Mixed-Reality for Enhanced Robot Teleoperation

Mixed-Reality zur verbesserten Fernbedienung von Robotern

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-55083
  • With the progress in robotics research the human machine interfaces reach more and more the status of being the major limiting factor for the overall system performance of a system for remote navigation and coordination of robots. In this monograph it is elaborated how mixed reality technologies can be applied for the user interfaces in order to increase the overall system performance. Concepts, technologies, and frameworks are developed and evaluated in user studies which enable for novel user-centered approaches to the design of mixed-realityWith the progress in robotics research the human machine interfaces reach more and more the status of being the major limiting factor for the overall system performance of a system for remote navigation and coordination of robots. In this monograph it is elaborated how mixed reality technologies can be applied for the user interfaces in order to increase the overall system performance. Concepts, technologies, and frameworks are developed and evaluated in user studies which enable for novel user-centered approaches to the design of mixed-reality user interfaces for remote robot operation. Both the technological requirements and the human factors are considered to achieve a consistent system design. Novel technologies like 3D time-of-flight cameras are investigated for the application in the navigation tasks and for the application in the developed concept of a generic mixed reality user interface. In addition it is shown how the network traffic of a video stream can be shaped on application layer in order to reach a stable frame rate in dynamic networks. The elaborated generic mixed reality framework enables an integrated 3D graphical user interface. The realized spatial integration and visualization of available information reduces the demand for mental transformations for the human operator and supports the use of immersive stereo devices. The developed concepts make also use of the fact that local robust autonomy components can be realized and thus can be incorporated as assistance systems for the human operators. A sliding autonomy concept is introduced combining force and visual augmented reality feedback. The force feedback component allows rendering the robot's current navigation intention to the human operator, such that a real sliding autonomy with seamless transitions is achieved. The user-studies prove the significant increase in navigation performance by application of this concept. The generic mixed reality user interface together with robust local autonomy enables a further extension of the teleoperation system to a short-term predictive mixed reality user interface. With the presented concept of operation, it is possible to significantly reduce the visibility of system delays for the human operator. In addition, both advantageous characteristics of a 3D graphical user interface for robot teleoperation- an exocentric view and an augmented reality view – can be combined.show moreshow less
  • In den letzten Jahren ist die Forschung in der Robotik soweit fortgeschritten, dass die Mensch-Maschine Schnittstelle zunehmend die kritischste Komponente für eine hohe Gesamtperformanz von Systemen zur Navigation und Koordination von Robotern wird. In dieser Dissertation wird untersucht wie Mixed-Reality Technologien für Nutzerschnittstellen genutzt werden können, um diese Gesamtperformanz zu erhöhen. Hierzu werden Konzepte und Technologien entwickelt, die durch Evaluierung mit Nutzertest ein optimiertes und anwenderbezogenes Design vonIn den letzten Jahren ist die Forschung in der Robotik soweit fortgeschritten, dass die Mensch-Maschine Schnittstelle zunehmend die kritischste Komponente für eine hohe Gesamtperformanz von Systemen zur Navigation und Koordination von Robotern wird. In dieser Dissertation wird untersucht wie Mixed-Reality Technologien für Nutzerschnittstellen genutzt werden können, um diese Gesamtperformanz zu erhöhen. Hierzu werden Konzepte und Technologien entwickelt, die durch Evaluierung mit Nutzertest ein optimiertes und anwenderbezogenes Design von Mixed-Reality Nutzerschnittstellen ermöglichen. Er werden somit sowohl die technische Anforderungen als auch die menschlichen Faktoren für ein konsistentes Systemdesign berücksichtigt. Nach einer detaillierten Problemanalyse und der Erstellung eines Systemmodels, das den Menschen als Schlüsselkomponente mit einbezieht, wird zunächst die Anwendung der neuartigen 3D-Time-of-Flight Kamera zur Navigation von Robotern, aber auch für den Einsatz in Mixed-Reality Schnittstellen analysiert und optimiert. Weiterhin wird gezeigt, wie sich der Netzwerkverkehr des Videostroms als wichtigstes Informationselement der meisten Nutzerschnittstellen für die Navigationsaufgabe auf der Netzwerk Applikationsebene in typischen Multi-Roboter Netzwerken mit dynamischen Topologien und Lastsituation optimieren lässt. Hierdurch ist es möglich in sonst in sonst typischen Ausfallszenarien den Videostrom zu erhalten und die Bildrate zu stabilisieren. Diese fortgeschrittenen Technologien werden dann auch dem entwickelten Konzept der generischen 3D Mixed Reality Schnittselle eingesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine integrierte 3D Darstellung der verfügbaren Information, so dass räumliche Beziehungen von Informationen aufrechterhalten werden und somit die Anzahl der mentalen Transformationen beim menschlichen Bediener reduziert wird. Gleichzeitig werden durch diesen Ansatz auch immersive Stereo Anzeigetechnologien unterstützt, welche zusätzlich das räumliche Verständnis der entfernten Situation fördern. Die in der Dissertation vorgestellten und evaluierten Ansätze nutzen auch die Tatsache, dass sich eine lokale Autonomie von Robotern heute sehr robust realisieren lässt. Dies wird zum Beispiel zur Realisierung eines Assistenzsystems mit variabler Autonomie eingesetzt. Hierbei erhält der Fernbediener über eine Kraftrückkopplung kombiniert mit einer integrierten Augmented Reality Schnittstelle, einen Eindruck über die Situation am entfernten Arbeitsbereich, aber auch über die aktuelle Navigationsintention des Roboters. Die durchgeführten Nutzertests belegen die signifikante Steigerung der Navigationsperformanz durch den entwickelten Ansatz. Die robuste lokale Autonomie ermöglicht auch den in der Dissertation eingeführten Ansatz der prädiktiven Mixed-Reality Schnittstelle. Die durch diesen Ansatz entkoppelte Regelschleife über den Menschen ermöglicht es die Sichtbarkeit von unvermeidbaren Systemverzögerungen signifikant zu reduzieren. Zusätzlich können durch diesen Ansatz beide für die Navigation hilfreichen Blickwinkel in einer 3D-Nutzerschnittstelle kombiniert werden – der exozentrische Blickwinkel und der egozentrische Blickwinkel als Augmented Reality Sicht.show moreshow less

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Metadaten
Author: Markus Sauer
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-55083
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Mathematik und Informatik
Faculties:Fakultät für Mathematik und Informatik / Institut für Informatik
Date of final exam:2011/02/01
Language:English
Year of Completion:2010
Series (Serial Number):Würzburger Forschungsberichte in Robotik und Telematik (5)
ISBN:978-3-923959-67-9
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
GND Keyword:Mobiler Roboter; Autonomer Roboter; Mensch-Maschine-Schnittstelle; Mixed Reality
Tag:Benutzerschnittstelle; Mensch-Maschine-System; Mensch-Roboter-Interaktion; Robotik; Teleoperation
Human-Robot-Interaction; Teleoperation; User Interface
CCS-Classification:H. Information Systems / H.5 INFORMATION INTERFACES AND PRESENTATION (e.g., HCI) (I.7) / H.5.2 User Interfaces (D.2.2, H.1.2, I.3.6)
I. Computing Methodologies / I.2 ARTIFICIAL INTELLIGENCE / I.2.9 Robotics
Release Date:2011/02/22
Advisor:Prof. Dr. Klaus Schilling
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht