275 research outputs found

    Advanced teleoperation and control system for industrial robots based on augmented virtuality and haptic feedback

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    There are some industrial tasks that are still mainly performed manually by human workers due to their complexity, which is the case of surface treatment operations (such as sanding, deburring, finishing, grinding, polishing, etc.) used to repair defects. This work develops an advanced teleoperation and control system for industrial robots in order to assist the human operator to perform the mentioned tasks. On the one hand, the controlled robotic system provides strength and accuracy, holding the tool, keeping the right tool orientation and guaranteeing a smooth approach to the workpiece. On the other hand, the advanced teleoperation provides security and comfort to the user when performing the task. In particular, the proposed teleoperation uses augmented virtuality (i.e., a virtual world that includes non-modeled real-world data) and haptic feedback to provide the user an immersive virtual experience when remotely teleoperating the tool of the robot system to treat arbitrary regions of the workpiece surface. The method is illustrated with a car body surface treatment operation, although it can be easily extended to other surface treatment applications or even to other industrial tasks where the human operator may benefit from robotic assistance. The effectiveness of the proposed approach is shown with several experiments using a 6R robotic arm. Moreover, a comparison of the performance obtained manually by an expert and that obtained with the proposed method has also been conducted in order to show the suitability of the proposed approach

    Virtual Reality

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    At present, the virtual reality has impact on information organization and management and even changes design principle of information systems, which will make it adapt to application requirements. The book aims to provide a broader perspective of virtual reality on development and application. First part of the book is named as "virtual reality visualization and vision" and includes new developments in virtual reality visualization of 3D scenarios, virtual reality and vision, high fidelity immersive virtual reality included tracking, rendering and display subsystems. The second part named as "virtual reality in robot technology" brings forth applications of virtual reality in remote rehabilitation robot-based rehabilitation evaluation method and multi-legged robot adaptive walking in unstructured terrains. The third part, named as "industrial and construction applications" is about the product design, space industry, building information modeling, construction and maintenance by virtual reality, and so on. And the last part, which is named as "culture and life of human" describes applications of culture life and multimedia-technology

