用于机器人机械臂控制的触摸屏遥操作界面

用于机器人机械臂控制的触摸屏遥操作界面

Juan José García Cárdenas, Alperen Kenan, Hamidreza Raei, Paul Bremner, Manuel Giuliani +2 位

1 分钟阅读•2026年8月8日

参与者

共有20名参与者参加了本研究,其中17人选择提供人口统计学信息。在这17人中,11人为男性,5人为女性,另有1人选择不透露性别。参与者年龄为19至67岁(M = 32.12,SD = 11.17)。

参与者来自不同地区,其中10人来自欧洲、4人来自亚洲、1人来自非洲、2人来自南美洲。教育背景包括5名博士生、8名硕士生和4名本科生。

大多数参与者此前都有一定的机器人使用经验,20人中有19人报告称具备相关经验。20人中有18人认为自己熟悉控制器或模拟器的操作。所有参与者都对机器人在日常生活和工作任务中日益重要的作用持积极态度。

带有标注的触摸屏遥操作界面

研究环境与背景

研究在英国布里斯托尔的 Bristol Robotics Laboratory 进行,参与者在此与界面交互。接受遥操作的机器人机械臂位于意大利热那亚的 IIT。

操纵杆控制器和键盘均为标准商用产品。基于触摸屏的界面运行于一台配备 ELAN2514 触控控制器的 13 英寸 HP Spectre x360 Convertible 笔记本电脑上。

实验采用一台配备 ATI Mini45 六轴力/扭矩传感器的 Franka Emika Panda 机械臂,在平面上执行擦拭操作。Azure VPN 将英国布里斯托尔的操作员工作站连接至意大利热那亚的机器人工作站,并传输 ROS 主题;经验证的往返延迟低于100毫秒。

用于机器人遥操作的操纵杆控制器

伦理

本研究经 University of the West of England 的 College of Arts, Technology & Environment 研究伦理委员会批准(参考编号:13470965)。

所有参与者在同意参加研究前均收到参与者信息说明,并在实验开始前签署了知情同意书。研究期间采取了适当措施,以确保参与者的隐私和数据安全。

参与者有权在任何时间退出研究,并可在研究结束后的七天内要求删除其数据。

遥操作控制实现

该遥操作系统的通信架构由分布于不同国家的四台计算机构成。

在英国布里斯托尔,PC1 作为人机界面,采集手指位置数据并显示机器人的摄像头画面。PC2 负责记录实验数据。

在意大利热那亚,PC3 将位置参考数据转换为经过时间同步的 ROS 主题,PC4 充当 ROS Master,控制 Franka Emika Panda 机械臂并执行安全约束。

所有计算机均通过 VPN 连接至同一虚拟网络,并采用有线连接以确保运行稳定可靠。

用于协作机器人操作的触摸屏界面

研究假设

基于协作式人机交互领域的相关研究,研究提出了以下三项假设:

  1. 与另外两种遥操作条件相比,处于 C3 条件(监督式单击自主控制)下的参与者将表现出最低的认知负荷。
  1. 与基线条件 C1(操纵杆界面)下的参与者相比,处于 C2 条件(触摸屏界面)下的参与者将表现出显著更低的工作负荷和更高的信任度评分。
  1. 在 C1 条件下,具备空间技能或游戏经验的参与者,其眨眼频率升高幅度更小、皮肤电反应峰值更低、任务完成时间更短,而低技能用户则相反。预计在 C2 和 C3 条件下,这些差异会有所减弱。

讨论

在将界面感知和力控制背景纳入分析后,剩余的假设 H3 仅得到部分支持。技能相关差异并没有预期中明显,但在与界面感知的交互中仍出现了一些迹象。

研究局限包括参与者样本仅有20人,以及只设置了一次较短的熟悉阶段。这些局限意味着,目前尚不足以充分反映触摸屏的学习曲线和技能迁移情况。此外,本研究还在实验室环境中采用了非专业操作员。

未来研究将加入触觉反馈、由实时负荷和信任度驱动的自适应共享控制,并开展由行业专家参与的纵向研究。这些研究将区分界面本身的固有效应与参与者既有熟悉程度的影响,并评估系统在实际运行中的稳健性。

常见问题

共有多少名参与者参加了研究? 共有20名参与者参加了研究,但只有17人提供了人口统计学信息。

操作员和机器人分别位于哪里? 参与者在英国的 Bristol Robotics Laboratory 操作界面,机器人机械臂则位于意大利热那亚的 IIT。

实验使用了哪种机器人? 实验使用了一台配备 ATI Mini45 六轴力/扭矩传感器的 Franka Emika Panda 机械臂。

未来研究计划关注哪些方向? 未来研究将考察触觉反馈、基于实时负荷和信任度的自适应共享控制,以及由行业专家参与的纵向测试。