Input-gated Bilateral Teleoperation: An Easy-to-implement Force Feedback Teleoperation Method for Low-cost Hardware

📄 arXiv: 2509.08226v1 📥 PDF

作者: Yoshiki Kanai, Akira Kanazawa, Hideyuki Ichiwara, Hiroshi Ito, Naoaki Noguchi, Tetsuya Ogata

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-10

💡 一句话要点

提出一种易于实现的力反馈遥操作方法，适用于低成本硬件

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱二：RL算法与架构 (RL & Architecture)

关键词: 双边遥操作 力反馈 低成本硬件 输入门控 机器人控制

📋 核心要点

  1. 现有双边遥操作系统复杂且难以实现，限制了力反馈技术在接触操作中的应用。
  2. 该方法提出一种基于简单反馈控制器的双边遥操作方案，无需力传感器，适用于低成本硬件。
  3. 实验表明，该方法在低成本硬件上实现了高可操作性和接触稳定性，优于传统方法，且鲁棒性强。

📝 摘要（中文）

在接触丰富的操作中，有效的数据收集需要遥操作过程中的力反馈，因为对接触的准确感知对于稳定控制至关重要。然而，这种技术并不常见，主要是因为双边遥操作系统复杂且难以实现。为了克服这个问题，我们提出了一种双边遥操作方法，该方法仅依赖于简单的反馈控制器，而不需要力传感器。该方法专为使用低成本硬件的leader-follower设置而设计，使其具有广泛的适用性。通过数值模拟和实际实验，我们证明该方法只需要最少的参数调整，就能实现高可操作性和接触稳定性，优于传统方法。此外，我们还展示了其高鲁棒性：即使在leader和follower之间的低通信周期速率下，与高速操作相比，控制性能的下降也很小。我们还证明了我们的方法可以在两种类型的商用低成本硬件上实现，无需任何参数调整。这突出了其易于实现和多功能性。我们期望这种方法将扩大力反馈遥操作系统在低成本硬件上的应用。这将有助于推进模仿学习中接触丰富任务的自主性。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决低成本硬件上力反馈遥操作系统难以实现的问题。现有的双边遥操作系统通常需要复杂的控制算法和昂贵的力传感器，这限制了其在资源有限场景下的应用。因此，需要一种简单、易于实现且无需力传感器的力反馈遥操作方法。

核心思路：论文的核心思路是利用输入门控（Input-gated）的双边控制策略，通过调整主从设备之间的信息传递，实现稳定的力反馈效果，而无需直接测量力。这种方法依赖于速度和位置信息的交互，通过控制速度来模拟力反馈，从而简化了系统设计和降低了成本。

技术框架：该方法采用leader-follower架构，包含主端（leader）和从端（follower）两个机器人。主端由操作者控制，从端执行相应的动作。系统主要包含以下模块：主端控制器、从端控制器、输入门控模块和通信模块。主端控制器负责将操作者的指令转换为主端机器人的运动；从端控制器负责控制从端机器人执行相应的动作；输入门控模块根据主从设备的状态调整信息传递，实现力反馈效果；通信模块负责主从设备之间的数据传输。

关键创新：该方法最重要的创新点在于使用输入门控机制来模拟力反馈，避免了使用力传感器。传统的力反馈遥操作系统依赖于力传感器来测量接触力，然后将力信息反馈给操作者。而该方法通过调整主从设备之间的速度和位置信息传递，实现了类似的力反馈效果，从而降低了系统成本和复杂性。

关键设计：输入门控模块是该方法的核心。该模块根据主从设备的速度和位置差异，调整主端发送给从端的速度指令。具体来说，当从端遇到障碍物时，其速度会降低，此时输入门控模块会减小主端发送给从端的速度指令，从而模拟力反馈效果。该模块的关键参数包括门控增益和阈值，这些参数可以通过简单的实验进行调整。

📊 实验亮点

实验结果表明，该方法在低成本硬件上实现了高可操作性和接触稳定性，优于传统的双边控制方法。即使在较低的通信速率下，控制性能的下降也很小，表明该方法具有很强的鲁棒性。此外，该方法可以在两种类型的商用低成本硬件上实现，无需任何参数调整，验证了其易于实现和多功能性。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于低成本遥操作机器人，例如在医疗、救援、教育等领域。在医疗领域，可以用于远程手术和康复训练；在救援领域，可以用于危险环境下的操作；在教育领域，可以用于机器人教学和实验。该方法降低了力反馈遥操作系统的成本和复杂性，有望促进其在更多领域的应用。

📄 摘要（原文）

Effective data collection in contact-rich manipulation requires force feedback during teleoperation, as accurate perception of contact is crucial for stable control. However, such technology remains uncommon, largely because bilateral teleoperation systems are complex and difficult to implement. To overcome this, we propose a bilateral teleoperation method that relies only on a simple feedback controller and does not require force sensors. The approach is designed for leader-follower setups using low-cost hardware, making it broadly applicable. Through numerical simulations and real-world experiments, we demonstrate that the method requires minimal parameter tuning, yet achieves both high operability and contact stability, outperforming conventional approaches. Furthermore, we show its high robustness: even at low communication cycle rates between leader and follower, control performance degradation is minimal compared to high-speed operation. We also prove our method can be implemented on two types of commercially available low-cost hardware with zero parameter adjustments. This highlights its high ease of implementation and versatility. We expect this method will expand the use of force feedback teleoperation systems on low-cost hardware. This will contribute to advancing contact-rich task autonomy in imitation learning.