近年來，企業(yè)和品牌利用AR的3D可視化功能來遠(yuǎn)程輔助維修、指導(dǎo)用戶對(duì)產(chǎn)品自檢的案例越來越多。AR的好處是可以為用戶帶來額外信息，比如將3D虛擬指示固定在物理空間中，或是疊加在需要操作的設(shè)備上，幫助用戶直觀、準(zhǔn)確的了解操作步驟。利用AR可視化指導(dǎo)方案，甚至可以幫助新員工快速了解工作流程。

那么，如果將AR用于實(shí)驗(yàn)室中，是不是也可以幫助實(shí)驗(yàn)人員更直觀的查看實(shí)驗(yàn)步驟，從而提升實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和效率呢？

近期，英國帝國理工大學(xué)REDS實(shí)驗(yàn)室就進(jìn)行了這樣一種嘗試，將AR可視化用來規(guī)范柔性機(jī)械臂的手動(dòng)設(shè)置流程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的流程是，戴上HoloLens的實(shí)驗(yàn)員用手勢(shì)操作，將虛擬的AR機(jī)械臂移動(dòng)到設(shè)定好的位置上，然后再用手將真的機(jī)械臂移動(dòng)到AR的位置，按照虛擬機(jī)械臂的形狀去擺放。

如此一來，實(shí)驗(yàn)員可以更準(zhǔn)確、直觀的設(shè)置柔性機(jī)械臂，這與參考2D圖片相比，效率更高，而且誤差也更小。據(jù)了解，利用AR來對(duì)齊機(jī)械臂的平均誤差約為10.54±4.32毫米，比沒有AR輔助的手動(dòng)對(duì)齊誤差更低（高達(dá)19.62毫米），說明AR可視化明顯降低了手動(dòng)調(diào)試的誤差。

柔性機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)痛點(diǎn)

在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)械臂常用于自動(dòng)化作業(yè)等場(chǎng)景，比如進(jìn)行自動(dòng)裝配、噴氣、搬運(yùn)、焊接等工作。與工業(yè)領(lǐng)域常見的關(guān)節(jié)機(jī)器人/多軸機(jī)械臂相比，柔性機(jī)械臂的優(yōu)勢(shì)在于扭轉(zhuǎn)方向和程度更靈活，不受關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度限制，可彎曲成各種形狀。而且易于定制，適用于制造、航天器維護(hù)、損傷復(fù)健等場(chǎng)景。

不過，柔性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方式更加復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)軌跡是非線性的，因此需要建立動(dòng)力學(xué)模型來動(dòng)態(tài)控制。此外，柔性機(jī)械臂可輔助關(guān)節(jié)機(jī)器人，作為靈活的第三只手臂來進(jìn)行分擔(dān)工作量。

與硬性的關(guān)節(jié)機(jī)械臂相比，柔性機(jī)械臂更難操作，尤其是用手動(dòng)來塑形可能會(huì)產(chǎn)生誤差。通常，培訓(xùn)柔性機(jī)械臂的時(shí)候需要先手動(dòng)將它塑造成任務(wù)所需的形狀，而在沒有指導(dǎo)的情況下，實(shí)驗(yàn)員很難將機(jī)器人配置成準(zhǔn)確的形狀。

科研人員表示：多自由度機(jī)器人在設(shè)計(jì)、軌跡規(guī)劃和方向控制等方面都存在難度，而這也是許多圍繞機(jī)器人設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中普遍面臨的問題。隨著機(jī)器人和計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，操控機(jī)械臂的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性越來越高，不過在一些任務(wù)中，需要由人來手動(dòng)操作機(jī)械臂，而這可能會(huì)影響任務(wù)的準(zhǔn)確性。

這是因?yàn)?，?jì)算機(jī)的意圖很難與人工操作者同步（因?yàn)槿四X需要將2D配置圖轉(zhuǎn)化成3D場(chǎng)景，這個(gè)過程和手動(dòng)操作的過程可能會(huì)存在誤差），這時(shí)候AR可視化成為一種有效的解決方案。

AR可視化解決問題

因此，REDS實(shí)驗(yàn)室的科研人員研發(fā)了一個(gè)AR可視化系統(tǒng)，通過直觀的AR指示，來輔助機(jī)械臂培訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)中采用的機(jī)械臂由柔性和硬性部分組成，其中柔性部分內(nèi)含聚脂薄膜層，具有一定程度的可塑性，在彎曲后可以固定位置。

據(jù)了解，REDS實(shí)驗(yàn)室研發(fā)團(tuán)隊(duì)分別來自于計(jì)算機(jī)系和戴森設(shè)計(jì)工程學(xué)院的學(xué)生，戴森設(shè)計(jì)工程學(xué)院是戴森公司投資冠名的學(xué)院，戴森在在2014年投資帝國理工500萬英鎊，建立機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。

