Stability Criteria and Motor Performance in Delayed Haptic Dyadic Interactions Mediated by Robots

📄 arXiv: 2510.14511v2 📥 PDF

作者: Mingtian Du, Suhas Raghavendra Kulkarni, Simone Kager, Domenico Campolo

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-10-16 (更新: 2025-10-26)

💡 一句话要点

针对时延触觉人机交互，提出机器人调解下的稳定性判据

🎯 匹配领域: 支柱五：交互与反应 (Interaction & Reaction)

关键词: 人机交互 触觉反馈 机器人控制 时延补偿 稳定性分析

📋 核心要点

  1. 现有机器人调解的人机交互系统易受网络时延影响，导致系统不稳定和性能下降，缺乏有效的稳定性分析方法。
  2. 该论文提出了一种基于频域分析的稳定性判据，区分了与时延无关和与时延相关的两种情况，为系统设计提供了理论指导。
  3. 实验验证了稳定性判据的有效性，并揭示了系统参数（如刚度）对最大可容忍时延的影响，为时延补偿策略提供了依据。

📝 摘要（中文）

本文针对机器人调解的人-人（二元）交互系统，建立了分析稳定性判据，重点关注网络引入时延下的触觉通信。通过频域分析和数值仿真，我们确定了与时延无关和与时延相关的稳定性判据。前者保证了与时延无关的稳定性，而后者则以发生不稳定性之前的最大可容忍时延为特征。这些判据表明，稳定性依赖于控制器和机器人的动态参数，其中刚度的增加会以非线性方式降低最大可容忍时延，从而增加系统的脆弱性。所提出的判据可以推广到广泛的机器人调解交互，并作为稳定远程二元系统的设计指南。使用机器人执行类人运动的实验进一步说明了稳定性和运动性能之间的相关性。本文的研究结果提出了有效时延补偿策略的先决条件。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决机器人调解的人-人触觉交互系统中，由于网络时延引起的系统稳定性问题。现有方法缺乏对时延影响的精确分析，难以保证系统的稳定性和交互性能。尤其是在远程操作场景下，时延问题更加突出，严重影响用户的体验。

核心思路：论文的核心思路是通过频域分析方法，建立系统的传递函数模型，并基于该模型推导出稳定性判据。该判据能够定量地评估系统对时延的容忍程度，并指导控制器参数的设计，从而保证系统的稳定性。论文区分了与时延无关和与时延相关的两种稳定性判据，分别对应于不同程度的时延影响。

技术框架：论文的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 建立机器人调解的人-人交互系统的动力学模型，包括机器人、控制器和人体模型；2) 将动力学模型转换为频域传递函数模型；3) 基于传递函数模型，推导出与时延无关和与时延相关的稳定性判据；4) 通过数值仿真验证稳定性判据的有效性；5) 通过机器人实验验证稳定性判据与运动性能之间的关系。

关键创新：论文的关键创新在于提出了针对机器人调解的人-人触觉交互系统的稳定性判据，该判据能够定量地评估系统对时延的容忍程度，并指导控制器参数的设计。与现有方法相比，该判据更加精确和有效，能够更好地保证系统的稳定性和交互性能。此外，论文还区分了与时延无关和与时延相关的两种稳定性判据，分别对应于不同程度的时延影响，更具实用性。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 采用频域分析方法，能够有效地分析时延对系统稳定性的影响；2) 推导了与时延无关和与时延相关的两种稳定性判据，分别对应于不同程度的时延影响；3) 通过数值仿真和机器人实验验证了稳定性判据的有效性，并揭示了系统参数（如刚度）对最大可容忍时延的影响。具体的参数设置和模型细节在论文中有详细描述，但此处不便展开。

📊 实验亮点

论文通过数值仿真和机器人实验验证了所提出的稳定性判据的有效性。实验结果表明，刚度的增加会降低最大可容忍时延，从而增加系统的脆弱性。此外，实验还揭示了稳定性和运动性能之间的相关性，为时延补偿策略提供了依据。具体的性能数据和对比基线在论文中有详细描述，但此处不便展开。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于远程医疗、远程协作、虚拟现实等领域，提高人机交互系统的稳定性和性能。例如，在远程手术中，医生可以通过机器人进行远程操作，该研究可以帮助设计稳定的控制系统，保证手术的精度和安全性。此外，该研究还可以应用于康复机器人、教育机器人等领域，提高机器人的智能化水平和用户体验。

📄 摘要（原文）

This paper establishes analytical stability criteria for robot-mediated human-human (dyadic) interaction systems, focusing on haptic communication under network-induced time delays. Through frequency-domain analysis supported by numerical simulations, we identify both delay-independent and delay-dependent stability criteria. The delay-independent criterion guarantees stability irrespective of the delay, whereas the delay-dependent criterion is characterised by a maximum tolerable delay before instability occurs. The criteria demonstrate dependence on controller and robot dynamic parameters, where increasing stiffness reduces the maximum tolerable delay in a non-linear manner, thereby heightening system vulnerability. The proposed criteria can be generalised to a wide range of robot-mediated interactions and serve as design guidelines for stable remote dyadic systems. Experiments with robots performing human-like movements further illustrate the correlation between stability and motor performance. The findings of this paper suggest the prerequisites for effective delay-compensation strategies.