[論文レビュー] Towards an immersive user interface for waypoint navigation of a mobile robot

Gregory S. Baker, Tom Bridgwater+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2020

Virtual Reality Applications and Impacts被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、6自由度（6-DOF）トラッキングコントローラーを用いて仮想環境内でターゲット位置を指すことで、モバイルロボットのウェイポイントナビゲーションインターフェースを実現する没入型ヘッドマウントディスプレイ（HMD）ベースのインターフェースを提案する。37名の参加者を対象としたユーザースタディーでは、本手法が迅速な習得を可能にし、作業負荷を低減し、通信遅延に対しても耐性を示したが、エゴセントリックHMD構成ではVR sickness（VR酔い）が依然として顕著な課題であった。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the utility of head-mounted display (HMD) interfaces for navigation of mobile robots. We focus on the selection of waypoint positions for the robot, whilst maintaining an egocentric view of the robot's environment. Inspired by virtual reality (VR) gaming, we propose a target selection method that uses the 6 degrees-of-freedom tracked controllers of a commercial VR headset. This allows an operator to point to the desired target position, in the vicinity of the robot, which the robot then autonomously navigates towards. A user study (37 participants) was conducted to examine the efficacy of this control strategy when compared to direct control, both with and without a communication delay. The results of the experiment showed that participants were able to learn how to use the novel system quickly, and the majority of participants reported a preference for waypoint control. Across all recorded metrics (task performance, operator workload and usability) the proposed waypoint control interface was not significantly affected by the communication delay, in contrast to direct control. The simulated experiment indicated that a real-world implementation of the proposed interface could be effective, but also highlighted the need to manage the negative effects of HMDs - particularly VR sickness.

研究の動機と目的

• 没立体HMDインターフェースがモバイルロボット遠隔操作におけるウェイポイントナビゲーションに有効であるかを調査すること。
• VRゲームをインspiredした6-DOFトラッキングコントローラーを用いた新しいターゲット選択手法の設計および評価すること。
• 通信遅延の変動状況下で、ウェイポイント制御と直接制御を比較すること。
• エゴセントリックHMDビューが作業負荷、タスクパフォーマンス、VR酔いに与える影響を評価すること。
• HMDベースの遠隔操作システムの実世界への展開に際しての実用的課題と制限を特定すること。

提案手法

• 本システムは、HTC Vive HMDとトラッキング付きモーションコントローラーを用い、ロボット環境の仮想レプリカ内でポイントアンドセレクト方式のウェイポイントナビゲーションを可能にする。
• ターゲット選択は、VRゲームをインspiredしたテレポートーション方式で実装され、ユーザーが位置を指し、コントローラー入力で確認する。
• インターフェースはエゴセントリックビューを提供し、ロボットのオンボードカメラ映像を用いてロボットの第一人称視点をシミュレートする。
• 37名の参加者を対象とした仮想現実ユーザースタディーを実施し、0秒および1秒の通信遅延下でウェイポイント制御と直接制御を比較した。
• タスクパフォーマンス、作業負荷（NASA-TLX）、利便性（SUS）、および事後インタビューを用いてインターフェースを評価した。
• VR酔いは参加者の自己報告によりモニタリングされ、悪心の重症度が主な副作用として記録された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コントローラーによるターゲット選択を伴うHMDベースのウェイポイントナビゲーションインターフェースは、直接制御と比較してタスクパフォーマンスおよび利便性を向上させるか？
• RQ2 通信遅延（0秒対1秒）がウェイポイント制御および直接制御の下でパフォーマンスおよび作業負荷に与える影響はいかほどか？
• RQ3 エゴセントリックHMDビューは、ロボット遠隔操作中にVR酔いにどの程度寄与しているか？
• RQ4 ユーザーは、シミュレート環境で提示されたウェイポイントインターフェースをどの程度迅速に習得できるか？
• RQ5 2つの制御戦略間で、主観的および客観的な作業負荷および利便性の差異はどのようなものか？

主な発見

• 参加者はウェイポイントインターフェースを迅速に習得し、各条件下で著しい学習曲線は観察されなかった。
• 特に1秒の遅延下では、直接制御と比較してウェイポイント制御が作業負荷を顕著に低減した。
• 通信遅延の影響はウェイポイントインターフェースに顕著ではなく、一方で直接制御は遅延下でパフォーマンスが低下した。
• 大多数の参加者が、認知的負荷の低減とタスク効率の向上により、ウェイポイント制御インターフェースを好んだ。
• VR酔いは深刻な問題であり、3名の参加者がすべての条件を完了できず、多くの参加者が特に遅延付きの直接制御条件下で軽度から中程度の悪心を報告した。
• 本研究は、シミュレーション上では効果的であるが、実世界への実装にはVR酔いの対策と環境マッピングの忠実度向上が不可欠であると示唆している。