가상 설비

Virtual fixture

가상 픽스쳐는 사용자의 실제 환경에 대한 인식에 증강된 감각 정보를 오버레이하여 직접 및 원격으로 조작되는 작업 모두에서 인간의 성능을 향상시킵니다.1990년대 초 미국 공군연구연구소(AFRL)의 루이스 로젠버그가 개발한 Virtual Facances는 가상현실증강현실 기술의 선구적인 플랫폼이었습니다.

역사

버추얼 픽스쳐스는 1992년 루이스 로젠버그에 의해 USAF 암스트롱 연구소에서 처음 개발되었으며,[1][2][3][4][5] 그 결과 사상 최초로 몰입형 증강현실 시스템이 구축되었습니다.1990년대 초반에는 3D 그래픽이 너무 느려서 사실적이고 공간적으로 등록된 증강 현실을 나타내기 어려웠기 때문에 Virtual Fixions는 사용자가 착용한 완전한 상반신 외골격으로 제어하는 두 개의 실제 물리적 로봇을 사용했습니다.사용자에게 몰입감을 주기 위해 사용자의 실제 물리적 [1][6][4]팔의 정확한 위치에 등록된 것처럼 보이도록 로봇 팔을 앞으로 향하도록 정렬된 쌍안경 돋보기 쌍이 포함된 고유한 광학 구성이 사용되었습니다.그 결과 사용자는 자신의 팔이 있어야 할 위치에 있는 로봇 팔을 보면서 팔을 움직이는 공간 등록 몰입형 체험을 할 수 있었다.또한 실제 물리적 [7][8][2][9][10][11]작업을 수행할 때 사용자를 지원할 수 있도록 설계된 시뮬레이션된 물리적 장벽, 필드 및 가이드 형태의 컴퓨터 생성 가상 오버레이를 사용했습니다.

Fitts Law 성능 테스트는 인간 테스트 피험자의 배터리에 대해 처음으로 실시되었으며,[4][12] 사용자에게 몰입형 증강 현실 오버레이를 제공함으로써 실제 능숙한 작업의 인간 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증했다.

개념.

Virtual Fixtures, as conceptualized in 1992 system
가상 설비:Fitt's Law Peg-board 작업의 원격 제어에서 작업자 성능을 향상시키는 데 사용됩니다.

가상 고정 장치의 개념은 직접 및 원격 조작 작업에서 인간의 성능을 개선하기 위해 작업 공간에 가상 감각 정보를 오버레이하는 것으로 처음 도입되었습니다.가상 감각 오버레이는 사용자가 실제 작업 공간 환경에 완전히 존재하는 것으로 인식하도록 공간에 등록된 물리적으로 현실적인 구조로 표시될 수 있습니다.가상 감각 오버레이는 실제 물리적 구조에서 불가능한 특성을 가진 추상화일 수도 있습니다.감각 오버레이의 개념은 시각화하고 설명하기가 어려우며, 그 결과 가상 고정 장치의 은유가 도입되었다.가상 고정 장치가 무엇인지 이해하기 위해 눈금자와 같은 실제 물리적 고정 장치와 유사합니다.종이 한 장에 직선을 그리는 것과 같은 간단한 작업은 대부분의 사람들이 정확하고 빠르게 수행할 수 없는 작업이다.그러나 자 같은 간단한 장치를 사용하면 작업을 빠르고 정확하게 수행할 수 있습니다.자를 사용하면 펜을 자를 따라 안내하여 사용자의 떨림과 정신적 부하를 줄여줌으로써 결과의 품질을 높일 수 있습니다.

증강 현실 수술에 사용되는 Virtual Fixits(가상 고정 장치)를 사용하면 수술의 손재주가 향상됩니다.

버추얼 픽스쳐 개념이 1991년 미 공군에 제안되었을 때 증강수술은 실제 연필을 안내하는 가상 눈금자에서 실제 [1]의사가 조작하는 실제 물리적 메스를 안내하는 가상 의료 픽스쳐로 아이디어를 확장한 하나의 사례였습니다.목적은 실제 작업 공간에 대한 외과의사의 직접 인식에 가상 컨텐츠를 중첩하여 수술 환경에 대한 진정한 추가 정보로 인식하여 수술 기술, 손재주 및 성능을 향상시키는 것이었다.실제 하드웨어와 비교하여 가상 의료 기구의 제안된 장점은 가상 의료 기구가 주변 현실에 가상으로 추가되었기 때문에 실제 환자 내에 부분적으로 잠길 수 있고 노출되지 않은 [13][1][14]조직 내에 지침 및/또는 장벽을 제공할 수 있다는 것이다.

가상 설비의 정의는 단순히 엔드 이펙터에 대한 지침을 제공하는 것보다 훨씬 광범위합니다.예를 들어 청각 가상기구는 엔드 이펙터의 위치 파악을 위한 다중 모드 신호를 제공함으로써 사용자에게 도움이 되는 오디오 단서를 제공함으로써 사용자의 인식을 높이기 위해 사용됩니다.그러나 인간-기계 협업 시스템의 맥락에서 가상 설비라는 용어는 실제 환경에 중첩되어 작업 공간의 원치 않는 방향 또는 영역에서의 움직임을 방지하면서 원하는 방향으로 사용자의 움직임을 안내하는 작업에 의존하는 가상 보조 장치를 가리키는 데 자주 사용됩니다.

