Three Degree-of-Freedom Soft Continuum Kinesthetic Haptic Display for Telemanipulation Via Sensory Substitution at the Finger

📄 arXiv: 2409.11606v1 📥 PDF

作者: Jiaji Su, Kaiwen Zuo, Zonghe Chua

分类: cs.RO, cs.HC, eess.SY

发布日期: 2024-09-17

备注: 8 pages, Accepted for publication in IEEE Conference on Telepresence 2024, Nov 16-17, Pasadena, CA, USA

💡 一句话要点

提出一种三自由度软体触觉反馈装置，用于远程操作中手指的触觉替代

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 触觉反馈 软体机器人 远程操作 感觉替代 气动执行器

📋 核心要点

  1. 现有手指动觉反馈设备存在自由度低、体积大、力输出不足等问题，限制了远程操作的触觉反馈效果。
  2. 该论文提出一种基于软气动执行器的三自由度手指动觉反馈装置，利用恒定曲率运动学模型实现精确控制。
  3. 实验结果表明，该装置具有较高的功率密度和紧凑性，能够提供较好的位置和力精度，适用于软环境的触觉交互。

📝 摘要（中文）

感觉替代是一种有效的技术，可以在时延情况下向远程操作员提供稳定的触觉反馈。手指具有高度的灵活性，可以感知多个方向的运动和力，使其成为基于动觉反馈的感觉替代的有希望的位置。然而，现有的手指动觉设备要么仅提供单自由度反馈，要么体积庞大，要么力输出较低。软气动执行器具有高功率密度，使其适合以紧凑的外形实现高力动觉反馈。本文提出了一种用于食指的软气动手持动觉反馈装置，该装置使用恒定曲率运动学模型进行控制。该装置的横向位置和力范围分别为+-3.18mm和+-1.00N，垂直位置和力范围分别为+-4.89mm和+-6.01N，表明其具有高功率密度和紧凑性。运动学模型的平均开环径向位置和力精度分别为0.72mm和0.34N。其3Hz的带宽使其适用于软环境中的中等速度触觉交互。我们展示了该设备在虚拟远程操作场景中，用于食指感觉替代的三维动觉力反馈能力。

🔬 方法详解

问题定义：远程操作中，由于时延等因素，操作员难以获得实时的触觉反馈。现有的手指动觉反馈设备在自由度、体积和力输出方面存在局限性，无法满足复杂环境下的触觉交互需求。因此，需要一种紧凑、高自由度、高力输出的触觉反馈装置，以增强远程操作的沉浸感和操作精度。

核心思路：利用软气动执行器的高功率密度和柔顺性，设计一种可穿戴的手指动觉反馈装置。通过控制气压，驱动软体结构产生形变，从而向手指施加力反馈。采用恒定曲率运动学模型，实现对装置运动的精确控制，保证反馈的准确性和稳定性。

技术框架：该装置主要由三个软气动执行器和一个控制系统组成。三个执行器分别控制手指在三个方向上的运动。控制系统根据期望的力反馈信号，计算出各个执行器的目标气压，并通过气压控制阀进行调节。恒定曲率运动学模型用于将气压信号转换为执行器的末端位置和力。

关键创新：该论文的关键创新在于将软气动执行器与恒定曲率运动学模型相结合，实现了一种紧凑、高自由度的手指动觉反馈装置。相比于传统的刚性结构，软体结构具有更好的柔顺性和安全性。恒定曲率模型能够简化运动学计算，提高控制精度。

关键设计：软气动执行器的材料选择、结构设计以及气压控制策略是关键的设计要素。论文中可能详细描述了执行器的几何参数、材料属性以及气压控制算法。此外，恒定曲率模型的参数标定和误差补偿也是重要的技术细节。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

该装置实现了三个自由度的力反馈，横向位置和力范围分别为+-3.18mm和+-1.00N，垂直位置和力范围分别为+-4.89mm和+-6.01N。开环径向位置和力精度分别达到0.72mm和0.34N。带宽为3Hz，适用于软环境中的触觉交互。这些数据表明该装置具有较高的功率密度、紧凑性和控制精度。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于远程医疗、虚拟装配、机器人辅助手术等领域。通过提供更真实、更细腻的触觉反馈，操作员可以更好地感知远程环境，提高操作的精度和效率。此外，该装置还可用于触觉康复训练，帮助患者恢复手指的运动功能。

📄 摘要（原文）

Sensory substitution is an effective approach for displaying stable haptic feedback to a teleoperator under time delay. The finger is highly articulated, and can sense movement and force in many directions, making it a promising location for sensory substitution based on kinesthetic feedback. However, existing finger kinesthetic devices either provide only one-degree-of-freedom feedback, are bulky, or have low force output. Soft pneumatic actuators have high power density, making them suitable for realizing high force kinesthetic feedback in a compact form factor. We present a soft pneumatic handheld kinesthetic feedback device for the index finger that is controlled using a constant curvature kinematic model. \changed{It has respective position and force ranges of +-3.18mm and +-1.00N laterally, and +-4.89mm and +-6.01N vertically, indicating its high power density and compactness. The average open-loop radial position and force accuracy of the kinematic model are 0.72mm and 0.34N.} Its 3Hz bandwidth makes it suitable for moderate speed haptic interactions in soft environments. We demonstrate the three-dimensional kinesthetic force feedback capability of our device for sensory substitution at the index figure in a virtual telemanipulation scenario.