王卓,白晓亮*,,郭健,谢饶生,任志伟

(1. 西北工业大学 机电学院,西安 710072; 2. 北京空天技术研究所,北京 100074)

本文讨论了如何利用AR指令来表示微操作,以提高手工操作的精度。增强现实(Augmented reality, AR)[1]是一种人机交互技术,它利用计算机生成的视觉信息(即AR指令)覆盖人类的自然视觉感知。AR指令是指在AR界面上显示的所有虚拟信息,如二维图标、文本、零部件三维模型、操作动画等,基于AR的手工装配是AR技术的主要应用之一。用户手工操作的精度由AR指令控制。在这项工作中,特别关注的是AR指令对于装配精度的描述能力,它使用一种面向用户认知的微操作视觉表达将帮助从熟练的用户转移到新手。以往的研究只讨论AR指令对于装配任务的一般性引导,而回避了AR指令在引导手工操作精度方面的不足。因此,AR指令影响手工微操作精度的因素目前仍不清楚。

纵观现有的AR指令可视化研究,影响AR指令对于手工操作的描述能力的因素有两个:引导方法的形象性和指令内容的直观性。指令内容的具体性是指AR指令对于手工操作过程的描述性能。对于精度操作而言,如何把不易表达的微观信息以具体的形式展示给用户是认知操作的直观性主要关注的问题。以往的AR指令设计中考虑了指令内容的具体性。Oda等[2]将上下缸体的对接过程解释为三条可控的颜色编码线,以显示两者之间的孔位对应关系。Radkowski等[3]将孔轴配合关系解释为一组特定的图形信息,以强化用户对于该项微操作物理任务的理解。Tang等[4]将用户的关节位置和角度描述了一种可控的扇形引导,它很好地控制了用户的手部运动精度。上述研究表明,尽管AR指令是一种很有前途的辅助工具,但仍有许多创新机会来克服其在精度操作引导方面的局限性。本研究旨在探讨上述两种因素对于AR指令表达效果的影响,从而提升指令对于高精度手工过程的描述能力。

1 基于AR的操作精度可视化

1.1 T-AR与M-AR

在AR领域中,传统的指令可视化设计是指利用AR指令对用户进行中低精度引导的方法。目前80%以上的AR应用均属于此类,它们广泛地应用于装配设计与规划、装配训练、装配引导[5]等多个领域。传统AR指令(Traditional AR;T-AR)是指利用二维图形、文字、图像、三维模型、动画等描述物理任务中涉及的零件状态、装配关系、装配工艺等信息的一种视觉表达。MicroAR指令(Micro AR; M-AR)是传统AR指令衍生的一种方法,它是指利用传统AR指令的视觉元素描述高精度物理任务中设计的零件状态、装配关系、装配工艺等信息的一种视觉表达。表1比较了两类指令在AR装配方面的不同之处。

表1 T-AR与M-AR的比较

前述2种属性是M-AR相比于T-AR的优势所在。然而,目前仍然有2个问题阻碍了M-AR在手工装配领域的发展。首先, AR指令无法对涉及手工装配精度的任务进行导航[8]。以往的AR指令利用AR动画向用户展示手工装配的操作细节,然而这些动画信息只能表达物理任务的轮廓性信息,无法对物理任务中涉及的操作细节进行实时引导。这限制了M-AR在手工精度操作中的应用。其次, AR指令无法合理地表达手工操作精度[9-10]。现有的AR指令暂无展示装配引导精度的能力,这很可能是限制M-AR在手工操作中广泛应用的首要原因。

1.2 面向操作精度的可视化设计

如图1所示,通过设计一个安装精密接插件的手工装配任务。接插件与插座之间的精密安装关系主要是通过如下3种AR指令设计来表达，如图2所示。

图1 手工精度装配任务

图2 M-AR指令的可视化设计

1) 第一种AR指令利用视觉信息表达逻辑约束信息。逻辑约束是用户认知与精度装配在信息层次上的有机结合,将其接插件的针脚与插座的针孔之间的装配关系转化为2个十字标识之间的距离约束。如图2a)所示,视觉信息包括原位十字标识、可控十字标识、导航路径、精度数值等视觉表示。

2) 第二种AR指令在第一种AR指令的基础上添加了反映指令内容的直观性的视觉元素。如图2b)所示,通过一个局部放大窗口来表达2个十字标识之间的距离约束。其中,红色十字标识表示接插件的当前位置,而绿色十字标识表示插座的当前位置。当执行手工精度装配时,2个十字标识会靠的很近,此时局部放大窗口会将用户以往无法看到的细节呈现出来,以帮助用户对接插件完成手工微调。

