Arm Robot: AR-Enhanced Embodied Control and Visualization for Intuitive Robot Arm Manipulation

📄 arXiv: 2411.13851v1 📥 PDF

作者: Siyou Pei, Alexander Chen, Ronak Kaoshik, Ruofei Du, Yang Zhang

分类: cs.RO, cs.HC

发布日期: 2024-11-21

💡 一句话要点

Arm Robot：基于AR增强的具身控制与可视化，实现直观的机械臂操作

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 具身遥操作 人机交互 增强现实 机械臂控制 AR可视化

📋 核心要点

  1. 现有具身遥操作在人机能力差异（如运动范围、响应时间）方面存在挑战，限制了控制的精度和效率。
  2. Arm Robot通过AR可视化提供实时反馈，弥合时间与空间差异，并允许用户调整视角和扩展动作空间。
  3. 用户研究表明，Arm Robot的功能能够有效提升用户对机械臂的控制能力，为具身人机交互研究提供新思路。

📝 摘要（中文）

具身交互作为一种遥操作方式被引入人机交互(HRI)领域，用户可以通过手持控制器或触觉手套，以身体动作控制机械臂。具身遥操作使得非技术用户也能直观地控制机器人，但人类和机器人在能力上的差异，例如运动范围和响应时间，仍然具有挑战性。针对这些问题，我们提出了Arm Robot，一个具身机械臂遥操作系统，旨在帮助用户解决人机差异。具体来说，Arm Robot (1) 包含AR可视化，作为对时间和空间差异的实时反馈；(2) 允许用户改变观察视角并扩展动作空间。我们进行了一项用户研究 (N=18)，以调查Arm Robot的可用性，并了解用户如何感知具身性。结果表明，用户可以使用Arm Robot的功能有效地控制机械臂，为具身人机交互的持续研究提供了见解。

🔬 方法详解

问题定义：现有具身遥操作系统在控制机械臂时，由于人类和机器人在运动范围、响应时间等方面的差异，导致用户难以精确、高效地控制机械臂。用户缺乏对机器人状态的实时感知，难以适应机器人的运动特性，从而影响操作体验和效率。

核心思路：Arm Robot的核心思路是利用增强现实（AR）技术，将机器人的状态信息、运动轨迹等可视化地叠加到用户的视野中，从而弥合人机之间的差异。通过实时反馈和可调节的视角，帮助用户更好地理解和控制机械臂的运动。同时，系统允许用户扩展动作空间，以适应不同任务的需求。

技术框架：Arm Robot系统主要包含三个模块：(1) 具身输入模块，负责采集用户的身体动作，例如通过手持控制器或触觉手套；(2) 机器人控制模块，负责将用户的动作指令转换为机器人的控制信号，并驱动机械臂运动；(3) AR可视化模块，负责将机器人的状态信息、运动轨迹等通过AR技术叠加到用户的视野中，提供实时反馈。用户可以通过调整AR界面的参数，例如视角、缩放比例等，来优化控制体验。

关键创新：Arm Robot的关键创新在于将AR可视化技术与具身遥操作相结合，为用户提供了一种直观、高效的机械臂控制方式。与传统的遥操作系统相比，Arm Robot能够更好地弥合人机之间的差异，提高控制精度和效率。此外，系统还允许用户扩展动作空间，以适应不同任务的需求。

关键设计：AR可视化模块的关键设计包括：(1) 实时反馈：系统能够实时地将机器人的状态信息、运动轨迹等叠加到用户的视野中，延迟尽可能低；(2) 可调节的视角：用户可以根据自己的需求，调整AR界面的视角、缩放比例等参数；(3) 多模态信息融合：系统可以将多种信息（例如机器人的位置、姿态、力反馈等）融合到AR界面中，提供更全面的反馈。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

该论文通过用户研究(N=18)验证了Arm Robot的可用性。实验结果表明，用户能够有效地利用Arm Robot提供的AR可视化功能来控制机械臂，并对具身性有积极的感知。具体性能数据和对比基线在摘要中未明确给出，但用户研究的结果表明该系统具有实际应用潜力。

🎯 应用场景

Arm Robot可应用于远程医疗、危险环境作业、精密装配等领域。在远程医疗中，医生可以通过Arm Robot远程操作手术机器人，进行微创手术。在危险环境作业中，工人可以通过Arm Robot远程控制机械臂，进行排爆、抢险等任务。在精密装配中，工人可以通过Arm Robot精确控制机械臂，完成高精度装配任务。该研究有望提升人机协作效率，降低操作风险。

📄 摘要（原文）

Embodied interaction has been introduced to human-robot interaction (HRI) as a type of teleoperation, in which users control robot arms with bodily action via handheld controllers or haptic gloves. Embodied teleoperation has made robot control intuitive to non-technical users, but differences between humans' and robots' capabilities \eg ranges of motion and response time, remain challenging. In response, we present Arm Robot, an embodied robot arm teleoperation system that helps users tackle human-robot discrepancies. Specifically, Arm Robot (1) includes AR visualization as real-time feedback on temporal and spatial discrepancies, and (2) allows users to change observing perspectives and expand action space. We conducted a user study (N=18) to investigate the usability of the Arm Robot and learn how users perceive the embodiment. Our results show users could use Arm Robot's features to effectively control the robot arm, providing insights for continued work in embodied HRI.