ربات واقعیت افزوده تاچمی
ربات واقعیت افزوده تاچمی – ایران ترجمه – Irantarjomeh
مقالات ترجمه شده آماده گروه کامپیوتر
مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی
مقالات
قیمت
قیمت این مقاله: 38000 تومان (ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره | ۱۰۶ |
کد مقاله | COM106 |
مترجم | گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh |
نام فارسی | سیستم تاچمی: بکارگیری ربات از راه دور بر مبنای واقعیت افزوده |
نام انگلیسی | TouchMe: An Augmented Reality Based Remote Robot Manipulation |
تعداد صفحه به فارسی | ۳۶ |
تعداد صفحه به انگلیسی | ۶ |
کلمات کلیدی به فارسی | کنترل از راه دور ربات، دید شخص سوم، واقعیت افزوده، صفحه لمسی، کنترل مستقیم |
کلمات کلیدی به انگلیسی | Remote robot control, third-person view, augmentedreality, touch screen, direct manipulation |
مرجع به فارسی | دانشگاه علوم توکیو، دانشگاه توکیو، ژاپن |
مرجع به انگلیسی | Tokyo University of Science, Keio University |
کشور | ژاپن |
سیستم تاچمی: بکارگیری ربات از راه دور بر مبنای واقعیت افزوده
چکیده
کنترل از راه دور ربات بطور معمول با استفاده از جوی استیک / دسته بازی و گیم پد اعمال می گردد. با این وجود، این روش برای کاربرانی که از تجربه کافی برخوردار نیستند مشکل است چرا که بهره گیری از پارامترهای کاربردی و انجام آنها، بین کاربر از یک سو و ربات از سوی دیگر، غالبا به صورت حسی امکان پذیر نمی باشد (همانند کج کردن دسته بازی به سمت راست جهت چرخیدن ربات به چپ). جهت حل این مشکل، ما از یک رابط لمسی- محور جهت کنترل از راه دور یک ربات با بهره گیری از سیستم دید شخص ثالث استفاده نمودیم که تحت عنوان سیستم “مرا لمس کن / TouchMe” خوانده می شود. این سیستم به کاربر اجازه خواهد داد تا قابلیت کنترل هر بخش از ربات از طریق لمس مستقیم آن را داشته باشد، دقیقا همانند نوعی نگرش به دنیای اطراف با استفاده از یک دوربین که در آن ربات به عنوان فرد سوم تلقی خواهد شد. سیستم ما فراهم آورنده عملیات حسی می باشد و کاربران قادر هستند تا با استفاده از این سیستم و با حداقل آموزش آن را به کار اندازند. در این مقاله، ما اقدام به تشریح تعامل این سیستم و پیاده سازی نمونه آن خواهیم نمود. بعلاوه ما سه روش برنامه ریزی شده برای کنترل این ربات در پاسخ به تعامل کاربران را ارائه نموده و نتایج مقایسه های تجربی این روش ها را عرضه می نماییم.
کلمات کلیدی: کنترل از راه دور ربات، دید شخص سوم، واقعیت افزوده، صفحه لمسی، کنترل مستقیم.
عبارات شاخص: H.5.2 (رابط های اطلاعات و ارائه آن، رابط های کاربران- سبک های تعاملی، I.2.9 (هوش مصنوعی)، سیستم های رباتیک، رابط های اپراتور.
ربات واقعیت افزوده تاچمی
۱- مقدمه
محیط های بی شماری وجود دارند که کار در آنها برای انسان ها مشکل می باشد، همانند محیط های آبی، مناطق مرتفع، شرایط دمایی سرد و گرم و محیط هایی که به وسیله مواد سمی یا مواد رادیواکتیو آلوده شده اند. ربات های گوناگونی جهت انجام عملیات در این محیط های خطرناک به کار گرفته شده اند. بر این مبنا نوعی عملیات ربات که بصورت کاملا مستقلانه است مطلوب و مد نظر است، اما این مسئله به واسطه مشکلات شناسایی مشکل است. یکی از روش های تعدیل مشکل شناسایی، برچسب زدن به موضوعات / اشیا و استفاده از یک مدل محیطی از پیش سازماندهی شده / ساخته شده می باشد. با این وجود، چنین روش هایی برای محیط های غیر ساختاری قابل اعمال نبوده و بنابراین کنترل های انسانی مورد نیاز خواهند بود.
