تركيب افتراضي

التركيب الافتراضي هو عبارة عن طبقة من المعلومات الحسية المعززة تُضاف إلى إدراك المستخدم للبيئة الحقيقية بهدف تحسين الأداء البشري في المهام التي يتم التحكم فيها بشكل مباشر أو عن بُعد . ^{[ 1 ]} طُوِّرت تقنية التركيب الافتراضي في أوائل التسعينيات على يد لويس روزنبرغ في مختبر أبحاث القوات الجوية الأمريكية (AFRL) ، وكانت منصة رائدة في تقنيات الواقع الافتراضي والواقع المعزز .

طُوِّر نظام Virtual Fixtures لأول مرة على يد لويس روزنبرغ عام 1992 في مختبرات أرمسترونغ التابعة لسلاح الجو الأمريكي، مما أدى إلى إنشاء أول نظام واقع معزز غامر على الإطلاق. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} ونظرًا لبطء رسومات ثلاثية الأبعاد في أوائل التسعينيات، ما حال دون تقديم واقع معزز واقعي ومتطابق مكانيًا، استخدم نظام Virtual Fixtures روبوتين حقيقيين، يتم التحكم بهما بواسطة هيكل خارجي كامل للجزء العلوي من الجسم يرتديه المستخدم. ولخلق تجربة غامرة للمستخدم، استُخدم تكوين بصري فريد يتضمن زوجًا من العدسات المكبرة ثنائية العدسة، مُحاذيتين بحيث تُعرض رؤية المستخدم لأذرع الروبوت أمامه، لتظهر وكأنها مُسجلة في الموقع الدقيق لأذرع المستخدم الحقيقية. ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 5 ]} كانت النتيجة تجربة غامرة مسجلة مكانيًا، حيث يحرك المستخدم ذراعيه، بينما يرى أذرعًا آلية في المكان الذي ينبغي أن تكون فيه ذراعيه. كما استخدم النظام طبقات افتراضية مُولّدة حاسوبيًا على شكل حواجز وحقول وأدلة مادية مُحاكاة، مصممة لمساعدة المستخدم أثناء أداء مهام مادية حقيقية. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 3 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

أُجريت اختبارات أداء وفقًا لقانون فيتس على مجموعة من المتطوعين، مما أظهر لأول مرة إمكانية تحقيق تحسين كبير في أداء الإنسان للمهام البهلوانية في العالم الحقيقي من خلال توفير طبقات الواقع المعزز الغامرة للمستخدمين. ^{[ 5 ] [ 13 ]}

طُرح مفهوم التجهيزات الافتراضية لأول مرة ^{[ 2 ]} كطبقة من المعلومات الحسية الافتراضية تُضاف إلى مساحة العمل بهدف تحسين أداء الإنسان في المهام التي تُنفذ مباشرةً أو عن بُعد. يمكن تمثيل هذه الطبقات الحسية الافتراضية كهياكل واقعية، مُسجلة في الفضاء بحيث يشعر المستخدم بوجودها الكامل في بيئة العمل الحقيقية. كما يمكن أن تكون هذه الطبقات مجردة، تمتلك خصائص لا تتوفر في الهياكل المادية الحقيقية. ونظرًا لصعوبة تصور مفهوم الطبقات الحسية وشرحه، فقد طُرح تشبيه التجهيزات الافتراضية. لفهم ماهية التجهيزات الافتراضية، يُستخدم غالبًا تشبيهها بأداة مادية حقيقية كالمسطرة. فمهمة بسيطة كرسم خط مستقيم على ورقة يدويًا هي مهمة يعجز معظم البشر عن أدائها بدقة وسرعة عاليتين. ومع ذلك، فإن استخدام أداة بسيطة كالمسطرة يُتيح إنجاز المهمة بسرعة ودقة عاليتين. يساعد استخدام المسطرة المستخدم من خلال توجيه القلم على طول المسطرة مما يقلل من ارتعاش المستخدم والعبء الذهني عليه، وبالتالي يزيد من جودة النتائج.

