Human-Robot Interface for Teleoperated Robotized Planetary Sample Collection and Assembly

📄 arXiv: 2406.08946v1 📥 PDF

作者: Lorenzo Pagliara, Vincenzo Petrone, Enrico Ferrentino, Pasquale Chiacchio

分类: cs.RO, cs.HC, eess.SY

发布日期: 2024-06-13

期刊: 2023 IEEE 10th International Workshop on Metrology for AeroSpace (MetroAeroSpace), Milan, Italy, 2023, pp. 171-176

DOI: 10.1109/MetroAeroSpace57412.2023.10189984

💡 一句话要点

针对行星采样与组装，提出易用且精确的人机交互遥操作方案

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人机交互 遥操作 机器人 行星采样 触觉反馈

📋 核心要点

  1. 现有遥操作系统在精确运动和工作空间扩展之间存在固有矛盾，限制了行星采样等ISRU任务的效率。
  2. 该论文提出一种新的操作概念，结合触觉遥操作和离线规划的自动轨迹，扩展遥操作空间并提高任务精度。
  3. 实验表明，该系统提高了任务成功率，对延迟具有鲁棒性，并降低了操作员的培训难度。

📝 摘要（中文）

随着人类太空探索向更远距离和更长时间的航行发展，原位资源利用(ISRU)变得越来越重要。触觉遥操作是人类远程执行此类活动的技术之一，人类的专业知识对于复杂活动仍然是必要的。为了有效执行精确任务，操作员必须体验到易用性和准确性。降低培训程序的复杂性以及没有机器人遥操作特定背景的操作员的学习时间也需要同样的功能。允许自然力感知的触觉遥操作系统需要在精确运动和工作空间扩展之间进行权衡。显然，这两者都是典型ISRU任务所需要的。在这项工作中，我们开发了一种新的操作概念和合适的人机界面，以实现易用和准确的样本收集和组装。在所提出的操作概念中，通过执行在控制站离线规划的自动轨迹来扩展遥操作空间。在三个不同的实验场景中，我们通过评估触觉对任务成功的贡献、系统对持续延迟的鲁棒性以及新操作员的易于培训性，验证了涉及控制站和机器人资产的端到端系统。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决行星采样和组装任务中，传统遥操作系统在精确性和工作空间范围上的局限性问题。现有方法难以兼顾操作的精确性和覆盖范围，导致任务效率低下，操作员培训成本高昂。

核心思路：论文的核心思路是将触觉遥操作与离线规划的自动轨迹相结合。触觉遥操作提供精确的力反馈和操作感知，而自动轨迹则扩展了机器人的工作空间，从而在保证操作精度的同时，提高了任务的覆盖范围和效率。

技术框架：该系统包含控制站和机器人资产两部分。控制站负责离线轨迹规划和触觉遥操作控制，机器人资产则执行规划的轨迹和接收遥操作指令。操作员通过触觉设备与机器人交互，并可以根据需要调整自动轨迹。整个流程包括：1) 离线轨迹规划；2) 轨迹执行与触觉遥操作；3) 任务完成评估。

关键创新：该论文的关键创新在于将离线轨迹规划与触觉遥操作无缝集成，从而克服了传统遥操作系统在精确性和工作空间范围上的trade-off。这种混合方法允许操作员在广阔的工作空间内进行精确操作，提高了任务的效率和成功率。

关键设计：论文中，离线轨迹规划采用优化的路径规划算法，确保轨迹的可执行性和平滑性。触觉遥操作采用力反馈控制算法，提供操作员真实的力感。此外，系统还设计了延迟补偿机制，以提高系统对网络延迟的鲁棒性。具体的参数设置和控制算法细节在论文中未详细描述，属于未知信息。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过三个实验场景验证了该系统的有效性。实验结果表明，触觉反馈显著提高了任务成功率，系统对持续延迟具有较强的鲁棒性，且新操作员经过简单的培训即可熟练使用该系统。具体的性能数据和对比基线在摘要中未提及，属于未知信息。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于深空探测、危险环境作业、远程医疗等领域。在深空探测中，该系统可用于远程控制机器人进行行星采样和组装，降低宇航员的风险。在危险环境作业中，该系统可用于远程控制机器人进行核废料处理、灾难救援等任务。在远程医疗中，该系统可用于远程手术和诊断，提高医疗服务的可及性。

📄 摘要（原文）

As human space exploration evolves toward longer voyages farther from our home planet, in-situ resource utilization (ISRU) becomes increasingly important. Haptic teleoperations are one of the technologies by which such activities can be carried out remotely by humans, whose expertise is still necessary for complex activities. In order to perform precision tasks with effectiveness, the operator must experience ease of use and accuracy. The same features are demanded to reduce the complexity of the training procedures and the associated learning time for operators without a specific background in robotic teleoperations. Haptic teleoperation systems, that allow for a natural feeling of forces, need to cope with the trade-off between accurate movements and workspace extension. Clearly, both of them are required for typical ISRU tasks. In this work, we develop a new concept of operations and suitable human-robot interfaces to achieve sample collection and assembly with ease of use and accuracy. In the proposed operational concept, the teleoperation space is extended by executing automated trajectories, offline planned at the control station. In three different experimental scenarios, we validate the end-to-end system involving the control station and the robotic asset, by assessing the contribution of haptics to mission success, the system robustness to consistent delays, and the ease of training new operators.