王卓,白曉亮*,,郭健,謝饒生,任志偉

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院,西安 710072; 2. 北京空天技術(shù)研究所,北京 100074)

本文討論了如何利用AR指令來表示微操作,以提高手工操作的精度。增強現(xiàn)實(Augmented reality, AR)[1]是一種人機交互技術(shù),它利用計算機生成的視覺信息(即AR指令)覆蓋人類的自然視覺感知。AR指令是指在AR界面上顯示的所有虛擬信息,如二維圖標(biāo)、文本、零部件三維模型、操作動畫等,基于AR的手工裝配是AR技術(shù)的主要應(yīng)用之一。用戶手工操作的精度由AR指令控制。在這項工作中,特別關(guān)注的是AR指令對于裝配精度的描述能力,它使用一種面向用戶認(rèn)知的微操作視覺表達(dá)將幫助從熟練的用戶轉(zhuǎn)移到新手。以往的研究只討論AR指令對于裝配任務(wù)的一般性引導(dǎo),而回避了AR指令在引導(dǎo)手工操作精度方面的不足。因此,AR指令影響手工微操作精度的因素目前仍不清楚。

縱觀現(xiàn)有的AR指令可視化研究,影響AR指令對于手工操作的描述能力的因素有兩個:引導(dǎo)方法的形象性和指令內(nèi)容的直觀性。指令內(nèi)容的具體性是指AR指令對于手工操作過程的描述性能。對于精度操作而言,如何把不易表達(dá)的微觀信息以具體的形式展示給用戶是認(rèn)知操作的直觀性主要關(guān)注的問題。以往的AR指令設(shè)計中考慮了指令內(nèi)容的具體性。Oda等[2]將上下缸體的對接過程解釋為三條可控的顏色編碼線,以顯示兩者之間的孔位對應(yīng)關(guān)系。Radkowski等[3]將孔軸配合關(guān)系解釋為一組特定的圖形信息,以強化用戶對于該項微操作物理任務(wù)的理解。Tang等[4]將用戶的關(guān)節(jié)位置和角度描述了一種可控的扇形引導(dǎo),它很好地控制了用戶的手部運動精度。上述研究表明,盡管AR指令是一種很有前途的輔助工具,但仍有許多創(chuàng)新機會來克服其在精度操作引導(dǎo)方面的局限性。本研究旨在探討上述兩種因素對于AR指令表達(dá)效果的影響,從而提升指令對于高精度手工過程的描述能力。

1 基于AR的操作精度可視化

1.1 T-AR與M-AR

在AR領(lǐng)域中,傳統(tǒng)的指令可視化設(shè)計是指利用AR指令對用戶進行中低精度引導(dǎo)的方法。目前80%以上的AR應(yīng)用均屬于此類,它們廣泛地應(yīng)用于裝配設(shè)計與規(guī)劃、裝配訓(xùn)練、裝配引導(dǎo)[5]等多個領(lǐng)域。傳統(tǒng)AR指令(Traditional AR;T-AR)是指利用二維圖形、文字、圖像、三維模型、動畫等描述物理任務(wù)中涉及的零件狀態(tài)、裝配關(guān)系、裝配工藝等信息的一種視覺表達(dá)。MicroAR指令(Micro AR; M-AR)是傳統(tǒng)AR指令衍生的一種方法,它是指利用傳統(tǒng)AR指令的視覺元素描述高精度物理任務(wù)中設(shè)計的零件狀態(tài)、裝配關(guān)系、裝配工藝等信息的一種視覺表達(dá)。表1比較了兩類指令在AR裝配方面的不同之處。

表1 T-AR與M-AR的比較

前述2種屬性是M-AR相比于T-AR的優(yōu)勢所在。然而,目前仍然有2個問題阻礙了M-AR在手工裝配領(lǐng)域的發(fā)展。首先, AR指令無法對涉及手工裝配精度的任務(wù)進行導(dǎo)航[8]。以往的AR指令利用AR動畫向用戶展示手工裝配的操作細(xì)節(jié),然而這些動畫信息只能表達(dá)物理任務(wù)的輪廓性信息,無法對物理任務(wù)中涉及的操作細(xì)節(jié)進行實時引導(dǎo)。這限制了M-AR在手工精度操作中的應(yīng)用。其次, AR指令無法合理地表達(dá)手工操作精度[9-10]?，F(xiàn)有的AR指令暫無展示裝配引導(dǎo)精度的能力,這很可能是限制M-AR在手工操作中廣泛應(yīng)用的首要原因。

