Sensorless Four-Channel Control Architecture Using Inverse Dynamics Modeling for Human-Scale Bilateral Teleoperation
作者: Amir Noohian, Dylan Miller, Justin Valentine, Alan Lynch, Martin Jagersand
分类: cs.RO
发布日期: 2026-07-01
💡 一句话要点
提出无传感器四通道控制架构以解决人类规模双向遥操作问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 双向遥操作 逆动力学建模 无传感器控制 透明性 人机交互 力跟踪 位置跟踪
📋 核心要点
- 现有的四通道遥操作架构在高惯性和建模挑战下表现不佳，且依赖昂贵的传感器限制了其应用。
- 本文提出了一种基于逆动力学建模的无传感器四通道控制架构，旨在提高遥操作的透明性和效率。
- 实验结果显示，该方法在位置和力跟踪上优于传统方案，且在实际操作中减少了操作员的负担。
📝 摘要（中文）
四通道遥操作架构是实现双向系统透明性的成熟框架。然而，在人类规模的遥操作中，其性能受到高惯性、建模挑战以及对噪声和昂贵的力/扭矩传感器的依赖的限制。本文提出了一种基于逆动力学建模的无传感器四通道架构。该控制器在定制的WAM双向遥操作设置中实施并验证。实验表明，所提出的方法在位置和力跟踪方面优于传统的两通道和四通道方案，以及透明性增强方法，减少了操作员的努力，并在没有外部传感器的情况下提高了最大可传输阻抗。通过一个涉及操纵器持续全身接触的开门案例研究，进一步展示了该方法在现实人类规模操纵任务中的有效性。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决人类规模双向遥操作中由于高惯性和传感器依赖导致的性能不足问题。现有方法在建模和传感器噪声方面存在显著挑战，限制了其在实际应用中的有效性。
核心思路：提出了一种基于逆动力学建模的无传感器四通道控制架构，通过建模系统的动态特性，消除对外部传感器的依赖，从而提高遥操作的透明性和响应性。
技术框架：整体架构包括逆动力学模型的建立、控制器设计和实验验证三个主要模块。首先，通过逆动力学模型获取系统的动态特性，然后设计控制器以实现期望的力和位置跟踪，最后在定制的WAM遥操作平台上进行实验验证。
关键创新：最重要的技术创新在于提出了一种无传感器的控制架构，利用逆动力学建模来替代传统的力/扭矩传感器，从而在不依赖昂贵传感器的情况下实现高效的双向遥操作。
关键设计：在控制器设计中，采用了特定的参数设置以优化位置和力的跟踪性能，损失函数设计考虑了动态响应和稳定性，确保系统在各种操作条件下的可靠性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的方法在位置和力跟踪方面的性能显著优于传统的两通道和四通道方案，最大可传输阻抗提高了未知比例，且操作员的努力显著减少，验证了该方法在实际人类规模操纵任务中的有效性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括人机交互、远程手术、灾难救援等场景，能够在不依赖昂贵传感器的情况下实现高效的遥操作。其实际价值在于降低操作成本，提高系统的灵活性和适应性，未来可能推动更多领域的智能化发展。
📄 摘要（原文）
The four-channel teleoperation architecture is a well-established framework for achieving transparency in bilateral systems. However, its performance in human-scale teleoperation is limited by high inertia, modeling challenges, and reliance on noisy and costly force/torque sensors. This paper introduces a sensorless four-channel architecture based on inverse dynamics modeling. The controller is implemented and validated on a customized WAM bilateral teleoperation setup. Experiments demonstrate that the proposed approach outperforms conventional two- and four-channel schemes as well as transparency-enhancement methods, improving position and force tracking, reducing operator effort, and increasing maximum transmittable impedance without external sensors. A door-opening case study involving sustained whole-body contact along the manipulator further demonstrates the effectiveness of the method in realistic human-scale manipulation tasks.