در این مقاله، ما تعامل مرا لمس کن و رویه های پیاده سازی نمونه خود را به بحث می گذاریم. به علاوه ما سه روش برنامه ریزی برای کنترل ربات در پاسخ به تعاملات کاربران را مطرح می نماییم. یکی از آنها حرکت ربات پس از لمس آن می باشد، دیگری حرکت ربات در طی لمس و سومی حرکت ربات در طی و پس از لمس است. ما این سه روش را در یک برآورد تجربی مورد مقایسه قرار می دهیم و نتایج را گزارش می نماییم.
ربات واقعیت افزوده تاچمی
۲- تحقیقات مرتبط
رابط های ویدیو- محور مختلفی برای کنترل ربات و ادوات مرتبط با آن وجود دارند.
Tani و همکاران تکنیک های تعامل ویدیویی را عرضه نمودند که اجازه تعامل با اشیاء یا موضوعات محیطی در یک ویدیوی زنده بر روی صفحه نمایش، از طریق نظارت به وسیله دوربین ها، را خواهد داد. آنها برای مدلسازی تصاویر ضبط شده اشیاء به وسیله دوربین ها در محیط دو بعدی و سه بعدی دو استراتژی را مورد بررسی قرار دادند. آنها سیستمی تحت عنوانHyperPlant را برای نظارت و کنترل یک نیروگاه برق، با استفاده از مدلسازی دو بعدی، پیاده نمودند. Seifried و همکاران نیز یک رابط ویدیو محور، برای کنترل ابزار آلات خانگی در پروژه CRISTAL، را توسعه دادند. در این تحقیقات، دوربین برای برداشتن یک تصویر بالا به پایین از اتاق نشیمن تنظیم گردیده و تصویر بر روی یک صفحه نمایش چند لمسی نشان داده می شود. این سیستم به کاربران مختلفی اجازه میدهد تا به صورت مشارکتی اقدام به کنترل ادوات متعدد نمایند. به علاوه ما یک ابزار را از طریق تصویر دوربین کنترل نمودیم، اما شیء کنترل شده ما یک ربات دارای درجات آزادی متعدد بوده است و بنابراین هدف ما حاصل آوردن وظایف پیچیده تر بیشتری با استفاده از آن میباشد.
ربات واقعیت افزوده تاچمی
۳- تعامل کاربر
سیستم TouchMe یک تکنیک تعاملی واقعیت افزوده برای کنترل از راه دور ربات می باشد و شمایی از این سیستم در شکل ۲ نشان داده شده است. دوربین ها اقدام به گرفتن تصویری از فضایی کاری در زمان واقعی می نمایند و تصویر مربوطه بر روی صفحه لمسی با استفاده از یک مدل CG ربات حقیقی نشان داده می شود. مدل CG در ربات قرار گرفته و به صورت نیمه شفاف (همانند یک روح) نشان داده شده است. کاربر مربوطه با لمس مدل CG اقدام به کنترل ربات می نماید. این کاربر قابلیت لمس بخشی از مدل CG را داشته، یعنی قسمتی که وی می خواهد ربات را بدان سمت حرکت دهد و از این طریق مسیر حرکت را مشخص می سازد. به طور مثال، کاربر ربات را به یک سمت هدایت نموده و سپس با کشیدن ناحیه بالایی بازو آن را به سمت شیء خاص راهنمایی می کند. چنین موردی مشابه با رویه به کار گرفته شده در مدلسازی سه بعدی و نرم افزار شناسلیی حالت چهره می باشد که در آن یک شیء سه بعدی با استفاده از عملیات کاربر بر روی یک سطح تصویر دو بعدی کنترلی می گردد. به هنگامی که کاربر اقدام به حرکت دادن مدل CG نمود، ربات نهایتا به حرکت در آمده و سیستم مربوطه نیز اقدام به جا بجایی به سمت مقصد خاص نموده و بنابراین انطباق با مدل CG حاصل می گردد.
۱-۳٫ دید شخص سوم
ما از یک دوربین دید شخص ثالث استفاده می نماییم چرا که این سیستم به کاربر اجازه درک موقعیت کل فضای کاری شامل ربات در حال کنترل، شیء ها یا موضوعات هدف و موانع را خواهد داد. یک دیدگاه متعارف استفاده از تصویر دید شخص اول می باشد که از طریق دوربین نصب شده بر روی موبایل حاصل می آید، اما ما از این مدل به واسطه مشکل جهت اجتناب از برخورد با موانع در کناره ها یا پشت ربات به هنگام چرخش یا حرکت ربات به سمت عقب، استفاده نمی نماییم. ما اکنون بحث دوربین دید شخص ثالث را مطرح می نماییم. در اینجا ما تنها اولین روش را مورد آزمایش و پیاده سازی قرار می دهیم. پیاده سازی دو روش باقیمانده در تحقیق آتی عرضه خواهد شد.