عندما طُرح مفهوم "التركيبة الافتراضية" على القوات الجوية الأمريكية عام ١٩٩١، كانت الجراحة المعززة مثالًا على استخدامها، حيث توسعت الفكرة من مسطرة افتراضية توجه قلم رصاص حقيقي، إلى تركيبات طبية افتراضية توجه مشرطًا حقيقيًا يستخدمه جراح حقيقي. ^{[ ٢ ]} كان الهدف هو دمج محتوى افتراضي مع إدراك الجراح المباشر لمساحة العمل الحقيقية بمستوى واقعي كافٍ ليُعتبر إضافة حقيقية إلى بيئة الجراحة، وبالتالي تحسين المهارة الجراحية والبراعة والأداء. ومن الفوائد المقترحة للتركيبات الطبية الافتراضية مقارنةً بالأجهزة الحقيقية، أنها، كونها إضافات افتراضية للواقع المحيط، يمكن غمرها جزئيًا داخل جسم المريض، لتوفير التوجيه و/أو الحواجز داخل الأنسجة غير المكشوفة. ^{[ ١٤ ] [ ٢ ] [ ١٥ ]}

إن تعريف الأدوات الافتراضية ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 9 ]} أوسع بكثير من مجرد توفير إرشادات للمؤثر النهائي. فعلى سبيل المثال، تُستخدم الأدوات الافتراضية الصوتية لزيادة وعي المستخدم من خلال توفير إشارات صوتية تساعده عبر تقديم إشارات متعددة الوسائط لتحديد موقع المؤثر النهائي. مع ذلك، في سياق أنظمة التعاون بين الإنسان والآلة، يُستخدم مصطلح الأدوات الافتراضية غالبًا للإشارة إلى أداة مساعدة افتراضية تعتمد على المهمة، تُضاف إلى بيئة حقيقية، وتوجه حركة المستخدم في الاتجاهات المطلوبة، مع منع الحركة في الاتجاهات أو المناطق غير المرغوب فيها من مساحة العمل.

يمكن أن تكون نقاط التثبيت الافتراضية إما نقاط تثبيت افتراضية توجيهية أو نقاط تثبيت افتراضية للمناطق المحظورة . على سبيل المثال، يمكن استخدام نقطة تثبيت افتراضية للمناطق المحظورة في بيئة تحكم عن بُعد ، حيث يتعين على المشغل قيادة مركبة في موقع بعيد لإنجاز مهمة ما. في حال وجود حفر في الموقع البعيد، والتي قد تُعرّض المركبة لخطر السقوط فيها، يمكن تحديد مناطق محظورة عند مواقع هذه الحفر، مما يمنع المشغل من إصدار أوامر تؤدي إلى سقوط المركبة في إحدى هذه الحفر. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

يمكن إرسال مثل هذه الأوامر غير القانونية بسهولة من قبل المشغل بسبب، على سبيل المثال، التأخيرات في حلقة التشغيل عن بعد ، أو ضعف التواجد عن بعد، أو عدد من الأسباب الأخرى.

ومن الأمثلة على التوجيه الافتراضي أن المركبة يجب أن تتبع مسارًا معينًا.

وبذلك يتمكن المشغل من التحكم في التقدم على طول الاتجاه المفضل بينما يتم تقييد الحركة على طول الاتجاه غير المفضل .

باستخدام كل من المناطق المحظورة والتركيبات الافتراضية الموجهة، يمكن تعديل صلابة التركيبة ، أو مقلوبها، مرونتها . إذا كانت المرونة عالية (صلابة منخفضة)، تكون التركيبة لينة . أما إذا كانت المرونة معدومة (صلابة قصوى)، فتكون التركيبة صلبة .

يصف هذا القسم كيفية اشتقاق قانون تحكم يُطبّق التجهيزات الافتراضية. يُفترض أن الروبوت عبارة عن جهاز حركي بحت ذو موضع طرفي مؤثر${\displaystyle \mathbf {p} =\left[x,y,z\right]}$وتوجيه أداة النهاية${\displaystyle \mathbf {r} =\left[r_{\textrm {x}},r_{\textrm {y}},r_{\textrm {z}}\right]}$معبر عنه في الإطار الأساسي للروبوت${\displaystyle F_{\textrm {r}}}$إشارة التحكم المدخلة${\displaystyle \mathbf {u} }$يُفترض أن تكون السرعة المطلوبة للروبوت هي سرعة أداة النهاية المطلوبة${\displaystyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {x} }}=\left[{\dot {\mathbf {p} }},{\dot {\mathbf {r} }}\right]}$في نظام التشغيل عن بعد، من المفيد غالبًا تعديل سرعة الإدخال من قبل المشغل.${\displaystyle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}$قبل إدخالها إلى وحدة تحكم الروبوت. إذا كانت المدخلات من المستخدم على شكل آخر مثل القوة أو الموضع، فيجب أولاً تحويلها إلى سرعة إدخال، على سبيل المثال عن طريق تغيير المقياس أو التفاضل.