3) 第三种AR指令在第一种AR指令的基础上添加了反映引导方法的形象性的视觉元素。如图5所示,精度数值被转化为一个逻辑值来表达2个十字标识之间的准确程度。其中,红色“×”标识表示两者之间的距离约束关系不满足精度要求,而绿色“√”标识表示两者之间的距离约束关系满足精度要求。当执行手工精度装配时,2个标识会依据手工操作的情况而实时的发生变化,用户需要根据标识的状态来调整自己的手工操作方向。

2 系统设计与试验分析

2.1 系统设计

基于AR的精度装配引导系统架构如图3所示。

图3 基于AR的精度装配引导系统

2.2 试验分析

在一个房间里放置了一个试验台,一边有1个方形接插件,另一边有一个圆柱形插座。方形接插件塞长约1 500 mm,宽1 500 mm,高1 500 mm。插座的直径约为3 300 mm,深度为2 800 mm。用户将根据一台投影仪提供的AR指令完成手工操作。

2.2.1 试验安排

拥有工学专业背景的25名机械专业的学生被邀请来参与这项研究。在试验开始前,他们被告知,每一种AR指令都对应于当前接插件的安装状态,他们的目标是尽可能高效地完成该任务,同时花费尽可能多的时间来感觉所提供的指令被完全理解。此外,使用计时器记录每个参与者完成每个任务所需的时间。此外,参与者还被要求完成一份调查问卷,在调查问卷中询问他们在完成研究前后对任务的信心。此外,7点Likert量表(表2)[11]被用来记录统计数据的置信水平。图4所示为3种情况下的可视化接口。

表2 7点Likert量表问卷

图4 AR指令的可视化接口

2.2.2 试验结果

1) 任务时间

由统计数据可知,3类可视化指令在装配时间方面存在统计学意义上的显著性差异,即后2种所设计的指令大幅度缩短了任务时间。在这些接口中,第三种时间最短,第一种时间最长。

2) 用户体验

此外,Cronbach′s alpha表明,Likert项之间的内部一致性良好(α=0.804),排除了对可靠性有显著影响的每个项(α从0.708 到0.804)。为了对利克特量表的结果进行因子分析,采用弗里德曼检验(α=0.05)来观察2类可视化指令在8个问题上的排名是否有显著差异。

结果显示,参与者在所有项目上均显著差异(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)。这表明,3个接口从上述多个方面影响了参与者的评分,也影响了参与者对视觉信息的感知质量(Q1:享受,Q2:专注,Q3:自信,Q4:自然直观,Q5:可行性,Q6:感觉高效,Q7:可用性,Q8:可理解性)。此外,每个项目的评分结果也被进一步分析。在大多数情况下,第一类AR指令的评级是最低的,第二种介于两者之间,第三种AR指令的得分在大多数情况下是最高的。随后,使用带Wilcoxon符号的秩检验和Bonferroni校正(α=.0167)对两者进行了成对比较。

秩检验结果如表3所示,第一种的评分明显低于第二种、第三种。而第二种在问题1和问题3上同第三种并没有统计学意义上的差异。

表3 Wilcoxon评分问题的秩检验结果

2.2.3 试验讨论

由任务时间的数据可知,后两种AR指令比第一种AR指令提高了用户的装配效率。这表明,参与者这在精度装配中更加偏爱于使经过改进的AR指令,因为它们将手工精度规则很好地呈现了给了用户。问卷结果表明,后两种AR指令比第一种指令在用户体验相关问题的回答有更显著的影响,这从排名问题中的Q1(享受)、Q2(专注)、Q3(自信)、Q4(自然直观)可知。这证明了考虑2种因素的AR指令确实比第一种指令有更好的操作体验。此外,根据数据,后两种AR指令比第一种指令在辅助用户相关问题的回答有更显著的影响,包括Q5(可行性)、Q6(有效性)、Q7(可用性)和Q8(可理解性)。这表明,考虑2种因素的AR指令能够使用户更好地掌握任务的核心内容,了解当前进展。值得一提的是,第二种指令在用户视觉体验性、意图确信性这两个方面并不优于第三种指令,这表明,形象性和直观性这2个因素不能评价这2个方面。

3 结论

本文针对手工精度装配中装配效率不高、用户理解易出错等难题,在以往AR指令可视化设计的基础上,提出了一种基于增强现实的新型装配指令可视化设计。首先,给出了用于分析评价因素的可视化设计。而后,设计并实施了基于增强现实的装配引导实验,比较了3种测试指令在装配时间、操作经验方面的用户性能。试验结果表明本文方法将引导方法的形象性、指令内容的直观性作为指令设计因素,能显著提高精度装配效率与用户操作体验。