Robust Immersive Bilateral Teleoperation of Beyond-Human-Scale Systems with Enhanced Transparency and Sense of Embodiment

要約

テレオ操作、特に頑丈なマニピュレーターを含む人間のループシステムでは、高いタスクパフォ​​ーマンスを達成するには、堅牢な制御と強力な人間の関与の両方が必要です。
この論文では、透明性とオペレーターの具体的な感覚（SOE）、特にエージェンシーとセルフロケーションの感覚を強化する人間スケールを超えたロボットシステムのための二国間テレオ操作のフレームワークを紹介します。
この実施形態をサポートし、高レベルの運動と力の透明性を確立するために、入力の非線形性、マスタースロゲートの非対称性、不明確な不確実性、および任意の時間遅延に取り組む力センサーレスで堅牢な制御アーキテクチャを開発します。
ヒトロボット拡張動的モデルがコントロールループに統合され、コントローラーのヒト適応性が向上します。
理論分析は、閉ループシステムの半グロールの均一な究極の境界性を確認し、実際の不確実性に対する堅牢性を保証します。
広範な実世界の実験は、最大1:13のモーションスケーリングと1：1000の力スケーリングの下で​​高精度追跡を実証し、結果の重要性を示しています。
さらに、モーショントラッキングと力の反射と追跡のための安定性透明性のトレードオフは、最大150ミリ秒の一方向の修正と時変コミュニケーションの遅延から確立されます。
10人の参加者（男性9人と女性1人）を使用したユーザー調査の結果は、システムがSOEの良いレベル（76.4％）を暗示できることを示しています。
これらの結果は、頑丈なマニピュレーターのスケールと重量を考えると重要です。

要約(オリジナル)

In human-in-the-loop systems such as teleoperation, especially those involving heavy-duty manipulators, achieving high task performance requires both robust control and strong human engagement. This paper presents a bilateral teleoperation framework for beyond-human-scale robotic systems that enhances the transparency and the operator’s sense of embodiment (SoE), specifically, the senses of agency and self-location, through an immersive virtual reality interface and distributed haptic feedback. To support this embodiment and establish high level of motion and force transparency, we develop a force-sensorless, robust control architecture that tackles input nonlinearities, master-surrogate asymmetries, unknown uncertainties, and arbitrary time delays. A human-robot augmented dynamic model is integrated into the control loop to enhance human-adaptability of the controller. Theoretical analysis confirms semi-global uniform ultimate boundedness of the closed-loop system, guaranteeing the robustness to the real-world uncertainties. Extensive real-world experiments demonstrate high accuracy tracking under up to 1:13 motion scaling and 1:1000 force scaling, showcasing the significance of the results. Additionally, the stability-transparency tradeoff for motion tracking and force reflection and tracking is established up to 150 ms of one-way fix and time-varying communication delays. The results of user study with 10 participants (9 male and 1 female) demonstrate that the system can imply a good level of SoE (76.4%), at the same time is very user friendly with no gender limitation. These results are significant given the scale and weight of the heavy-duty manipulators.

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