1.2 面向操作精度的可視化設(shè)計

如圖1所示,通過設(shè)計一個安裝精密接插件的手工裝配任務(wù)。接插件與插座之間的精密安裝關(guān)系主要是通過如下3種AR指令設(shè)計來表達(dá)，如圖2所示。

圖1 手工精度裝配任務(wù)

圖2 M-AR指令的可視化設(shè)計

1) 第一種AR指令利用視覺信息表達(dá)邏輯約束信息。邏輯約束是用戶認(rèn)知與精度裝配在信息層次上的有機結(jié)合,將其接插件的針腳與插座的針孔之間的裝配關(guān)系轉(zhuǎn)化為2個十字標(biāo)識之間的距離約束。如圖2a)所示,視覺信息包括原位十字標(biāo)識、可控十字標(biāo)識、導(dǎo)航路徑、精度數(shù)值等視覺表示。

2) 第二種AR指令在第一種AR指令的基礎(chǔ)上添加了反映指令內(nèi)容的直觀性的視覺元素。如圖2b)所示,通過一個局部放大窗口來表達(dá)2個十字標(biāo)識之間的距離約束。其中,紅色十字標(biāo)識表示接插件的當(dāng)前位置,而綠色十字標(biāo)識表示插座的當(dāng)前位置。當(dāng)執(zhí)行手工精度裝配時,2個十字標(biāo)識會靠的很近,此時局部放大窗口會將用戶以往無法看到的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)出來,以幫助用戶對接插件完成手工微調(diào)。

3) 第三種AR指令在第一種AR指令的基礎(chǔ)上添加了反映引導(dǎo)方法的形象性的視覺元素。如圖5所示,精度數(shù)值被轉(zhuǎn)化為一個邏輯值來表達(dá)2個十字標(biāo)識之間的準(zhǔn)確程度。其中,紅色“×”標(biāo)識表示兩者之間的距離約束關(guān)系不滿足精度要求,而綠色“√”標(biāo)識表示兩者之間的距離約束關(guān)系滿足精度要求。當(dāng)執(zhí)行手工精度裝配時,2個標(biāo)識會依據(jù)手工操作的情況而實時的發(fā)生變化,用戶需要根據(jù)標(biāo)識的狀態(tài)來調(diào)整自己的手工操作方向。

2 系統(tǒng)設(shè)計與試驗分析

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

基于AR的精度裝配引導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于AR的精度裝配引導(dǎo)系統(tǒng)

2.2 試驗分析

在一個房間里放置了一個試驗臺,一邊有1個方形接插件,另一邊有一個圓柱形插座。方形接插件塞長約1 500 mm,寬1 500 mm,高1 500 mm。插座的直徑約為3 300 mm,深度為2 800 mm。用戶將根據(jù)一臺投影儀提供的AR指令完成手工操作。

2.2.1 試驗安排

擁有工學(xué)專業(yè)背景的25名機械專業(yè)的學(xué)生被邀請來參與這項研究。在試驗開始前,他們被告知,每一種AR指令都對應(yīng)于當(dāng)前接插件的安裝狀態(tài),他們的目標(biāo)是盡可能高效地完成該任務(wù),同時花費盡可能多的時間來感覺所提供的指令被完全理解。此外,使用計時器記錄每個參與者完成每個任務(wù)所需的時間。此外,參與者還被要求完成一份調(diào)查問卷,在調(diào)查問卷中詢問他們在完成研究前后對任務(wù)的信心。此外,7點Likert量表(表2)[11]被用來記錄統(tǒng)計數(shù)據(jù)的置信水平。圖4所示為3種情況下的可視化接口。

