研究员利用触觉反馈提升机器人远程操作效率和任务复杂性

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提供触觉反馈机器人远程操作

（映维网Nweon 2025年05月15日）在机器人远程操作中，多模态感官反馈起着至关重要的作用，可为操作者提供更加身临其境的操作体验，减轻认知负担，并提高操作效率。

在一项研究中，深圳技术大学，浙江大学和澳大利亚迪肯大学团队开发了一种基于VR头显和力反馈手套的沉浸式双侧同构双手遥控机器人系统，通过触觉反馈来补充视觉体验。

为了评估系统的性能，研究人员进行了一系列的实验，并调查了用户的远程操作体验。结果表明，触觉力反馈增强了肢体感知能力和复杂任务操作能力。另外，它弥补了视觉感知的缺陷，减轻了操作员的工作负担，实现了更加直观和身临其境的遥操作，提高了操作效率，并扩大了机器人遥操任务的复杂性。

机器人可以在一系列的场景中代替人类执行任务，如搜救、水下作业、老年人护理。基于遥控机器人的远程操作可以将人类的智慧和专业知识与机器人相结合。通过远程操作利用人类的专业知识和技能来控制机器人，可以将人类的操作能力转移到远程机器人，从而可以执行更复杂和精确的任务。

要做到这一点，操作员需要足够的感官反馈来感知、理解和推理远程机器人的环境。目前，一种常见的方法是利用VR头显和立体摄像头来为操作员提供来自远端的立体视觉反馈，并以3D立体方式呈现空间信息。

然而，这在一系列的应用场景中并不足够，并且仅仅依赖视觉反馈将导致远程操作的局限性，并降低人机交互体验。

触觉作为感知属性和运动的五种感官之一，在人类与周围世界的交互中起着至关重要的作用。视觉可以帮助操作者获得物体的外部特征，如大小、形状、姿态和表面光滑度，而物体的内部属性（如重量、柔软度、易碎性）则只能通过触觉来感知。

通过结合触觉方式，操作员可以更好地感知周围环境并与之交互，体验远程机器人在物理层面反馈的实时感觉。在特定场景中，有限的照明、遮挡或焦点会使获取环境中的几何属性和位置变得具有挑战性。这时候，触觉可以很好地弥补这种视觉形态的缺陷。

在另一种情况下，触觉和视觉方式可以共同发挥作用，例如通过视觉判断柔性物体的几何形状，通过触觉判断其变形程度，从而确定合理的抓取位置，从而实现高质量的抓取。

在机器人的双手控制中，将机器人的触觉力反馈以同构的方式映射到操作者的皮肤，可以进一步增强沉浸感和交互性。通过设计结合可穿戴触觉的直观人机界面，我们可以实现更加身临其境的交互式远程操作体验，使操作员能够更加感受到与远程机器人及其环境的联系

如图所示，团队提出的远程操作框架集成了一个具有双边触觉反馈的人机界面，一个用于远程场景3D渲染的视觉界面，以及一个用于远程操作机械臂和灵巧手的控制模块。在系统中，位于远端的手动机器人由二自由度机械臂和2个六自由度五指灵巧手组成，每个指尖都有触觉传感器。ZED mini2摄像头安装在机器人头，提供远程环境的3D视觉信息。

在操作员方面，使用VR头显和用于追踪操作员手腕姿势的追踪器。头显为操作员提供立体图像，以3D形式呈现远程场景。操作者佩戴Dexmo外骨骼手套5，每个手指都有一个力反馈电机，最大扭矩为0.5 N·m，作用是提供触觉反馈。

为了评估系统的性能，团队设计了一系列的实验。在实验A中，选择了几个不同硬度的物体，并执行了两个动态操作任务，以展示触觉界面传递力反馈和感知物体内部属性的能力。在实验B中，执行了一个盲抓任务，以证明触觉反馈能够弥补视觉反馈在遮挡下的局限性。

在实验C中，设计了对比实验来评估不同反馈的远操作任务的性能：单一视觉反馈和视觉加触觉反馈。相关实验旨在证明触觉反馈的引入对远操作性能的改善。在实验D中，进行被试研究，探讨多模态感觉反馈对远操作效率和沉浸感的影响。

10名被试被要求在两种条件下执行任务：视觉反馈和视觉加触觉反馈，直到他们成功完成任务10次。团队计算了在每种条件下每项操作10人的平均完成时间。通过对被试完成时间的统计分析可以看出，视觉加触觉反馈的条件完成时间更短，被试能够更快地适应设备，减少任务执行时间，提高操作效率。

随后，操作员需要完成一项主观调查。问题1：哪种感官反馈方法能给你更强的沉浸感？问题2：在操作过程中，触觉反馈是否对你有所帮助，并减轻你的认知负担？

• 分析1：90%的被试认为视觉加触觉反馈方法在操作过程中提供了更强的沉浸感和更好的临场感效果。VR头显的立体渲染给了操作员强烈的临场感，同构的操作方式使操作员可以通过映射直接控制动作。这为操作员提供了直观的身临其境的体验，在远程场景中创造了逼真的远程呈现感。然而，根据参与者的反馈，当操作员对物体进行抓取动作时，缺乏触觉反馈信息会使操作员感到与沉浸式体验脱节。视觉加触觉反馈方法弥补了这一弱点。另外，参与者报告说，视觉加触觉反馈方法提供的更强的沉浸感使他们能够更好地集中精力完成任务。

• 分析2：70%的操作员报告说，触觉反馈使易碎水果的运输过程更容易。100%的操作人员反映，触觉反馈极大地帮助他们抓住水果而不损坏它，特别是在重复操作之后。与单一的视觉反馈相比，触觉反馈的引入减轻了操作者通过视觉反馈推断抓取力和抓取质量的认知负担。触觉反馈有助于操作者更快地做出决策，提高遥操作效率。

相关论文：An Immersive Virtual Reality Bimanual Telerobotic System With Haptic Feedback

总的来说，研究人员将触觉反馈引入到双手遥操作系统中，构建了一个双向触觉反馈人机交互界面，扩展了遥操作的感觉反馈方式。这个界面允许操作者能够感知物体的物理特性，弥补了视觉信息的局限性。

在提高操作效率、扩大双手机器人可执行复杂任务范围的同时，界面同时实现了更加直观、逼真、身临其境的操作，减轻了操作者的认知负担。

这个遥控机器人系统只提供了VR视觉反馈和触觉反馈信息。在未来，团队希望提供更多样化的反馈信息，包括来自远程站点的温度、纹理和皮肤拉伸反馈。通过增加反馈信息，研究人员希望进一步提高机器人的遥操性能，使操作者更加直观、逼真、身临其境地执行任务。