基於修正任務雅可比矩陣和放鬆障礙函數的半身人形機器人高效虛擬實境遙操作，用於避免自碰撞

Konsep Inti

本文提出了一種基於虛擬實境 (VR) 的遙操作方法，通過修改任務雅可比矩陣將追蹤器映射到機器人關節，並使用放鬆障礙函數進行自碰撞避免，從而實現對半身人形機器人的高效、安全控制。

Abstrak

研究目標

本研究旨在開發一種基於虛擬實境 (VR) 的直觀遙操作介面，用於控制半身人形機器人，同時確保機器人在執行任務時不會發生自碰撞。

方法

研究人員提出了一種基於修正任務雅可比矩陣的方法，將 VR 追蹤器的自由度映射到機器人關節。這種方法將每個追蹤器分配給一組特定的關節，從而簡化了遙操作過程，並使操作員能夠預測機器人的運動。此外，研究人員還採用了放鬆障礙函數來解決機器人自碰撞的問題。這種方法將自碰撞避免納入到逆運動學 (IK) 問題中，確保機器人在執行任務時始終保持安全距離。

主要發現

• 通過修改任務雅可比矩陣，可以有效地將 VR 追蹤器映射到機器人關節，從而實現直觀的遙操作。
• 放鬆障礙函數提供了一種有效的方法來避免機器人自碰撞，提高了遙操作的安全性。
• 在 Apptronik Astro 機器人上的實驗驗證了該方法的有效性，證明了操作員可以通過該系統輕鬆執行拾放和協作任務。

主要結論

該研究提出了一種基於 VR 的半身人形機器人遙操作新方法，通過修改任務雅可比矩陣和放鬆障礙函數，實現了高效、安全和直觀的遙操作體驗。

研究意義

該研究對機器人遙操作領域做出了貢獻，特別是在需要避免自碰撞的複雜環境中，為人類控制機器人提供了更安全、更有效的方法。

局限性和未來研究方向

未來的研究可以集中於將該方法擴展到全身人形機器人，並探索更複雜的任務場景。此外，還可以進一步研究如何提高遙操作系統在不同環境和任務下的適應性。

Statistik

Apptronik Astro 機器人具有 17 個自由度：軀幹 2 個，頸部 3 個，每隻手臂 6 個。

Kutipan

Wawasan Utama Disaring Dari

Effective Virtual Reality Teleoperation of an Upper-body Humanoid with Modified Task Jacobians and Relaxed Barrier Functions for Self-Collision Avoidance

by Steven Jens ... pada arxiv.org 11-13-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.07534.pdf

Pertanyaan yang Lebih Dalam

如何將這種基於 VR 的遙操作方法應用於其他類型的機器人，例如移動機器人或多足機器人？

將基於 VR 的遙操作方法應用於移動機器人或多足機器人，需要針對其運動特性和任務需求進行調整，主要體現在以下幾個方面：

任務雅可比矩陣的修改: 移動機器人和多足機器人的運動學和動力學模型比上半身人形機器人更為複雜，需要根據具體的機器人結構和運動約束重新設計任務雅可比矩陣，以實現 VR 追蹤器與機器人關節的有效映射。例如，對於移動機器人，可以將頭戴式顯示器的方向映射到機器人的航向角，將控制器的位移映射到機器人的線速度和角速度。對於多足機器人，則需要考慮腿部關節的協調控制，以實現穩定行走和姿態調整。
碰撞避免策略: 移動機器人和多足機器人通常在更複雜的環境中工作，需要更強大的碰撞避免能力。除了基於距離函數的碰撞檢測和規避方法外，還可以結合視覺傳感器、激光雷達等感知信息，構建更精確的環境模型，並採用基於預測控制、動態規劃等方法，規劃更安全、高效的運動軌跡。
人機交互界面: VR 界面需要根據機器人的操控方式和任務需求進行定制化設計。例如，可以利用 VR 控制器的按鈕和搖桿控制機器人的運動模式、速度和方向，並通過視覺、聽覺等多種方式向操作者反饋機器人的狀態信息，提高遙操作的直觀性和效率。
總之，將基於 VR 的遙操作方法應用於其他類型的機器人，需要綜合考慮機器人本身的特性、任務需求以及環境因素，進行系統性的設計和優化。