دوربین نظارتی ثابت: دوربین های نظارتی ثابت قبلا در محله های مختلف نظیر جاده ها، پارک ها، ایستگاه ها، موزه ها، کارخانجات، فروشگاه ها و خانه ها به دلایل امنیتی و ثبت اطلاعات نصب شده اند. یک دوربین نظارتی در موقعیتی بالاتر از بلندی قد انسان قرار گرفته و قابلیت ارائه یک دید چشم ـ پرنده را دارا می باشد. مزیت دوربین نظارتی آن است که یک دید متناسب و با ثبات، برای درک کل مجموعه محیطی اطراف، را به کاربر فراهم می آورد. با این حال، حرکت دوربین ثابت به واسطه مشکلات حرکت افقی، مشکلات کج شدگی و زوم دوربین مشکل می باشد و بنابراین حل مسایل انسدادی محتمل مشکل خواهد بود.
…
۲-۳٫ دسته های مجازی
دسته های مجازی در حقیقت رابط های کاربر به شمار می آیند که کاربرد مدل CG را آسان می سازند. این دسته ها جهت درک مسیر کنترل جزء نصب شده مفید می باشند. شکل ۳ نشان دهنده انواع دسته های مجازی می باشد. دسته نوع حلقه ای جهت کار با اجزای چرخشی (همانند چرخش بدنه، چرخش یک لینک بازو) به کار گرفته می شود. دسته نوع اهرمی نیز جهت بکارگیری بخش کوچکی همانند یک عمل گر نهایی استفاده می گردد. این ایده ها به طور گسترده ای در نرم افزار مدلسازی CG مورد استفاده قرار می گیرند. ما آنها را با استفاده از یک تکنیک واقعیت افزوده برای یک ربات حقیقی به کار می گیریم.
۳-۳٫ سینماتیک معکوس
ما از سینماتیک معکوس (IK) جهت تسهیل کنترل یک ربات دارای اتصال متعدد استفاده می نماییم. به هنگامی که یکی از این لینک ها به کار گرفته شوند، لینک های مرتبط نیز به صورت اتوماتیک به حرکت در می آیند. به طور مثال، به هنگامی که کاربری اقدام به کشیدن مچ بازو می نماید، بخش های آرنج و شانه (یا بدن) نیز به وسیله این سیستم به صورت اتوماتیک کنترل می شوند. بر این مبنا، ما اقدام به کنترل ساختارهای چند مفصلی سه بعدی در فضای سه بعدی بر روی یک صفحه نمایشگر دو بعدی می نماییم، و از روش IK، که در ابزارهای حالات یا ژست های عمومی، برای مدل های انسان مجازی نظیر یک ربات ژست گیرنده استفاده می شود، بهره می جوییم.
۴-۳٫ برنامه ریزی حرکت ربات
ربات تنها با توجه به یک سرعت محدودی حرکت می نماید، بنابراین مدل CG و ربات بر روی صفحه نمایشگر به طور دائمی در طی تعامل کاربران به صورت هماهنگ با یکدیگر کار نخواهند نمود. این سیستم از طریق حرکت ربات به سمت مدل CG اقدام به حل این مشکل می نماید، اما روش های متعددی جهت حاصل آوردن این مورد وجود دارد. در اینجا ما سه روش محتمل را معرفی می نماییم.
…
ربات واقعیت افزوده تاچمی
۴- سیستم پروتوتایپ / نمونه اولیه
ما اقدام به توسعه یک مدل اولیه نمودیم که در آن کاربر قابلیت کنترل یک ماشین ربات با استفاده از رابط پیشنهادی را خواهد داشت.
۱-۴٫ ربات
ما از یک دستگاه نقلیه رباتیک (MobileRobots PIONEER3-DX) استفاده نمودیم که مجهز به یک بازوی رباتیک (Neuronics Katana) می باشد. شکل ۷ نشان دهنده ربات و درجه آزادی (DOF) آن می باشد. این وسیله دارای مکانیزمی برای حرکت با استفاده از چهار چرخ می باشد. این دستگاه به کاربر اجازه چرخش و حرکت به سمت جلو و یا به سمت عقب دستگاه (۲DOF) را می دهد. بازوی رباتیک نصب شده دارای ۶DOF می باشد اما ما بخش های قابل کنترل با دست (۱DOF) را محدود نموده و همچنین اقدام به محدود سازی سه مفصل (۳DOF) نمودیم تا آنکه عملیات ساده شود. بنابراین، کل ربات دارای ۶DOF می باشد.
