虚拟导具

虚拟导具（Virtual fixture）或称为虚拟夹具或虚拟支架，是在使用者对实际环境感知的基础上，叠加上扩增感测资讯的作法，目的是提升人们进行任务以及遥控机器人任务下的表现。此技术是在1990年代初期由美国空军研究实验室的路易斯·罗森堡（英语：Louis B. Rosenberg）所发展。虚拟导具是虚拟现实及扩增实境的开创性平台。

历史

 
路易斯·罗森堡的测试用虚拟导具，是第一个开发的扩增实境系统（1992年）

虚拟导具最早是由美国空军阿姆斯壮实验室（英语：Armstrong Labs）的路易斯·罗森堡（英语：Louis B. Rosenberg）在1992年开发，是第一个架设的沉浸式（immersive）扩增实境系统[1][2][3][4][5][6]。当时的三度绘图太慢，无法绘制出复杂及空间配准（spatially-registered）的扩增实境，Virtual Fixtures用了二个实体的机器手臂，由用户穿戴的完整上身外骨骼来控制。为了让使用户者有沉浸式的感受，在光学配置上有配置一对对准的双筒放大镜，让使用者看机器手臂的视角类似他看自己手臂的视角[1][7][8][9]。结果是空间配准的沉浸式体验，使用者移动其手臂时，会看到机器手臂在他手臂应该在的位置。系统也会有电脑生成的虚拟叠加物，像是模拟的实体屏障、区域以及指引，目的是为了协助使用者处理在实际空间中的任务[10][11]。

虚拟导具的费茨法则性能测试是在一系列人体测试物件上进行的。这是第一次证明，透过提供给使用者沉浸式的扩增实境叠加物，可以显著提升人类在真实世界中处理灵巧事物的能力[12][13]

概念

 
1992年罗森堡使用的虚拟导具，提升由遥控机器人控制进行费茨法则peg-board任务时的性能

虚拟导具的概念最早是由罗森堡在1992年所提出[1]，是为了提升人们在工作场合的直接任务以及远端遥控任务的效能，所增加的虚拟感知资讯。虚拟感知资讯可以显示成物理实体的结构上，在空间上配准，让使用者 感知上可以将虚拟感测资讯视为是实际工作环境的一部分。虚拟感知叠加也可抽象化，具有一些实际物理结构没有的特质。这种感知叠加的概念很难视觉化，也不容易讨论，因此出现了虚拟导具（virtual fixture）的名词。为了要说明虚拟导具，常常类比为实体世界中的尺。要徒手在纸上画出笔直线条，对大多数的人而言很难作的又准确又快速。但是若有尺作为辅助，人们就可以快速且准确的画出笔直线条。尺的作用是辅助绘图者的笔，可以沿着尺画出直线，减少绘图者的手部抖动以及精神负荷，进而提升结果的品质。

罗森堡对虚拟导具的定义[1][7][10]远比导引终端致动器的范围要广。例如声音的虚拟导具可以用声音提供有关终端致动器的位置资讯，提升使用者的觉察能力。罗森堡认为成功的虚拟导具不只是使用者被虚拟导具引导而已，而是使用者在远端工作环境有更像是在现场的体验。不过，在探讨人机协作系统时，常用“虚拟导具”一词来叙述和任务相关的虚拟辅助，重叠在实体环境上，指引使用者在工作区域往预期的方式移动，并且避免使用者往不希望进入的方式移动。以下有些针对这类虚拟导具的叙述。

虚拟导具可以是“导引式虚拟导具”（guiding virtual fixtures）或“禁入区虚拟导具”（forbidden regions virtual fixtures）。例如要遥控车辆到特定位置执行任务，但是在附近区域中不能进入的坑洞，即可将包括坑洞在内的区域画成禁入区，让操作者不会将车辆遥控到禁入区内。

