虛擬導具

虛擬導具（Virtual fixture）或稱為虛擬夾具或虛擬支架，是在使用者對實際環境感知的基礎上，疊加上擴增感測資訊的作法，目的是提昇人們進行任務以及遙控機器人任務下的表現。此技術是在1990年代初期由美国空军研究实验室的路易斯·羅森堡（英语：Louis B. Rosenberg）所發展。虛擬導具是虚拟现实及擴增實境的開創性平台。

歷史

 

路易斯·羅森堡的測試用虛擬導具，是第一個開發的擴增實境系統（1992年）

虛擬導具最早是由美国空军阿姆斯壯實驗室（英语：Armstrong Labs）的路易斯·羅森堡（英语：Louis B. Rosenberg）在1992年開發，是第一個架設的沉浸式（immersive）擴增實境系統^{[1][2][3][4][5][6]}。當時的三度繪圖太慢，無法繪製出複雜及空间配準（spatially-registered）的擴增實境，Virtual Fixtures用了二個實體的機器手臂，由用戶穿戴的完整上身外骨骼來控制。為了讓使用戶者有沉浸式的感受，在光學配置上有配置一對對準的雙筒放大鏡，讓使用者看機器手臂的視角類似他看自己手臂的視角^[1][7][8][9]。結果是空间配準的沉浸式體驗，使用者移動其手臂時，會看到機器手臂在他手臂應該在的位置。系統也會有電腦生成的虛擬疊加物，像是模擬的實體屏障、區域以及指引，目的是為了協助使用者處理在實際空間中的任務^[10][11]。

虛擬導具的费茨法则性能測試是在一系列人體測試物件上進行的。這是第一次證明，透過提供給使用者沉浸式的擴增實境疊加物，可以顯著提昇人類在真實世界中處理靈巧事物的能力^[12][13]

概念

 

1992年羅森堡使用的虛擬導具，提昇由遙控機器人控制進行费茨法则peg-board任務時的性能

虛擬導具的概念最早是由羅森堡在1992年所提出^[1]，是為了提昇人們在工作場合的直接任務以及遠端遙控任務的效能，所增加的虛擬感知資訊。虛擬感知資訊可以顯示成物理實體的結構上，在空間上配準，讓使用者 感知上可以將虛擬感測資訊視為是實際工作環境的一部份。虛擬感知疊加也可抽象化，具有一些實際物理結構沒有的特質。這種感知疊加的概念很難視覺化，也不容易討論，因此出現了虛擬導具（virtual fixture）的名詞。為了要說明虛擬導具，常常類比為實體世界中的尺。要徒手在紙上畫出筆直線條，對大多數的人而言很難作的又準確又快速。但是若有尺作為輔助，人們就可以快速且準確的畫出筆直線條。尺的作用是輔助繪圖者的筆，可以沿著尺畫出直線，減少繪圖者的手部抖動以及精神負荷，進而提昇結果的品質。

羅森堡對虛擬導具的定義^[1][7][10]遠比導引終端致動器的範圍要廣。例如聲音的虛擬導具可以用聲音提供有關終端致動器的位置資訊，提昇使用者的覺察能力。羅森堡認為成功的虛擬導具不只是使用者被虛擬導具引導而已，而是使用者在遠端工作環境有更像是在現場的體驗。不過，在探討人機協作系統時，常用「虛擬導具」一詞來敘述和任務相關的虛擬輔助，重疊在實體環境上，指引使用者在工作區域往預期的方式移動，並且避免使用者往不希望進入的方式移動。以下有些針對這類虛擬導具的敘述。

虛擬導具可以是「導引式虛擬導具」（guiding virtual fixtures）或「禁入區虛擬導具」（forbidden regions virtual fixtures）。例如要遙控車輛到特定位置執行任務，但是在附近區域中不能進入的坑洞，即可將包括坑洞在內的區域畫成禁入區，讓操作者不會將車輛遙控到禁入區內。

不過就算設立了禁入區，操作者的操作仍可能有誤入禁入區的情形，原因可能包括远程操作回路的時間延遲，遙控呈現（英语：telepresence）的效果不佳，或是有其他因素的影響。

導引式虛擬導具的目的是使設備往「建議方向」移動，並且限制設備往「不建議方向」的移動。

不論是「導引式虛擬導具」或「禁入區虛擬導具」，都可以調整導具的剛性（stiffness），若導具剛性越高，則導具是比較「硬」的，相反的，若導具剛性越低，則導具是比較「軟」的。

 

導具的剛性可以是硬或是軟。硬的導具會完全限制設備，只能在導具允許方向運動，而軟的導具可以允許和導具有一些偏差

參考資料

1. 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]. （原始内容于2019-11-23）. 
6. Rosenberg, Louis. Defense Technical Information Center - Virtual Fixtures (1992). （原始内容于2021-03-08）. 
7. 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. （原始内容于2019-07-10）. 
10. 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.