HI-DWA:human influenced dynamic window approach for shared control of a telepresence robot

Abstract. This thesis introduces a shared control mechanism, which allows the user to modify the path of a telepresence robot. The robot is capable of autonomously navigating to a goal predefined by the user, but the user might still want to adjust the path, for example, to go further away from other people or robots, steer away from a wall or go closer to interesting landmarks they want to see on the way. The thesis proposes Human-Influenced Dynamic Window Approach (HI-DWA), a shared control method aimed for immersive telepresence robots based on Dynamic Window Approach (DWA). The proposed method was compared with switching between autonomous navigation and manual control in a user study (N=32), where participants controlled a simulated telepresence robot in Virtual Reality (VR) using various control methods. Results showed that the users reached their goal faster using HI-DWA controller and found it less demanding and easier to use. However, preference between the two methods was split equally. Qualitative analysis revealed that a major reason for the participants that preferred switching between the two modes was the feeling of control. The study also analyzed the effect of different input methods using the HI-DWA, joystick and gesture, on the preference and perceived workload. Even though the gesture based HI-DWA was found significantly harder and more demanding to use, it was preferred more than the proposed method using joystick, or the switching.Käyttäjävaikutteinen DWA-pohjainen etäläsnäolorobotin jaettu ohjaus. Tiivistelmä. Tämä diplomityö esittelee jaetun ohjauksen mekanismin, joka mahdollistaa käyttäjän muuttamaan etäläsnäolorobotin kulkemaa reittiä. Robotti kykenee navigoimaan käyttäjän määrittelemään määränpäähän, mutta käyttäjä saattaa haluta vaikuttaa sen kulkemaan reittiin. Esimerkiksi käyttäjä saatta haluta mennä kauemmaksi muista ihmisistä tai roboteista, kääntää kauemmaksi seinästä tai mennä lähemmäksi mielenkiintoisia kiintopisteitä, joita he haluavat nähdä reitin varrella. Diplomityö esittelee jaettuun ohjaukseen tarkoitetun HI-DWA-menetelmän, joka on suunniteltu immersiivisille etäläsnäolo roboteille ja joka pohjautuu DWA-menetelmään. Ehdotettua menetelmää verrataan menetelmää, jossa käyttäjä voi vaihdella autonomisen ja manuaalisen ohjauksen välillä. Vertailu tehtiin käyttäjäkokeessa (N=32), jossa käyttäjät ohjasivat simuloitua etäläsnäolorobottia virtuaalitodellisuudessa erilaisia ohjausmenetelmiä käyttäen. Tutkimuksen tulokset näyttivät, että käyttäjät pääsivät tavoitepaikkaansa nopeammin käyttäen HI-DWA-metodia ja kokivat sen helpommaksi käyttää ja vähemmän vaativaksi. Kuitenkin, kysymykseen "kumpaa menetelmää suosit"vastaukset jakaantuivat tasan. Kvalitatiivinen analyysi osoitti merkittävimmäksi syyksi autonomisen ja manuaalisen ohjauksen välillä vaihtelun suosioon käyttäjien kokema täysi hallinta robotin liikkeisiin. Tutkimus tutki myös erilaisten ohjausmenetelmien, ohjaussauvan sekä eleohjauksen, vaikutusta HI-DWA-menetelmää käyttäessä suosioon sekä koettuun työtaakkaan. Vaikka eleohjaus koettiin merkittävän verran hankalammaksi sekä vaativammaksi käyttää, melkein puolet käyttäjistä suosivat sitä verrattaessa ohjaussauvaan tai autonomian tason vaihteluun

Effectiveness of a Wii Balance Board as a locomotion control method for a virtual reality telepresence robot

