A Wearable Stiffness-Rendering Haptic Device with a Honeycomb Jamming Mechanism for Bilateral Teleoperation

📄 arXiv: 2608.03002v1 📥 PDF

作者: Thomas M. Kwok, Bohan Zhang, Wai Tuck Chow

分类: cs.RO

发布日期: 2026-08-04

备注: 18 pages, 10 figures. Published in Machines 2025, 13(1), 27

期刊: Machines 2025, 13(1), 27

DOI: 10.3390/machines13010027

💡 一句话要点

提出可穿戴的蜂窝夹紧机制触觉设备以解决双向遥操作中的运动反馈问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 触觉反馈 遥操作 蜂窝夹紧机制 动态刚度渲染 可穿戴设备 虚拟现实 增强现实

📋 核心要点

  1. 现有的双向遥操作设备在提供运动反馈方面存在不足，难以实现真实的物体刚度感知。
  2. 本文提出了一种基于蜂窝夹紧机制的可穿戴触觉设备HJ-Haptic，能够动态调整物体的刚度，提升遥操作体验。
  3. 实验结果表明，HJ-Haptic在遥操作任务中表现出小的RMSE和强相关性，有效增强了操作员的触觉反馈感知。

📝 摘要（中文）

本文针对双向遥操作中提供运动反馈的挑战，设计了一种可穿戴、轻便（20克）且紧凑的触觉设备HJ-Haptic，利用蜂窝夹紧机制进行物体刚度渲染。HJ-Haptic设备能够在30 kPa的真空压力下，将刚度从1.15 N/mm调整至2.64 N/mm。我们在遥操作框架中展示了其应用，使操作员能够根据可靠的触觉反馈调整握持力。通过对蜂窝夹紧机制的三点弯曲测试和遥操作物体抓取任务的评估，实验结果显示出小的均方根误差（RMSE）和强相关性，HJ-Haptic有效地根据实时抓取反馈调整刚度，模拟直接用手抓取物体的感觉。该设备的真空压力设计确保了操作员的安全，防止气体泄漏或材料失效带来的危险。将HJ-Haptic纳入遥操作框架，提供了可靠的物体刚度感知和稳定的遥操作体验。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决双向遥操作中缺乏有效运动反馈的问题，现有方法无法提供真实的物体刚度感知，导致操作员体验不足。

核心思路：论文提出的HJ-Haptic设备利用蜂窝夹紧机制，通过调节真空压力实现物体刚度的动态渲染，增强遥操作的触觉反馈。

技术框架：HJ-Haptic的整体架构包括蜂窝夹紧机制、真空泵系统和反馈控制模块。设备通过实时监测操作员的抓取力，调整刚度以匹配物体特性。

关键创新：该研究的主要创新在于将蜂窝夹紧机制应用于触觉反馈设备中，使其能够在轻量化的同时实现高效的刚度调节，与传统的触觉设备相比，提供了更灵活的反馈能力。

关键设计：HJ-Haptic的设计包括30 kPa的真空压力设置，刚度范围从1.15 N/mm到2.64 N/mm，确保设备在不同操作条件下的安全性和可靠性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，HJ-Haptic在遥操作任务中的均方根误差（RMSE）较小，且与物体刚度和交互力反馈之间存在强相关性，验证了其在动态刚度渲染中的有效性。该设备的设计确保了操作员在使用过程中的安全性，具有重要的应用价值。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括远程手术、虚拟现实和增强现实等场景，能够为操作员提供更真实的触觉反馈，提升用户体验。未来，HJ-Haptic有望在各种需要精细操作和触觉反馈的领域中发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

This paper addresses the challenge of providing kinesthetic feedback in bilateral teleoperation by designing a wearable, lightweight (20 g), and compact haptic device, the HJ-Haptic, utilizing a honeycomb jamming mechanism for object stiffness rendering. The HJ-Haptic device can vary its stiffness, from 1.15 N/mm to 2.64 N/mm, using a 30 kPa vacuum pressure. We demonstrate its implementation in a teleoperation framework, enabling operators to adjust grip force based on a reliable haptic feedback on object stiffness. A three-point flexural test on the honeycomb jamming mechanism and teleoperated object-grasping tasks were conducted to evaluate the device's functionality. Our experiments demonstrated a small RMSE and strong correlations in teleoperated motion, stiffness rendering, and interaction force feedback. The HJ-Haptic effectively adjusts its stiffness in response to real-time gripper feedback, mimicking the sensation of direct object grasping with hands. The device's use of vacuum pressure ensures operator safety by preventing dangerous outcomes in case of gas leakage or material failure. Incorporating the HJ-Haptic into the teleoperation framework provided the reliable perception of object stiffness and stable teleoperation. This study highlights the potential of the honeycomb jamming mechanism for enhancing haptic feedback in various applications, including teleoperation scenarios, as well as interactions with extended-reality environments.