Teleoperation of a biomimetic squid robot's arms via multiple haptic interfaces

Abstract

Biomimetic robot systems have captured the attention of researchers for the past two decades. Along with biomimetic systems, the implementation of soft robotic arms has emerged and studied. Teleoperation of such biomimetic soft robots, i.e., a biomimetic squid robot, is still an open area of research. This study aims to initiate the development of a teleoperation system, which has multi-master multi-slave with dissimilar master-slave kinematics, to be adapted for the operation of an underwater biomimetic squid robot. The communication between the slave robot, which is the biomimetic squid robot’s soft arms, and the master system on the ground is estimated to have limited bandwidth. To overcome this problem, the model-mediation technique is selected to be adapted. The abstract information received from the slave side is used for regenerating the slave environment on the master side. The human operator uses two haptic devices to manipulate the four soft arms of this biomimetic robot via interacting with this regenerated model on the master side. The models of the biomimetic robot’s soft arms are developed by using the constant-curvature approach. While this study is limited in the sense that the slave side regeneration is previously completed on an ideally received signal even before the teleoperation is initiated, the teleoperation of 4 soft arms with two haptic devices is investigated. 4 different control strategies are formulated and evaluated on test subjects. The performances of the test subjects are evaluated based on their task completion duration, accuracy, and feedback received from their questionnaire answers. The primary investigation conducted is for the ergonomic use of teleoperation systems. Another evaluation is carried out to understand the influence of haptic feedback in telepresence. The evaluation results clearly indicate that the haptic feedback has improved the telepresence. The position-to-position mapping produced shorter task completion durations with worse accuracy relative to the position-to-velocity mapping.

Biyomimetik robot sistemleri, son yirmi yıldır araştırmacıların dikkatini çekmektedir. Biyomimetik sistemlerle birlikte yumuşak robot kollarının uygulaması ortaya çıkmıştır ve incelenmektir. Bu tür biyomimetik yumuşak robotların, bir biyomimetik kalamar robotunun teleoperasyonu hala açık bir araştırma alanıdır. Bu çalışma, bir sualtı biyomimetik kalamar robotunun operasyonu için uyarlanacak, farklı ana sistem-bağımlı sistem kinematiğine ve çoklu ana sistem ve çoklu bağımlı sistem özelliğine sahip bir teleoperasyon sisteminin geliştirilmesine ilk adım oluşturmayı amaçlamaktadır. Biyomimetik kalamar robotunun yumuşak kolları olan bağımlı robot ile karada bulunan ana sistem arasındaki iletişimin sınırlı bant genişliğine sahip olduğu tahmin edilmektedir. Bu sorunun üstesinden gelmek için model-aracılı teleoperasyon tekniği uyarlanmak üzere seçilmiştir. Bağımlı sistem tarafından alınan yalın bilgi, ana sistem tarafında bağımlı sistem ortamını yeniden oluşturmak için kullanılmaktadır. İnsan operatör, bu biyomimetik robotun 4 yumuşak kolunu ana sistem tarafındaki bu yenilenen modelle etkileşime girerek manipüle etmek için iki haptik cihaz kullanmaktadır. Biyomimetik robotun yumuşak kollarının modelleri, sabit eğrilik yaklaşımı kullanılarak geliştirilmiştir. Bu çalışma, teleoperasyon başlatılmadan önce ideal olarak alınan sinyal ile bağımlı sistem tarafının yenilenmesinin önceden tamamlanmış olması anlamında sınırlı olmakla birlikte, iki haptik cihazla 4 yumuşak kolun teleoperasyonu araştırılmıştır. Denekler üzerinde 4 farklı kontrol stratejisi formüle edilmiş ve değerlendirilmiştir. Deneklerin performansları, görev tamamlama süreleri, doğrulukları ve anket cevaplarından alınan geri bildirimlere göre değerlendirilmiştir. Yapılan temel araştırma, teleoperasyon sistemlerinin ergonomik kullanımına yöneliktir. Haptik geribildirimin telebulunma üzerindeki etkisini anlamak için ikincil bir değerlendirme yapılmıştır. Değerlendirme sonuçları, dokunsal geribildirimin telebulunmayı iyileştirdiğini açıkça göstermektedir. Konumdan konuma eşleme, konumdan hıza eşlemeye göre daha kötü doğrulukla daha kısa görev tamamlama süreleri üretmiştir.