虚拟导具（Virtual fixture）或称为虚拟夹具或虚拟支架，是在使用者对实际环境感知的基础上，叠加上扩增感测资讯的作法，目的是提升人们进行任务以及遥控机器人任务下的表现。此技术是在1990年代初期由美国空军研究实验室的路易斯·罗森堡所发展。虚拟导具是虚拟现实及扩增实境的开创性平台。
历史
虚拟导具最早是由美国空军阿姆斯壮实验室的路易斯·罗森堡在1992年开发，是第一个架设的沉浸式（immersive）扩增实境系统[1][2][3][4][5][6]。当时的三度绘图太慢，无法绘制出复杂及空间配准（spatially-registered）的扩增实境，Virtual Fixtures用了二个实体的机器手臂，由用户穿戴的完整上身外骨骼来控制。为了让使用户者有沉浸式的感受，在光学配置上有配置一对对准的双筒放大镜，让使用者看机器手臂的视角类似他看自己手臂的视角[1][7][8][9]。结果是空间配准的沉浸式体验，使用者移动其手臂时，会看到机器手臂在他手臂应该在的位置。系统也会有电脑生成的虚拟叠加物，像是模拟的实体屏障、区域以及指引，目的是为了协助使用者处理在实际空间中的任务[10][11]。
虚拟导具的费茨法则性能测试是在一系列人体测试物件上进行的。这是第一次证明，透过提供给使用者沉浸式的扩增实境叠加物，可以显著提升人类在真实世界中处理灵巧事物的能力[12][13]
概念
虚拟导具的概念最早是由罗森堡在1992年所提出[1]，是为了提升人们在工作场合的直接任务以及远端遥控任务的效能，所增加的虚拟感知资讯。虚拟感知资讯可以显示成物理实体的结构上，在空间上配准，让使用者 感知上可以将虚拟感测资讯视为是实际工作环境的一部份。虚拟感知叠加也可抽象化，具有一些实际物理结构没有的特质。这种感知叠加的概念很难视觉化，也不容易讨论，因此出现了虚拟导具（virtual fixture）的名词。为了要说明虚拟导具，常常类比为实体世界中的尺。要徒手在纸上画出笔直线条，对大多数的人而言很难作的又准确又快速。但是若有尺作为辅助，人们就可以快速且准确的画出笔直线条。尺的作用是辅助绘图者的笔，可以沿著尺画出直线，减少绘图者的手部抖动以及精神负荷，进而提升结果的品质。
罗森堡对虚拟导具的定义[1][7][10]远比导引终端致动器的范围要广。例如声音的虚拟导具可以用声音提供有关终端致动器的位置资讯，提升使用者的觉察能力。罗森堡认为成功的虚拟导具不只是使用者被虚拟导具引导而已，而是使用者在远端工作环境有更像是在现场的体验。不过，在探讨人机协作系统时，常用“虚拟导具”一词来叙述和任务相关的虚拟辅助，重叠在实体环境上，指引使用者在工作区域往预期的方式移动，并且避免使用者往不希望进入的方式移动。以下有些针对这类虚拟导具的叙述。
虚拟导具可以是“导引式虚拟导具”（guiding virtual fixtures）或“禁入区虚拟导具”（forbidden regions virtual fixtures）。例如要遥控车辆到特定位置执行任务，但是在附近区域中不能进入的坑洞，即可将包括坑洞在内的区域画成禁入区，让操作者不会将车辆遥控到禁入区内。
不过就算设立了禁入区，操作者的操作仍可能有误入禁入区的情形，原因可能包括远程操作回路的时间延迟，遥控呈现的效果不佳，或是有其他因素的影响。
导引式虚拟导具的目的是使设备往“建议方向”移动，并且限制设备往“不建议方向”的移动。
不论是“导引式虚拟导具”或“禁入区虚拟导具”，都可以调整导具的刚性（stiffness），若导具刚性越高，则导具是比较“硬”的，相反的，若导具刚性越低，则导具是比较“软”的。
参考资料
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