[论文解读] Four-Arm Manipulation via Feet Interfaces

Jacob Hernandez Sanchez, Walid Amanhoud+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2019

Muscle activation and electromyography studies参考文献 24被引用 9

一句话总结

本文提出了一种创新的四臂操作机械系统，用户通过自定义的5自由度脚部接口，使用双脚控制两台机械臂，实现双手自由进行精细操作，同时双脚负责支撑任务。通过采用阻抗控制的遥操作技术，结合动力学系统进行轨迹生成和触觉反馈，系统实现了高力透明度（RMSE 0.033 N）和有效的扰动抑制，验证了直接基于脚部控制的附加机械臂在实际应用中的可行性。

ABSTRACT

We seek to augment human manipulation by enabling humans to control two robotic arms in addition to their natural arms using their feet. Thereby, the hands are free to perform tasks of high dexterity, while the feet-controlled arms perform tasks requiring lower dexterity, such as supporting a load. The robotic arms are tele-operated through two foot interfaces that transmit translation and rotation to the end effector of the manipulator. Haptic feedback is provided for the human to perceive contact and change in load and to adapt the feet pressure accordingly. Existing foot interfaces have been used primarily for a single foot control and are limited in range of motion and number of degrees of freedom they can control. This paper presents foot-interfaces specifically made for bipedal control, with a workspace suitable for two feet operation and in five degrees of freedom each. This paper also presents a position-force teleoperation controller based on Impedance Control modulated through Dynamical Systems for trajectory generation. Finally, an initial validation of the platform is presented, whereby a user grasps an object with both feet and generates various disturbances while the object is supported by the feet.

研究动机与目标

• 开发一种机械与控制系统，实现通过双脚同时操作两台机械臂，扩展人类的操作能力。
• 解决通过脚部控制机械臂的挑战，需承受腿部重量，同时提供足够的灵巧性与工作空间以实现协调操作。
• 实现双手自由操作，使自然手臂执行高精度任务，而脚控机械臂负责支撑或高负载任务。
• 验证基于脚部直接遥操作结合触觉反馈在接触场景下实现稳定、透明且响应迅速控制的可行性。

提出的方法

• 设计两个基于串联运动学的5自由度脚部接口，以最大化工作空间，并支持双脚近距离协同操作。
• 实现基于阻抗控制的位置-力遥操作控制器，通过动力学系统调制实现平滑轨迹生成。
• 采用Denavit-Hartenberg（DH）运动学建模方法，并引入附加坐标系以表示Tait-Bryan角，避免奇异性。
• 通过脚踏板中的力传感器引入触觉反馈，将交互力实时反馈给用户，以支持实时适应。
• 采用低减速比与可逆驱动关节，确保力反射的高透明度与低力误差。
• 在动力学系统中引入吸引子动力学，引导运动收敛，提升接触任务中的顺应性。

实验结果

研究问题

• RQ1 双足接口（每只脚5自由度）能否实现对两台机械臂的稳定、协调控制，以完成操作任务？
• RQ2 触觉反馈在用户感知接触力并调节抓握压力方面有多有效，特别是在物体抓取和施加扰动时？
• RQ3 采用动力学系统调制的阻抗控制在脚部遥操作中，对提升运动平滑性与力跟踪性能的改善程度如何？
• RQ4 系统在自由运动与接触阶段的位姿与力跟踪精度表现如何？
• RQ5 在突发外部扰动（如敲击）下，系统能否保持稳定与透明？

主要发现

• 系统在任务对齐方向实现了高力透明度，接触阶段的均方根误差（RMSE）仅为0.033 N。
• 自由运动阶段抓取方向的位置跟踪误差较低（RMSE_y = 0.087 m），而接触阶段略高（RMSE_y = 0.107 m），可能由于虚拟吸引子推动进入受约束的物体几何结构所致。
• 在正交方向上，接触阶段的跟踪误差低于自由运动阶段（RMSE_x = 0.050 m，RMSE_z = 0.060 m vs. RMSE_x = 0.132 m，RMSE_z = 0.074 m），表明在约束条件下具有更好的稳定性和收敛性。
• 阻抗控制策略有效平滑了运动轨迹，减少了抖动，提升了稳定性，尤其在突发扰动（如敲击）下表现突出。
• 系统在外部扰动下成功维持了双足抓握状态，表现出良好的鲁棒性与用户适应能力。
• 采用开环触觉控制并辅以近似动态补偿，获得了较小的力误差，表明在初步实现中可能无需闭环力控制。