Giriş: Uzaktan Kontrol Sözlüğü
Teleoperatif sistemler insanların tehlikeli, uzak veya ulaşılamaz ortamlarda nasıl etkileşime girdiğini değiştirdi - derin deniz araştırmaları nükleer ihmal ve robotik cerrahiye yönelik.Ancak operatörün niyeti ve makinedeki eylem arasındaki boşluk, ciddi bir şekilde kontrol edici, durumsal farkındalık ve endüstriyel uygulama noktalarına sahip olmak için kalıcı bir engel olmaya devam ediyor - 0,3. Bu makale, bu boşluğu kapatmanın anahtarı olarak, sanal makinelerin ve robotların bu boşluğu kapatmanın temelleri araştırıyor.
Embodiment Design Nedir?
Embodiment tasarımı, uzaktan ortamda operatör için, anlık ve sezgisel tasarım aynaları doğal insan hareketi, algı ve geri bildirim döngüleri yaratan, bilgisayarların hareketlerine doğrudan haritalanmış ve uzaktan bilgi için uzaktan sitedeki operatörler için ses komutları geri döndürüyor - yavaş yavaş ve sezgisel olarak - dokunaklı, ses ve görüntüleniyor.
Konsept insan-bilgisayar etkileşimi ve bilişsel bilimde onlarca yıldan itibaren çalışır. Erken teleoperatörler Nükleer işleme için ustaca yönlendirilir[Döneticileri ile güç geri bildirimleri sağlanır. Modern embodiment tasarımı, kendi vücutları olduğu gibi gelişmiş hayvanları birleştirir.
Embodiment'in adı, operatörün beyni hızla adapte edildiğinde, robot kolu veya mobil platformu kendi başına bir uzatma olarak değerlendirmektedir.Bu fenomen, vücudun konum ve hareketinin iç modeli olarak bilinir.[Dönetici sistemi, bu şema ile geri bildirimlerini uyumlu olduğunda, operatörün beyinleri hızla adapte eder, robot kolu veya mobil platformunu kendi başına bir uzantısı olarak tedavi eder.
Teleoperatifte Embodiment'in temel bileşenleri
Sensör geri bildirim: Turn the Loop
Duygun geri bildirim olmadan, teleoperatif, uzaktan robottan gelen talimatları sadece bir yolcudan uzaklaştırmak gibidir.En kritik geri bildirimler kanalı, bir da Vinci robot cerrahisi kullanarak doku direncini hissederek, uygun gerginliklerle bağlayarak bağ ve kuvvetle geri yüklemelerini sağlar.
Görsel geri bildirimler, kesinlikle “embodied” olmasa da, aynı derecede hayati önem taşıyor. Stereooskopik kameralar ve kafa karıştırıcı görüntüler, operatörün baş hareketlerini oynayan bir immersive görsel sahne yaratıyor. [...]DÜcretsiz gerçeklik) aşırı uçabilir bilgi - araç hizalayıcı kılavuzları veya sensör okumaları gibi - görsel beslemeye yönlendirin, bilişsel yükü azaltır. Auditory geri bildirim, daha az yaygın olmasına rağmen operatörler, ölçüm mesafeye yardımcı olur.
2020 çalışma, uygulamadaki çoklu-öneticilerin (Ceff) doğru embodimente ulaşmada çok sayıdaki standart geri bildirimin daha düşük olduğu tespit edilen iş hatalarını, ancak görsel-yalnızca sistemlerle kıyasla % 40'tan fazla hassas bir şekilde azalttı.
Doğal Kontrol Arabileri: Joysticks'tan Exoskeletonlara
Geleneksel teleoperatif konsolları sevinç, düğmeler ve ayak pedalları kullanır - zihinsel çeviri gerektiren pratik kontroller. Embodiment design bunları ayna doğal insan hareketine alan arayüzlerle değiştirir. [...]D:0) Tasarımcının kolunu algılar, ya da parmak hareketlerini algılar ve onları doğrudan robotun ortaklarına haritalar.
