Safe haptic teleoperations of admittance controlled robots with virtualization of the force feedback
作者: Lorenzo Pagliara, Enrico Ferrentino, Andrea Chiacchio, Giovanni Russo
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-04-11
备注: This work has been submitted to the IEEE for possible publication
💡 一句话要点
提出虚拟化力反馈的双向触觉遥操作系统以解决安全性问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 触觉遥操作 人机交互 入侵控制 虚拟化力反馈 安全性 医疗应用 机器人技术
📋 核心要点
- 现有的触觉遥操作系统在实现自然、安全的人机交互时面临挑战，尤其是在复杂的医疗程序中。
- 本文提出了一种新型的触觉双向遥操作系统（HBTS），通过虚拟化力反馈来解耦力渲染与交互控制。
- 实验结果显示，HBTS在遥操作的自然性、安全性和交互精度方面优于其他两种架构，表现出显著的提升。
📝 摘要（中文）
触觉遥操作在扩展人类远程执行复杂任务的能力方面发挥着关键作用，尤其在医疗等复杂程序中，确保自然、稳定和安全的人机交互至关重要。本文提出了一种新颖的触觉双向遥操作系统（HBTS），通过基于入侵控制机器人的运动误差的虚拟化力反馈来解决这一挑战。该方法将力渲染系统与交互控制解耦，使得渲染的力可以根据期望动态进行调整，同时独立调节入侵控制参数以最大化交互性能。此外，为了限制机器人对环境施加的力，确保安全交互，本文还嵌入了对触觉设备提供的运动参考的饱和策略。通过与其他两种架构的对比实验，结果表明，所提出的HBTS在遥操作的自然性、安全性和交互精度方面均有所提升。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决触觉遥操作中自然性、安全性和精确性之间的矛盾，现有方法在复杂任务中难以实现这些目标。
核心思路：提出的HBTS通过虚拟化力反馈，将力渲染与控制解耦，使得系统能够独立优化力的动态响应和交互性能。
技术框架：该系统包括三个主要模块：触觉设备、入侵控制机器人和虚拟化力反馈模块。触觉设备负责感知用户的操作，入侵控制机器人执行任务，而虚拟化模块则根据运动误差生成力反馈。
关键创新：HBTS的核心创新在于将力渲染与控制解耦，允许独立调节力的动态和入侵控制参数，这在现有方法中并不常见。
关键设计：设计中采用了饱和策略来限制机器人施加的力，确保安全交互，同时对入侵控制参数进行了精细调节，以优化交互性能。实验中通过黑板书写任务验证了系统的有效性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，HBTS在遥操作的自然性、安全性和交互精度方面均显著优于其他两种架构，具体提升幅度未详细说明，但整体性能得到了有效改善。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括远程医疗、灾难救援和危险环境下的操作等。通过提高遥操作的安全性和精确性，HBTS能够在复杂任务中更好地支持人类操作，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
Haptic teleoperations play a key role in extending human capabilities to perform complex tasks remotely, employing a robotic system. The impact of haptics is far-reaching and can improve the sensory awareness and motor accuracy of the operator. In this context, a key challenge is attaining a natural, stable and safe haptic human-robot interaction. Achieving these conflicting requirements is particularly crucial for complex procedures, e.g. medical ones. To address this challenge, in this work we develop a novel haptic bilateral teleoperation system (HBTS), featuring a virtualized force feedback, based on the motion error generated by an admittance controlled robot. This approach allows decoupling the force rendering system from the control of the interaction: the rendered force is assigned with the desired dynamics, while the admittance control parameters are separately tuned to maximize interaction performance. Furthermore, recognizing the necessity to limit the forces exerted by the robot on the environment, to ensure a safe interaction, we embed a saturation strategy of the motion references provided by the haptic device to admittance control. We validate the different aspects of the proposed HBTS, through a teleoperated blackboard writing experiment, against two other architectures. The results indicate that the proposed HBTS improves the naturalness of teleoperation, as well as safety and accuracy of the interaction.