وبالتالي إشارة التحكم${\displaystyle \mathbf {u} }$سيتم حسابها من سرعة الإدخال التي يُدخلها المشغل${\displaystyle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}$مثل:

${\displaystyle \mathbf {u} =c\cdot \mathbf {v} _{\textrm {op}}}$

لو${\displaystyle c=1}$توجد علاقة تطابق تام بين المشغل والروبوت التابع.

إذا كان الثابت${\displaystyle c}$يتم استبدالها بمصفوفة قطرية${\displaystyle \mathbf {C} }$من الممكن ضبط الامتثال بشكل مستقل لأبعاد مختلفة من${\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}}$على سبيل المثال، وضع العناصر الثلاثة الأولى على قطر${\displaystyle \mathbf {C} }$ل${\displaystyle c}$وإذا تم ضبط جميع العناصر الأخرى على الصفر، فسينتج عن ذلك نظام يسمح فقط بالحركة الانتقالية وليس الدورانية. وهذا مثال على تثبيت افتراضي صلب يقيد الحركة من${\displaystyle \mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{6}}$ل ${\displaystyle \mathbf {p} \in \mathbb {R} ^{3}}$إذا تم ضبط بقية العناصر على القطر على قيمة صغيرة، بدلاً من الصفر، فسيكون الجهاز مرنًا، مما يسمح ببعض الحركة في الاتجاهات الدورانية.

للتعبير عن قيود أكثر عمومية، افترض مصفوفة متغيرة مع الزمن${\displaystyle \mathbf {D} (t)\in \mathbb {R} ^{6\times n},~n\in [1..6]}$والذي يمثل الاتجاه المفضل في ذلك الوقت${\displaystyle t}$وبالتالي إذا${\displaystyle n=1}$الاتجاه المفضل هو على طول منحنى في${\displaystyle \mathbb {R} ^{6}}$. على نفس المنوال،${\displaystyle n=2}$سيعطي ذلك اتجاهات مفضلة تغطي سطحًا. من${\displaystyle \mathbf {D} }$يمكن تعريف عاملين للإسقاط، ^{[ 19 ]} وهما مدى ونواة فضاء الأعمدة:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\textrm {Span}}(\mathbf {D} )&\equiv \left[\mathbf {D} \right]=\mathbf {D} (\mathbf {D} ^{T}\mathbf {D} )^{-1}\mathbf {D} ^{T}\\{\textrm {Kernel}}(\mathbf {D} )&\equiv \langle \mathbf {D} \rangle =\mathbf {I} -\left[\mathbf {D} \right]\end{محاذاة}}}$

لو${\displaystyle \mathbf {D} }$لا يمكن حساب المدى إذا لم يكن للمصفوفة رتبة عمودية كاملة، وبالتالي من الأفضل حساب المدى باستخدام المعكوس الزائف، ^{[ 19 ]} وبالتالي عمليًا يتم حساب المدى على النحو التالي:

${\displaystyle {\textrm {Span}}(\mathbf {D} )\equiv \left[\mathbf {D} \right]=\mathbf {D} (\mathbf {D} ^{T}\mathbf {D} )^{\dagger }\mathbf {D} ^{T}}$

أين${\displaystyle \mathbf {D} ^{\dagger }}$يرمز إلى المعكوس الزائف لـ${\displaystyle \mathbf {D} }$.

إذا تم تقسيم سرعة الإدخال إلى مكونين كما يلي:

$\displaystyle \mathbf {v} _{\textrm {D}}\equiv \left[\mathbf {D} \right]\mathbf {v} _{\textrm {op}}{\textrm {~and~}}\mathbf {v} _{\tau }\equiv \mathbf {v} _{\textrm {op}}-\mathbf {v} _{\textrm {D}}=\langle \mathbf {D} \rangle \mathbf {v} _{\textrm {op}}}$

من الممكن إعادة كتابة قانون التحكم على النحو التالي:

${\displaystyle \mathbf {v} =c\cdot \mathbf {v} _{\textrm {op}}=c\left(\mathbf {v} _{\textrm {D}}+\mathbf {v} _{\tau }\right)}$

ثم أدخل خاصية امتثال جديدة تؤثر فقط على المكون غير المفضل لمدخل السرعة، واكتب قانون التحكم النهائي على النحو التالي:

${\displaystyle \mathbf {v} =c\left(\mathbf {v} _{\textrm {D}}+c_{\tau }\cdot \mathbf {v} _{\tau }\right)=c\left(\left[\mathbf {D} \right]+c_{\tau }\langle \mathbf {D} \rangle \right)\mathbf {v} _{\textrm {op}}}$