Abstract. While virtual reality can greatly contribute to the feeling of presence when operating a telepresence robot, it can come with multiple difficulties to implement in a manner that would make the user feel comfortable. One of those tasks is choosing a locomotion control method. Traditional locomotion control methods for telepresence robot, such as joysticks, might be easy to use but are lacking in immersion. Non-traditional locomotion control methods, for example, a treadmill-type might increase the immersion but the cost of equipment is too high for many users. In this study, we wanted to explore if the Wii Balance Board could be a suitable locomotion control method for a virtual reality telepresence robot. The Wii Balance Board was thought to possibly offer a low-cost and comfortable leaning-based locomotion control method for a telepresence robot. The Wii Balance Board was compared against joysticks, which were chosen as they are one of the most common locomotion control methods in virtual reality. For the experiment, we created a simulated environment in which the subjects had to operate a virtual robot through an assigned path with various obstacles. A 3D-model of the University of Oulu was used as the virtual environment, as it was readily available and represented a possible use case environment for a telepresence robot. The experiment consisted of nine three-part runs. After each run, the subjects filled out a form related to their preferences, and performance data was collected during each run. We had planned to run experiments for 40 people, but due to the COVID-19 outbreak, we were forced to conduct tests with only two researchers instead. After analyzing the results, we conclude that the Wii Balance Board is not suitable for controlling virtual reality telepresence robots in the tested environments. The Wii Balance Board was fatiguing to use after moderate periods of time and did not offer accurate enough control to be used in scenarios other than open environments. For future studies, we suggested to explore other options for joysticks, such as a balance board which would be better-designed for leaning purposes to compensate for the fatigue caused by constant leaning.Wii Balance Boardin tehokkuus ohjausmenetelmänä virtuaalitodellisuus etäläsnärobotille. Tiivistelmä. Vaikka virtuaalitodellisuus voi huomattavasti edistää läsnäolontunnetta käyttäessä etäläsnäolorobottia, siihen voi liittyä useiden haasteiden toteuttaminen tavoilla, jotka saavat käyttäjä saadaan tuntemaan olonsa mukavaksi. Yksi näistä haasteista on liikkeenohjaustyylin valitseminen. Perinteiset liikkeenohjaustyylit etäläsnäolorobotille, kuten ohjaussauvat, voivat olla helposti käytettäviä, mutta puutteellisia immersion kannalta. Epätavanomaiset liikkeenohjaustyylit, kuten juoksumattotyyppiset, voivat lisätä immersiota, mutta laitteistojen kustannukset ovat monille käyttäjille liian suuret. Tässä tutkimuksessa halusimme selvittää, olisiko Wii Balance Board -tasapainolevy sopiva ohjausmenetelmä etäläsnäolorobotille virtuaalitodellisuudessa. Wii Balance Board voisi tarjota halvan ja mukavan nojaukseen perustuvan liikkeenohjaustyylin etäläsnäoloroboteille. Wii Balance Boardia verrattiin ohjaussauvoihin, jotka valittiin, koska ne ovat yksi yleisimmistä liikkeenohjausmenetelmistä virtuaalitodellisuudessa. Tutkimusta varten loimme simuloidun ympäristön, jossa testihenkilöt ohjasivat virtuaalista robottia annettua reittiä pitkin erinäisiä esteitä väistellen. Ympäristönä käytimme Oulun Yliopistosta luotua virtuaalista mallia, koska se oli helposti saatavilla ja kuvasi mahdollista käyttötapausta etäläsnäolorobotille. Tutkimus koostui yhdeksästä kolmiosaisesta kierroksesta. Jokaisen kierroksen jälkeen koehenkilö täytti kyselyn mieltymykseen liittyen ja kierroksilta kerättiin tietoja suorituskykyyn liittyen. Olimme suunnitelleet tutkimuksen toteutettavaksi 40 henkilöllä, mutta COVID-19 taudin puhkeamisen takia meidän oli pakko suorittaa kokeita vain kahdella tutkijalla. Tulosten analysoinnin jälkeen päättelimme, että Wii Balance Board ei ole sopiva virtuaalitodellisuus etäläsnäolorobottien ohjaamiseen testatuissa ympäristöissä. Wii Balance Board oli uuvuttava käyttää kohtalaisen pitkien ajanjaksojen jälkeen eikä se tarjonnut tarpeeksi tarkkaa ohjausta muissa, kuin avoimissa ympäristöissä. Tulevia tutkimuksia varten ehdotimme tutkia muita vaihtoehtoja ohjaussauvoille, kuten tasapainolevy, joka olisi paremmin suunniteltu nojaustarkoituksiin jatkuvan kaltevuuden aiheuttaman väsymyksen kompensoimiseksi

