[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种基于沉浸式头戴式显示器（HMD）的航点导航界面，用于移动机器人操作，利用六自由度（6-DOF）追踪控制器在虚拟环境中指向目标位置。37名参与者的用户研究显示，该方法可实现快速学习、降低工作负荷，并对通信延迟具有较强鲁棒性，尽管在以用户为中心的HMD设置中，VR眩晕仍是显著挑战。

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.

研究动机与目标

• 研究沉浸式HMD界面在移动机器人航点导航遥操作中的有效性。
• 设计并评估一种受VR游戏启发的六自由度（6-DOF）追踪控制器目标选择新方法。
• 在不同通信延迟条件下，对比航点控制与直接控制的表现。
• 评估以用户为中心的HMD视图对用户工作负荷、任务表现及VR眩晕的影响。
• 识别HMD遥操作系统在实际部署中面临的具体挑战与局限性。

提出的方法

• 系统采用HTC Vive HMD与追踪运动控制器，实现在机器人环境虚拟复制品中的点选式航点导航。
• 目标选择通过受VR游戏启发的传送方法实现，用户指向目标位置并通过控制器确认。
• 界面提供以用户为中心的视图，通过机器人机载摄像头画面模拟第一人称视角。
• 开展了包含37名参与者的虚拟现实用户研究，对比在0秒与1秒通信延迟下，航点控制与直接控制的表现。
• 通过任务表现、操作员工作负荷（NASA-TLX）、可用性（SUS）及实验后访谈评估界面性能。
• 通过参与者自我报告监测VR眩晕，记录恶心严重程度作为主要副作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于HMD的航点导航界面结合控制器目标选择，是否相比直接控制在任务表现和可用性方面有显著提升？
• RQ2 在航点控制与直接控制下，通信延迟（0秒 vs. 1秒）如何影响性能与工作负荷？
• RQ3 以用户为中心的HMD视图在机器人遥操作过程中在多大程度上导致VR眩晕？
• RQ4 用户在模拟环境中能多快掌握所提出的航点界面？
• RQ5 两种控制策略在主观与客观的工作负荷及可用性方面存在哪些差异？

主要发现

• 参与者快速掌握航点界面，各条件下均未观察到显著学习曲线。
• 相比直接控制，航点控制显著降低了操作员工作负荷，尤其在1秒延迟条件下更为明显。
• 航点界面受通信延迟影响较小，而直接控制在延迟条件下性能明显下降。
• 多数参与者更偏好航点控制界面，因其降低了认知负荷并提升了任务效率。
• VR眩晕是主要问题，3名参与者无法完成所有实验条件，多数报告出现轻度至中度恶心，尤其在延迟的直接控制条件下更为明显。
• 研究结果表明，尽管该界面在模拟环境中表现有效，但实际部署中仍需解决VR眩晕与环境映射保真度问题。