MR-UBi: Mixed Reality-Based Underwater Robot Arm Teleoperation System with Reaction Torque Indicator via Bilateral Control

📄 arXiv: 2510.20407v1 📥 PDF

作者: Kohei Nishi, Masato Kobayashi, Yuki Uranishi

分类: cs.RO

发布日期: 2025-10-23

🔗 代码/项目: PROJECT_PAGE

💡 一句话要点

MR-UBi：基于混合现实的水下机器人臂遥操作系统，通过双边控制实现反应扭矩指示

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 水下机器人 遥操作 混合现实 双边控制 力反馈 扭矩控制 人机交互

📋 核心要点

  1. 水下机器人臂遥操作面临缺乏直观反馈的问题，操作员难以精确控制抓取力矩。
  2. MR-UBi通过混合现实技术，将反应扭矩信息以颜色和长度编码的形式叠加到操作员的视野中，提供直观的视觉反馈。
  3. 实验表明，MR-UBi显著提高了抓取扭矩控制的准确性，并降低了操作员的工作负荷。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于混合现实的水下机器人臂遥操作系统，该系统通过双边控制实现反应扭矩指示（MR-UBi）。反应扭矩指示器（RTI）在MR-HMD中叠加颜色和长度编码的扭矩条，从而在水下机器人臂遥操作期间实现视觉和触觉反馈的无缝集成。包含16名参与者的用户研究将MR-UBi与双边控制基线进行了比较。结果表明，MR-UBi显著提高了抓取扭矩控制的准确性，增加了在最佳扭矩范围内的时间，并减少了提升和放置不同刚度物体的任务期间的低和高抓取扭矩范围。主观评估进一步显示出更高的可用性（SUS）和更低的工作量（NASA-TLX）。总体而言，结果证实了MR-UBi通过集成视觉和触觉反馈，能够实现更稳定、准确和用户友好的水下机器人臂遥操作。

🔬 方法详解

问题定义：水下机器人臂遥操作由于水下环境的复杂性和缺乏直接触觉反馈，操作员难以精确控制机器人臂的抓取力矩。过大的力矩可能损坏物体或机器人臂，而过小的力矩则无法稳定抓取。现有的双边控制方法虽然能提供一定的力反馈，但仍然缺乏直观性，操作员需要经过长时间的训练才能熟练掌握。

核心思路：MR-UBi的核心思路是将反应扭矩信息以直观的视觉形式呈现给操作员，通过混合现实技术将扭矩信息叠加到操作员的视野中，从而实现视觉和触觉反馈的无缝集成。操作员可以通过观察颜色和长度编码的扭矩条，实时了解抓取力矩的大小，并据此调整操作，提高控制精度。

技术框架：MR-UBi系统主要包括以下几个模块：1) 水下机器人臂：负责执行抓取任务；2) 力/扭矩传感器：测量机器人臂与物体之间的作用力/扭矩；3) 双边控制系统：实现操作员与机器人臂之间的力反馈；4) 混合现实显示器（MR-HMD）：将视觉信息叠加到操作员的视野中；5) 反应扭矩指示器（RTI）：将力/扭矩传感器的数据转换为颜色和长度编码的扭矩条，并在MR-HMD中显示。操作员通过MR-HMD观察场景和RTI，并通过双边控制系统控制机器人臂。

关键创新：MR-UBi的关键创新在于将混合现实技术应用于水下机器人臂遥操作，并设计了反应扭矩指示器（RTI），将力/扭矩信息以直观的视觉形式呈现给操作员。与传统的双边控制方法相比，MR-UBi能够提供更直观、更易于理解的反馈，从而提高操作员的控制精度和效率。

关键设计：RTI的设计是关键。扭矩条的颜色和长度根据力/扭矩的大小进行编码，例如，绿色表示最佳扭矩范围，红色表示过大的扭矩，蓝色表示过小的扭矩。扭矩条的长度也与力/扭矩的大小成正比。此外，系统还考虑了操作员的视觉舒适度，对扭矩条的位置、大小和透明度进行了优化。

📊 实验亮点

用户研究表明，与双边控制基线相比，MR-UBi显著提高了抓取扭矩控制的准确性。具体来说，MR-UBi增加了在最佳扭矩范围内的时间，并减少了提升和放置不同刚度物体的任务期间的低和高抓取扭矩范围。主观评估结果显示，MR-UBi具有更高的可用性（SUS）和更低的工作量（NASA-TLX）。

🎯 应用场景

MR-UBi可应用于各种水下作业场景，例如水下结构维护、海底资源勘探、水下救援等。该系统能够提高水下机器人臂遥操作的效率和安全性，降低操作员的工作负荷，并减少对专业操作员的依赖。未来，该技术还可以扩展到其他远程操作领域，例如太空探索、核电站维护等。

📄 摘要（原文）

We present a mixed reality-based underwater robot arm teleoperation system with a reaction torque indicator via bilateral control (MR-UBi). The reaction torque indicator (RTI) overlays a color and length-coded torque bar in the MR-HMD, enabling seamless integration of visual and haptic feedback during underwater robot arm teleoperation. User studies with sixteen participants compared MR-UBi against a bilateral-control baseline. MR-UBi significantly improved grasping-torque control accuracy, increasing the time within the optimal torque range and reducing both low and high grasping torque range during lift and pick-and-place tasks with objects of different stiffness. Subjective evaluations further showed higher usability (SUS) and lower workload (NASA--TLX). Overall, the results confirm that \textit{MR-UBi} enables more stable, accurate, and user-friendly underwater robot-arm teleoperation through the integration of visual and haptic feedback. For additional material, please check: https://mertcookimg.github.io/mr-ubi