Tüm vücut teleoperatifi için, [[0)exo iskeletleri[[Döneticileri 1 ) ve tam hareket yakalama takımlarını, operatörlerin yürümelerini, crouch'u ve fiziksel olarak mevcut olup olmadığının aksine, özellikle de robotların farklı yüksekliklerde eşitsiz arazi veya manipüle etmesi gerektiği gibi tehlikeli ortamlarda değerli olabilir.TheFLT:2NASA Valkyrie robotu)
Immersive Environments: VR, AR ve Öteki
Immersion, operatörün uzaktan çevrenin bir versiyonuna göre, gerçek zamanlı olarak, operatörün kafalarını hareket ettirebilmesine izin verir (örneğin, görsel dikkat ve fiziksel eylem arasında doğal bir darbe oluşturmasına izin verir).Augmented reality) Sürekli kafaları beslemeden güncellenir.
Immersive ortamlardaki önemli bir meydan okuma, 20 milisaniyenin altında gecikmeli iletişim bağlantılarını birleştirir; örneğin, kafa hareketi ve sahne güncellemesi arasındaki hafif gecikmeler hareket hastalıklarını tetikleyebilir ve embodiment sistemi ile ilgili tahmin edilebilir algoritmaları ve yüksek bant genişliği iletişim bağlantılarını birleştirir, 20 milisaniyenin altında gecikmeleri devam ettirir - endüstriyel VR deneyimlerine göre yaygın olarak kabul edilir.
Teleoperatif Tasarımdaki Faydaları
Geliştirilmiş Hassasiyet ve Dexterity
Embodiment tasarımı, operatörün iyi motor görevleri yerine getirme yeteneğini doğrudan geliştirir. Kuvvet geri bildirim, aşırı derecede kötüleştirici veya ezilmiş nesnelere zarar verir. Hareket ölçeklendirmek - büyük operatör hareketleri daha küçük bir robot hareketlerine tercüme edilir - haptik geri bildirimler cerrahın iğne güçlerini hissetmesine izin verir.Aptal.D:0) Robotiklik[Döneticileri)[Döneticileri)
Geliştirilmiş Durum Farkındalığı
Uzak ortamı, sensör verilerini yorumlamak için gerekli olan zihinsel çabayı azaltır. Operatörler robotun çevresini sezgisel bir şekilde kazanırlar: bir yüzeyin kayması olup olmadığını, bir valfin ekstra tork ihtiyacı olup olmadığını veya bir engelin daha hızlı karar verme ve daha az kazaya yol açtığını gösterir.InFLT:0underwater teleoperatif), ki bu genellikle zayıf, haptik geri bildirimler, çocuklu ve baskı sensörlerinden kaçınabilir.
Azaltılmış Bilişsel Yük
Kontroller sezgisel ve geri bildirim doğal beklentileriyle karşılaştırıldığında, operatörün beyni, eylemlerin içine komutları çevirmek için zor bir şekilde çalışmak zorunda değildir. Bu, özellikle uzun görevler veya stresli görevler sırasında önemlidir. Bilişsel yük ölçümleri (örneğin, NASA-TLX puanları) sürekli olarak embodiment tasarımının, geleneksel arayüzlere kıyasla% 20-40 oranında iş yükü azalttığını gösterir.
İnsan ve Ekipman için Artan Güvenlik
Embodiment tasarımı, operatörlerin güvenli bir mesafede kalmasını sağlar - iyi tasarlanmış patlama duvarları, yüzeyde veya başka bir ülkede bile - kesin bir kontrol sağlamak için kritiktir.Bu, kazara veya kesintiye uğrama riskini azaltır).
Challenges Facing Embodiment Design
Latency: The Persistent düşman
arayüzü ne kadar sofistike olursa olsun, ışık ve iletişim altyapısının hızı temel gecikmeler getiriyor.Sovyetler için uzun mesafeler üzerinde işbirliği yapmak gibi - Dünya'dan Ay'da bir robotu kontrol etmek gibi - 1 saniyeden 3 saniyeye kadar, robotun eylemleri ve robotun cevabının gerçekleşmesi sırasında, elektriksel bir yaklaşımın “sağlık” olarak tanımladığını gösteriyor.
Haptics'te Teknolojik Sınırlar
Mevcut haptik cihazlar insan elinin dekterite ve sensör aralığına uygun olmaktan hala uzaktır. Çoğu ticari haptik eldiven sadece birkaç ayrı titreşim kalıbı veya güç seviyesi sağlar. Yüksek sadakat haptiği karmaşık hareketleyiciler gerektirir, sık sık sık sık ve pahalı[Döneticiler)) robotik eylemciler[Döneticileri # 1,0) örneğin, daha düşük bir maliyetle paralellik mekanizması sağlar.
