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す。 ^[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した。

Virtual Fixtures は、1992 年にルイス・ローゼンバーグによって USAFアームストロング研究所で最初に開発され、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登録された拡張現実を表現するには遅すぎたため、Virtual Fixtures では、ユーザーが装着する上半身全体の外骨格によって制御される 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、独自の光学構成が採用されました。この構成では、ロボットアームのユーザービューが前方に移動し、ユーザーの実際の物理的な腕の正確な位置に登録されているように見えます。^{[2] [7] [5]}その結果、ユーザーが腕を動かすと、腕があるべき場所にロボットアームが見えるという、空間的に登録された没入型体験が実現しました。このシステムはまた、実際の物理的なタスクを実行する際にユーザーを支援するために設計された、シミュレートされた物理的な障壁、フィールド、ガイドの形でコンピューター生成の仮想オーバーレイを採用しました。^{[8] [9] [3] [10] [11] [12]}

フィッツの法則のパフォーマンステスト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]}

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、作業スペースに仮想感覚情報をオーバーレイするものとして最初に導入されました^[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、ユーザーは実際の作業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場合もあります。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似性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、ほとんどの人間が正確かつ高速に実行することができないタスクです。ただし、定規などの単純なデバイスを使用すると、タスクを迅速かつ正確に実行できます。定規を使用すると、定規に沿ってペンを誘導できるため、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。

1991年に仮想固定具のコンセプトが米国空軍に提案されたとき、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ガイドするというアイデアから、実際の外科医が操作する実際のメスを仮想医療固定具がガイド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、それが手術環境への本物の追加として認識されるように十分なリアリティを持たせ、手術のスキル、器用さ、パフォーマンスを向上させることでした。実際のハードウェアと比較した仮想医療固定具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沈めることができ、露出していない組織内でのガイドやバリアを提供できることです。^{[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ガイダンスを提供するよりもはるかに広範です。たとえば、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キューを提供することでユーザーを支援するオーディオヒントを提供することで、ユーザーの認識を高めるために使用されます。ただし、人間と機械のコラボレーションシステムのコンテキストでは、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、ワー​​クスペースの望ましくない方向や領域での動きを防ぎながら、ユーザーの動きを望ましい方向に導く、タスク依存の仮想補助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、誘導仮想フィクスチャまたは 禁止領域仮想フィクスチャのいずれかになります。禁止領域仮想フィクスチャは、たとえば、オペレーターが目的を達成するために遠隔地で車両を運転しなければならない遠隔操作の設定で使用できます。車両が落ちると危険なピットが遠隔地にある場合は、さまざまなピットの場所で禁止領域を定義することができます。これにより、オペレーターが車両がそのようなピットに入ることになるコマンドを発行するのを防ぐことができます。^{[16] [17] [18]}

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、遠隔操作の不備、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。

ガイド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。

すると、オペレーターは、優先方向に沿った動きを制限しながら、優先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固定具の両方を使用して、固定具の剛性、またはその逆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、固定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、固定具は硬くなります。

このセクションでは、仮想フィクスチャを実装する制御法則をどのように導出するか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エンドエフェクタの方向がロボットのベースフレームで表現される、純粋に運動学的なデバイスであると想定されます。ロボットへの入力制御信号は、目的のエンドエフェクタ速度であると想定されます。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と便利なことがよくあります。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、スケーリングや微分化などによって、まず入力速度に変換する必要があります。 ${\displaystyle \mathbf {p} =\left[x,y,z\right]}$${\displaystyle \mathbf {r} =\left[r_{\textrm {x}},r_{\textrm {y}},r_{\textrm {z}}\right]}$${\displaystyle F_{\textrm {r}}}$${\displaystyle \mathbf {u} }$${\displaystyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {x} }}=\left[{\dot {\mathbf {p} }},{\dot {\mathbf {r} }}\right]}$${\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。 ${\displaystyle \mathbf {u} }$${\displaystyle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}$

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

オペレーター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。${\displaystyle c=1}$

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。たとえば、 の対角線上の最初の 3 つの要素を に設定し、他のすべての要素を 0 に設定すると、並進運動のみが許可され、回転は許可されないシステムになります。これは、 から への動きを制限するハード仮想固定具の例です。 対角線の残りの要素を 0 ではなく小さい値に設定すると、固定具はソフトになり、回転方向の動きがいくらか許可されます。 ${\displaystyle c}$${\displaystyle \mathbf {C} }$${\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}}$${\displaystyle \mathbf {C} }$${\displaystyle c}$${\displaystyle \mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{6}}$${\displaystyle \mathbf {p} \in \mathbb {R} ^{3}}$

より一般的な制約を表現するには、時刻 における優先方向を表す時間変動行列を仮定します。したがって、優先方向が 内の曲線に沿っている場合。同様に、は表面を張る優先方向を与えます。2 つの射影演算子から、 ^[19]列空間のスパンとカーネル を定義できます。${\displaystyle \mathbf {D} (t)\in \mathbb {R} ^{6\times n},~n\in [1..6]}$${\displaystyle t}$${\displaystyle n=1}$${\displaystyle \mathbb {R} ^{6}}$${\displaystyle n=2}$${\displaystyle \mathbf {D} }$

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

列のランクが完全でない場合はスパンを計算することができないため、擬似逆行列^[19]を使っ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。 ${\displaystyle \mathbf {D} }$

${\displaystyle {\textrm {Span}}(\mathbf {D} )\equiv \left[\mathbf {D} \right]=\mathbf {D} (\mathbf {D} ^{T}\mathbf {D} )^{\dagger }\mathbf {D} ^{T}}$

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

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

制御法則は次のように書き直すことができます。

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

次に、速度入力の非優先コンポーネントのみに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。

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