在存在外部障礙物或動態環境的情況下，如何保證機器人的安全性和任務執行效率？

在存在外部障礙物或動態環境的情況下，保證機器人的安全性和任務執行效率是基於 VR 遙操作技術的一大挑戰。以下是一些可以採取的策略：

增強環境感知能力: 為機器人配備更豐富的傳感器，例如深度相機、激光雷達、超聲波傳感器等，以獲取更全面、精確的環境信息。通過融合多種傳感器數據，可以構建實時的環境地圖，並識別潛在的障礙物和動態目標。
預測性碰撞避免: 利用機器人運動學模型和環境信息，預測機器人未來一段時間內的運動軌跡，並提前識別潛在的碰撞風險。一旦檢測到碰撞風險，可以通過調整機器人的運動軌跡、速度或姿態來避免碰撞。
動態路徑規劃: 採用動態路徑規劃算法，例如 D* 算法、A* 算法等，根據實時更新的環境信息，動態地規劃機器人的運動路徑，避開障礙物，並尋找最優的運動軌跡。
人機協作控制: 在遙操作過程中，可以引入人機協作控制策略，讓操作者參與到機器人的決策過程中。例如，操作者可以通過 VR 界面指定機器人的目標位置或運動方向，而機器人則負責根據環境信息自動規劃具體的運動軌跡，並避開障礙物。
安全防護機制: 在機器人設計和控制中，應加入多層的安全防護機制，例如：

軟件限位: 限制機器人的運動範圍和速度，避免因操作失誤或系統故障導致的碰撞。
碰撞檢測: 實時監測機器人與環境的接觸力，一旦檢測到碰撞，立即停止機器人的運動。
緊急停止: 設置緊急停止按鈕，讓操作者在必要時可以立即停止機器人的所有動作。
通過綜合運用以上策略，可以有效提高基於 VR 遙操作機器人在複雜環境下的安全性和任務執行效率。

這種基於 VR 的遙操作技術如何應用於遠程醫療、災害救援或太空探索等領域？

基於 VR 的遙操作技術在遠程醫療、災害救援和太空探索等領域具有廣闊的應用前景：
1. 遠程醫療:

遠程手術: 醫生可以通過 VR 設備和遙操作系統，遠程操控手術機器人進行精細的手術操作，克服地理限制，為偏遠地區的患者提供及時、高質量的醫療服務。
遠程診斷: 醫生可以通過 VR 技術與患者進行遠程視頻交流，並操控機器人對患者進行身體檢查，例如聽診、觸診等，提高診斷效率和準確性。
康復訓練: 患者可以通過 VR 遊戲和遙操作設備進行康復訓練，例如模擬日常生活中的動作，提高訓練的趣味性和效率。
2. 災害救援:

危險環境探測: 遙操作機器人可以代替救援人員進入到危險的災害現場，例如坍塌的建築物、化工廠泄漏事故現場等，進行環境探測、搜索倖存者和評估災害程度。
遠程操控救援: 救援人員可以通過 VR 設備和遙操作系統，遠程操控機器人進行救援工作，例如清理障礙物、搬運傷員、提供醫療救助等，提高救援效率和安全性。
3. 太空探索:

行星表面探測: 遙操作機器人可以代替宇航員在行星表面進行探測工作，例如採集樣本、進行科學實驗、搭建基地等，降低太空探索的成本和風險。
太空設備維修: 宇航員可以通過 VR 設備和遙操作系統，遠程操控機器人對太空設備進行維修和維護，例如更換零件、修復故障等，延長設備的使用壽命。
總之，基於 VR 的遙操作技術為遠程醫療、災害救援和太空探索等領域帶來了新的可能性，可以有效克服距離、環境等方面的限制，提高工作效率和安全性，具有巨大的應用價值和發展潛力。