TeleopLab: Accessible and Intuitive Teleoperation of a Robotic Manipulator for Remote Labs

📄 arXiv: 2509.05547v1 📥 PDF

作者: Ziling Chen, Yeo Jung Yoon, Rolando Bautista-Montesano, Zhen Zhao, Ajay Mandlekar, John Liu

分类: cs.RO, cs.HC

发布日期: 2025-09-06

💡 一句话要点

TeleopLab：为远程实验室设计的可访问且直观的机器人遥操作系统

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 远程实验室 遥操作 机器人 移动设备 STEM教育

📋 核心要点

  1. 远程实验室面临成本高昂和操作不直观的挑战，阻碍了学生进行有效的实践学习。
  2. TeleopLab 采用移动设备遥操作，学生可通过智能手机控制机械臂和实验室设备，实现远程交互。
  3. 实验结果表明，TeleopLab 显著降低了任务完成时间，提升了用户体验和可用性，工作量可控。

📝 摘要（中文）

遥操作为远程教育中的实践学习提供了一种有前景的解决方案，尤其是在需要与真实世界设备交互的环境中。然而，这种远程体验可能成本高昂或不够直观。为了应对这些挑战，我们提出了 TeleopLab，一个移动设备遥操作系统，允许学生控制机械臂并操作实验室设备。TeleopLab 包括一个机械臂、一个自适应夹爪、摄像头、用于各种应用的实验室设备、一个可通过智能手机访问的用户界面以及视频通话软件。我们进行了一项用户研究，重点关注任务表现、学生对系统的看法、可用性和工作量评估。结果表明，随着用户对系统熟悉程度的提高，任务完成时间减少了 46.1%。定量反馈突出了学生在使用该系统后看法的改善，而 NASA TLX 和 SUS 评估表明，可管理的工作量为 38.2，可用性为 73.8。TeleopLab 成功地弥合了物理实验室和远程教育之间的差距，为远程 STEM 学习提供了一个可扩展且有效的平台。

🔬 方法详解

问题定义：现有远程实验室方案成本高昂，用户界面不直观，导致学生难以有效进行远程实践操作，无法获得与真实实验相同的学习体验。因此，需要设计一种低成本、易于使用的远程遥操作系统，弥合物理实验室和远程教育之间的差距。

核心思路：TeleopLab 的核心思路是利用移动设备的普及性和易用性，构建一个基于智能手机的遥操作平台。通过智能手机的用户界面和视频通话功能，学生可以远程控制机械臂，并实时观察实验过程，从而获得身临其境的实验体验。

技术框架：TeleopLab 系统主要包含以下几个模块：1) 机械臂：负责执行具体的实验操作。2) 自适应夹爪：用于抓取和操作实验设备。3) 摄像头：提供实验场景的实时视频流。4) 实验室设备：用于进行各种 STEM 实验。5) 智能手机用户界面：学生通过该界面控制机械臂和观察实验过程。6) 视频通话软件：用于学生与教师或同学进行实时交流。

关键创新：TeleopLab 的关键创新在于其基于移动设备的遥操作方式，降低了系统的部署成本和使用门槛。此外，系统集成了自适应夹爪和多种实验室设备，支持各种 STEM 实验，提高了系统的通用性和实用性。

关键设计：TeleopLab 的关键设计包括：1) 针对移动设备优化的用户界面，操作简单直观。2) 低延迟的视频传输技术，保证实时性。3) 安全控制机制，防止误操作导致设备损坏。4) 模块化设计，方便扩展和定制。

📊 实验亮点

用户研究表明，随着用户对 TeleopLab 系统的熟悉，任务完成时间减少了 46.1%。NASA TLX 评估显示，用户的工作量为 38.2，表明系统易于使用。系统可用性量表（SUS）评估结果为 73.8，表明用户对系统的可用性评价较高。这些数据表明 TeleopLab 在远程实验教学方面具有显著优势。

🎯 应用场景

TeleopLab 可广泛应用于远程教育、在线实验教学、虚拟实验室等领域。它能够帮助学生克服地域限制，随时随地进行实践学习，尤其适用于疫情等特殊时期。此外，该系统还可用于工业自动化、远程医疗等领域，实现远程操作和控制。

📄 摘要（原文）

Teleoperation offers a promising solution for enabling hands-on learning in remote education, particularly in environments requiring interaction with real-world equipment. However, such remote experiences can be costly or non-intuitive. To address these challenges, we present TeleopLab, a mobile device teleoperation system that allows students to control a robotic arm and operate lab equipment. TeleopLab comprises a robotic arm, an adaptive gripper, cameras, lab equipment for a diverse range of applications, a user interface accessible through smartphones, and video call software. We conducted a user study, focusing on task performance, students' perspectives toward the system, usability, and workload assessment. Our results demonstrate a 46.1% reduction in task completion time as users gained familiarity with the system. Quantitative feedback highlighted improvements in students' perspectives after using the system, while NASA TLX and SUS assessments indicated a manageable workload of 38.2 and a positive usability of 73.8. TeleopLab successfully bridges the gap between physical labs and remote education, offering a scalable and effective platform for remote STEM learning.