가상 설비는 가상 설비를 안내하거나 금지된 지역의 가상 설비를 안내할 수 있습니다.예를 들어 작업자가 목적을 달성하기 위해 원격지에서 차량을 운전해야 하는 원격 작동 환경에서 금지된 영역 가상 고정장치를 사용할 수 있다.원격 사이트에 차량이 금지 구역에 들어가는 데 유해한 피트가 있는 경우 다양한 피트 위치에 정의하여 작업자가 이러한 [15][16][17]피트에 도달하는 결과를 초래하는 명령을 내리는 것을 방지할 수 있습니다.

금지된 영역 가상 고정 장치의 예

이러한 부정한 명령어는, 예를 들면, 텔레 오퍼레이션루프의 지연, 텔레프레젠스 불량, 그 외의 많은 이유로 오퍼레이터에 의해서 간단하게 송신될 수 있습니다.

유도 가상 설비의 예로는 차량이 특정 궤적을 따라야 하는 경우를 들 수 있다.

가상 설비를 안내하는 예

그러면 작업자는 선호 방향을 따라 진행 상황을 제어할 수 있으며 비선호 방향을 따라 이동하는 것은 제한됩니다.

금지된 영역과 안내 가상 고정 장치 모두에서 고정 장치의 강성 또는역순응성을 조정할 수 있습니다.준수도가 높으면(낮은 강성) 고정 장치가 부드럽습니다.반면, 준수가 0(최대 강성)인 경우 고정 장치는 딱딱합니다.

가상 설비의 강성은 부드러울 수도 있고 딱딱할 수도 있습니다.하드 픽스쳐는 픽스쳐에 대한 모션을 완전히 구속하는 반면, 소프트 픽스쳐는 픽스쳐에서 이탈할 수 있습니다.

버추얼 픽스쳐 제어의 법칙

이 섹션에서는 가상 설비를 구현하는 제어법을 도출하는 방법에 대해 설명합니다.로봇이 최종 위치 [ , , { } = , , z \right] } 및 최종 [ , , z { \}인 순수 장치라고 가정합니다.F r {\ {r을(를) 선택합니다.로봇에 대한 입력 제어 u(\ 원하는 종단 속도 x [p, r}} )인 것으로 가정합니다.로봇 컨트롤러에 입력 속도를 공급하기 전에 오퍼레이터 v { {의 입력 속도를 확인합니다.사용자로부터의 입력이 힘이나 위치와 같은 다른 형태일 경우, 먼저 스케일링이나 미분 등의 입력 속도로 변환되어야 합니다.

따라서 u(\\{ 오퍼레이터의 vop {\ \ { {op에서 다음과 같이 계산됩니다.

 

c ({1) 오퍼레이터와 슬레이브 로봇 사이에 일대일 매핑이 존재합니다.

c(\ c C(\ 치환하면 x 치수(\에 대해 독립적으로 적합성을 조정할 수 있습니다. 예를 들어 C(\의 대각행렬의 첫 번째 세 가지 요소를 설정합니다.에서c {\ c까지 및 기타 모든 요소를 0으로 설정하면 시스템은 회전하지 않고 변환 동작만 허용합니다.이는 x R \ \^{ \ \ \ {^{ 움직임을 제한하는 하드 가상 픽스쳐의 예입니다.대각선상의 나머지 요소가 0으로 설정되어 있는 경우,회전 방향의 움직임을 가능하게 합니다.

보다 일반적인 제약조건을 표현하기 위해 ( ) R 6 × n [ 1 . ]{ displaystyle \ { } ( ) \\ { { \ n } ~n [ . 시각 t의 우선 방향을 나타냅니다.따라서 n 1)인 경우 선호되는 은 R 6스타일 \^{6곡선을 따릅니다. 로 n n= 선호되는 방향을 제공합니다.{\에서 두 개의 투영 연산자, 즉 열 공간의 스팬과 커널을 [18]정의할 수 있습니다.

 

D \{ 열 순위가 완전하지 스팬을 계산할 수 없으므로 의사 [18]역행을 사용하여 스팬을 계산하는 것이 좋습니다. 따라서 실제로 스팬은 다음과 같이 계산됩니다.

 

서 D \{D} ^{\ D{\의 유사 역수를 나타냅니다

입력 속도가 다음과 같이 두 개의 구성요소로 분할되는 경우:

 

다음과 같이 제어법을 다시 작성할 수 있습니다.

 

다음으로 속도 입력의 비선호 구성요소에만 영향을 미치는 새로운 컴플라이언스를 소개하고 최종 제어 법칙을 다음과 같이 작성한다.

 

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f L. B. Rosenberg (1992). "The Use of Virtual Fixtures As Perceptual Overlays to Enhance Operator Performance in Remote Environments" (PDF). Technical Report AL-TR-0089. Wright-Patterson AFB OH: USAF Armstrong Laboratory. Archived (PDF) from the original on July 10, 2019.
  2. ^ a b Rosenberg, L.B. (1993). Virtual fixtures: Perceptual tools for telerobotic manipulation. IEEE. doi:10.1109/vrais.1993.380795. ISBN 0-7803-1363-1.
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  18. ^ a b Marayong, P.; Okamura, A.M.; Hager, G.D. (2003). Spatial motion constraints: theory and demonstrations for robot guidance using virtual fixtures. IEEE. pp. 1270–1275. doi:10.1109/robot.2003.1241880. ISBN 0-7803-7736-2.