Aportació als criteris de disseny ergonomic de les interfícies persona-màquina (HMI) per a vehicles submarins teleoperats.

Abstract

El creixement de la robòtica (especialment en l'àrea dels sistemes intel·ligents) continua a grans passos, malgrat que encara no hi ha sistemes totalment autònoms per treballar en entorns complexos i desconeguts. Consideracions de cost, seguretat, temps de desenvolupament i altres, fan molt atractiva la teleoperació per a algunes tasques. És ben sabut que la interacció entre els operadors humans i els ordinadors encara és molt problemàtica (com es pot veure en les operacions de rescat del Titànic, Txernòbil i, més recentment, en la pèrdua d'un avió teleoperat a l'Afganistan). Aquests exemples fan ressaltar les dificultats inherents en la utilització de la informació i la teleoperació de robots. Una interfície persona-màquina (HMI) adequada podria resoldre aquest problemes, cosa que incrementaria la satisfacció de l'usuari i la utilització del sistema. Aquest projecte ofereix una contribució al desenvolupament i els criteris de disseny ergonòmic d'interfícies d'usuari per a sistemes teleoperats, especialment en el cas d'aplicacions amb robots submarins. <br/>Aquesta recerca es va desenvolupar com part del projecte GARBÍ, el robot submari teleoperat dissenyat per el Dr. Josep Amat i el seu equip, per ajudar als usuaris en les seves tasques marines. Una de les eines que ajuda a treballar millor un sistema teleoperat és la interfície persona-màquina (HMI) que serveix com canal de comunicació entre el sistema i l'usuari. Per iniciar el disseny de la interfície s'ha fet una recerca per determinar el marc teòric i l'estat de l'art en sistemes teleoperats, interfícies d'usuari i eines ergonomiques de disseny. S'han desenvolupat eines per mesurar qualitativament la qualitat de les interfícies persona-màquina (HMI) dels sistemes teleoperats presents en la literatura cientifica i determinar les millores que s'haurien d'introduir en les interficies en ordre de millorar la velocitat de transferencia d'informació.<br/>Les tasques de teleoperació han de mostrar una gran quantitat d'informació; aquesta situació es va resoldre en part mitjançant la realitat virtual, que es va fer servir com una eina per millorar les imatges de les càmeres. La realitat virtual, doncs, ajuda a resoldre alguns d'aquest problemes, com ara la representació espacial i la programació d'objectes. Aquest enfocament també permet una millora visual: la imatge real podria estar afectada per les condicions climàtiques (pluja, boirassa, etc.), per la part del dia (tarda, nit, etc.) i per l'entorn natural (la composició de l'aigua pot reduir la visibilitat submarina); la realitat virtual elimina tots aquests inconvenients i ofereix una imatge neta i filtrada. <br/>Un entorn virtual es va crear per introduir a l'usuari dintre de les tasques marines i totes les eines necessaries per la conducció del vehicle es van possar en la interfície. Per desenvolupar una interfície ergonómica i òptima s'ha d'involucrar als usuaris en el proces i aquestes activitats s'han de desenvolupar en forma especifica i organitzada. Durant aquesta recerca es van desenvolupar diverses interfícies persona-màquina, tenint en compte les necessitats i reaccions d'usuaris nous i experts. Dues interfícies es van desenvolupar per analitzar l'impacte de la visualització de la informació i la controlabilitat: una de les interfícies es va dissenyar amb finestres d'informació millorada per enfocar-la més a la visualització de dades i en l'altra es va simplificar el control i la manipulació del robot. El proces d'avaluació de les interfícies es va descriure, incloent una nova metodologia basat en els paràmetres d'utilització, la qual abasta diversos paràmetres i etapes de la interacció usuari-ordinador: la tasca, l'usuari i la interfície. Aquesta metodologia es va provar amb les interfícies desenvolupades i amb interfícies de jocs semblants.

The growth of robotics -specially in intelligent systems- continues at an ever-faster pace, even though we still lack of totally autonomous systems to work in complex, unknown environments. Cost, safety needs and development time, among other considerations, make teleoperation an appealing way to perform some tasks. As we know, however, interaction between human operators and computers remains problematic -as can be seen in rescue operations from the Titanic to Chernobyl and, more recently, the missing teleoperated airplane in Afghanistan. These examples underscore the difficulties inherent in information utilization and robot teleoperation. An adequate user interface would solve these problems, increasing both user satisfaction and system usage. The present project offers a contribution to the development and ergonomic design rules of user interfaces for teleoperated systems, specifically in the case of underwater robot applications.<br/>Teleoperated robots are currently employed in different fields, for example: mine exploration, spatial and underwater research, high-risk exploration areas and other applications where human intelligence is indispensable. Kress (from IEEE Robotics & Automation Society) <www.engr.utk.edu/maes/ff/rlk/ieee/> and others have pointed out that human machine interfaces (HMI) are critical to the success of teleoperation systems. A teleoperation task must display a great deal of information. Thus, virtual reality was added as a tool to enhance the plane camera images. Virtual reality helps solve some of those problems, e.g. spatial representation and object programming. This approach allows even for visual enhancement: the real image might be affected by weather conditions (rain, fog, etc.), time of the day (afternoon, night, etc.) and by natural environment (water composition can reduce underwater visibility). Virtual reality, allowing a clean, filtered image, would eliminate these and other inconveniences.<br/>As this research progressed, several human-machine interfaces (HMI) were developed, taking into account the needs and reactions of average as well as expert users. The interfaces were created with virtual reality tools and programmed in C language. Two interfaces were developed to analyze the impact of information visualization and controllability. One of them was designed with enhanced information windows to focus primarily on data visualization; while the other simplifies robot maneuverability and control. The fruit of this research allows for both a framework and guidelines for HMI design and a model for teleoperated human-machine interaction.<br/>In addition to the framework design, two interface evaluation methodologies were proposed. One, the Interface Index, is for rapid assessment. The other, the Usability Assessment, is for deep interface analysis, covering several parameters and stages in human-computer interaction. Several papers related to the development, design and evaluation of these interfaces have been published in international congresses related to this field.