    Virtual reality interfaces for seamless interaction with the physical reality

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    In recent years head-mounted displays (HMDs) for virtual reality (VR) have made the transition from research to consumer product, and are increasingly used for productive purposes such as 3D modeling in the automotive industry and teleconferencing. VR allows users to create and experience real-world like models of products; and enables users to have an immersive social interaction with distant colleagues. These solutions are a promising alternative to physical prototypes and meetings, as they require less investment in time and material. VR uses our visual dominance to deliver these experiences, making users believe that they are in another reality. However, while their mind is present in VR their body is in the physical reality. From the user’s perspective, this brings considerable uncertainty to the interaction. Currently, they are forced to take off their HMD in order to, for example, see who is observing them and to understand whether their physical integrity is at risk. This disrupts their interaction in VR, leading to a loss of presence – a main quality measure for the success of VR experiences. In this thesis, I address this uncertainty by developing interfaces that enable users to stay in VR while supporting their awareness of the physical reality. They maintain this awareness without having to take off the headset – which I refer to as seamless interaction with the physical reality. The overarching research vision that guides this thesis is, therefore, to reduce this disconnect between the virtual and physical reality. My research is motivated by a preliminary exploration of user uncertainty towards using VR in co-located, public places. This exploration revealed three main foci: (a) security and privacy, (b) communication with physical collaborators, and (c) managing presence in both the physical and virtual reality. Each theme represents a section in my dissertation, in which I identify central challenges and give directions towards overcoming them as have emerged from the work presented here. First, I investigate security and privacy in co-located situations by revealing to what extent bystanders are able to observe general tasks. In this context, I explicitly investigate the security considerations of authentication mechanisms. I review how existing authentication mechanisms can be transferred to VR and present novel approaches that are more usable and secure than existing solutions from prior work. Second, to support communication between VR users and physical collaborators, I add to the field design implications for VR interactions that enable observers to choose opportune moments to interrupt HMD users. Moreover, I contribute methods for displaying interruptions in VR and discuss their effect on presence and performance. I also found that different virtual presentations of co-located collaborators have an effect on social presence, performance and trust. Third, I close my thesis by investigating methods to manage presence in both the physical and virtual realities. I propose systems and interfaces for transitioning between them that empower users to decide how much they want to be aware of the other reality. Finally, I discuss the opportunity to systematically allocate senses to these two realities: the visual one for VR and the auditory and haptic one for the physical reality. Moreover, I provide specific design guidelines on how to use these findings to alert VR users about physical borders and obstacles.In den letzten Jahren haben Head-Mounted-Displays (HMDs) für virtuelle Realität (VR) den Übergang von der Forschung zum Konsumprodukt vollzogen und werden zunehmend für produktive Zwecke, wie 3D-Modellierung in der Automobilindustrie oder Telekonferenzen, eingesetzt. VR ermöglicht es den Benutzern, schnell und kostengünstig, Prototypen zu erstellen und erlaubt eine immersive soziale Interaktion mit entfernten Kollegen. VR nutzt unsere visuelle Dominanz, um diese Erfahrungen zu vermitteln und gibt Benutzern das Gefühl sich in einer anderen Realität zu befinden. Während der Nutzer jedoch in der virtuellen Realität mental präsent ist, befindet sich der Körper weiterhin in der physischen Realität. Aus der Perspektive des Benutzers bringt dies erhebliche Unsicherheit in die Nutzung von HMDs. Aktuell sind Nutzer gezwungen, ihr HMD abzunehmen, um zu sehen, wer sie beobachtet und zu verstehen, ob ihr körperliches Wohlbefinden gefährdet ist. Dadurch wird ihre Interaktion in der VR gestört, was zu einem Verlust der Präsenz führt - ein Hauptqualitätsmaß für den Erfolg von VR-Erfahrungen. In dieser Arbeit befasse ich mich mit dieser Unsicherheit, indem ich Schnittstellen entwickle, die es den Nutzern ermöglichen, in VR zu bleiben und gleichzeitig unterstützen sie die Wahrnehmung für die physische Realität. Sie behalten diese Wahrnehmung für die physische Realität bei, ohne das Headset abnehmen zu müssen - was ich als nahtlose Interaktion mit der physischen Realität bezeichne. Daher ist eine übergeordenete Vision von meiner Forschung diese Trennung von virtueller und physicher Realität zu reduzieren. Meine Forschung basiert auf einer einleitenden Untersuchung, die sich mit der Unsicherheit der Nutzer gegenüber der Verwendung von VR an öffentlichen, geteilten Orten befasst. Im Kontext meiner Arbeit werden Räume oder Flächen, die mit anderen ortsgleichen Menschen geteilt werden, als geteilte Orte bezeichnet. Diese Untersuchung ergab drei Hauptschwerpunkte: (1) Sicherheit und Privatsphäre, (2) Kommunikation mit physischen Kollaborateuren, und (3) Umgang mit der Präsenz, sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Realität. Jedes Thema stellt einen Fokus in meiner Dissertation dar, in dem ich zentrale Herausforderungen identifiziere und Lösungsansätze vorstelle. Erstens, untersuche ich Sicherheit und Privatsphäre an öffentlichen, geteilten Orten, indem ich aufdecke, inwieweit Umstehende in der Lage sind, allgemeine Aufgaben zu beobachten. In diesem Zusammenhang untersuche ich explizit die Gestaltung von Authentifizierungsmechanismen. Ich untersuche, wie bestehende Authentifizierungsmechanismen auf VR übertragen werden können, und stelle neue Ansätze vor, die nutzbar und sicher sind. Zweitens, um die Kommunikation zwischen HMD-Nutzern und Umstehenden zu unterstützen, erweitere ich das Forschungsfeld um VR-Interaktionen, die es Beobachtern ermöglichen, günstige Momente für die Unterbrechung von HMD-Nutzern zu wählen. Darüber hinaus steuere ich Methoden zur Darstellung von Unterbrechungen in VR bei und diskutiere ihre Auswirkungen auf Präsenz und Leistung von Nutzern. Meine Arbeit brachte auch hervor, dass verschiedene virtuelle Präsentationen von ortsgleichen Kollaborateuren einen Effekt auf die soziale Präsenz, Leistung und Vertrauen haben. Drittens, schließe ich meine Dissertation mit der Untersuchung von Methoden zur Verwaltung der Präsenz, sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Realität ab. Ich schlage Systeme und Schnittstellen für den Übergang zwischen den Realitäten vor, die die Benutzer in die Lage versetzen zu entscheiden, inwieweit sie sich der anderen Realität bewusst sein wollen. Schließlich diskutiere ich die Möglichkeit, diesen beiden Realitäten systematisch Sinne zuzuordnen: die visuelle für VR und die auditive und haptische für die physische Realität. Darüber hinaus stelle ich spezifische Design-Richtlinien zur Verfügung, wie diese Erkenntnisse genutzt werden können, um VR-Anwender auf physische Grenzen und Hindernisse aufmerksam zu machen

    Development and evaluation of mixed reality-enhanced robotic systems for intuitive tele-manipulation and telemanufacturing tasks in hazardous conditions

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    In recent years, with the rapid development of space exploration, deep-sea discovery, nuclear rehabilitation and management, and robotic-assisted medical devices, there is an urgent need for humans to interactively control robotic systems to perform increasingly precise remote operations. The value of medical telerobotic applications during the recent coronavirus pandemic has also been demonstrated and will grow in the future. This thesis investigates novel approaches to the development and evaluation of a mixed reality-enhanced telerobotic platform for intuitive remote teleoperation applications in dangerous and difficult working conditions, such as contaminated sites and undersea or extreme welding scenarios. This research aims to remove human workers from the harmful working environments by equipping complex robotic systems with human intelligence and command/control via intuitive and natural human-robot- interaction, including the implementation of MR techniques to improve the user's situational awareness, depth perception, and spatial cognition, which are fundamental to effective and efficient teleoperation. The proposed robotic mobile manipulation platform consists of a UR5 industrial manipulator, 3D-printed parallel gripper, and customized mobile base, which is envisaged to be controlled by non-skilled operators who are physically separated from the robot working space through an MR-based vision/motion mapping approach. The platform development process involved CAD/CAE/CAM and rapid prototyping techniques, such as 3D printing and laser cutting. Robot Operating System (ROS) and Unity 3D are employed in the developing process to enable the embedded system to intuitively control the robotic system and ensure the implementation of immersive and natural human-robot interactive teleoperation. This research presents an integrated motion/vision retargeting scheme based on a mixed reality subspace approach for intuitive and immersive telemanipulation. An imitation-based velocity- centric motion mapping is implemented via the MR subspace to accurately track operator hand movements for robot motion control, and enables spatial velocity-based control of the robot tool center point (TCP). The proposed system allows precise manipulation of end-effector position and orientation to readily adjust the corresponding velocity of maneuvering. A mixed reality-based multi-view merging framework for immersive and intuitive telemanipulation of a complex mobile manipulator with integrated 3D/2D vision is presented. The proposed 3D immersive telerobotic schemes provide the users with depth perception through the merging of multiple 3D/2D views of the remote environment via MR subspace. The mobile manipulator platform can be effectively controlled by non-skilled operators who are physically separated from the robot working space through a velocity-based imitative motion mapping approach. Finally, this thesis presents an integrated mixed reality and haptic feedback scheme for intuitive and immersive teleoperation of robotic welding systems. By incorporating MR technology, the user is fully immersed in a virtual operating space augmented by real-time visual feedback from the robot working space. The proposed mixed reality virtual fixture integration approach implements hybrid haptic constraints to guide the operator’s hand movements following the conical guidance to effectively align the welding torch for welding and constrain the welding operation within a collision-free area. Overall, this thesis presents a complete tele-robotic application space technology using mixed reality and immersive elements to effectively translate the operator into the robot’s space in an intuitive and natural manner. The results are thus a step forward in cost-effective and computationally effective human-robot interaction research and technologies. The system presented is readily extensible to a range of potential applications beyond the robotic tele- welding and tele-manipulation tasks used to demonstrate, optimise, and prove the concepts

    Holistic Approach for Authoring Immersive and Smart Environments for the Integration in Engineering Education

