de escritorio" . Forbes . Consultado el 22 de abril de 2014 .
- ^ a b Rosenberg, L. (1993). "Luminarias virtuales como herramientas para mejorar el desempeño del operador en entornos de telepresencia". Tecnología manipuladora SPIE . 2057 : 10. Código Bibliográfico : 1993SPIE.2057 ... 10R . doi : 10.1117 / 12.164901 .
- ^ a b Rosenberg (1994). "Superposiciones hápticas virtuales mejoran el rendimiento en tareas de telepresencia". Tecnologías de Telemanipulador y Telepresencia . doi : 10.1117 / 12.197302 .
- ^ Rosenberg, Louis B. (1993). "Luminarias virtuales como herramientas para mejorar el desempeño del operador en entornos de telepresencia". Tecnología Telemanipulador y Telerobótica Espacial . 2057 : 10-21. Código Bibliográfico : 1993SPIE.2057 ... 10R . doi : 10.1117 / 12.164901 .
- ^ Rosenberg, LB (1992). "El uso de dispositivos virtuales como superposiciones perceptuales para mejorar el rendimiento del operador" Universidad de Stanford, Stanford CA, Centro de Investigación de Diseño (CDR)
- ^ a b Marayong, P .; Okamura, AM; Hager, GD (2003). Restricciones de movimiento espacial: teoría y demostraciones para la guía de robots utilizando dispositivos virtuales . IEEE. pag. 1270–1275. doi : 10.1109 / robot.2003.1241880 . ISBN 0-7803-7736-2.