GAMORA: A Gesture Articulated Meta Operative Robotic Arm for Hazardous Material Handling in Containment-Level Environments

📄 arXiv: 2506.14513v1 📥 PDF

作者: Farha Abdul Wasay, Mohammed Abdul Rahman, Hania Ghouse

分类: cs.RO, cs.AI, cs.CV

发布日期: 2025-06-17

💡 一句话要点

提出GAMORA以解决高风险实验室中危险材料处理问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 虚拟现实 机器人臂 手势控制 生物安全 自动化技术 高风险环境 精确操作

📋 核心要点

  1. 现有的自动化和传统遥操作方法在高风险实验室环境中无法有效减少人类暴露，同时保持操作精度。
  2. GAMORA通过自然手势控制机器人臂，结合虚拟现实技术，实现了危险任务的远程执行，提升了安全性和效率。
  3. 实验结果表明，GAMORA在位置精度和能效方面均有显著提升，提供了一种可扩展的解决方案。

📝 摘要（中文）

随着生物危害复杂性的增加，减少人类直接接触并保持精确性变得至关重要。本文提出了GAMORA（手势关节化元操作机器人臂），一种新型的虚拟现实引导机器人系统，能够通过自然手势远程执行危险任务。GAMORA集成了Oculus Quest 2、NVIDIA Jetson Nano和机器人操作系统（ROS），提供实时沉浸式控制、数字双胞胎仿真和基于逆向运动学的关节控制。该系统支持基于虚拟现实的培训和仿真，同时通过3D打印的机器人臂在物理环境中执行精确任务。实验结果显示，GAMORA在50次试验中实现了平均位置偏差2.2毫米（较之前的4毫米有所改善）、移液精度在0.2毫升以内、重复性为1.2毫米。集成的YOLOv8物体检测增强了空间感知，而能效操作（减少50%的功耗）确保了可持续部署。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决高风险实验室中人类操作的安全性和精确性问题。现有的自动化和遥操作方法无法有效减少人类暴露于生物危害的风险，同时保持高精度的操作。

核心思路：GAMORA的核心思路是通过虚拟现实技术与自然手势控制相结合，实现对机器人臂的远程操控，从而在危险环境中执行精细任务，降低人类直接接触的风险。

技术框架：GAMORA的整体架构包括多个模块：首先是Unity构建的3D环境，其次是实时运动规划模块，最后是硬件在环测试。系统通过Oculus Quest 2进行沉浸式控制，NVIDIA Jetson Nano进行计算处理，ROS负责系统的协调与控制。

关键创新：GAMORA的主要创新在于其将虚拟现实与手势识别相结合，提供了实时的沉浸式控制体验。这种设计使得用户能够以自然的方式与机器人进行交互，显著提高了操作的安全性和精确性。

关键设计：系统采用逆向运动学算法确保机器人臂的精确操控，关键参数设置包括运动规划的实时性和精度要求。此外，YOLOv8物体检测的集成增强了系统的空间感知能力，确保机器人能够在复杂环境中安全操作。

📊 实验亮点

GAMORA在实验中实现了平均位置偏差2.2毫米，相较于之前的4毫米有显著改善；移液精度控制在0.2毫升以内，重复性达到1.2毫米，展现出优异的性能。此外，系统的能效操作减少了50%的功耗，确保了可持续性。

🎯 应用场景

GAMORA在生物医学研究、病毒学实验室等高风险环境中具有广泛的应用潜力。其能够有效减少人类在危险材料处理中的暴露风险，同时提高操作的精确性和效率，具有重要的实际价值。未来，该技术可扩展至其他需要高精度和安全性的自动化任务领域。

📄 摘要（原文）

The convergence of robotics and virtual reality (VR) has enabled safer and more efficient workflows in high-risk laboratory settings, particularly virology labs. As biohazard complexity increases, minimizing direct human exposure while maintaining precision becomes essential. We propose GAMORA (Gesture Articulated Meta Operative Robotic Arm), a novel VR-guided robotic system that enables remote execution of hazardous tasks using natural hand gestures. Unlike existing scripted automation or traditional teleoperation, GAMORA integrates the Oculus Quest 2, NVIDIA Jetson Nano, and Robot Operating System (ROS) to provide real-time immersive control, digital twin simulation, and inverse kinematics-based articulation. The system supports VR-based training and simulation while executing precision tasks in physical environments via a 3D-printed robotic arm. Inverse kinematics ensure accurate manipulation for delicate operations such as specimen handling and pipetting. The pipeline includes Unity-based 3D environment construction, real-time motion planning, and hardware-in-the-loop testing. GAMORA achieved a mean positional discrepancy of 2.2 mm (improved from 4 mm), pipetting accuracy within 0.2 mL, and repeatability of 1.2 mm across 50 trials. Integrated object detection via YOLOv8 enhances spatial awareness, while energy-efficient operation (50% reduced power output) ensures sustainable deployment. The system's digital-physical feedback loop enables safe, precise, and repeatable automation of high-risk lab tasks. GAMORA offers a scalable, immersive solution for robotic control and biosafety in biomedical research environments.