表2 7點Likert量表問卷

圖4 AR指令的可視化接口

2.2.2 試驗結(jié)果

1) 任務(wù)時間

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,3類可視化指令在裝配時間方面存在統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著性差異,即后2種所設(shè)計的指令大幅度縮短了任務(wù)時間。在這些接口中,第三種時間最短,第一種時間最長。

2) 用戶體驗

此外,Cronbach′s alpha表明,Likert項之間的內(nèi)部一致性良好(α=0.804),排除了對可靠性有顯著影響的每個項(α從0.708 到0.804)。為了對利克特量表的結(jié)果進行因子分析,采用弗里德曼檢驗(α=0.05)來觀察2類可視化指令在8個問題上的排名是否有顯著差異。

結(jié)果顯示,參與者在所有項目上均顯著差異(Q1:χ2(2)=22.917,p=.008; Q2:χ2(2)=21.147,p=.009; Q3:χ2(2)=20.113,p=.004; Q4:χ2(2)=19.001,p<.001; Q5:χ2(2)=18.014,p=.002; Q6:χ2(2)=21.008, p<.001; Q7:χ2(2)=14.667,p<.001; Q8:χ2(2)=11.461,p<.001)。這表明,3個接口從上述多個方面影響了參與者的評分,也影響了參與者對視覺信息的感知質(zhì)量(Q1:享受,Q2:專注,Q3:自信,Q4:自然直觀,Q5:可行性,Q6:感覺高效,Q7:可用性,Q8:可理解性)。此外,每個項目的評分結(jié)果也被進一步分析。在大多數(shù)情況下,第一類AR指令的評級是最低的,第二種介于兩者之間,第三種AR指令的得分在大多數(shù)情況下是最高的。隨后,使用帶Wilcoxon符號的秩檢驗和Bonferroni校正(α=.0167)對兩者進行了成對比較。

秩檢驗結(jié)果如表3所示,第一種的評分明顯低于第二種、第三種。而第二種在問題1和問題3上同第三種并沒有統(tǒng)計學(xué)意義上的差異。

表3 Wilcoxon評分問題的秩檢驗結(jié)果

2.2.3 試驗討論

由任務(wù)時間的數(shù)據(jù)可知,后兩種AR指令比第一種AR指令提高了用戶的裝配效率。這表明,參與者這在精度裝配中更加偏愛于使經(jīng)過改進的AR指令,因為它們將手工精度規(guī)則很好地呈現(xiàn)了給了用戶。問卷結(jié)果表明,后兩種AR指令比第一種指令在用戶體驗相關(guān)問題的回答有更顯著的影響,這從排名問題中的Q1(享受)、Q2(專注)、Q3(自信)、Q4(自然直觀)可知。這證明了考慮2種因素的AR指令確實比第一種指令有更好的操作體驗。此外,根據(jù)數(shù)據(jù),后兩種AR指令比第一種指令在輔助用戶相關(guān)問題的回答有更顯著的影響,包括Q5(可行性)、Q6(有效性)、Q7(可用性)和Q8(可理解性)。這表明,考慮2種因素的AR指令能夠使用戶更好地掌握任務(wù)的核心內(nèi)容,了解當(dāng)前進展。值得一提的是,第二種指令在用戶視覺體驗性、意圖確信性這兩個方面并不優(yōu)于第三種指令,這表明,形象性和直觀性這2個因素不能評價這2個方面。

3 結(jié)論

本文針對手工精度裝配中裝配效率不高、用戶理解易出錯等難題,在以往AR指令可視化設(shè)計的基礎(chǔ)上,提出了一種基于增強現(xiàn)實的新型裝配指令可視化設(shè)計。首先,給出了用于分析評價因素的可視化設(shè)計。而后,設(shè)計并實施了基于增強現(xiàn)實的裝配引導(dǎo)實驗,比較了3種測試指令在裝配時間、操作經(jīng)驗方面的用戶性能。試驗結(jié)果表明本文方法將引導(dǎo)方法的形象性、指令內(nèi)容的直觀性作為指令設(shè)計因素,能顯著提高精度裝配效率與用戶操作體驗。