Neue Konzepte für Benutzerschnittstellen zum Steuern von mobilen RoboternSteuern von mobilen Robotern
Seminar: Mensch-Roboter Interaktion SS 2007Veranstalter : Prof. SchillingVeranstalter : Prof. SchillingBearbeiter : Stephan Toth
GliederungEinleitung
AllgemeinBegriffsklärungen
Hauptteil
Haptic Teleoperation of mobile Robotp pComparing the usefulness of Video and Map Information in Navigation Tasks.Time Follower‘s Vision
Zusammenfassung/Ausblick
Einleitung: AllgemeinNavigation eines Roboters
P fPerformance:KollisionenZeit
Intuitivität der Steuerung
Erlernbarkeit der Steuerung
Situational awareness (Situationsverständnis)
Präzisionä s o
Verschiedene Konzepte für Benutzerschnittstellen
BegriffsklärungVirtual Reality
die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten interaktiven virtuellen Umgebung.
Augmented Reality (Erweiterte Realität)
Mi d R litMixed Reality
Die virtuelle Realität und die Realität sind miteinander kombiniert (teilweise überlagert)(teilweise überlagert). Interaktivität in Echtzeit Reale und virtuelle Objekte stehen 3-Dimensional zueinander in BezugBezug.
Haptic Teleoperation of a p pmobile Robot : A user Study
Einleitung:
Teleoperation zur Navigation in unbekannten Gebieten.Sensorbasierte Hindernisvermeidung vor allem bei dynamischen Umgebungen oder bei hoher Geschwindigkeit. (Safe-Teleoperation)Konflikt zwischen Benutzersteuerung und Hindernisvermeidung des RobotersLösungsansatz : Force FeedbackLösungsansatz : Force-FeedbackPerformance-Verbesserung :
Genaueres Umsteuern von HindernissenGenaueres Umsteuern von HindernissenWeniger KollisionenLeichtere Erlernbarkeit der Steuerung..
Force Feedbackhaptische Rückmeldungen
Einsatzbereiche:
TelerobotikVirtual RealityVirtual RealityRobotikTraininggEntertainmentLuftfahrt …..
Kommerzielle Force FeedbackKommerzielle Force Feedback Geräte
Phantom
CyberGrasp
Autofahren-Metapher
Kraft-Berechnung
Prozess:
Kraft-BerechnungFrage: Wie werden die Kräfte am Force-Feedback-Gerät erzeugt?erzeugt?
Zwei Arten von KräftenVon der Umgebung erzeugte Kraft Kollisions-vorbeugende Kraft
Gesamtkraft
Von der Umgebung erzeugte g g gKraft
Sehr ähnlich zur „traditionellen“ Potentialfeld-Methode
UnterschiedeKeine anziehende KraftN Hi d i i l t B i h d it i b h tNur Hindernisse im relevanten Bereich werden mit einberechnet.Entscheidend : Nicht der Durchschnitt oder Summe zählt, sondern das Maximum
Kraft tritt auf ab einem Mindestabstand und ist indirekt proportional zum tatsächlichen Abstand des Hindernisses.
P oblem ti h Robote p nktfö mig modellie tProblematisch : Roboter punktförmig modelliertLösung : Hindernisse vergrößern
Genaue Berechnung
Von der Umgebung erzeugte g g gKraft
Kollisions-vorbeugende KraftBerechnet sich aus möglichen Drehwinkeln und den Abständen zu den Hindernissen vor und hinter dem Roboter.
Zwei Arten von Drehwinkeln : mit/gegen den Uhrzeigersinn.
Kollisions-vorbeugende Kraft
Kollisions-vorbeugende Kraft
Z-Komponente der Kraft indirekt proportional zu , analog.frontd reard
Kollisions-vorbeugende Kraft
Z-Komponente der Kraft ist indirekt proportional zu , .frontd reard
X-Komponente der Kraft:B h t i h l ti U t hi dBerechnet sich aus relativem Unterschied zwischen rechts möglichen und links möglichen DrehwinkelDrehwinkel.
Kollisions-vorbeugende Kraft
Beispiel für plötzlichen Kraftanstieg
Umsetzung eines haptischen g pTeleoperation Systems
Activemedia Pioneer 2 DX Roboter2-DX Roboter
SLICK LMS-200 Laser Scanner (vorne)
8 Ultraschall Sensoren (hinten)
Sony EVID-30Sony EVID-30 Kamera
Ph tPhantom
Systemarchitektur
Experiment 1: Virtuelle pUmgebung
Test : 20 Testpersonen, 3 DurchläufeTestumgebung
3 Testmodi:NF : Kein Force-Feedback EF-only : Nur von der UmgebungEF only : Nur von der Umgebung
erzeugt KraftEF&CF : Von der Umgebung erzeugte
Kraft + Kollisions-vorbeugende Kraft
Ergebnisse
Ergebnisse
ErgebnisseKollisionsanzahl
Siehe Diagramm 1 20
25
30
g
GeschwindigkeitSiehe Diagramm 2 0
5
10
15
R 1 R 2 R 3
NFEFEF&CF
g
Minimaler Abstand zum Hindernis nimmt zu
Run 1 Run 2 Run 3
0 2
0,25
0,3
0,35
0,4
NF
Kollisionsgeschwindigkeit nimmt ab
0
0,05
0,1
0,15
0,2
Run1 Run 2 Run 3
EFEF&CF
Lernkurve Siehe Skizze
Experiment 2: Reale pUmgebung
Testumgebung
3 Testmodi:NF : Kein Force-Feedback EF only : Nur von der UmgebungEF-only : Nur von der Umgebung
erzeugt KraftEF&CF : Von der Umgebung erzeugte
Kraft + Kollisions-vorbeugende Kraft
Ergebnisse
45678
NF390
440
490
NFEF
01234
Kollsionen
EFEF&CF
240
290
340
Time
EFEF&CF
ErgebnissePerformance : Bewerten Sie die Steuerung !Frage 1 : Wie sehr fühlt man die Umgebung?Frage 1 : Wie sehr fühlt man die Umgebung?Frage 2: Fühlt sich die Umgebung an wie Bilder an denen Sie waren oder eher wie Orte die Sie schon besucht haben?Frage 3 : Was war stärker das Gefühl im Labor zu sein oder in der Testumgebung?
