Self-Centering 3-DoF Feet Controller for Hands-Free Locomotion Control in Telepresence and Virtual Reality
作者: Raphael Memmesheimer, Christian Lenz, Max Schwarz, Michael Schreiber, Sven Behnke
分类: cs.RO, cs.HC
发布日期: 2024-08-05 (更新: 2024-11-26)
备注: 4 pages, 7 figures, submitted to 2024 IEEE International Conference on Telepresence (Tele 2024)
💡 一句话要点
提出一种自定心的3自由度脚部控制器，用于远程呈现和虚拟现实中的免手持运动控制
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 脚部控制器 运动控制 远程呈现 虚拟现实 人机交互 3D打印 自定心
📋 核心要点
- 现有远程呈现和虚拟现实应用中，缺乏自然且易于使用的运动控制方式，限制了用户体验和操作效率。
- 该论文提出一种基于脚部的3自由度控制器，利用脚部的倾斜和旋转实现前进、后退、侧向移动和旋转，操作直观。
- 该控制器已成功应用于ANA Avatar XPRIZE竞赛，验证了其在复杂环境下的运动控制能力和交互操作性能。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种新型的坐姿脚部控制器，用于处理3自由度的运动控制，旨在应用于远程呈现机器人和虚拟现实环境。通过在两个轴上倾斜脚部，可以实现前进、后退和侧向运动。此外，一个独立的旋转关节允许绕垂直轴旋转。所有关节上附加的弹簧使控制器能够自定心。HTC Vive追踪器用于将追踪器的方向转换为运动指令。所提出的自定心脚部控制器已成功用于ANA Avatar XPRIZE竞赛，其中一位普通操作员通过该机器人长距离移动，超越障碍物，同时解决了各种交互和操作任务。我们公开提供了主要为3D打印的脚部控制器的模型，以供复现。
🔬 方法详解
问题定义：现有远程呈现和虚拟现实系统中的运动控制通常依赖于手持控制器或复杂的全身追踪系统。手持控制器可能不直观且占用双手，而全身追踪系统成本高昂且设置复杂。因此，需要一种更自然、更易于使用且成本效益高的运动控制方案。
核心思路：该论文的核心思路是利用脚部的自然运动来控制虚拟环境中的运动。通过设计一个可以感知脚部倾斜和旋转的控制器，用户可以通过简单的脚部动作来控制前进、后退、侧向移动和旋转，从而实现更直观和自然的运动控制。自定心设计保证了控制器的稳定性和易用性。
技术框架：该系统的整体框架包括三个主要部分：脚部控制器、追踪系统和运动控制算法。脚部控制器负责感知用户的脚部运动，追踪系统（HTC Vive tracker）负责将控制器的运动数据传输到计算机，运动控制算法则将控制器的运动数据转换为虚拟环境中的运动指令。
关键创新：该论文的关键创新在于设计了一种自定心的3自由度脚部控制器，该控制器能够感知脚部的倾斜和旋转，并将其转换为虚拟环境中的运动指令。自定心设计通过弹簧实现，保证了控制器的稳定性和易用性。此外，该控制器主要采用3D打印技术制造，降低了成本和制造难度。
关键设计：该控制器的关键设计包括：1) 使用两个轴上的倾斜来实现前进、后退和侧向运动；2) 使用一个独立的旋转关节来实现绕垂直轴的旋转；3) 在所有关节上附加弹簧以实现自定心；4) 使用HTC Vive tracker来追踪控制器的运动。具体的参数设置（如弹簧的劲度系数、关节的阻尼系数等）可能需要根据用户的具体需求进行调整。论文公开了3D打印模型，方便复现。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该自定心脚部控制器成功应用于ANA Avatar XPRIZE竞赛，一位普通操作员通过该控制器长距离操控机器人，并成功克服障碍物，完成各种交互和操作任务。这表明该控制器具有良好的运动控制能力和交互操作性能，能够满足复杂环境下的应用需求。论文公开了3D打印模型，方便其他研究者和开发者复现和改进。
🎯 应用场景
该研究成果可广泛应用于远程呈现、虚拟现实、游戏、康复训练等领域。在远程呈现中，操作员可以通过脚部控制远程机器人的运动，从而实现更自然和高效的远程操作。在虚拟现实和游戏中，用户可以通过脚部控制虚拟角色的运动，从而获得更沉浸式的体验。在康复训练中，该控制器可以用于辅助患者进行下肢运动训练，提高康复效果。
📄 摘要（原文）
We present a novel seated feet controller for handling 3-DoF aimed to control locomotion for telepresence robotics and virtual reality environments. Tilting the feet on two axes yields in forward, backward and sideways motion. In addition, a separate rotary joint allows for rotation around the vertical axis. Attached springs on all joints self-center the controller. The HTC Vive tracker is used to translate the trackers' orientation into locomotion commands. The proposed self-centering feet controller was used successfully for the ANA Avatar XPRIZE competition, where a naive operator traversed the robot through a longer distance, surpassing obstacles while solving various interaction and manipulation tasks in between. We publicly provide the models of the mostly 3D-printed feet controller for reproduction.