NuExo: A Wearable Exoskeleton Covering all Upper Limb ROM for Outdoor Data Collection and Teleoperation of Humanoid Robots

📄 arXiv: 2503.10554v1 📥 PDF

作者: Rui Zhong, Chuang Cheng, Junpeng Xu, Yantong Wei, Ce Guo, Daoxun Zhang, Wei Dai, Huimin Lu

分类: cs.RO

发布日期: 2025-03-13

备注: 8 pages

💡 一句话要点

NuExo：用于户外数据采集和人形机器人遥操作的全上肢外骨骼系统

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 外骨骼 人形机器人 遥操作 动作捕捉 多模态传感

📋 核心要点

  1. 现有动作捕捉和遥操作系统难以同时满足精度、舒适性、通用性和便利性，尤其是在户外环境下。
  2. NuExo通过新型肩部机构和轻量化设计，实现了全上肢运动范围的精确跟踪和舒适的可穿戴体验。
  3. 实验表明，NuExo在不同人形机器人平台和动态场景中，具有良好的数据采集稳定性和遥操作精度。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种可穿戴外骨骼系统NuExo，旨在弥合现有技术在以下四个目标上的差距：长时间内精确跟踪全上肢运动（精度）、符合人体生物力学的人体工学设计（舒适性）、通用数据采集（例如，力数据）和与人形机器人的兼容性（通用性）、以及轻量化设计以适应户外日常使用（便利性）。该系统集成了用户友好的沉浸式遥操作和多模态传感采集。由于采用了具有同步联动和同步带传动的新型肩部机构，该系统能够很好地适应复杂的肩部运动，并100%覆盖自然上肢运动范围。NuExo重量为5.2公斤，支持背包式使用，可方便地应用于日常户外场景。此外，我们开发了一个统一的直观遥操作框架和一个综合数据采集系统，集成了多模态传感，适用于各种人形机器人。在不同人形机器人平台和不同用户上的实验验证了我们的外骨骼在运动范围和灵活性方面的优越性，同时证实了其在动态场景中数据采集的稳定性和遥操作的准确性。

🔬 方法详解

问题定义：现有动作捕捉和遥操作系统在户外环境下存在诸多局限。一方面，难以长时间精确跟踪全上肢运动；另一方面，人体工学设计不足，佩戴舒适度低；此外，数据采集能力有限，难以获取力反馈等信息；最后，与人形机器人的兼容性较差，难以实现有效的遥操作。

核心思路：NuExo的核心思路是设计一种轻量化、高精度、高舒适性的可穿戴外骨骼系统，能够全面覆盖上肢运动范围，并集成多模态传感器，实现对人体运动和力的精确捕捉。通过统一的遥操作框架，将人体运动映射到人形机器人，实现直观、高效的远程控制。

技术框架：NuExo系统主要包括以下几个模块：1) 可穿戴外骨骼：采用轻量化材料和人体工学设计，覆盖全上肢运动范围；2) 肩部机构：采用同步联动和同步带传动的新型肩部机构，适应复杂的肩部运动；3) 多模态传感器：集成惯性测量单元（IMU）、力传感器等，采集运动和力数据；4) 遥操作框架：将人体运动映射到人形机器人，实现远程控制；5) 数据采集系统：用于存储和处理采集到的数据。

关键创新：NuExo的关键创新在于其新型肩部机构，该机构采用同步联动和同步带传动，能够更好地适应复杂的肩部运动，实现100%覆盖自然上肢运动范围。此外，轻量化设计和多模态传感集成也是重要的创新点。

关键设计：肩部机构的设计是关键。具体的参数设置和传动比需要根据人体肩部运动的生物力学特性进行优化。多模态传感器的选择和布局也需要仔细考虑，以保证数据的准确性和可靠性。遥操作框架需要设计合理的映射关系，将人体运动平滑地传递到人形机器人。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，NuExo在运动范围和灵活性方面优于现有外骨骼系统。在动态场景中，NuExo能够稳定地采集数据，并实现准确的遥操作。具体数据指标未知，但论文强调了其在不同人形机器人平台和不同用户上的通用性和有效性。

🎯 应用场景

NuExo可应用于人形机器人的远程控制、康复训练、虚拟现实交互等领域。在人形机器人远程控制方面，操作人员可以通过NuExo直观地控制机器人的运动，完成复杂的任务。在康复训练方面，NuExo可以辅助患者进行上肢运动，提高康复效果。在虚拟现实交互方面，NuExo可以提供更真实的运动反馈，增强沉浸感。未来，该技术有望应用于医疗、工业、娱乐等多个领域。

📄 摘要（原文）

The evolution from motion capture and teleoperation to robot skill learning has emerged as a hotspot and critical pathway for advancing embodied intelligence. However, existing systems still face a persistent gap in simultaneously achieving four objectives: accurate tracking of full upper limb movements over extended durations (Accuracy), ergonomic adaptation to human biomechanics (Comfort), versatile data collection (e.g., force data) and compatibility with humanoid robots (Versatility), and lightweight design for outdoor daily use (Convenience). We present a wearable exoskeleton system, incorporating user-friendly immersive teleoperation and multi-modal sensing collection to bridge this gap. Due to the features of a novel shoulder mechanism with synchronized linkage and timing belt transmission, this system can adapt well to compound shoulder movements and replicate 100% coverage of natural upper limb motion ranges. Weighing 5.2 kg, NuExo supports backpack-type use and can be conveniently applied in daily outdoor scenarios. Furthermore, we develop a unified intuitive teleoperation framework and a comprehensive data collection system integrating multi-modal sensing for various humanoid robots. Experiments across distinct humanoid platforms and different users validate our exoskeleton's superiority in motion range and flexibility, while confirming its stability in data collection and teleoperation accuracy in dynamic scenarios.