該研究論文高級(jí)作者Nicolas Rojas博士表示：手動(dòng)調(diào)整機(jī)械臂的一大難點(diǎn)是位置移動(dòng)的準(zhǔn)確性，僅依靠目測(cè)效果不好，因此需要用AR可視化來輔助。

簡單來講，AR在這場(chǎng)科研實(shí)驗(yàn)中的作用是，輔助實(shí)驗(yàn)員手動(dòng)塑型/調(diào)整機(jī)械臂，將機(jī)械臂訓(xùn)練變得更直觀、標(biāo)準(zhǔn)化。細(xì)節(jié)方面，HoloLens通過攝像頭來定位AR，而使用者則可以看到疊加在真實(shí)場(chǎng)景中的AR指示，也可以用手調(diào)整AR的位置。通過將機(jī)械臂與AR可視化模板重疊，你可以將它鎖定到正確的方位。

實(shí)際上，用AR提供可視化指導(dǎo)的關(guān)鍵是將空間信息和虛擬標(biāo)記結(jié)合，顯示準(zhǔn)確的3D空間關(guān)系，從而提升AR指導(dǎo)的準(zhǔn)確性。在此前Rosen等人進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中就發(fā)現(xiàn)，利用AR頭顯來標(biāo)記撞擊的準(zhǔn)確率高達(dá)75%，而利用移動(dòng)2D AR來標(biāo)記的準(zhǔn)確性為65%，說明立體AR指導(dǎo)的準(zhǔn)確性更好，可提供更直觀的空間定位效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

接下來，為了驗(yàn)證AR指導(dǎo)方案的效果，科研人員在5名男性中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這5個(gè)人的年齡在20到26歲之間，他們擁有機(jī)器人技術(shù)知識(shí)，不過缺少專門操作柔性機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，參與實(shí)驗(yàn)的5個(gè)人均可準(zhǔn)確調(diào)試機(jī)器人。

經(jīng)過證明，科研人員發(fā)現(xiàn)AR可簡化柔性機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)的過程，實(shí)驗(yàn)人員不需要很多技術(shù)經(jīng)驗(yàn)也能操作。而在后續(xù)的體驗(yàn)調(diào)查中，大多數(shù)參與者對(duì)AR可視化方案比非AR方案更感到滿意。

不過，利用AR指導(dǎo)操作依然存在誤差，其原因可歸結(jié)為以下幾種：1）手勢(shì)追蹤誤差；2）AR定位誤差、缺少自動(dòng)動(dòng)態(tài)的對(duì)齊系統(tǒng)；3）3D渲染的刷新率低，快速移動(dòng)頭部可能會(huì)導(dǎo)致AR圖像位移。此外，柔性機(jī)械臂不能像硬性機(jī)械臂那樣維持其形狀，柔性部分可能會(huì)受到硬性部分影響而偏移位置。

總結(jié)

總體來講，這是一項(xiàng)探索人機(jī)交互（HRI）的實(shí)驗(yàn)。盡管HRI已經(jīng)是一個(gè)得到充分研究的領(lǐng)域，但大多數(shù)科研人員認(rèn)為，目前依然需要一種方式來幫助人類和機(jī)器人對(duì)空間的理解達(dá)成共識(shí)。傳統(tǒng)基于2D顯示屏的方案并不直觀，使用者需要抬頭對(duì)比屏幕來確認(rèn)每一步操作，整個(gè)過程比較繁瑣，而且可能存在誤差。

相比之下，AR的可視化特性可進(jìn)一步提升人機(jī)交互的效率、準(zhǔn)確性。利用AR來指導(dǎo)機(jī)械臂操作的方案， 潛在的應(yīng)用場(chǎng)景還包括制造、建筑、車輛維護(hù)、輔助病人復(fù)健等等，甚至還可以在航天器上使用。

接下來，科研人員計(jì)劃將AR可視化與觸覺、音頻反饋結(jié)合。目前，確認(rèn)機(jī)械臂配置主要通過視覺提示，而結(jié)合音頻和觸覺等額外的感知提示，有望進(jìn)一步提升機(jī)械臂配置的準(zhǔn)確性。

此外，也計(jì)劃將AR可視化用于硬性機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)橛残詸C(jī)械臂比柔性機(jī)械臂更容易固定，操控的準(zhǔn)確性和精度更好。

參考：

https://spiral.imperial.ac.uk/bitstream/10044/1/94598/2/Augmented%20reality%20malleable%20robots%20%28Final%20version%29.pdf

關(guān)鍵詞： 指導(dǎo)方案 工程學(xué)院 人機(jī)交互