Breaking Down the Barriers: Investigating Non-Expert User Experiences in Robotic Teleoperation in UK and Japan

📄 arXiv: 2410.18727v2 📥 PDF

作者: Florent P Audonnet, Andrew Hamilton, Yakiyasu Domae, Ixchel G Ramirez-Alpizar, Gerardo Aragon-Camarasa

分类: cs.RO, cs.HC

发布日期: 2024-10-24 (更新: 2024-12-03)

💡 一句话要点

TELESIM框架结合VR控制，提升非专家用户远程操控机器人手臂的体验与信任度

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人远程操控 数字孪生 VR控制 用户体验 人机交互

📋 核心要点

  1. 现有机器人远程操控系统对非专家用户存在挑战，易造成认知和身体负担，降低用户信任度。
  2. 论文提出TELESIM框架，利用数字孪生和VR控制，简化机器人远程操控，降低用户操作难度。
  3. 实验结果表明，UR5e机器人结合VR控制能有效减少用户认知压力，提升任务完成度和用户信任度。

📝 摘要（中文）

本文旨在研究非专家用户在机器人远程操控中的体验。为了降低用户负担，作者创建了TELESIM框架，该框架是一个模块化、即插即用的系统，允许用户通过数字孪生界面直接远程操控任何机器人手臂。通过用户调查，使用三种机器人和控制方法，并记录用户在完成堆塔任务时的认知负荷和表现来评估该框架。本文补充了之前研究中忽略的用户压力分析和对机器人信任度的评估，展示了在英国进行的37名参与者的用户调查结果。此外，本文还介绍了在日本类似条件下进行的额外用户调查结果，旨在通过将VR控制器与UR5e机器人连接来解决先前方法的局限性。实验结果表明，UR5e机器人搭建的塔更多，认知压力最小，而Senseglove和UR3机器人的组合给用户带来最高的身体压力，并导致用户感到更沮丧。最后，日本参与者似乎比英国参与者更信任机器人。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人远程操控系统，特别是针对非专家用户，存在操作复杂、认知负荷高、用户信任度低等问题。传统的操控方式往往需要专业的训练和技能，使得普通用户难以快速上手并高效地完成任务。此外，长时间的操作容易导致用户产生疲劳和挫败感，进一步降低对机器人的信任。

核心思路：论文的核心思路是通过引入数字孪生和VR控制技术，创建一个更加直观、易用的机器人远程操控界面。数字孪生能够实时反映真实机器人的状态，VR控制则允许用户以自然的方式与机器人进行交互。这种方式旨在降低用户的认知负荷，减少操作难度，从而提升用户体验和对机器人的信任。

技术框架：TELESIM框架是一个模块化、即插即用的系统，主要包含以下几个模块：1) 机器人控制模块：负责接收用户的指令并控制真实机器人；2) 数字孪生模块：创建真实机器人的虚拟模型，并实时同步其状态；3) 用户界面模块：提供用户与机器人交互的界面，包括VR控制和反馈显示；4) 数据采集模块：记录用户的操作数据和机器人的状态数据，用于后续分析和优化。用户通过VR控制器与数字孪生进行交互，指令传递给机器人控制模块，从而实现对真实机器人的远程操控。

关键创新：论文的关键创新在于将数字孪生和VR控制技术相结合，构建了一个直观、易用的机器人远程操控框架。与传统的操控方式相比，TELESIM框架能够显著降低用户的认知负荷和操作难度，提升用户体验和对机器人的信任。此外，该框架的模块化设计使得其具有良好的可扩展性和适应性，可以方便地应用于不同的机器人平台和应用场景。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 数字孪生的精确建模，确保虚拟模型能够准确反映真实机器人的状态；2) VR控制器的自然交互设计，使用户能够以直观的方式控制机器人；3) 用户界面的人性化设计，提供清晰的反馈信息和易于理解的操作指导；4) 数据采集模块的全面性，记录用户的操作数据和机器人的状态数据，用于后续分析和优化。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，使用UR5e机器人和VR控制器搭建的塔数量最多，用户的认知压力最小。相比之下，Senseglove和UR3机器人的组合给用户带来最高的身体压力，并导致用户感到更沮丧。此外，调查还发现，日本参与者对机器人的信任度普遍高于英国参与者，这可能与文化差异有关。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于远程医疗、灾难救援、工业巡检等领域。通过TELESIM框架，非专业人员也能远程操控机器人完成复杂任务，降低人员风险，提高工作效率。未来，该技术有望进一步拓展到家庭服务、教育娱乐等领域，使机器人更好地融入人们的日常生活。

📄 摘要（原文）

Robots are being created each year with the goal of integrating them into our daily lives. As such, there is an interest in research in evaluating the trust of humans toward robots. In addition, teleoperating robotic arms can be challenging for non-experts. To reduce the strain put on the user, we created TELESIM, a modular and plug-and-play framework that enables direct teleoperation of any robotic arm using a digital twin as the interface between users and the robotic system. We evaluated our framework using a user survey with three robots and control methods and recorded the user's workload and performance at completing a tower stacking task. However, an analysis of the strain on the user and their ability to trust robots was omitted. This paper addresses these omissions by presenting the additional results of our user survey of 37 participants carried out in United Kingdom. In addition, we present the results of an additional user survey, under similar conditions performed in Japan, with the goal of addressing the limitations of our previous approach, by interfacing a VR controller with a UR5e. Our experimental results show that the UR5e has more towers built. Additionally, the UR5e gives the least amount of cognitive stress, while the combination of Senseglove and UR3 provides the user with the highest physical strain and causes the user to feel more frustrated. Finally, the Japanese participants seem more trusting of robots than the British participants.