Recent Advancements in Augmented Reality for Robotic Applications: A Survey

Robots are expanding from industrial applications to daily life, in areas such as medical robotics, rehabilitative robotics, social robotics, and mobile/aerial robotics systems. In recent years, augmented reality (AR) has been integrated into many robotic applications, including medical, industrial, human–robot interactions, and collaboration scenarios. In this work, AR for both medical and industrial robot applications is reviewed and summarized. For medical robot applications, we investigated the integration of AR in (1) preoperative and surgical task planning; (2) image-guided robotic surgery; (3) surgical training and simulation; and (4) telesurgery. AR for industrial scenarios is reviewed in (1) human–robot interactions and collaborations; (2) path planning and task allocation; (3) training and simulation; and (4) teleoperation control/assistance. In addition, the limitations and challenges are discussed. Overall, this article serves as a valuable resource for working in the field of AR and robotic research, offering insights into the recent state of the art and prospects for improvement

Enhancing interaction in mixed reality

With continuous technological innovation, we observe mixed reality emerging from research labs into the mainstream. The arrival of capable mixed reality devices transforms how we are entertained, consume information, and interact with computing systems, with the most recent being able to present synthesized stimuli to any of the human senses and substantially blur the boundaries between the real and virtual worlds. In order to build expressive and practical mixed reality experiences, designers, developers, and stakeholders need to understand and meet its upcoming challenges. This research contributes a novel taxonomy for categorizing mixed reality experiences and guidelines for designing mixed reality experiences. We present the results of seven studies examining the challenges and opportunities of mixed reality experiences, the impact of modalities and interaction techniques on the user experience, and how to enhance the experiences. We begin with a study determining user attitudes towards mixed reality in domestic and educational environments, followed by six research probes that each investigate an aspect of reality or virtuality. In the first, a levitating steerable projector enables us to investigate how the real world can be enhanced without instrumenting the user. We show that the presentation of in-situ instructions for navigational tasks leads to a significantly higher ability to observe and recall real-world landmarks. With the second probe, we enhance the perception of reality by superimposing information usually not visible to the human eye. In amplifying the human vision, we enable users to perceive thermal radiation visually. Further, we examine the effect of substituting physical components with non-functional tangible proxies or entirely virtual representations. With the third research probe, we explore how to enhance virtuality to enable a user to input text on a physical keyboard while being immersed in the virtual world. Our prototype tracked the user’s hands and keyboard to enable generic text input. Our analysis of text entry performance showed the importance and effect of different hand representations. We then investigate how to touch virtuality by simulating generic haptic feedback for virtual reality and show how tactile feedback through quadcopters can significantly increase the sense of presence. Our final research probe investigates the usability and input space of smartphones within mixed reality environments, pairing the user’s smartphone as an input device with a secondary physical screen. Based on our learnings from these individual research probes, we developed a novel taxonomy for categorizing mixed reality experiences and guidelines for designing mixed reality experiences. The taxonomy is based on the human sensory system and human capabilities of articulation. We showcased its versatility and set our research probes into perspective by organizing them inside the taxonomic space. The design guidelines are divided into user-centered and technology-centered. It is our hope that these will contribute to the bright future of mixed reality systems while emphasizing the new underlining interaction paradigm.Mixed Reality (vermischte Realitäten) gehen aufgrund kontinuierlicher technologischer Innovationen langsam von der reinen Forschung in den Massenmarkt über. Mit der Einführung von leistungsfähigen Mixed-Reality-Geräten verändert sich die Art und Weise, wie wir Unterhaltungsmedien und Informationen konsumieren und wie wir mit Computersystemen interagieren. Verschiedene existierende Geräte sind in der Lage, jeden der menschlichen Sinne mit synthetischen Reizen zu stimulieren. Hierdurch verschwimmt zunehmend die Grenze zwischen der realen und der virtuellen Welt. Um eindrucksstarke und praktische Mixed-Reality-Erfahrungen zu kreieren, müssen Designer und Entwicklerinnen die künftigen Herausforderungen und neuen Möglichkeiten verstehen. In dieser Dissertation präsentieren wir eine neue Taxonomie zur Kategorisierung von Mixed-Reality-Erfahrungen sowie Richtlinien für die Gestaltung von solchen. Wir stellen die Ergebnisse von sieben Studien vor, in denen die Herausforderungen und Chancen von Mixed-Reality-Erfahrungen, die Auswirkungen von Modalitäten und Interaktionstechniken auf die Benutzererfahrung und die Möglichkeiten zur Verbesserung dieser Erfahrungen untersucht werden. Wir beginnen mit einer Studie, in der die Haltung der nutzenden Person gegenüber Mixed Reality in häuslichen und Bildungsumgebungen analysiert wird. In sechs weiteren Fallstudien wird jeweils ein Aspekt der Realität oder Virtualität untersucht. In der ersten Fallstudie wird mithilfe eines schwebenden und steuerbaren Projektors untersucht, wie die Wahrnehmung der realen Welt erweitert werden kann, ohne dabei die Person mit Technologie auszustatten. Wir zeigen, dass die Darstellung von in-situ-Anweisungen für Navigationsaufgaben zu einer deutlich höheren Fähigkeit führt, Sehenswürdigkeiten der realen Welt zu beobachten und wiederzufinden. In der zweiten Fallstudie erweitern wir die Wahrnehmung der Realität durch Überlagerung von Echtzeitinformationen, die für das menschliche Auge normalerweise unsichtbar sind. Durch die Erweiterung des menschlichen Sehvermögens ermöglichen wir den Anwender:innen, Wärmestrahlung visuell wahrzunehmen. Darüber hinaus untersuchen wir, wie sich das Ersetzen von physischen Komponenten durch nicht funktionale, aber greifbare Replikate oder durch die vollständig virtuelle Darstellung auswirkt. In der dritten Fallstudie untersuchen wir, wie virtuelle Realitäten verbessert werden können, damit eine Person, die in der virtuellen Welt verweilt, Text auf einer physischen Tastatur eingeben kann. Unser Versuchsdemonstrator detektiert die Hände und die Tastatur, zeigt diese in der vermischen Realität an und ermöglicht somit die verbesserte Texteingaben. Unsere Analyse der Texteingabequalität zeigte die Wichtigkeit und Wirkung verschiedener Handdarstellungen. Anschließend untersuchen wir, wie man Virtualität berühren kann, indem wir generisches haptisches Feedback für virtuelle Realitäten simulieren. Wir zeigen, wie Quadrokopter taktiles Feedback ermöglichen und dadurch das Präsenzgefühl deutlich steigern können. Unsere letzte Fallstudie untersucht die Benutzerfreundlichkeit und den Eingaberaum von Smartphones in Mixed-Reality-Umgebungen. Hierbei wird das Smartphone der Person als Eingabegerät mit einem sekundären physischen Bildschirm verbunden, um die Ein- und Ausgabemodalitäten zu erweitern. Basierend auf unseren Erkenntnissen aus den einzelnen Fallstudien haben wir eine neuartige Taxonomie zur Kategorisierung von Mixed-Reality-Erfahrungen sowie Richtlinien für die Gestaltung von solchen entwickelt. Die Taxonomie basiert auf dem menschlichen Sinnessystem und den Artikulationsfähigkeiten. Wir stellen die vielseitige Verwendbarkeit vor und setzen unsere Fallstudien in Kontext, indem wir sie innerhalb des taxonomischen Raums einordnen. Die Gestaltungsrichtlinien sind in nutzerzentrierte und technologiezentrierte Richtlinien unterteilt. Es ist unsere Anliegen, dass diese Gestaltungsrichtlinien zu einer erfolgreichen Zukunft von Mixed-Reality-Systemen beitragen und gleichzeitig die neuen Interaktionsparadigmen hervorheben