۲-۴٫ دید دوربین و ثبت
ما از یک دوربین وبی تجاری (Logicool QCAM-200V) به عنوان دوربین دید شخص سوم به طور ثابت در محیط کارگاهی استفاده نمودیم. تصویر این دوربین بر روی یک صفحه نمایش لمسی دسکتاپ LCD 19 اینچی به نمایش در می آید. رزولوشن تصویر ۶۰۰ × ۸۰۰ پیکسل می باشد و تعداد فریم های نمایش یافته نیز ۱۵ فریم در ثانیه است. این دوربین قابلیت پشتیبانی هر گونه حرکت های فیزیکی نظیر حرکت افقی در عرض صفحه یا بزرگنمایی را نخواهد داشت.
ربات واقعیت افزوده تاچمی
۵- مقایسه تجربی روش های زمان بندی
ما از یک مطالعه کاربر با استفاده از سیستم نمونه اولیه خود جهت تست قابلیت کاربرد کلی این سیستم و مقایسه سه روش زمان بندی، استفاده نمودیم. شکل ۸ نشان دهنده فضای کار تجربی نمایش داده شده بر روی صفحه لمسی با ربات و مدل CG می باشد. یک فضای کاری ۱۹۰ در ۲۵۰ سانتی متر مربع به وسیله دیوارهای پارتیشن جدا شده است. در این فضا، یک بطری پلاستیکی با برچسب آبی (با قطر ۷ سانتی متر، ۲۵ سانتی متر بلندی) بر روی یک قفسه به بلندی ۵۸ سانتی متر قرار گرفت و همچنین یک سطل آشغال (۳۱ ´ ۳۳ ´ ۴۲ سانتی متر مکعب) بر روی طرف متضاد قرار گرفت. دوربین نیز در سطح ۱۲۳ سانتی متری بلندی از سطح زمین یا کف استقرار یافت.
ما از ۱۲ نفر بین سنین ۲۰ الی ۲۵ سال، ۸ مرد و ۴ زن، جهت شرکت در این بررسی استفاده نمودیم. کلیه آنها دانشجویان دانشگاه بوده و از کامپیوتر در زندگی روزمره خود استفاده می نمایند. اغلب آنها دارای تجربه ای با کنترل رباتیک می باشند اما با ربات ما آشنایی ندارند. نشست های مربوطه در حدود یک ساعت طول کشید.
۱-۵٫ شرایط
ما اقدام به انجام آزمایشات خود برای سه شرط حرکت پس از لمس، حرکت به هنگام لمس و حرکت به هنگام و پس از لمس می نماییم.
ما اجازه ندادیم تا آنکه شرکت کنندگان به طور مستقیم وارد فضای کاری شده و یا آنکه به تماشای آن بپردازند، بنابراین فضای کاری به عنوان یک محیط کاملا ناشناخته برای آنها به شمار آمده بود. آنها سعی نمودند تا تنها از طریق مشاهده تصویر دوربین به راهنمایی ربات بپردازند. به هنگامی که آزمایش کاربران شروع شد، ما به شرکت کنندگان چگونگی کنترل ربات، DOF ربات و این حقیقت که چراغ قوه بر روی مچ بازوی ربات جهت راهنمایی نصب شده است را توضیح دادیم. مقایسه در چارچوب موضوعات اعمال گردید، که در آن هر شرکت کننده کلیه شرایط را مورد آزمایش قرار می دهد. هر شرکت کننده بر مبنای سه شرط مرتبط با ترتیب اقدام به انجام آزمایش نموده است. برای هر شرط، ما یک زمان آموزشی تا ۵ دقیقه قبل از انجام آزمایش را برای شرکت کنندگان در نظر گرفتیم.
