[논문 리뷰] Towards an immersive user interface for waypoint navigation of a mobile robot

Gregory S. Baker, Tom Bridgwater외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 28.

Virtual Reality Applications and Impacts인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 6-DOF 트래킹 컨트롤러를 사용해 가상 환경에서 목표 위치를 가리키는 방식으로 모바일 로봇을 위한 몰입형 헤드셋 디스플레이(HMD) 기반의 웨이포인트 탐색 인터페이스를 제안한다. 37명의 참가자에 대한 사용자 연구 결과, 이 방법은 빠른 학습을 가능하게 하고 작업 부하를 감소시키며 통신 지연에 대한 내성을 보였지만, 에고세트릭 HMD 설정에서는 여전히 심각한 과제로 남아 있는 VR 질환 문제가 존재했다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모바일 로봇 원격 조작에서 몰입형 HMD 인터페이스의 웨이포인트 탐색 효과성을 조사하기 위해.
• VR 게임을 영감으로 삼은 6-DOF 트래킹 컨트롤러를 활용한 새로운 타겟 선택 방법을 설계하고 평가하기 위해.
• 다양한 통신 지연 조건에서 웨이포인트 제어와 직접 제어를 비교하기 위해.
• 에고세트릭 HMD 시각화 방식이 사용자 작업 부하, 작업 성과, VR 질환에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• HMD 기반 원격 조작 시스템의 실세계 구현에 있어 실용적 과제와 제한 사항을 규명하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 로봇 환경의 가상 복제체에서 사용자에게 몰입형 시각을 제공하는 HTC Vive HMD와 트래킹되는 모션 컨트롤러를 사용해 지점 선택 방식의 웨이포인트 탐색을 가능하게 한다.
• 타겟 선택은 VR 게임에서 영감을 얻은 텔레포트 방식을 구현하며, 사용자가 위치를 가리키고 컨트롤러 입력으로 확인한다.
• 인터페이스는 로봇의 내장 카메라 피드를 통해 로봇의 제1인칭 시점 시각을 시뮬레이션하는 에고세트릭 시점 제공한다.
• 37명의 참가자 대상으로 가상현실 사용자 연구를 실시하여, 0초 및 1초의 통신 지연 조건에서 웨이포인트 제어와 직접 제어를 비교했다.
• 작업 성과, 운영자 작업 부하(NASA-TLX), 사용성(SUS), 사후 인터뷰를 통해 인터페이스를 평가했다.
• VR 질환은 참가자 자가 보고를 통해 모니터링되었으며, 메스꺼움 심각도가 주요 부작용으로 기록되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HMD 기반 웨이포인트 탐색 인터페이스와 컨트롤러 기반 타겟 선택 방식이 직접 제어 대비 작업 성과와 사용성 향상에 기여하는가?
• RQ2 통신 지연(0초 대비 1초)이 웨이포인트 제어와 직접 제어 조건에서 성과와 작업 부하에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 에고세트릭 HMD 시각화 방식이 로봇 원격 조작 중 VR 질환에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 사용자가 시뮬레이션 환경에서 제안된 웨이포인트 인터페이스를 얼마나 빨리 습득할 수 있는가?
• RQ5 두 제어 전략 간 주관적 및 객관적 작업 부하와 사용성의 차이는 어떠한가?

주요 결과

• 참가자들은 웨이포인트 인터페이스를 빠르게 습득했으며, 모든 조건에서 뚜렷한 학습 곡선을 보이지 않았다.
• 특히 1초 지연 조건에서 직접 제어 대비 웨이포인트 제어가 운영자 작업 부하를 유의미하게 감소시켰다.
• 웨이포인트 인터페이스는 통신 지연에 크게 영향을 받지 않았지만, 직접 제어는 지연 조건에서 성능 저하를 보였다.
• 다수의 참가자들이 인지 부하 감소와 작업 효율성 향상으로 인해 웨이포인트 제어 인터페이스를 선호했다.
• VR 질환이 주요 문제였으며, 3명의 참가자가 모든 조건을 완료하지 못했고, 많은 이들이 특히 지연된 직접 제어 조건에서 경미한에서 중간 정도의 메스꺼움을 보고했다.
• 연구 결과는 인터페이스가 시뮬레이션 환경에선 효과적이지만, 실세계 적용을 위해서는 VR 질환과 환경 맵 피로도 문제를 해결해야 한다고 시사한다.