Gaze-Assisted Supervisory Control for Lunar Robotic Arm Teleoperation Under Concurrent Monitoring
作者: Jiayu He, Yifan Li, Oliver R. Runswick, Ernest N. Kamavuako, Yunjie Jia, Peter D. Hodkinson, Yang Gao
分类: cs.RO
发布日期: 2026-10-29
💡 一句话要点
提出注视辅助的监督控制框架以提升月球机器人臂遥控效率
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 机器人臂 遥控操作 注视辅助 月球探测 自主执行 任务负荷 视觉跟踪
📋 核心要点
- 现有的摇杆遥控方法在长时间操作中需要频繁的视觉与运动对齐，导致操作效率低下。
- 本文提出的注视辅助监督控制框架，通过注视指定目标并授权机器人执行，减少了操作员的负担。
- 实验结果显示，任务完成时间显著缩短，注视切换频率降低，NASA任务负荷指数得分也有所下降，表明操作负担减轻。
📝 摘要（中文）
搭载在探测器上的机器人臂可以扩展人类在月球样本处理中的操作范围，但持续的摇杆遥控需要反复进行视觉与运动的对齐，同时操作员还需监控系统状态。本文提出了一种注视辅助的监督控制框架，其中注视用于指定岩石或放置目标，明确确认授权行动，机器人执行有限的自主抓取与放置。通过与手动摇杆遥控的对比，研究表明任务完成时间从47.65秒减少到18.43秒，72.5%的时间差出现在抓取阶段。尽管在精确放置任务中手动控制表现更佳，但该框架在快速任务意图指定与自主执行方面显示出显著优势。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决在月球样本处理过程中，传统摇杆遥控方法导致的操作效率低下和操作员负担过重的问题。现有方法在长时间操作中需要频繁进行视觉与运动的对齐，影响任务执行效率。
核心思路：提出的注视辅助监督控制框架利用操作员的注视点来指定目标，并通过明确的确认步骤授权机器人执行抓取与放置任务，从而实现快速的任务意图指定与自主执行。
技术框架：该框架包括三个主要模块：注视点识别模块、确认授权模块和自主执行模块。操作员通过注视目标，系统识别并记录注视点，随后进行确认，最后机器人执行抓取与放置操作。
关键创新：最重要的技术创新在于将注视作为输入信号，结合明确的确认步骤，形成了一种混合主动控制模式。这与传统的完全手动控制方法形成了鲜明对比，提升了操作效率。
关键设计：在实验中，注视点的识别精度和确认步骤的响应时间是关键设计参数。采用了优化的视觉跟踪算法以提高注视识别的准确性，同时确保确认过程的流畅性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，注视辅助监督控制框架显著提高了任务完成效率，平均任务完成时间从47.65秒减少至18.43秒，抓取阶段的时间差占72.5%。同时，注视切换频率从49.98次/分钟降至27.73次/分钟，NASA任务负荷指数得分从32.54降至18.26，显示出操作负担的显著减轻。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括月球探测、深空探索及其他需要远程操作的环境。通过提高遥控操作的效率与准确性，该框架可为未来的机器人任务提供更为高效的操作方式，降低操作员的认知负担，提升任务成功率。
📄 摘要（原文）
Rover-mounted robotic arms can extend human reach during lunar sample handling, but continuous joystick teleoperation requires repeated visual-motor alignment while operators may also need to monitor system states. This paper presents a gaze-assisted supervisory control framework in which gaze nominates a rock or placement target, explicit confirmation authorizes the action, and the robot performs bounded autonomous grasp-and-place execution. The framework was evaluated against manual joystick teleoperation in a mission-analog virtual reality study with 16 participants. The study used a 2 x 2 x 3 within-subject design varying control mode, placement difficulty, and concurrent monitoring load. Mean recorded task completion time decreased from 47.65 to 18.43 s per rock, with 72.5% of this difference arising during grasping. Under the tested auditory monitoring conditions, gaze-assisted supervisory control showed less average proportional slowing, with no detected control-mode difference in monitoring-response accuracy or speed. The rate of gaze shifts between core areas of interest decreased from 49.98 to 27.73 shifts/min, while the raw NASA Task Load Index score decreased from 32.54 to 18.26. However, the benefit was task dependent. In precision placement, manual control yielded lower mean placement error and a higher placement success rate. These findings support a mixed-initiative allocation in which gaze enables rapid task-level intention specification and autonomous execution, while precision-critical stages retain manual refinement.