A Utility Framework for Selecting Immersive Interactive Capability and Technology for Virtual Laboratories

There has been an increase in the use of virtual reality (VR) technology in the education community since VR is emerging as a potent educational tool that offers students with a rich source of educational material and makes learning exciting and interactive. With a rise of popularity and market expansion in VR technology in the past few years, a variety of consumer VR electronics have boosted educators and researchers’ interest in using these devices for practicing engineering and science laboratory experiments. However, little is known about how such devices may be well-suited for active learning in a laboratory environment. This research aims to address this gap by formulating a utility framework to help educators and decision-makers efficiently select a type of VR device that matches with their design and capability requirements for their virtual laboratory blueprint. Furthermore, a framework use case is demonstrated by not only surveying five types of VR devices ranging from low-immersive to full-immersive along with their capabilities (i.e., hardware specifications, cost, and availability) but also considering the interaction techniques in each VR device based on the desired laboratory task. To validate the framework, a research study is carried out to compare these five VR devices and investigate which device can provide an overall best-fit for a 3D virtual laboratory content that we implemented based on the interaction level, usability and performance effectiveness

The use of Virtual Reality in Enhancing Interdisciplinary Research and Education

Virtual Reality (VR) is increasingly being recognized for its educational potential and as an effective way to convey new knowledge to people, it supports interactive and collaborative activities. Affordable VR powered by mobile technologies is opening a new world of opportunities that can transform the ways in which we learn and engage with others. This paper reports our study regarding the application of VR in stimulating interdisciplinary communication. It investigates the promises of VR in interdisciplinary education and research. The main contributions of this study are (i) literature review of theories of learning underlying the justification of the use of VR systems in education, (ii) taxonomy of the various types and implementations of VR systems and their application in supporting education and research (iii) evaluation of educational applications of VR from a broad range of disciplines, (iv) investigation of how the learning process and learning outcomes are affected by VR systems, and (v) comparative analysis of VR and traditional methods of teaching in terms of quality of learning. This study seeks to inspire and inform interdisciplinary researchers and learners about the ways in which VR might support them and also VR software developers to push the limits of their craft.Comment: 6 Page