HI-DWA:human-influenced dynamic window approach for shared control of a telepresence robot

Abstract This paper considers the problem of enabling the user to modify the path of a telepresence robot. The robot is capable of autonomously navigating to a goal predefined by the user, but the user might still want to modify the path, for example, to go further away from other people, or to go closer to landmarks she wants to see on the way. We propose Human-Influenced Dynamic Window Approach (HI-DWA), a shared control method aimed for telepresence robots based on Dynamic Window Approach (DWA) that allows the user to influence the control input given to the robot. To verify the proposed method, we performed a user study (N=32) in Virtual Reality (VR) to compare HI-DWA with switching between autonomous navigation and manual control for controlling a simulated telepresence robot moving in a virtual environment. Results showed that users reached their goal faster using HI-DWA controller and found it easier to use. Preference between the two methods was split equally. Qualitative analysis revealed that a major reason for the participants that preferred switching between two modes was the feeling of control. We also analyzed the effect of different input methods, joystick and gesture, on the preference and perceived workload

Leaning-based control of an immersive-telepresence robot

Abstract In this paper, we present an implementation of a leaning-based control of a differential drive telepresence robot and a user study in simulation, with the goal of bringing the same functionality to a real telepresence robot. The participants used a balance board to control the robot and viewed the virtual environment through a head-mounted display. The main motivation for using a balance board as the control device stems from Virtual Reality (VR) sickness; even small movements of your own body matching the motions seen on the screen decrease the sensory conflict between vision and vestibular organs, which lies at the heart of most theories regarding the onset of VR sickness. To test the hypothesis that the balance board as a control method would be less sickening than using joysticks, we designed a user study (N=32, 15 women) in which the participants drove a simulated differential drive robot in a virtual environment with either a Nintendo Wii Balance Board or joysticks. However, our pre-registered main hypotheses were not supported; the joystick did not cause any more VR sickness on the participants than the balance board, and the board proved to be statistically significantly more difficult to use, both subjectively and objectively. Analyzing the open-ended questions revealed these results to be likely connected, meaning that the difficulty of use seemed to affect sickness; even unlimited training time before the test did not make the use as easy as the familiar joystick. Thus, making the board easier to use is a key to enable its potential; we present a few possibilities towards this goal

Unwinding rotations improves user comfort with immersive telepresence robots

Abstract We propose unwinding the rotations experienced by the user of an immersive telepresence robot to improve comfort and reduce VR sickness of the user. By immersive telepresence we refer to a situation where a 360° camera on top of a mobile robot is streaming video and audio into a head-mounted display worn by a remote user possibly far away. Thus, it enables the user to be present at the robot’s location, look around by turning the head and communicate with people near the robot. By unwinding the rotations of the camera frame, the user’s viewpoint is not changed when the robot rotates. The user can change her viewpoint only by physically rotating in her local setting; as visual rotation without the corresponding vestibular stimulation is a major source of VR sickness, physical rotation by the user is expected to reduce VR sickness. We implemented unwinding the rotations for a simulated robot traversing a virtual environment and ran a user study (N=34) comparing unwinding rotations to user’s viewpoint turning when the robot turns. Our results show that the users found unwound rotations more preferable and comfortable and that it reduced their level of VR sickness. We also present further results about the users’ path integration capabilities, viewing directions, and subjective observations of the robot’s speed and distances to simulated people and objects