An energy tank-based bilateral teleoperation architecture for robotic manipulators with adaptive haptic feedback under delayed communications

Bilateral Teleoperation refers to the control of a remote robot through a local haptic interface, enabling bidirectional exchange of motion and force signals between the operator and the environment. This paradigm allows real-time interaction with remote, hazardous, or otherwise inaccessible environments, including applications in underwater robotics, telesurgery, and space operations. Effective teleoperation requires balancing two competing objectives: stability and transparency, the latter referring to the accurate rendering of remote motion and force cues to the local site. This is especially challenging under communication delays, unpredictable user behavior, and dynamic contact interactions. To address this trade-off, this work proposes a passivity-based two-layer control architecture based on energy tanks that decouples stability enforcement from performance optimization. The Passivity Layer (PL) regulates energy flow using energy tanks, a Tank Level Controller (TLC), an energy exchange mechanism, and dissipation recycling. The Transparency Layer (TL) is based on PD control with two real-time optimization strategies for adaptive stiffness tuning during contact, to enhance haptic feedback. This design allows real-time control adaptation based on energy availability, contact conditions, and user interaction. The method is validated through MATLAB/Simulink simulations and hardware experiments with a Sigma 7 haptic local device and a UR5e robot, coordinated via ROS. Technical trials and user studies confirmed system stability, responsiveness, and usability under various stiffness and delay conditions. The user study combined objective metrics with NASA-TLX workload evaluations. Future developments include extending the architecture to full pose control and redundant manipulators, enhancing gain adaptation via learning or preference-based methods, and integrating predictive control and shared autonomy for complex teleoperation scenarios.

Per Teleoperazione Bilaterale si intende il controllo di un robot remoto attraverso un'interfaccia aptica locale, per consentire lo scambio bidirezionale di segnali di moto e di forza tra l'operatore e l'ambiente. Questo paradigma permette di interagire in tempo reale con ambienti remoti, rischiosi o inaccessibili, per utilizzi in ambiti diversi che includono la robotica subacquea, la chirurgia robotica e le operazioni spaziali. Un sistema di teleoperazione efficacie richiede di bilanciare due obiettivi contrastanti: stabilità e trasparenza, quest'ultima intesa come la corretta riproduzione delle forze e dei movimenti remoti sul sito locale. Questo risulta particolarmente impegnativo in presenza di ritardi nel canale di comunicazione, di comportamenti imprevedibili dell'utente o di contatti dinamici. Per far fronte a questo trade-off, il presente lavoro propone un'architettura a due livelli basata sulla condizione di passività e sugli "energy tanks", che separa la garanzia di stabilità dall'ottimizzazione delle prestazioni. Il Passivity Layer (PL) regola il flusso energetico tramite i serbatoi di energia, il Tank Level Controller (TLC), meccanismi di scambio e il ricircolo della dissipazione. Il Transparency Layer (TL) si basa su un controllo PD con due strategie di ottimizzazione in tempo reale per l'adattamento della rigidezza durante il contatto, al fine di migliorare la qualità del feedback aptico. Questo schema consente un adattamento dinamico del controllo in base alla disponibilità energetica, alle condizioni di contatto e all'interazione dell'utente. Il metodo è stato validato mediante simulazioni in MATLAB/Simulink e sperimentazioni con un dispositivo aptico Sigma.7 e un robot UR5e, coordinati tramite ROS. I test tecnici e gli esperimenti con la partecipazione di utenti hanno confermato la stabilità, la reattività e l'usabilità del sistema in diverse condizioni di rigidezza e di ritardo. La valutazione della fase sperimentale è stata condotta attraverso metriche oggettive e valutazioni del carico di lavoro basato su NASA-TLX. Gli sviluppi futuri prevedono l'estensione dell'architettura al controllo completo di posa e a manipolatori ridondanti, il miglioramento dell'adattamento dei guadagni tramite metodi di apprendimento o basati sulle preferenze dell'utente, così come l'integrazione di tecniche di controllo predittivo e di autonomia condivisa per scenari di teleoperazione complessi.