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    Die vierte industrielle Revolution und der rasante technologische Fortschritt stellen die etablierten Bildungsstrukturen und traditionellen Bildungspraktiken in Frage. Besonders in der Ingenieurausbildung erfordert das lebenslange Lernen, dass man sein Wissen und seine Fähigkeiten ständig verbessern muss, um auf dem Arbeitsmarkt wettbewerbsfähig zu sein. Es besteht die Notwendigkeit eines Paradigmenwechsels in der Bildung und Ausbildung hin zu neuen Technologien wie virtueller Realität und künstlicher Intelligenz. Die Einbeziehung dieser Technologien in ein Bildungsprogramm ist jedoch nicht so einfach wie die Investition in neue Geräte oder Software. Es müssen neue Bildungsprogramme geschaffen oder alte von Grund auf umgestaltet werden. Dabei handelt es sich um komplexe und umfangreiche Prozesse, die Entscheidungsfindung, Design und Entwicklung umfassen. Diese sind mit erheblichen Herausforderungen verbunden, die die Überwindung vieler Hindernisse erfordert. Diese Arbeit stellt eine Methodologie vor, die sich mit den Herausforderungen der Nutzung von Virtueller Realität und Künstlicher Intelligenz als Schlüsseltechnologien in der Ingenieurausbildung befasst. Die Methodologie hat zum Ziel, die Hauptakteure anzuleiten, um den Lernprozess zu verbessern, sowie neuartige und effiziente Lernerfahrungen zu ermöglichen. Da jedes Bildungsprogramm einzigartig ist, folgt die Methodik einem ganzheitlichen Ansatz, um die Erstellung maßgeschneiderter Kurse oder Ausbildungen zu unterstützen. Zu diesem Zweck werden die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Aspekten berücksichtigt. Diese werden in den drei Ebenen - Bildung, Technologie und Management zusammengefasst. Die Methodik betont den Einfluss der Technologien auf die Unterrichtsgestaltung und die Managementprozesse. Sie liefert Methoden zur Entscheidungsfindung auf der Grundlage einer umfassenden pädagogischen, technologischen und wirtschaftlichen Analyse. Darüber hinaus unterstützt sie den Prozess der didaktischen Gestaltung durch eine umfassende Kategorisierung der Vor- und Nachteile immersiver Lernumgebungen und zeigt auf, welche ihrer Eigenschaften den Lernprozess verbessern können. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der systematischen Gestaltung immersiver Systeme und der effizienten Erstellung immersiver Anwendungen unter Verwendung von Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. Es werden vier Anwendungsfälle mit verschiedenen Ausbildungsprogrammen vorgestellt, um die Methodik zu validieren. Jedes Bildungsprogramm hat seine eigenen Ziele und in Kombination decken sie die Validierung aller Ebenen der Methodik ab. Die Methodik wurde iterativ mit jedem Validierungsprojekt weiterentwickelt und verbessert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methodik zuverlässig und auf viele Szenarien sowie auf die meisten Bildungsstufen und Bereiche übertragbar ist. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Methoden können Interessengruppen immersiven Technologien effektiv und effizient in ihre Unterrichtspraxis integrieren. Darüber hinaus können sie auf der Grundlage der vorgeschlagenen Ansätze Aufwand, Zeit und Kosten für die Planung, Entwicklung und Wartung der immersiven Systeme sparen. Die Technologie verlagert die Rolle des Lehrenden in eine Moderatorrolle. Außerdem bekommen die Lehrkräfte die Möglichkeit die Lernenden individuell zu unterstützen und sich auf deren kognitive Fähigkeiten höherer Ordnung zu konzentrieren. Als Hauptergebnis erhalten die Lernenden eine angemessene, qualitativ hochwertige und zeitgemäße Ausbildung, die sie qualifizierter, erfolgreicher und zufriedener macht

    Mobile Augmented Reality: User Interfaces, Frameworks, and Intelligence

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    Mobile Augmented Reality (MAR) integrates computer-generated virtual objects with physical environments for mobile devices. MAR systems enable users to interact with MAR devices, such as smartphones and head-worn wearables, and perform seamless transitions from the physical world to a mixed world with digital entities. These MAR systems support user experiences using MAR devices to provide universal access to digital content. Over the past 20 years, several MAR systems have been developed, however, the studies and design of MAR frameworks have not yet been systematically reviewed from the perspective of user-centric design. This article presents the first effort of surveying existing MAR frameworks (count: 37) and further discuss the latest studies on MAR through a top-down approach: (1) MAR applications; (2) MAR visualisation techniques adaptive to user mobility and contexts; (3) systematic evaluation of MAR frameworks, including supported platforms and corresponding features such as tracking, feature extraction, and sensing capabilities; and (4) underlying machine learning approaches supporting intelligent operations within MAR systems. Finally, we summarise the development of emerging research fields and the current state-of-the-art, and discuss the important open challenges and possible theoretical and technical directions. This survey aims to benefit both researchers and MAR system developers alike.Peer reviewe

    Virtual Heritage

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    Virtual heritage has been explained as virtual reality applied to cultural heritage, but this definition only scratches the surface of the fascinating applications, tools and challenges of this fast-changing interdisciplinary field. This book provides an accessible but concise edited coverage of the main topics, tools and issues in virtual heritage. Leading international scholars have provided chapters to explain current issues in accuracy and precision; challenges in adopting advanced animation techniques; shows how archaeological learning can be developed in Minecraft; they propose mixed reality is conceptual rather than just technical; they explore how useful Linked Open Data can be for art history; explain how accessible photogrammetry can be but also ethical and practical issues for applying at scale; provide insight into how to provide interaction in museums involving the wider public; and describe issues in evaluating virtual heritage projects not often addressed even in scholarly papers. The book will be of particular interest to students and scholars in museum studies, digital archaeology, heritage studies, architectural history and modelling, virtual environments
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