Bilateral Teleoperation with Compliant 6-DOF Pose-and-Force Sensing

📄 arXiv: 2605.19255v1 📥 PDF

作者: Yue Feng, Weicheng Huang, I-Ming Chen

分类: cs.RO

发布日期: 2026-05-19

备注: 8 pages, 16 figures, 2 tables. Preprint

💡 一句话要点

提出基于低成本合规6-DOF传感器的双向遥操作框架以解决现有平台的局限性

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 双向遥操作 合规传感器 力反馈 中间件 机器人技术 工业自动化 人机协作

📋 核心要点

  1. 现有双向遥操作平台依赖昂贵的刚性传感器和复杂的硬件耦合，限制了其应用和普及。
  2. 提出了一种基于低成本合规传感器的双向遥操作框架，利用WOS中间件实现硬件无关性。
  3. 在150 Hz的测试中，系统在高延迟和数据包丢失情况下仍能稳定运行，显示出良好的性能表现。

📝 摘要（中文）

现有的双向遥操作平台仍依赖于昂贵的刚性六轴力/扭矩传感器、紧密耦合的主从硬件和千赫级控制回路。本文提出了一种基于硬件无关的WinGs操作工作室(WOS)中间件的笛卡尔双向框架，采用低成本合规6-DOF姿态和力传感器Delta6，安装在两侧，使每个操纵器表现为一个6-DOF系列弹性执行器(SEA)。主控端运行仅有阻尼的适应环路，辅控端通过基于位置的外环实现刚度-阻尼阻抗。三个时间尺度（硬件I/O、中速阻抗/适应、低速遥操作消息）被明确解耦，使得同一应用能够驱动异构臂。在150 Hz的Lite6/FR3测试平台上，系统在高达$120 ext{ms} ext{±}40 ext{ms}$的延迟和1%的数据包丢失下稳定跟踪，能够匹配接触中的虚拟刚度，并在被动风格测试中显示出良好的累积能量特征。

🔬 方法详解

问题定义：现有双向遥操作平台依赖于高成本的刚性六轴传感器和紧密耦合的硬件，导致系统的灵活性和可扩展性不足。

核心思路：本文提出了一种基于低成本合规6-DOF姿态和力传感器的遥操作框架，利用WOS中间件实现硬件无关性，从而降低成本并增强系统的适应性。

技术框架：系统由主控端和辅控端组成，主控端运行阻尼适应环路，辅控端实现刚度-阻尼阻抗，三个时间尺度被明确解耦，允许异构臂的驱动。

关键创新：最重要的创新在于使用低成本合规传感器Delta6，替代传统的刚性传感器，显著降低了系统成本，同时保持了良好的性能。

关键设计：系统设计中采用了6-D biquad notch滤波器和PID控制器进行姿态与力的映射，确保在不同的时间尺度下系统的稳定性和响应性。实验中，系统在150 Hz下稳定跟踪，延迟和数据包丢失的容忍度较高。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，在150 Hz的测试平台上，系统能够在高达$120 ext{ms} ext{±}40 ext{ms}$的延迟和1%的数据包丢失情况下稳定运行，成功匹配接触中的虚拟刚度，且在被动风格测试中表现出良好的累积能量特征，显示出显著的性能提升。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括远程手术、工业自动化和人机协作等场景。通过降低遥操作系统的成本和复杂性，能够使更多行业受益于高效的遥操作技术，推动相关领域的发展与创新。

📄 摘要（原文）

Existing bilateral teleoperation platforms still rely on costly rigid six-axis force/torque sensors, tightly coupled leader-follower hardware, and kilohertz control loops. We present a Cartesian bilateral framework built on the hardware-agnostic WinGs Operating Studio (WOS) middleware, in which a low-cost compliant 6-DOF pose-and-force sensing end-effector, Delta6, is mounted on both sides so that each manipulator behaves as an end-effector 6-DOF series elastic actuator (SEA). The leader runs a damping-only admittance loop with a 6-D biquad notch filter; the follower realizes a stiffness-damping impedance through a position-based outer loop with a PID wrench-to-pose mapping. Three time scales (hardware I/O, mid-rate impedance/admittance, low-rate teleoperation messages) are explicitly decoupled, enabling the same application to drive heterogeneous arms. On a Lite6/FR3 testbed at 150 Hz, the system tracks stably under delays up to $120\pm40$ ms and 1% packet loss, matches the prescribed virtual stiffness in contact, and shows a favorable cumulative energy signature in passivity-style tests.