HapticGiant: A Novel Very Large Kinesthetic Haptic Interface with Hierarchical Force Control

📄 arXiv: 2508.09595v1 📥 PDF

作者: Michael Fennel, Markus Walker, Dominik Pikos, Uwe D. Hanebeck

分类: cs.RO, cs.HC, eess.SY

发布日期: 2025-08-13

备注: Final Version - Accepted on IEEE Transactions on Haptics

💡 一句话要点

提出HapticGiant以解决现有触觉接口的局限性问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 运动触觉接口 虚拟现实 力控制 分层优化 人机交互 沉浸体验

📋 核心要点

  1. 现有的运动触觉接口在工作空间、自由度和运动学匹配方面存在显著不足，限制了用户体验。
  2. HapticGiant通过设计一个大规模的运动触觉接口，采用分层优化的准入式力控制方案，旨在提升用户的自然运动和触觉反馈。
  3. 实验结果验证了HapticGiant的有效性，显示出其在虚拟现实应用中的潜力和优势。

📝 摘要（中文）

虚拟现实和触觉技术的研究一直致力于增强沉浸感。尽管先进的头戴式显示器已在市场上推出，但运动触觉接口仍面临工作空间有限、自由度不足以及运动学与人类手臂不匹配等挑战。本文提出了HapticGiant，这是一种新型的大规模运动触觉接口，旨在尽可能匹配人类手臂的特性，并在提供完整触觉反馈的同时促进自然用户运动。该接口采用了一种新颖的准入式力控制方案，利用分层优化来呈现任意串联运动链和笛卡尔准入。值得注意的是，所提出的控制方案本质上考虑了系统限制，包括关节和笛卡尔约束以及奇异性。实验结果表明HapticGiant及其控制方案的有效性，为高度沉浸的虚拟现实应用铺平了道路。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决现有运动触觉接口在工作空间、自由度不足及运动学不匹配等问题，这些限制影响了用户的沉浸体验。

核心思路：HapticGiant的核心思路是设计一个大规模的运动触觉接口，尽可能模拟人类手臂的特性，并通过分层优化的准入式力控制方案来提升用户的自然运动和触觉反馈。

技术框架：HapticGiant的整体架构包括多个模块，首先是运动学模型的建立，其次是准入式力控制的实现，最后通过分层优化算法来处理关节和笛卡尔约束。

关键创新：该研究的关键创新在于其控制方案能够原生地考虑系统限制，如关节约束和奇异性，这与现有方法的设计理念有本质区别。

关键设计：在设计中，HapticGiant采用了特定的参数设置以优化控制效果，损失函数的选择也考虑了系统的动态特性，确保了运动的平滑性和自然性。具体的网络结构和算法细节在实验部分进行了详细描述。

📊 实验亮点

实验结果表明，HapticGiant在提供触觉反馈的同时，能够有效提升用户的运动自由度和沉浸感。与传统接口相比，其在工作空间和控制精度上有显著提升，具体性能数据未在摘要中提供。

🎯 应用场景

HapticGiant的研究成果在虚拟现实、机器人控制和人机交互等领域具有广泛的应用潜力。其能够提供更自然的触觉反馈和运动体验，未来可能在医疗训练、游戏开发和工业仿真等场景中发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

Research in virtual reality and haptic technologies has consistently aimed to enhance immersion. While advanced head-mounted displays are now commercially available, kinesthetic haptic interfaces still face challenges such as limited workspaces, insufficient degrees of freedom, and kinematics not matching the human arm. In this paper, we present HapticGiant, a novel large-scale kinesthetic haptic interface designed to match the properties of the human arm as closely as possible and to facilitate natural user locomotion while providing full haptic feedback. The interface incorporates a novel admittance-type force control scheme, leveraging hierarchical optimization to render both arbitrary serial kinematic chains and Cartesian admittances. Notably, the proposed control scheme natively accounts for system limitations, including joint and Cartesian constraints, as well as singularities. Experimental results demonstrate the effectiveness of HapticGiant and its control scheme, paving the way for highly immersive virtual reality applications.