Development, integration, and comparative evaluation of mixed reality and conventional robotic teleoperation systems: an integrated framework for performance, workload, usability, and user experience

Abstract

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento, a integração e a avaliação comparativa de dois sistemas de teleoperação robótica aplicados ao controle de um manipulador industrial FANUC LR Mate 200iD/7L: um sistema convencional baseado na interface 2D do MoveIt/RViz e um sistema imersivo desenvolvido em Realidade Mista (MR) utilizando Unity, Meta Quest 3 e ROS. A motivação para este estudo está associada à necessidade de reduzir a exposição humana a tarefas de alto risco por meio da teleoperação robótica, buscando abordagens que proporcionem maior segurança, eficiência e percepção espacial durante a teleoperação. Embora a literatura apresente avanços recentes em teleoperação imersiva, ainda existe uma lacuna em estudos experimentais que avaliem comparativamente o desempenho operacional, a usabilidade, a carga cognitiva e a experiência do usuário entre abordagens de MR e métodos convencionais de maneira integrada. Os sistemas desenvolvidos foram avaliados experimentalmente por meio de uma tarefa de telemanipulação utilizando métricas quantitativas de desempenho e instrumentos de avaliação qualitativa. Os resultados indicaram que a interface imersiva apresentou vantagens relacionadas à velocidade de execução e à experiência subjetiva dos participantes, especialmente em relação aos aspectos hedônicos e experienciais da interação, embora também tenham sido identificadas limitações relacionadas à precisão em manipulações finas. Como contribuição, esta dissertação propõe uma abordagem integrada de avaliação comparativa aplicada à análise de interfaces imersivas e convencionais de teleoperação robótica.

Abstract: This dissertation presents the development, integration, and comparative evaluation of two robotic teleoperation systems applied to the control of a FANUC LR Mate 200iD/7L industrial manipulator: a conventional system based on the 2D MoveIt/RViz interface and an immersive system built in Mixed Reality (MR) using Unity, Meta Quest 3, and ROS. The motivation for this study is associated with the need to reduce human ex posure to high-risk tasks through robotic teleoperation, seeking approaches that pro vide greater safety, efficiency, and spatial perception during teleoperation. Although the literature presents recent advances in immersive teleoperation, there is still a gap in experimental studies that comparatively evaluate operational performance, usabil ity, cognitive workload, and user experience between MR approaches and conven tional methods in an integrated manner. The developed systems were experimentally evaluated through a telemanipulation task using quantitative performance metrics and qualitative assessment instruments. The results indicated that the immersive interface presented advantages related to execution speed and participants? subjective experi ence, especially regarding hedonic and experiential aspects of the interaction, although limitations related to fine manipulation precision were also identified. As a contribution, this dissertation proposes an integrated comparative evaluation approach applied to the analysis of immersive and conventional robotic teleoperation interfaces.