۲-۵٫ نتایج
کلیه ۱۲ شرکت کننده به جز یک نفر موفق شدند تا کار خود را به اتمام رسانند. شخصی که شکست خورد بطری را در کلیه آزمایشات به زمین انداخت. جدول ۱ نشان دهنده زمان تکمیل این عملیات برای سه شرط مرتبط می باشد (تنها برای موارد موفقیت آمیز). این عملیات در تقریبا ۲ دقیقه به اتمام رسید. نتایج معرف هیچ گونه تفاوت معنی داری بین شرایط نمی باشند (by ANOVA, p=0.77)
۳-۵٫ مباحث
نتایج مقایسه معرف آن است که A به نظر از بیشترین میزان پشتیبانی در بین سه شرط برخوردار است، مخصوصا در سوال ۲، ۵ و ۶٫ ما هیچ گونه تفاوت معنی دار را بین سادگی (سوال ۱) نیافتیم. با این حال، در مصاحبه ۹ فرد از بین ۱۲ نفر پاسخ دادند که A آسانترین است و دلیل اصلی آن می باشد که آنها می توانند به راحتی و آرامش بدون هیجان و سرعت بیش از حد به راحتی اقدام به انجام عملیات نمایند. از طرف دیگر، ۹ نفر از بین ۱۲ فرد پاسخ دادند که A ممکن است بیشترین زمان را جهت تکمیل این عمل در بین سه شرط در مصاحبه داشته باشد. علیرغم، این حقیقت که زمان تکمیل این عملیات هیچ گونه تفاوت معنی داری را بین شرایط آزمایشی نشان نداده است. آنها خاطر نشان نمودند که D و DA سریعتر از A می باشد چرا که این مورد قابلیت پیگیری و کاربرد سریع مدل CG را خواهد داشت. شرط A به نظر این مشخصه را القا می نماید که چنین موردی به نظر به صورت عقلانی کافی نمی باشد چرا که حرکت ربات پس از آزاد سازی انگشت از صفحه لمسی محقق می گردد.
۴-۵٫ ملاحظات کلی
کلیه شرکت کنندگان چگونگی استفاده از دستگیره های مجازی را فرا گرفته و آنها را به طور موثر به هنگام چرخاندن ربات و در طی کار با دسته بازو مورد استفاده قرار دادند. شرکت کنندگان نقطه نظرات خود در خصوص بهره گیری از مدل CG را به شرح ذیل اعلام نمودند: «من خواستار آن هستم که یک اینترسی برای مدل CG حاصل شود چرا که این مورد سبب خواهد شد تا عملیات به صورت بهتری انجام پذیرد» «برایم مشکل بود تا بتوانم تشخیص دهم که آیا دسته توانسته است موضوع هدف را بگیرد یا خیر، بنابراین لازم است از ابزارهای بصری یا دیداری در این زمینه استفاده شود همانند رنگ دسته که باید به هنگامی که به شیء چنگ زده می شود تغییر یابد».
برای کنترل بازوی IK محور، چندین شخص نیز اظهار داشتند که این امر چندان محرز نبوده است که وضعیت تغییر شکل دسته به هنگام کار با بخش های دارای لینک چگونه است. این حقیقت نشان دهنده آن است که لازم است تا قابلیت مشخص نمودن محدوده قابل حرکت لینک های بازو به صورت بصری فراهم شود. آنها همچنین خواستار استفاده از هر دوی IK و FK (سینماتیک رو به جلو) برای کنترل بازوی رباتیک هستند.
ربات واقعیت افزوده تاچمی
۶- محدودیت ها
ما هم اکنون محدودیت های کنونی این تحقیق را مورد بحث قرار می دهیم. روش پیشنهادی نیازمند یک دوربین با دید شخص ثالث دارد و همچنین ناحیه متحرک ربات کنترل شده محدود به میدان دید دوربین است. این دوربین نیازمند آن است تا فاصله خود را به خوبی با ربات حفظ نماید تا آنکه قابلیت تصویر برداری از ربات، شامل بخش کنترل شده، را به خوبی فراهم سازد. موقعیت محتمل جایی که دوربین در آنجا گذاشته شده است به صورت فیزیکی در محیط های دنیای حقیقی محدود خواهد بود که این محدودیت ناشی از موانع و فضاهای کوچک است. در نتیجه ممکن است دید بدی حاصل شود که عملیات ربات را با مشکل مواجه می سازد. رزولوشن عملیات نیز منوط به روزلوشن صفحه نمایش می باشد و تعداد عملیات مشخص شده به وسیله یک پیکسل نیز می تواند مختلف باشد آن هم در صورتی که بخش کنترلی نزدیک یا دور از دوربین قرار گرفته باشد. جهت کنترل یک مدل CG به وسیله قدرت لامسه، بخش کنترل نیازمند مقدار مشخصی از فضای سطحی می باشد و همچنین سیستم نمایشی نیز نیازمند مقدار مشخصی از فضای فیزیکی جهت انباشته سازی مدل CG خواهد بود.
ربات واقعیت افزوده تاچمی