仮想フィクスチャ

仮想フィクスチャは、直接操作と遠隔操作の両方のタスクにおいて人間のパフォーマンスを向上させるために、ユーザーの実際の環境の知覚に拡張された感覚情報を重ね合わせたものである。[ 1 ] 1990年代初頭に米国空軍研究所（AFRL）のルイス・ローゼンバーグによって開発された仮想フィクスチャは、仮想現実と拡張現実技術 の先駆的なプラットフォームであった。

歴史

バーチャルフィクスチャーは、1992年にルイス・ローゼンバーグ氏によって米空軍アームストロング研究所で初めて開発され、史上初の没入型拡張現実システムが誕生しました。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 1990年代初頭、3Dグラフィックスは写実的で空間的に位置合わせされた拡張現実を表現するには遅すぎたため、バーチャルフィクスチャーでは、ユーザーが装着する完全な上半身外骨格で制御する2台の実際の物理ロボットを使用しました。ユーザーに没入型体験を提供するために、ロボットアームのユーザービューがユーザーの実際の物理的な腕の正確な位置に登録されるように前方に移動されるように調整された一対の双眼拡大鏡を含む独自の光学構成が採用されました。[ 2 ] [ 7 ] [ 5 ]その結果、空間的に登録された没入型体験が実現しました。ユーザーは腕を動かすと、本来あるべき場所にロボットアームが配置されているのを確認できました。また、このシステムは、ユーザーが実際の物理的な作業を行う際に補助するために、コンピューター生成の仮想オーバーレイ（模擬的な物理的な障壁、フィールド、ガイド）も使用しました。[ 8 ] [ 9 ] [ 3 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

フィッツの法則の性能試験が人間の被験者を対象に実施され、没入型拡張現実オーバーレイをユーザーに提供することで、現実世界の器用な作業における人間のパフォーマンスを大幅に向上できることが初めて実証されました。[ 5 ] [ 13 ]

コンセプト

1992年に概念化された仮想フィクスチャ
仮想フィクスチャ: Fitt の法則ペグボード タスクの遠隔ロボット制御におけるオペレーターのパフォーマンスを向上させるために使用されます。

仮想フィクスチャの概念は、直接操作および遠隔操作されるタスクにおける人間のパフォーマンスを向上させるために、ワークスペース上に仮想的な感覚情報をオーバーレイするものとして初めて導入されました[ 2 ]。仮想感覚オーバーレイは、物理的にリアルな構造として提示され、空間に登録されるため、ユーザーは実際のワークスペース環境に完全に存在していると認識できます。仮想感覚オーバーレイは、実際の物理的構造では不可能な特性を持つ抽象化であることもできます。感覚オーバーレイの概念は視覚化して説明するのが難しいため、仮想フィクスチャのメタファーが導入されました。仮想フィクスチャが何であるかを理解するために、定規などの実際の物理的フィクスチャとの類推がよく使用されます。紙にフリーハンドで直線を引くなどの単純なタスクは、ほとんどの人間が良い精度と高速で実行することができないタスクです。しかし、定規などの単純なデバイスを使用すると、タスクを迅速かつ高い精度で実行できます。定規を使用すると、定規に沿ってペンをガイドできるため、ユーザーの震えや精神的負担が軽減され、結果の品質が向上します。

拡張現実手術に使用される仮想固定具により、手術の器用さが向上します。

1991年に米国空軍に仮想フィクスチャーのコンセプトが提案されたとき、拡張手術は使用例の1つであり、仮想定規が実際の鉛筆を誘導するというアイデアから、仮想医療用フィクスチャーが実際の外科医によって操作される実際のメスを誘導するというアイデアへと拡張されました。[ 2 ] その目的は、外科医が直接知覚する実際の作業スペースに仮想コンテンツを重ね合わせることで、それが手術環境への本物の追加として認識され、それによって手術のスキル、器用さ、パフォーマンスが向上するようにすることでした。実際のハードウェアと比較した仮想医療用フィクスチャーの利点として提案されたのは、周囲の現実への仮想的な追加であるため、実際の患者の体内に部分的に埋め込まれ、露出していない組織内でガイドやバリアを提供できるという点でした。[ 14 ] [ 2 ] [ 15 ]

仮想フィクスチャ[ 2 ] [ 7 ] [ 9 ]の定義は、単にエンドエフェクタの誘導を提供するというよりもはるかに広範です。例えば、聴覚仮想フィクスチャは、エンドエフェクタの位置を特定するためのマルチモーダルな手がかりを提供することで、ユーザの認知度を高めるために使用されます。しかし、人間と機械の協働システムの文脈では、仮想フィクスチャという用語は、実際の環境に重ねて表示され、ユーザの動きを望ましい方向に誘導しながら、望ましくない方向や作業空間の領域への動きを防ぐ、タスク依存の仮想補助装置を指すために使用されることがよくあります。

仮想フィクスチャは、誘導用仮想フィクスチャまたは 禁止領域用仮想フィクスチャのいずれかです。禁止領域用仮想フィクスチャは、例えば、遠隔操作環境で、オペレーターが遠隔地で車両を運転して目的を達成する必要がある場合に使用できます。遠隔地に、車両が陥没すると危険なピットがある場合、各ピット位置に禁止領域を定義することで、オペレーターが車両をそのようなピットに陥らせるようなコマンドを発行することを防ぐことができます。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

禁止領域の仮想フィクスチャの例

このような違法なコマンドは、たとえば遠隔操作ループの遅延、遠隔プレゼンスの悪さ、その他のさまざまな理由により、オペレーターによって簡単に送信される可能性があります。

