Teleoperation in Robot-assisted MIS with Adaptive RCM via Admittance Control
作者: Ehsan Nasiri, Srikarran Sowrirajan, Long Wang
分类: cs.RO
发布日期: 2024-07-17
💡 一句话要点
提出基于自适应RCM和导纳控制的机器人辅助微创手术遥操作框架
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 机器人辅助手术 微创手术 遥操作 导纳控制 远程中心运动 自适应控制 力反馈 冗余解析
📋 核心要点
- 现有机器人辅助微创手术遥操作面临RCM约束下的灵活性和适应性挑战。
- 论文提出基于导纳控制的自适应RCM，实现手术器械运动的灵敏调整和精确控制。
- 实验验证了该系统在穿环、拾取放置和轨迹跟踪等手术任务中的有效性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种用于机器人辅助微创手术（MIS）的遥操作框架，该框架创新性地集成了基于导纳控制的自适应远程中心运动（RCM）。该框架在专为RCM约束设计的冗余解析方法中运行。我们引入了一种紧凑、低成本和模块化的定制仪器模块（IM），确保与机械臂的集成，该模块具有力/力矩传感器、手术器械和用于驱动手术器械的驱动单元。本文详细介绍了完整的遥操作框架，包括遥操作轨迹映射、运动学建模、控制策略和集成的导纳控制器。最后，系统展示了执行各种手术任务的能力，包括穿环、拾取和放置物体以及轨迹跟踪。
🔬 方法详解
问题定义：机器人辅助微创手术中，远程中心运动（RCM）约束限制了手术器械的灵活性，尤其是在复杂的手术环境中。传统方法通常采用固定的RCM点，难以适应患者个体差异和手术过程中的动态变化，导致操作精度下降和手术风险增加。
核心思路：本文的核心在于利用导纳控制实现自适应的RCM。导纳控制允许操作者通过施加力来影响机器人的运动，从而使RCM点能够根据外部环境和操作者的意图进行调整。这种自适应性提高了手术操作的灵活性和安全性。
技术框架：该遥操作框架包含以下主要模块：1) 遥操作轨迹映射，将操作者的动作映射到机器人末端执行器的运动；2) 运动学建模，建立机器人和手术器械的运动学模型，用于精确控制；3) 控制策略，采用导纳控制实现自适应RCM；4) 定制的仪器模块（IM），集成了力/力矩传感器、手术器械和驱动单元，用于感知外部力和执行手术操作。整个框架在RCM约束下的冗余解析方法中运行，确保运动的平滑性和稳定性。
关键创新：最重要的创新点在于自适应RCM的实现。传统的RCM方法是固定的，而本文通过导纳控制，使RCM点能够根据外部环境和操作者的意图进行动态调整。这种自适应性显著提高了手术操作的灵活性和安全性。此外，定制的仪器模块（IM）的紧凑、低成本和模块化设计也为系统的集成和应用提供了便利。
关键设计：导纳控制器的设计是关键。导纳控制器将操作者施加的力转换为机器人末端执行器的运动指令。关键参数包括导纳增益，它决定了机器人对外部力的响应程度。此外，冗余解析方法的设计也至关重要，它需要在满足RCM约束的同时，优化机器人的运动，避免奇异位形。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该系统能够成功执行穿环、拾取放置和轨迹跟踪等手术任务。通过自适应RCM，系统能够更好地适应手术环境的变化，提高操作精度和效率。虽然论文中没有给出具体的性能数据和对比基线，但实验结果验证了该框架在机器人辅助微创手术中的可行性和有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种机器人辅助微创手术，例如腹腔镜手术、胸腔镜手术等。通过提高手术操作的灵活性和精度，有望缩短手术时间、减少患者创伤、降低手术风险，并改善患者的术后恢复。此外，该技术还可应用于远程医疗领域，使专家医生能够远程指导手术，提高医疗资源的可及性。
📄 摘要（原文）
This paper presents the development and assessment of a teleoperation framework for robot-assisted minimally invasive surgery (MIS). The framework leverages our novel integration of an adaptive remote center of motion (RCM) using admittance control. This framework operates within a redundancy resolution method specifically designed for the RCM constraint. We introduce a compact, low-cost, and modular custom-designed instrument module (IM) that ensures integration with the manipulator, featuring a force-torque sensor, a surgical instrument, and an actuation unit for driving the surgical instrument. The paper details the complete teleoperation framework, including the telemanipulation trajectory mapping, kinematic modelling, control strategy, and the integrated admittance controller. Finally, the system capability to perform various surgical tasks was demonstrated, including passing a thread through the rings, picking and placing objects, and trajectory tracking.