Independence in the Home: A Wearable Interface for a Person with Quadriplegia to Teleoperate a Mobile Manipulator
作者: Akhil Padmanabha, Janavi Gupta, Chen Chen, Jehan Yang, Vy Nguyen, Douglas J. Weber, Carmel Majidi, Zackory Erickson
分类: cs.RO, cs.HC
发布日期: 2023-12-22 (更新: 2024-01-02)
💡 一句话要点
提出基于惯性传感器的头戴式可穿戴设备HAT，辅助四肢瘫痪患者远程操作移动机械臂。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 远程操作 移动机械臂 四肢瘫痪 头戴式设备 惯性传感器
📋 核心要点
- 现有远程操作界面对于四肢瘫痪等运动障碍人士存在局限性，难以有效控制移动机械臂完成日常任务。
- 提出一种基于惯性传感器的头戴式可穿戴设备HAT，通过头部运动实现对移动机械臂的远程控制。
- 通过7天家庭研究表明，HAT在效率、错误率、学习曲线和工作量等指标上表现良好，提升患者独立性。
📝 摘要（中文）
在家庭环境中远程操作移动机械臂可以显著提高严重运动障碍患者的独立性，使他们能够重新获得进行自我护理和家务任务的能力。对于因身体限制而难以使用现有界面的残疾人士来说，迫切需要新型远程操作界面来提供有效的替代方案。本文迭代了一种这样的界面，HAT（Head-Worn Assistive Teleoperation，头戴式辅助远程操作），这是一种集成到任何头戴式服装中的基于惯性的可穿戴设备。我们通过与亨利·埃文斯（Henry Evans）进行的为期7天的家庭研究来评估HAT，亨利·埃文斯是一位患有四肢瘫痪的非语言人士，他广泛参与了辅助机器人研究。此外，我们还使用一种名为“驾驶员辅助”的移动机械臂共享控制方法评估了HAT，并展示了该界面如何推广到其他物理设备和环境。我们的结果表明，HAT在效率、错误率、学习曲线和工作量等关键指标上都是一个强大的远程操作界面。代码和视频位于我们的项目网站上。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决四肢瘫痪患者难以使用传统界面远程操作移动机械臂的问题。现有方法通常依赖于手部或语音控制，但这些方法对于运动功能严重受损的患者来说并不适用。因此，需要一种更直观、更易于使用的远程操作界面，使他们能够独立完成自我护理和家务任务。
核心思路：论文的核心思路是利用头部运动作为控制信号，通过头戴式惯性传感器捕捉头部姿态，并将其映射到移动机械臂的运动控制指令。这种方法的优势在于头部运动相对稳定且易于控制，能够为患者提供一种自然、直观的交互方式。此外，论文还提出了“驾驶员辅助”共享控制方法，进一步降低了操作难度。
技术框架：HAT系统的整体架构包括三个主要模块：1) 头戴式惯性传感器：用于捕捉头部运动数据；2) 数据处理与映射：将头部运动数据转换为移动机械臂的控制指令；3) 移动机械臂控制：根据接收到的指令控制机械臂的运动。此外，系统还集成了“驾驶员辅助”共享控制方法，允许用户在一定程度上控制机械臂，同时系统自动进行辅助操作，例如避障和路径规划。
关键创新：该论文的关键创新在于将头戴式惯性传感器与移动机械臂远程操作相结合，为四肢瘫痪患者提供了一种新的交互方式。与传统方法相比，HAT系统更加直观、易于使用，并且能够适应不同患者的身体状况。此外，“驾驶员辅助”共享控制方法的提出进一步降低了操作难度，提高了系统的可用性。
关键设计：HAT系统的关键设计包括：1) 惯性传感器的选择与校准：选择高精度、低漂移的惯性传感器，并进行精确校准，以保证头部运动数据的准确性；2) 头部运动与机械臂控制指令的映射：设计合理的映射关系，使头部运动能够自然地控制机械臂的运动；3) “驾驶员辅助”共享控制算法：设计有效的共享控制算法，平衡用户控制和系统辅助，提高操作效率和安全性。
📊 实验亮点
通过与四肢瘫痪患者Henry Evans进行的为期7天的家庭研究表明，HAT系统在效率、错误率、学习曲线和工作量等关键指标上表现良好。实验结果表明，HAT系统能够显著提高患者的独立性，使他们能够更轻松地完成日常任务。此外，该研究还验证了HAT系统在不同物理设备和环境中的通用性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于辅助机器人领域，帮助四肢瘫痪等运动障碍人士远程操作移动机械臂，完成自我护理、家务等日常任务，提高生活质量和独立性。未来可扩展到医疗、工业等领域，例如远程医疗手术、危险环境下的机器人操作等。
📄 摘要（原文）
Teleoperation of mobile manipulators within a home environment can significantly enhance the independence of individuals with severe motor impairments, allowing them to regain the ability to perform self-care and household tasks. There is a critical need for novel teleoperation interfaces to offer effective alternatives for individuals with impairments who may encounter challenges in using existing interfaces due to physical limitations. In this work, we iterate on one such interface, HAT (Head-Worn Assistive Teleoperation), an inertial-based wearable integrated into any head-worn garment. We evaluate HAT through a 7-day in-home study with Henry Evans, a non-speaking individual with quadriplegia who has participated extensively in assistive robotics studies. We additionally evaluate HAT with a proposed shared control method for mobile manipulators termed Driver Assistance and demonstrate how the interface generalizes to other physical devices and contexts. Our results show that HAT is a strong teleoperation interface across key metrics including efficiency, errors, learning curve, and workload. Code and videos are located on our project website.