Özelleştirme ve Adaptabilityability
Farklı görevler ve operatörler farklı embodiment konfigürasyonları gerektirir. Bir cerrahın iyi parmak uç gücü ihtiyacı sualtı manipülatörü operatörünün brüt kol kuvvetine ihtiyacı vardır. Ayrıca, bireysel operatörler farklı oranlarda haptik geri bildirimlere uyum sağlar; bazıları yüksek kazanç fark ederken, diğerleri güçlü bir yansımayı tercih eder.
Future: Embodied Teleoperatifteki Sonraki Sınır
AI ve Shared Autonomy ile entegrasyon
Embodiment tasarımı giderek makineli zeka ile insan sezgileriyle evlenecek. Tamamen teleoperasyondan ziyade, bir robot, robotun düşük seviyeli bir kontrole sahip olması için yüksek seviyeli bir rehberlik sağlayacaktır.Bu nedenle, operatör, güçlendirici bir iletiyi daha iyi kontrol ettiğini gösteriyor.))Mevcut öğrenme[Döneticileri korumak için embodimente dayalı olarak, bir robotun bir sonraki adıma kadar hareket etmesini ve iş akışının daha hızlı bir şekilde tamamlanmasını sağlamak için bir şekilde hareket etmeyi öğrenmesini sağlayabilir.
Beyin-Bilgisayar Interfaces (BCI)
Doğrudan sinir kontrolü, embodiment'in nihai ifadesidir. non-vazif BCIs, EEG kafaları gibi, basit düşüncelerle robotları doğrudan beyinlere karşı (örneğin, “move sol) komuta etmek için kullanılmıştır, ancak bir parasal kol kontrol edilebilir bir BCI ve rapor tactile hissi ile elektriksel bir hisler için fiziksel olarak zorlaştırılabilir.
Geliştirilmiş Haptic Rendering ve Giyilebilir
Sonraki nesil haptik cihazlar daha hafif, daha rahat ve daha geniş bir hisler sunabilecektir. )Soft exoskeletonlar), kumaş ve elastik malzemelerden yapılmış olan operatörler, karmaşık bir hareket olmadan geri bildirim sağlayabilirler. GBD[Dönemli diziler için kullanımlar için kullanılan nano-havalı bilgisayarların dizilerini oluşturmak için, bu tür hataların "daha gerçekçi düğmelere veya dokulara ulaşmalarına izin verecekler.
Standartlaştırma ve Interoperability
Şu anda, embodiment tasarımı genellikle özel ve sisteme özgüdür. haptik veriler için ortak standartlar eksikliği, kontrol protokolleri ve immersion parametreleri, değiştirilebilir bileşenlerin geliştirilmesine izin verecek şekilde, bir üreticinin başka bir standardizasyon sistemi ile çalışmasına izin verecek şekilde, bir sistem üzerinde hızlı bir şekilde ve sorunsuz bir şekilde hareket edecek operatörlerin bir şekilde geçiş yapmasına izin verecek.
Sonuç: Teleoperatifin Embodied Future of Tele Cooperation
Embodiment tasarımı sadece teleoperatif sistemler için lüks değildir - hassas, güvenlik ve verimlilik seviyeleri modern uygulamalar tarafından talep edilen cerrahi robotlardan, doktorlara doku direncini hissetmelerine izin veren araçlardan daha fazla entegre hale gelir ve iletişim ağları, uzaktan dünyalarla nasıl etkileşime gireceğimize dair varsayılan ortamlara geçiş yapar.
Bugün embodiment tasarımına yatırım yapan kuruluşlar, operatör performans ve memnuniyetle hemen elde edilecek ve bir sonraki yenilikleri elde etmek için iyi bir konumda olacaklar. Araştırmacılar için, yol ileriye dönük disiplinler arası işbirliği içerir - robotları, nörobilim, insan faktörleri ve malzemeleri gerçekten operatörün vücudunun uzantısı gibi hissedilen sistemleri inşa etmek için iyi bir şekilde konumlandıracaktır.
[0]Daha fazla okuma için, IEEE Robotics ve Otomasyon Topluluğunun haptik ve teleoperatif yayınlarını görmek; en son haptik teknoloji hakkında bilgi sahibi olmak için,Haptics Teknik Komitesi).