The Effects of Communication Delay on Human Performance and Neurocognitive Responses in Mobile Robot Teleoperation

📄 arXiv: 2508.18074v1 📥 PDF

作者: Zhaokun Chen, Wenshuo Wang, Wenzhuo Liu, Yichen Liu, Junqiang Xi

分类: cs.RO

发布日期: 2025-08-25

💡 一句话要点

研究通信延迟对移动机器人遥控中人类表现的影响

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 通信延迟 移动机器人 遥控操作 神经认知 脑电图 人机协作 实验研究

📋 核心要点

  1. 现有研究未探讨通信延迟对人类在移动机器人遥控中的操作表现和神经认知的影响，导致人机协作效率低下。
  2. 通过人机实验结合EEG和机器人行为数据，系统性研究不同延迟对人类表现的影响，填补了这一研究空白。
  3. 实验结果显示，在200-300毫秒的延迟下，任务表现显著下降，并识别出人类对延迟的早期感知阈值，提供了重要的认知见解。

📝 摘要（中文）

移动机器人遥控中的通信延迟对人机协作产生负面影响。理解延迟对人类操作表现和神经认知的影响至关重要，但之前的研究未对此进行探讨。为填补这一空白，本文通过涉及10名参与者的人机实验，结合脑电图（EEG）和机器人行为数据，系统研究了不同延迟（0-500毫秒，增量100毫秒）下的影响。行为分析显示，在200-300毫秒的延迟下，任务效率和准确性显著下降。EEG分析发现，前额叶θ/β波段和顶叶α波段功率与延迟显著相关。此外，研究还识别出人类对延迟的早期感知阈值（100-200毫秒），在此期间EEG特征首次显著不同。当延迟超过400毫秒时，所有特征趋于饱和，表明认知资源分配达到生理极限。这些发现为遥控任务中人类的感知和认知延迟阈值提供了首个证据，为延迟补偿策略的设计提供了重要的神经认知见解。

🔬 方法详解

问题定义：本研究旨在解决移动机器人遥控中通信延迟对人类操作表现和神经认知的影响。现有方法未能系统研究这一问题，导致人机协作的效率和准确性受到影响。

核心思路：通过设计一个人机实验，结合脑电图（EEG）和机器人行为数据，系统性地探讨不同延迟对人类表现的影响，旨在识别延迟对认知的影响机制。

技术框架：实验包括10名参与者，设置不同的通信延迟（0-500毫秒），并记录其行为表现和EEG数据。主要模块包括行为分析和EEG特征提取。

关键创新：本研究首次提供了遥控任务中人类对通信延迟的感知和认知阈值的实证证据，揭示了延迟对任务表现的影响及其神经生理基础。

关键设计：实验中设置了不同的延迟参数，并通过EEG分析提取前额叶和顶叶的特征功率，识别出与延迟显著相关的神经活动模式。

📊 实验亮点

实验结果表明，在200-300毫秒的延迟下，任务效率和准确性显著下降，EEG分析发现前额叶和顶叶的特征功率与延迟显著相关。研究还识别出100-200毫秒的早期感知阈值，为理解人类对延迟的反应提供了重要数据。

🎯 应用场景

该研究的结果可广泛应用于移动机器人遥控、无人驾驶、远程手术等领域，帮助设计更有效的延迟补偿策略，从而提升人机协作的效率和安全性。未来，随着技术的发展，这些发现可能推动更智能的遥控系统的设计与应用。

📄 摘要（原文）

Communication delays in mobile robot teleoperation adversely affect human-machine collaboration. Understanding delay effects on human operational performance and neurocognition is essential for resolving this issue. However, no previous research has explored this. To fill this gap, we conduct a human-in-the-loop experiment involving 10 participants, integrating electroencephalography (EEG) and robot behavior data under varying delays (0-500 ms in 100 ms increments) to systematically investigate these effects. Behavior analysis reveals significant performance degradation at 200-300 ms delays, affecting both task efficiency and accuracy. EEG analysis discovers features with significant delay dependence: frontal $θ/β$-band and parietal $α$-band power. We also identify a threshold window (100-200 ms) for early perception of delay in humans, during which these EEG features first exhibit significant differences. When delay exceeds 400 ms, all features plateau, indicating saturation of cognitive resource allocation at physiological limits. These findings provide the first evidence of perceptual and cognitive delay thresholds during teleoperation tasks in humans, offering critical neurocognitive insights for the design of delay compensation strategies.