Hands-free teleoperation of a nearby manipulator through a virtual body-to-robot link
作者: Alexis Poignant, Nathanaël Jarrassé, Guillaume Morel
分类: cs.RO
发布日期: 2024-06-13
备注: Submitted to IEEE BioRob2024
💡 一句话要点
提出基于虚拟人体-机器人连接的遥操作方法，用于近距离机器人控制
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 遥操作 增强现实 人机交互 机器人控制 虚拟连接
📋 核心要点
- 现有遥操作方法在近距离机器人控制中存在局限性，尤其是在扩展机器人工作空间和操作直观性方面。
- 该方法通过AR头显建立身体部位与机器人末端执行器之间的虚拟连接，将身体运动转化为机器人运动，实现直观控制。
- 实验表明，该方法在任务完成速度和用户偏好方面优于传统操纵杆控制，混合模式兼具直观性和任务范围。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种创新的遥操作控制方法，用于控制近距离的人体操作者附近的机器人，尤其适用于轮椅上的机器人控制。该方法通过增强现实（AR）头显，在特定身体部位和机器人末端执行器之间建立虚拟连接。这种连接将身体旋转转化为放大的执行器平移，扩展了机器人工作空间，超越了一对一映射的能力。此外，连接可以通过操纵杆重新配置，从而实现使用身体/操纵杆运动的混合位置/速度控制模式。在全面概述控制方法后，我们展示了一项实验的结果，旨在阐明该方法与传统操纵杆遥操作方法相比的优缺点。结果表明，身体连接控制的任务完成速度略快，并且自然优于操纵杆速度控制，但对于大范围的任务来说，身体连接控制在体力上要求更高。混合模式允许参与者同时使用两种模式，是一种折衷方案，结合了身体模式的直观性和速度模式的广泛任务范围。最后，我们对使用头部运动的潜在辅助应用进行了初步观察，特别是对于身体活动范围有限的操作者。
🔬 方法详解
问题定义：现有遥操作方法，特别是基于操纵杆的控制，在近距离机器人控制中存在局限性。操作者难以直观地控制机器人，且机器人工作空间受限。尤其是在辅助机器人应用中，例如轮椅上的机器人，操作者可能身体活动范围有限，传统方法难以满足需求。
核心思路：本文的核心思路是建立人体与机器人之间的直接且直观的连接。通过将操作者的身体运动（例如头部或手臂的旋转）映射到机器人的末端执行器的运动，操作者可以像控制自己的身体一样控制机器人。这种方法旨在提高操作的直观性和效率，并扩展机器人的有效工作空间。
技术框架：该系统的整体框架包括以下几个主要模块：1) 运动捕捉模块：使用AR头显或其他传感器捕捉操作者的身体运动。2) 映射模块：建立身体运动与机器人末端执行器运动之间的映射关系。这种映射关系可以是直接的位置映射，也可以是更复杂的旋转到平移的映射。3) 控制模块：根据映射关系，将操作者的身体运动转化为机器人的控制指令。4) 机器人控制模块：接收控制指令，控制机器人的运动。5) 反馈模块：通过AR头显或其他方式向操作者提供机器人的状态信息。
关键创新：该方法最重要的创新点在于建立了身体与机器人之间的虚拟连接，实现了直观的遥操作。与传统的操纵杆控制相比，该方法允许操作者使用更自然的身体运动来控制机器人，提高了操作的效率和舒适性。此外，该方法还引入了混合控制模式，允许操作者同时使用身体运动和操纵杆来控制机器人，进一步提高了操作的灵活性。
关键设计：关键设计包括：1) 身体部位的选择：选择合适的身体部位（例如头部或手臂）作为控制输入。2) 映射关系的建立：设计合适的映射函数，将身体运动转化为机器人运动。3) 增益调整：调整身体运动到机器人运动的增益，以适应不同的任务需求。4) 混合控制模式的设计：设计合适的混合控制策略，平衡身体运动和操纵杆的控制权重。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，基于身体连接的控制方法在任务完成速度上略优于传统的操纵杆控制，且用户更倾向于使用身体连接控制。混合控制模式结合了身体控制的直观性和操纵杆控制的范围优势，成为一种更优的选择。初步实验还表明，头部运动控制在辅助应用中具有潜力，尤其适用于身体活动范围有限的操作者。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种场景，包括辅助机器人、远程医疗、危险环境下的机器人操作等。例如，可以帮助残疾人士控制轮椅上的机器人，完成日常生活任务；医生可以通过远程控制机器人进行手术；在核电站等危险环境中，可以使用该方法控制机器人进行维修和清理工作。该技术具有广阔的应用前景，有望提高人们的生活质量和工作效率。
📄 摘要（原文）
This paper introduces an innovative control approach for teleoperating a robot in close proximity to a human operator, which could be useful to control robots embedded on wheelchairs. The method entails establishing a virtual connection between a specific body part and the robot's end-effector, visually displayed through an Augmented Reality (AR) headset. This linkage enables the transformation of body rotations into amplified effector translations, extending the robot's workspace beyond the capabilities of direct one-to-one mapping. Moreover, the linkage can be reconfigured using a joystick, resulting in a hybrid position/velocity control mode using the body/joystick motions respectively. After providing a comprehensive overview of the control methodology, we present the results of an experimental campaign designed to elucidate the advantages and drawbacks of our approach compared to the conventional joystick-based teleoperation method. The body-link control demonstrates slightly faster task completion and is naturally preferred over joystick velocity control, albeit being more physically demanding for tasks with a large range. The hybrid mode, where participants could simultaneously utilize both modes, emerges as a compromise, combining the intuitiveness of the body mode with the extensive task range of the velocity mode. Finally, we provide preliminary observations on potential assistive applications using head motions, especially for operators with limited range of motion in their bodies.