誘導仮想フィクスチャの例としては、車両が特定の軌道をたどる必要がある場合などが挙げられます。

ガイド仮想フィクスチャの例

すると、オペレーターは、好ましくない方向に沿った動きを制限しながら、好ましい方向に沿った進行を制御できるようになります。

禁止領域とガイド仮想治具の両方を用いることで、治具の剛性（またはその逆数であるコンプライアンス）を調整できます。コンプライアンスが高い（剛性が低い）場合、治具は柔らかくなります。一方、コンプライアンスがゼロ（剛性が最大）の場合、治具は硬くなります。

仮想フィクスチャの剛性は、ソフトまたはハードに設定できます。ハードフィクスチャは動きをフィクスチャに完全に拘束しますが、ソフトフィクスチャはフィクスチャからの多少の偏差を許容します。

仮想器具制御法

このセクションでは、仮想フィクスチャを実装する制御則の導出方法について説明します。ロボットは、エンドエフェクタの位置と方向がロボットのベースフレームで表される純粋に運動学的なデバイスであると仮定します。ロボットへの入力制御信号は、望ましいエンドエフェクタ速度であると仮定します。遠隔操作システムでは、オペレータからの入力速度をロボットコントローラに送る前にスケーリングすることがしばしば有用です。ユーザからの入力が力や位置などの別の形式である場合は、まずスケーリングや微分化などによって入力速度に変換する必要があります。 p＝[×、y、z]{\displaystyle \mathbf {p} =\left[x,y,z\right]}r＝[r×、ry、rz]{\displaystyle \mathbf {r} =\left[r_{\textrm {x}},r_{\textrm {y}},r_{\textrm {z}}\right]}Fr{\displaystyle F_{\textrm {r}}}あなた{\displaystyle \mathbf {u} }v＝×˙＝[p˙、r˙]{\displaystyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {x} }}=\left[{\dot {\mathbf {p} }},{\dot {\mathbf {r} }}\right]}vop{\displaystyle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}

したがって、制御信号はオペレータの入力速度から次のように計算されます。 あなた{\displaystyle \mathbf {u} }vop{\displaystyle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}

あなた＝c⋅vop{\displaystyle \mathbf {u} =c\cdot \mathbf {v} _{\textrm {op}}

オペレータとスレーブロボットの間に 1 対 1 のマッピングが存在する 場合。c＝1{\displaystyle c=1}

定数を対角行列に置き換えると、の異なる次元に対してコンプライアンスを個別に調整できます。例えば、 の対角線上の最初の3つの要素を から に設定し、その他のすべての要素をゼロに設定すると、並進運動のみが許可され、回転運動は許可されないシステムになります。これは、 からへ の運動を拘束するハード仮想固定具の例です。対角線の残りの要素をゼロではなく小さな値に設定すると、固定具はソフトになり、回転方向への運動がいくらか許可されます。 c{\displaystyle c}C{\displaystyle \mathbf {C} }×˙{\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}}C{\displaystyle \mathbf {C} }c{\displaystyle c}×∈R6{\displaystyle \mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{6}}p∈R3{\displaystyle \mathbf {p} \in \mathbb {R} ^{3}}

より一般的な制約を表現するために、時刻 における優先方向を表す時間変動行列を仮定する。したがって、優先方向が における曲線に沿っている場合、同様に、は曲面を張る優先方向を与える。2つの射影演算子[ 19 ]から、列空間のスパンとカーネルを 定義することができる。D（t）∈R6×n、 n∈[1..6]{\displaystyle \mathbf {D} (t)\in \mathbb {R} ^{6\times n},~n\in [1..6]}t{\displaystyle t}n＝1{\displaystyle n=1}R6{\displaystyle \mathbb {R} ^{6}}n＝2{\displaystyle n=2}D{\displaystyle \mathbf {D} }

スパン（D）≡[D]＝D（DTD）−1DTカーネル（D）≡⟨D⟩＝私−[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 {カーネル}}(\mathbf {D} )&\equiv \langle \mathbf {D} \rangle =\mathbf {I} -\left[\mathbf {D} \right]\end{aligned}}}

が完全な列ランクを持たない場合、スパンを計算することはできない。したがって、擬似逆行列[ 19 ]を使用してスパンを計算する方がよい。したがって、実際にはスパンは次のように計算される。 D{\displaystyle \mathbf {D} }

スパン（D）≡[D]＝D（DTD）†DT{\displaystyle {\textrm {Span}}(\mathbf {D} )\equiv \left[\mathbf {D} \right]=\mathbf {D} (\mathbf {D} ^{T}\mathbf {D} )^{\dagger }\mathbf {D} ^{T}}

ここで はの擬似逆を表します。 D†{\displaystyle \mathbf {D} ^{\dagger}}D{\displaystyle \mathbf {D} }

入力速度が次のように 2 つの要素に分割される場合: 

vD≡[D]vop～そして～vτ≡vop−vD＝⟨D⟩vop{\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}}}

制御法則は次のように書き直すことができる。 

v＝c⋅vop＝c（vD+vτ）{\displaystyle \mathbf {v} =c\cdot \mathbf {v} _{\textrm {op}}=c\left(\mathbf {v} _{\textrm {D}}+\mathbf {v} _{\tau }\right)}

次に、速度入力の非優先コンポーネントにのみ影響する新しいコンプライアンスを導入し、最終的な制御法則を次のように記述します。 

v＝c（vD+cτ⋅vτ）＝c（[D]+cτ⟨D⟩）vop{\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}}}

参考文献

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