ZusammenfassungLaut Versuchen : Steuerung fühlt sich subjektiv gesehen besser angesehen besser an.
Die Testpersonen fühlen sich enger an der echten Umgebung
f k b b dDie Informationen können besser verarbeitet werden.Performance wird verbessert.Sicherheit wird erhöhtSicherheit wird erhöht.Steuerung wird erleichtert.Am besten Force-Feedback mit den von derAm besten Force Feedback mit den von der Umgebung erzeugten Kraft und der Kollisions-vorbeugenden Kraft.
Comparing the Usefulness of Video andComparing the Usefulness of Video and Map Information
Einleitung:N l i i d Vid d/ dNormalerweise wird Video und/oder Abstandsinformation zur Navigation genutzt
Beide haben Vor- und NachteileZ.B. Video: Hohes Informationsmaß, enger Blickwinkel, g
In diesem Paper wird untersucht, wie nützlich die Video- oder Abstandsinformationen bei einem 2D oder 3D augmented-virtuality Interface sind.
Experiment : Virtuelle pUmgebung
Aufbau : Labyrinth ohne Sackgassen
AufbauDie Benutzerschnittstellen, 24 Testpersonen
2D-Interface 3D-InterfaceAnordnung: Nebeneinander Annordnung: Integriert
Ergebnisse
Ergebnisse
300
400
2D video2D id
20
25
2D video2D id
0
100
200
Zeit
2D map+video2D map3D video3D map video3D map 0
5
10
15
Ko llis io nen
2D map+video2D map3D video3D map video3D map
Map-only vs Video-only signifikant besser.
2D/3D : Map-only zu Map+Video Unterschiede sehr gering.
Si ifik t L t ti b i d B t M VidSignifikanter Lernratenanstieg bei den Benutzern von Map+Video.
3D signifikant besser als 2D
Experiment: Reale Umgebung
Aufbau
AufbauDie Benutzerschnittstellen
2D-Interface 3D-Interface
Ergebnisse
Ergebnisse
350 50
050
100150200250300
Video2D map+video2D map3D map video3D map
0
10
20
30
40Video2D map+video2D map3D map video3D map
Tendenz : Ähnlich wie bei virtueller Umgebung
Auf realer Karte haben die Video-Informationen ein stärkeren Effekt
Z eit Ko llis io nen
Auf realer Karte haben die Video Informationen ein stärkeren Effekt.
3D-Map mit integrierten Video absoluter Testsieger
ZusammenfassungVideoinformationen bringen nicht immer auf Anhieb einen positiven Effekt.einen positiven Effekt.
Signifikanter Lernratensanstieg mit Video I f tiInformation.
Optimal ist die Videoinformationen direkt in die KarteOptimal ist die Videoinformationen direkt in die Karte einzubinden.
Vermeidet konkurrierende Informationssysteme
Am besten im Test: 3D-Interface + Video
Time Follower‘s VisionKameraführung bei Teleoperationp
Egozentrische Ansicht :P bl ti h P ktiProblematisch wegen Perspektive Schwer einzuschätzen wo man ist und wie die Entfernungen sind.
Exozentrische Ansicht :Fahrzeug wird unnötig g gvergrößert.
LösungsansatzLösungsansatzVirtuelle exozentrische Ansicht
Egozentrische Ansicht :
Exozentrische Ansicht
Virtuelle exozentrische Ansicht
Architektur
BilderselektionMethode 1 : Konstante Zeitverzögerung
Methode 2 : Berechnung der Position die einen bestimmten Abstand hinter demeinen bestimmten Abstand hinter dem Fahrzeug ist.
Methode 3 : Selektiert das Bild, bei dem Position und Richtung des Fahrzeugs am h l h l l f kähnlichsten waren mittels Evaluationsfunktion
und passt den Blickwinkel an.
Experiment
Ergebnisse
Ergebnisse
ZusammenfassungAlle drei Methoden zur Bildergenerierung sind echte Alternativen zur echten exozentrischen Ansicht.Alternativen zur echten exozentrischen Ansicht.
Annähernd so gute Ergebnisse in den Tests, wie bei h ik li h i t lli t Kphysikalisch installierter Kamera.
Sehr intuitive SteuerungSehr intuitive Steuerung.
Vorteil: Fahrzeug bleibt klein und somit wendig.Keine exozentrische Kamera nötig.
FazitAlle Ansätze haben nachweislich Verbesserungen in der Steuerung gebracht.
Verbesserung der Durchschnittsgeschwindigkeit war kaum zu erkennen. Allerdings während sich die Kollisionsraten drastisch verringerten war nur ein geringer Geschwindigkeitsverlust zu erkennen.nur ein geringer Geschwindigkeitsverlust zu erkennen.
Verbesserung der Präzision in allen Ansätzen.
Kombination/Synthese der verschiedenen Ansätze.z.B. Force-Feedback und 3D-Kartierung mit integriertem Video.
In Zukunft noch viel möglich.
Tendenz : Engere Verschmelzung von VR und Realität.