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

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

One view is not enough: review of and encouragement for multiple and alternative representations in 3D and immersive visualisation

The opportunities for 3D visualisations are huge. People can be immersed inside their data, interface with it in natural ways, and see it in ways that are not possible on a traditional desktop screen. Indeed, 3D visualisations, especially those that are immersed inside head-mounted displays are becoming popular. Much of this growth is driven by the availability, popularity and falling cost of head-mounted displays and other immersive technologies. However, there are also challenges. For example, data visualisation objects can be obscured, important facets missed (perhaps behind the viewer), and the interfaces may be unfamiliar. Some of these challenges are not unique to 3D immersive technologies. Indeed, developers of traditional 2D exploratory visualisation tools would use alternative views, across a multiple coordinated view (MCV) system. Coordinated view interfaces help users explore the richness of the data. For instance, an alphabetical list of people in one view shows everyone in the database, while a map view depicts where they live. Each view provides a different task or purpose. While it is possible to translate some desktop interface techniques into the 3D immersive world, it is not always clear what equivalences would be. In this paper, using several case studies, we discuss the challenges and opportunities for using multiple views in immersive visualisation. Our aim is to provide a set of concepts that will enable developers to perform critical thinking, creative thinking and push the boundaries of what is possible with 3D and immersive visualisation. In summary developers should consider how to integrate many views, techniques and presentation styles, and one view is not enough when using 3D and immersive visualisations

Expanding the usable workspace of a haptic device by placing it on a moving base

The goal of this research is to expand the reachable workspace of a haptic device when used in a projection screen virtual environment. The proposed method includes supplementing the haptic device with a redundant degree of freedom to provide motion of the base. The key research challenge is to develop controls for the mobile base that will keep the haptic end-effector in the usable haptic workspace at all times. An experimental set up consisting of an Omni haptic device and a XY motorized table was used in the development of the control algorithms. Tests were conducted which demonstrate that the force felt by the user when touching a virtual wall remains constant even when the mobile base is moving to re-center the haptic device in the usable haptic workspace

Interactivity:the missing link between virtual reality technology and drug discovery pipelines

The potential of virtual reality (VR) to contribute to drug design and development has been recognised for many years. Hardware and software developments now mean that this potential is beginning to be realised, and VR methods are being actively used in this sphere. A recent advance is to use VR not only to visualise and interact with molecular structures, but also to interact with molecular dynamics simulations of 'on the fly' (interactive molecular dynamics in VR, IMD-VR), which is useful not only for flexible docking but also to examine binding processes and conformational changes. iMD-VR has been shown to be useful for creating complexes of ligands bound to target proteins, e.g., recently applied to peptide inhibitors of the SARS-CoV-2 main protease. In this review, we use the term 'interactive VR' to refer to software where interactivity is an inherent part of the user VR experience e.g., in making structural modifications or interacting with a physically rigorous molecular dynamics (MD) simulation, as opposed to simply using VR controllers to rotate and translate the molecule for enhanced visualisation. Here, we describe these methods and their application to problems relevant to drug discovery, highlighting the possibilities that they offer in this arena. We suggest that the ease of viewing and manipulating molecular structures and dynamics, and the ability to modify structures on the fly (e.g., adding or deleting atoms) makes modern interactive VR a valuable tool to add to the armoury of drug development methods.Comment: 19 pages, 3 figure

A hybrid method for haptic feedback to support manual virtual product assembly

The purpose of this research is to develop methods to support manual virtual assembly using haptic (force) feedback in a virtual environment. The results of this research will be used in an engineering framework for assembly simulation, training, and maintenance. The key research challenge is to advance the ability of users to assemble complex, low clearance CAD parts as they exist digitally without the need to create expensive physical prototypes. The proposed method consists of a Virtual Reality (VR) system that combines voxel collision detection and boundary representation methods into a hybrid algorithm containing the necessary information for both force feedback and constraint recognition. The key to this approach will be successfully developing the data structure and logic needed to switch between collision detection and constraint recognition while maintaining a haptic refresh rate of 1000 Hz. VR is a set of unique technologies that support human-centered computer interaction. Experience with current VR systems that simulate low clearance assembly operations with haptic feedback indicate that such systems are highly desirable tools in the evaluation of preliminary designs, as well as virtual training and maintenance processes. This work will result in a novel interface for assembly methods prototyping, and an interface that will allow intuitive interaction with parts based on a powerful combination of analytical, visual and haptic tools