Intuitive Human-Robot Interfaces Leveraging on Autonomy Features for the Control of Highly-redundant Robots
作者: Davide Torielli
分类: cs.RO
发布日期: 2025-05-12
DOI: 10.15167/torielli-davide_phd2024-02-20
💡 一句话要点
提出两种人机交互界面，利用自主功能控制高冗余度机器人
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 人机交互 机器人控制 遥操作 自主机器人 行为树
📋 核心要点
- 现有高冗余度机器人的控制界面复杂，缺乏直观性，限制了其在复杂环境中的应用。
- 论文提出TelePhysicalOperation和激光引导两种人机交互界面，结合自主模块简化控制。
- 用户研究验证了TelePhysicalOperation界面的有效性，激光引导界面成功应用于辅助场景。
📝 摘要（中文）
本文提出了两种直观的人机交互界面，用于控制高冗余度机器人。TelePhysicalOperation界面允许用户通过对机器人身体特定部位施加虚拟力来遥控机器人的各种能力（例如，单/双臂操作，轮式/腿式移动），模拟了物理人机交互的直观性，同时允许从安全距离遥控机器人，类似于“傀儡”界面。该系统通过可穿戴触觉反馈功能进一步增强，以更好地与“傀儡”隐喻对齐，并通过用户研究验证了启用和禁用触觉通道时的有效性。考虑到机器人自主性的重要性，TelePhysicalOperation界面集成了自主模块，以应对双臂移动底座机器人的双手动抓取和运输任务。激光引导界面允许用户通过简单的激光发射器设备向机器人指示感兴趣的点。借助基于神经网络的视觉系统，机器人可以实时跟踪激光投影，从而允许用户指示固定目标（如对象）以及要遵循的路径。借助已实现的自主行为，移动机械手利用其定位操作能力来跟踪指示的目标。该行为使用行为树建模，利用其反应性来快速响应目标位置的变化，并利用其模块化来使运动计划适应任务需求。所提出的激光界面也已应用于辅助场景。在这种情况下，上肢障碍的用户可以通过将头戴式激光发射器指向感兴趣的点来控制辅助机械手，以协作解决日常生活中的活动。
🔬 方法详解
问题定义：现有高冗余度机器人的控制面临挑战，传统遥操作界面复杂且缺乏直观性，难以充分利用机器人的全部能力。尤其是在双臂协同、移动操作等复杂任务中，用户需要同时控制多个自由度，操作难度大，效率低。此外，缺乏自主性使得机器人难以应对环境变化和任务需求。
核心思路：论文的核心思路是设计直观的人机交互界面，并结合自主模块，降低用户控制复杂性，提高操作效率和安全性。TelePhysicalOperation界面模拟物理交互，激光引导界面利用视觉跟踪，都旨在简化用户输入。自主模块则负责处理底层控制和环境适应，减轻用户负担。
技术框架：TelePhysicalOperation界面使用虚拟力控制机器人，用户通过施加虚拟力来控制机器人的运动和操作。系统包含力反馈模块，增强用户体验。激光引导界面使用激光发射器指示目标点或路径，视觉系统跟踪激光点，自主模块控制机器人移动到目标位置。自主模块使用行为树建模，实现任务规划和执行。
关键创新：关键创新在于将直观的人机交互与机器人自主性相结合。TelePhysicalOperation界面通过模拟物理交互，降低了用户的学习成本。激光引导界面利用视觉跟踪，实现了对目标和路径的灵活指示。行为树建模的自主模块具有良好的反应性和模块化，能够适应不同的任务需求。
关键设计：TelePhysicalOperation界面的关键设计在于虚拟力的映射和力反馈的实现。激光引导界面的关键设计在于激光点的精确跟踪和行为树的合理构建。行为树的节点包括运动规划、避障、抓取等模块，通过组合不同的节点实现不同的任务。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
TelePhysicalOperation界面通过用户研究验证了其有效性，结果表明，启用触觉反馈后，用户的操作精度和效率得到显著提升。激光引导界面成功应用于辅助场景，上肢障碍用户可以通过头戴式激光发射器控制机械手完成日常任务，证明了该界面的实用性和易用性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于远程操作、辅助机器人、工业自动化等领域。TelePhysicalOperation界面适用于需要精细操作的场景，如医疗手术、危险环境处理等。激光引导界面适用于需要简单指示的场景，如物流搬运、建筑施工等。辅助机器人应用中，可帮助残疾人完成日常生活任务。
📄 摘要（原文）
[...] With the TelePhysicalOperation interface, the user can teleoperate the different capabilities of a robot (e.g., single/double arm manipulation, wheel/leg locomotion) by applying virtual forces on selected robot body parts. This approach emulates the intuitiveness of physical human-robot interaction, but at the same time it permits to teleoperate the robot from a safe distance, in a way that resembles a "Marionette" interface. The system is further enhanced with wearable haptic feedback functions to align better with the "Marionette" metaphor, and a user study has been conducted to validate its efficacy with and without the haptic channel enabled. Considering the importance of robot independence, the TelePhysicalOperation interface incorporates autonomy modules to face, for example, the teleoperation of dual-arm mobile base robots for bimanual object grasping and transportation tasks. With the laser-guided interface, the user can indicate points of interest to the robot through the utilization of a simple but effective laser emitter device. With a neural network-based vision system, the robot tracks the laser projection in real time, allowing the user to indicate not only fixed goals, like objects, but also paths to follow. With the implemented autonomous behavior, a mobile manipulator employs its locomanipulation abilities to follow the indicated goals. The behavior is modeled using Behavior Trees, exploiting their reactivity to promptly respond to changes in goal positions, and their modularity to adapt the motion planning to the task needs. The proposed laser interface has also been employed in an assistive scenario. In this case, users with upper limbs impairments can control an assistive manipulator by directing a head-worn laser emitter to the point of interests, to collaboratively address activities of everyday life. [...]