基于 AR 阻抗可视化的 Franka Research3 机械臂遥操作设计与应用

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可视化核心要素

针对Franka Research3遥操作中目标位姿不可见的问题，AR可视化模块叠加两类关键信息：

• 目标圆盘：以蓝色半透明圆盘标识末端 6 自由度目标位姿，直观反映目标姿态与位置，降低操作人员理解成本；

• 偏差连线：蓝色线条连接末端与目标圆盘，长度对应位置偏差，间接反映虚拟接触力大小，帮助操作人员感知力控状态。

可视化元素叠加于 VR 视频透视画面，不遮挡真实作业环境，兼顾环境感知与控制状态反馈。

图 2 机械臂（灰色）、末端执行器当前位姿（红色）、目标位姿（蓝色）以及手持式VR控制器（绿色）的示意图，图中包含各自对应的坐标系。目标位姿属于数字虚拟对象，无法通过肉眼直接观察。

系统集成与映射逻辑

系统以Franka Research3双臂为执行终端，搭配Meta Quest 3 头显与控制器，通过Unity 搭建AR可视化环境，ROS节点运行改进版笛卡尔阻抗控制器：

• 握持离合器按键时，VR 控制器位姿与速度直接映射为阻抗目标位姿与速度，提升操作响应性；

• 松开按键后目标位姿锁定，便于操作人员调整手部姿态，避免误操作影响机械臂；

• 控制器降低平移刚度，减少接触冲击，适配箱体搬运等柔性交互任务。

图3. 阻抗控制可视化设计的核心示意图，从操作人员第一视角呈现双臂遥操作抬升物体的全过程，用来直观说明 AR 视觉反馈如何解决力控不可见的问题。

实验设置

以Franka Research3双臂为平台，设置滑动与抬升两类箱体搬运任务，17名受试者分别在有/ 无 AR可视化条件下完成操作，记录任务完成时间，配合NASA-TLX与 SUS量表评估主观体验。

抬升任务需稳定夹持避免掉落，对力控精度要求较高；滑动任务仅需平面移动，力控需求较低，可对比验证可视化在不同力敏场景的效果。

图4. 双臂遥操作两种典型任务的对比示意图

实验结果

1.任务效率：AR 可视化使抬升任务完成时间缩短约 24%，滑动任务无显著变化，说明可视化可有效提升力控关键任务的执行效率；

2.主观体验：两组条件下系统可用性与作业负荷无统计差异，可视化未增加操作负担；

3.定性反馈：受试者借助可视化快速调整末端姿态与接触力，减少目标过冲与物体掉落，部分受试者提出可优化元素尺寸与透明度，降低视觉遮挡。

基于 Franka Research3 的 AR 阻抗可视化遥操作，具备三点实用价值：

• 降低硬件成本：无需力反馈设备，依托视觉反馈实现力控调节，适配低成本遥操作需求；

• 提升操作透明度：将虚拟目标位姿显性化，帮助操作人员建立输入 - 运动 - 力的直观关联；

• 适配多场景：在仓储搬运、精密装配等多接触交互任务中，可快速部署并提升操作效率。

总结

Franka Research3 机械臂的阻抗控制能力与实时通信特性，为AR可视化遥操作提供稳定硬件支撑。将阻抗目标位姿与偏差通过AR实时呈现，可在不增加力反馈硬件的前提下，有效提升双臂多接触遥操作中力控关键任务的执行效率，且未显著提升作业负荷。

该方案为仓储、精密操作等场景的低成本、高直观性遥操作提供可行路径，后续可通过视觉设计优化与控制参数适配，进一步提升系统实用性与推广性。

项目详情：arxiv.org/abs/2603.25418