Transformación escalar de la interfaz de operador en teleoperación asistida

Abstract

Human-machine interaction in teleoperation, through the adequate user interface, allows achieving the level of intelligence necessary to execute complex tasks that cannot be executed by machines or robots alone neither directly by humans. H-R interaction techniques facilitate the execution of such tasks making them more efficient and effective through the improvement of their user interface. Humans have inherent motor limitations (such as physiological tremor) and perceptive limitations (mainly perception of distance and time), which can prevent them from operating smoothly and precisely enough for certain applications. Some studies have already tackled this problem and its effect on the human-machine interaction and teleoperated systems. There are psychomotor models that show that the human manipulation efficiency, in actions such as pointing an object, depends on several factors. Among these models, the most representative corresponds to Fitts’ Law, in which the execution time is a logarithmic function of the size and distance to the object. In teleoperation, and based on these models, a modification of the visual scale in the user’s interface has a direct effect on the task execution time and on the precision that can be achieved. The same occurs with a change in the amplitude of the movement executed by the human operator with respect to that performed by the system. Therefore, scaling the movement between master and slave has a significant effect on the efficiency and effectiveness executing a task. This research work is oriented to the design and development of a method conceived to improve effectiveness thanks to a larger visual and motor efficiency of the human-machine interface. The method is based on the modification of the information flow between human, machine and interface by means of the scaling of both, the human movements and the image of the visualized task. Operation time, hand movements and the need for visual attention can thus be reduced with this computerized assistance. The changes of scale adapt to the task, which positively affects its performance in terms of precision and speed. Therefore, the proposed methodology aims to link the human operator working space to the machine or robot working space through an interface that introduces two scaling processes. A first change of scale is applied between the movement produced by the human operator and the movement produced in the visual interface (for instance, movement of the robot end-effector that is visualized on the computer screen); and a second change oriented to scale the real space of the task over the visual space of the interface. These changes of scale should be adjusted to the objects of interest, which result in a modification of the spatial resolution according to the task to be performed and to the size, shape distance and speed of the objects. Such changes modify the information flow between human and machine according to the characteristics and limitations of both.

La interacció persona-màquina en teleoperació, a través de la interfície d’usuari, permet aconseguir el nivell d’intel•ligència necessari per executar en cooperació tasques complexes que no poden ser realitzades per màquines o robots per si sols o directament per les persones. Les tècniques d’interacció faciliten el desenvolupament d’aquestes tasques fent-les mes eficients i eficaces, mitjançant la millora de qualsevol sistema que incorpori una interfície d’usuari. Les persones posseeixen limitacions motores inherents a la naturalesa humana (com la tremolor fisiològica) i limitacions perceptives (com la percepció de la distància o el temps) que impedeixen realitzar una operació suficientment suau i precisa en certes aplicacions. Alguns estudis tracten aquest fenomen i el seu efecte en els sistemes persona-màquina i sistemes teleoperats. Existeixen models psicomotors que mostren que la eficiència de la manipulació humana en la selecció d’un objecte depèn de determinats factors. Entre aquests models, el més representatiu correspon a la Llei de Fitts, in on el temps d’execució es una funció logarítmica de la mida i la distancia al objecte. En teleoperació, i en base a aquests models psicomotors, es demostra que una modificació en l’escala visual de la interfície té un efecte directe en el temps d’execució d’una tasca i en la precisió assolible. El mateix succeeix amb un canvi en l’amplitud del moviment que realitza l’operador respecte al realitzat pel sistema, de manera que l’escalat del moviment entre mestre i esclau té un efecte significatiu en l’eficiència i eficàcia amb la que s’executa una tasca. Aquest treball d’investigació està orientat al disseny i desenvolupament d’un mètode concebut per millorar l’eficàcia gràcies a una major eficiència visual i motora de la interfície persona-màquina. El mètode es basa en la modificació del flux d’informació entre persona, màquina i interfície mitjançant l’escalat tant del moviment de la persona com de la imatge de la tasca visualitzada. El temps d’operació, els moviments de la mà de la persona i el grau d’atenció poden reduir-se amb aquesta assistència computeritzada. Els canvis d’escala s’adapten a la tasca, afectant positivament el rendiment en termes de precisió i rapidesa. Així doncs, la metodologia proposada està orientada a connectar l’espai de treball de la persona amb l’espai de treball de la màquina o robot a través de la interfície que introdueix dos processos d’escala. Un primer canvi d’escala s’aplica entre el moviment produït per l’operador i el produït a la interfície visual i un segon canvi està orientat a escalar l’espai real de la tasca sobre la interfície visual. Aquests canvis d’escala han de ser ajustats als objectes d’interès, resultant en una modificació de la resolució espacial d’acord amb la tasca a realitzar i la mida, forma, i velocitat dels objectes. Aquests canvis d’escala modifiquen el flux d’informació entre l’operador i la màquina d’acord amb les característiques i limitacions d’ambdós.

