一种用于人规模双边遥操作的新型控制架构，通过逆动力学建模实时估计外力，消除了对力/力矩传感器的需求。该方法降低了系统复杂性和成本，同时实现了更高的透明度——操作者仿佛直接与远程环境交互。
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研究人员构建了什么
阿尔伯塔大学的研究人员开发了一种无传感器四通道遥操作架构（4c-DC），并在定制的WAM（全臂操作器）双边系统上实现。引导臂是一个4自由度的WAM臂，配有3自由度的触觉手腕，能够镜像跟随臂的运动学结构；跟随臂是一个7自由度的WAM臂。该系统不依赖昂贵且易损的力/力矩传感器，而是基于模型逆动力学，从机器人自身的运动数据中估计外部关节力矩。
关键技术包括引导臂和跟随臂上的前馈动态补偿、实时力矩估计，以及双向传输位置、速度、力和力矩信息的四通道控制环路。系统通过UDP以500 Hz运行，所有控制软件均使用C++编写，并采用开源libbarrett库。
该架构使操作者不仅能感受到末端执行器的接触力，还能感受到整条手臂的接触力——这是对传统仅末端力反馈的重大改进。这一切无需额外传感器即可实现，使系统比配备传感器的替代方案更便宜、机械结构更简单。
关键成果
研究人员将所提出的4c-DC架构与三种基线方法进行了对比：两通道P-P控制（2c）、标准四通道控制（4c）和透明度增强方法（TE）。所有测试均在关节空间中进行，无人类操作者参与，以确保客观可重复性。
在开门案例研究中，4c-DC在自由运动和硬接触中均优于其他方法：
- 接触时的位置跟踪显著改善，反映出更高的最大可传递阻抗。操作者能够更好地感知门体的物理约束。
- 自由运动中的力跟踪表现更优，表明引导臂阻抗更低，操作者移动更轻松——即操作者在自由移动时感受到的阻力更小。
- 外部力矩估计误差（以NRMSE量化）在最敏感的关节（WAM的关节2和4）上较低，验证了逆动力学模型无需物理传感器即可准确捕捉交互力。
该系统还展示了检测沿机械臂本体接触的能力，而不仅仅是工具尖端。这是传统仅测量末端执行器力的遥操作方案的关键优势。
工作原理
该系统基于四通道遥操作架构，在引导臂和跟随臂之间传输四个信号：位置、速度、力和力矩。与仅交换位置或力的简单两通道架构不同，四通道控制可实现完全透明——操作者能精确感受到远程机器人的感觉，无论是在自由运动还是接触过程中。
核心创新在于利用逆动力学建模估计外部力矩。该系统无需力/力矩传感器，而是通过机器人动力学模型（惯性、科里奥利力、重力）计算期望力矩，然后从测量的电机力矩中减去这些值。剩余部分即为环境或操作者施加的估计外部力矩。
为获取动力学模型，研究人员使用优化激励轨迹进行了参数估计。对于4自由度引导臂，识别了26个基础动力学参数。手腕由于动态贡献小，被视为刚体连杆，从而降低了模型复杂度。估计过程使用开源工具离线完成，但生成的模型可实时运行，延迟可忽略不计——这对于稳定的触觉反馈至关重要。
控制律结合了双侧的前馈补偿与估计力矩。在引导臂侧，估计的操作者力矩用于生成反映跟随臂交互力的触觉反馈。在跟随臂侧，估计的跟随臂关节力矩用于力的反射。整个环路以500 Hz运行，确保即使在开门等硬接触任务中也能保持稳定。
该系统还能检测沿整个机械臂本体的接触，因为逆动力学估计每个关节的力矩，而不仅仅是末端执行器。这是基于传感器系统的独特优势，后者只能测量安装点的力。
对机器人学的意义
双边遥操作在危险环境中至关重要——核设施退役、水下检查、排爆和远程手术。力反馈严重影响操作者表现：透明度差会导致疲劳、精度低甚至任务失败。
消除力/力矩传感器可降低硬件成本和维护难度，同时提高耐用性。传感器通常易损且增加机器人惯性。无传感器方法使遥操作系统更实惠，更适用于肮脏或高辐射区域。
对于二手工业机器人和协作机器人，该架构可通过改造实现高质量遥操作，而无需重大硬件更改。许多现有机器人已经测量电机电流——将其与精确动力学模型结合，即可实现无传感器力反馈。
检测整个臂长接触的能力开启了全臂操作（例如用前臂推物体）和更安全人机交互的新应用，任何碰撞都能被操作者感知并立即响应。
局限性与开放问题
逆动力学模型未考虑静摩擦或库仑摩擦，这些在低速和精细操作时变得显著。当操作者缓慢移动或执行精细任务时，这会降低透明度。
当前实现假设引导臂和跟随臂具有相似的运动学结构（均为WAM臂）。扩展到异构系统——不同机器人品牌或配置——需要为每侧独立进行动力学辨识。
实验设置中通信延迟可忽略不计（两个进程在同一台计算机上运行）。实际网络部署会引入延迟，该架构在延迟下的稳定性尚未测试。最后，在线自适应（例如使用扰动观测器）可补偿动力学模型误差和变化负载——这是一个有前景但尚未探索的方向。
常见问题
什么是四通道遥操作架构？ 它在引导臂和跟随臂之间双向传输四个信号（位置、速度、力和力矩），使操作者能精确感受到远程机器人的感觉——无论是在自由运动还是接触过程中。
无传感器力估计如何工作？ 系统利用逆动力学：通过机器人动力学模型计算期望关节力矩，然后从测量的电机力矩中减去这些值。剩余部分即为来自接触或操作者输入的估计外部力矩。
这种方法适用于任何机器人，还是仅限WAM臂？ 它适用于任何具有精确关节位置和力矩传感以及已知动力学模型的机器人。WAM采用缆索驱动、可反向驱动的设计使其特别适合，但该方法具有普适性。
全臂接触检测与仅末端执行器相比如何？ 通过估计每个关节的力矩，系统可检测施加在臂上任意位置的力——而不仅仅是工具尖端。这为用前臂推物体或意外碰撞等任务提供了更丰富的触觉反馈。
结论
无传感器四通道控制架构证明，高质量双边遥操作无需昂贵的力/力矩传感器，完全可依靠基于模型的逆动力学实现。在WAM系统上的实验结果表明，无论是在自由运动还是硬接触中，该方法均具有优越的透明度，为要求苛刻的应用开启了更便宜、更鲁棒的遥操作大门。
无传感器遥操作能否完全取代传统力传感系统在工业远程机器人中的应用？