不过就算设立了禁入区，操作者的操作仍可能有误入禁入区的情形，原因可能包括远程操作回路的时间延迟，遥控呈现（英语：telepresence）的效果不佳，或是有其他因素的影响。

导引式虚拟导具的目的是使设备往“建议方向”移动，并且限制设备往“不建议方向”的移动。

不论是“导引式虚拟导具”或“禁入区虚拟导具”，都可以调整导具的刚性（stiffness），若导具刚性越高，则导具是比较“硬”的，相反的，若导具刚性越低，则导具是比较“软”的。

 
导具的刚性可以是硬或是软。硬的导具会完全限制设备，只能在导具允许方向运动，而软的导具可以允许和导具有一些偏差

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 L. B. Rosenberg. The Use of Virtual Fixtures As Perceptual Overlays to Enhance Operator Performance in Remote Environments. Technical Report AL-TR-0089, USAF Armstrong Laboratory, Wright-Patterson AFB OH, 1992.
  2. ^ Rosenberg, L.B. Virtual fixtures: Perceptual tools for telerobotic manipulation. Proceedings of IEEE Virtual Reality Annual International Symposium (IEEE). 1993: 76–82 [2019-11-23]. ISBN 978-0780313637. doi:10.1109/vrais.1993.380795. （原始内容存档于2021-02-25） （美国英语）. 
  3. ^ Rosenberg, Louis. Rosenberg, L. (1993). "The use of virtual fixtures to enhance telemanipulation with time delay," in Proceedings of the ASME Winter Anual Meeting, Robotics & Telemanipulation, Vol. 49, (New Orleans, LA). 
  4. ^ Rosenberg, Louis. "The use of virtual fixtures to enhance operator performance in time delayed teleoperation,"J. Dyn. Syst. Control, vol. 49,pp. 29–36, 1993. 
  5. ^ Noer, Michael. Desktop fingerprints. 福布斯. 1998-09-21 [22 April 2014]. （原始内容存档于2019-11-23）. 
  6. ^ Rosenberg, Louis. Defense Technical Information Center - Virtual Fixtures (1992). （原始内容存档于2021-03-08）. 
  7. ^ 7.0 7.1 Rosenberg, L., "Virtual fixtures as tools to enhance operator performance in telepresence environments," SPIE Manipulator Technology, 1993.
  8. ^ Rosenberg, Louis B. The use of Virtual Fixtures to Enhance Operator Performance in Time Delayed Teleoperation (PDF). March 1993. 
  9. ^ Defense Technical Information Center - Virtual Fixtures for Time Delay. （原始内容存档于2019-07-10）. 
  10. ^ 10.0 10.1 Rosenberg, "Virtual Haptic Overlays Enhance Performance in Telepresence Tasks," Dept. of Mech. Eng., Stanford Univ., 1994.
  11. ^ Rosenberg, Louis B. Virtual fixtures: Perceptual tools for telerobotic manipulation. Virtual Reality Annual International Symposium, 1993. (Seattle, WA: IEEE). 18–22 Sep 1993: 76–82. ISBN 978-0-7803-1363-7. doi:10.1109/VRAIS.1993.380795. 
  12. ^ Rosenberg, Louis. The use of Virtual Fixtures to Enhance Operator Performance in Time Delayed Teleoperation. (PDF). March 1993. 
  13. ^ Rosenberg, Louis B. Virtual fixtures as tools to enhance operator performance in telepresence environments. Telemanipulator Technology and Space Telerobotics. 1993, 2057: 10–21. doi:10.1117/12.164901. 
  • L. B. Rosenberg. Virtual fixtures: Perceptual tools for telerobotic manipulation, In Proc. of the IEEE Annual Int. Symposium on Virtual Reality, pp. 76–82, 1993.
  • P. Marayong, M. Li, A. M. Okamura, and G. D. Hager. Spatial Motion Constraints: Theory and Demonstrations for Robot Guidance Using Virtual Fixtures, In Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 1270–1275, 2003.