La interacción persona-máquina en teleoperación, a través de la interfaz de usuario, permite conseguir el nivel de inteligencia necesario para ejecutar en cooperación tareas complejas que no pueden ser realizadas por máquinas o robots por si solos o directamente por las personas. Las técnicas de interacción facilitan el desarrollo de dichas tareas haciéndolas más eficientes y eficaces, mediante la mejora de cualquier sistema que incorpore una interfaz de usuario. Las personas poseen limitaciones motoras inherentes a la naturaleza humana (como el temblor fisiológico) y limitaciones perceptivas (como la percepción de la distancia o el tiempo) que impiden realizar una operación suficientemente suave y precisa en ciertas aplicaciones. Algunos estudios tratan este fenómeno y su efecto en los sistemas persona-máquina y sistemas teleoperados. Existen modelos psicomotores que muestran que la eficiencia de la manipulación humana en la selección de un objeto depende de determinados factores. Entre estos modelos, el más representativo corresponde a la Ley de Fitts en donde el tiempo de ejecución es una función logarítmica del tamaño y la distancia al objeto. En teleoperación, y en base a estos modelos psicomotores, se demuestra que una modificación en la escala visual de la interfaz tiene un efecto directo en el tiempo de ejecución de una tarea y en la precisión alcanzable. Lo mismo ocurre con un cambio en la amplitud de movimiento que realiza el operador con respecto al realizado por el sistema, con lo que el escalado del movimiento entre maestro y esclavo tiene un efecto significativo en la eficiencia y eficacia con la que se ejecuta una tarea. Este trabajo de investigación está orientado al diseño y desarrollo de un método concebido para mejorar la eficacia gracias a una mayor eficiencia visual y motora de la interfaz persona-máquina. El método se basa en la modificación del flujo de información entre persona, máquina e interfaz mediante el escalado tanto del movimiento de la persona como de la imagen de la tarea visualizada. El tiempo de operación, los movimientos de la mano de la persona y el grado de atención pueden reducirse con esta asistencia computarizada. Los cambios de escala se adaptan a la tarea, afectando positivamente al rendimiento en términos de precisión y rapidez. Por lo tanto, la metodología propuesta está orientada a conectar el espacio de trabajo de la persona con el espacio de trabajo de la máquina o robot a través de la interfaz que introduce dos procesos de escala. Un primer cambio de escala se aplica entre el movimiento producido por el operador y el producido en la interfaz visual y un segundo cambio está orientado a escalar el espacio real de la tarea sobre la interfaz visual. Estos cambios de escala deben ser ajustados a los objetos de interés, resultando en una modificación de la resolución espacial acorde con la tarea a realizar y el tamaño, forma, distancia y velocidad de los objetos. Dichos cambios de escala modifican el flujo de información entre el operador y la máquina acordes con las características y limitaciones de ambos.