Teleoperation of Continuum Instruments: Task-Priority Analysis of Linear Angular Command Interplay
作者: Ehsan Nasiri, Long Wang
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-12-08 (更新: 2025-09-04)
备注: 27 pages (single Column Version), published by ASME Journal of Mechanisms and Robotics,2025
💡 一句话要点
提出基于任务优先级的运动学方法，用于连续体器械的遥操作控制
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 连续体器械 遥操作 任务优先级 运动学控制 微创手术
📋 核心要点
- 微创手术中连续体器械的遥操作面临挑战，尤其是在满足遥控中心（RCM）约束的同时，如何有效协调线性和角度指令。
- 论文提出一种基于任务优先级的运动学公式，通过冗余解析方法，优化线性和角度指令在遥操作中的协调，提升控制精度。
- 实验验证表明，该框架在轨迹跟踪、物体操作和路径引导等任务中表现出色，证明了其在连续体器械遥操作中的有效性。
📝 摘要（中文）
本文针对微创手术（MIS）中连续体器械的遥操作挑战，开发并采用了一种新颖的基于任务优先级的运动学公式，以定量研究在遥控中心（RCM）约束下连续体器械的遥操作指令。利用冗余解析方法，研究了遥操作过程中的运动学性能，比较了任务优先级方案中的线性和角度指令。为了进行实验验证，设计了一个器械模块（IM）并将其与7自由度机械臂集成。评估、仿真和实验验证证明了所提出框架的有效性。实验包括多个任务：IM末端沿多条路径的轨迹跟踪，线性与角度遥操作指令具有不同的优先级；在硅板上沿预定义路径推动球；遵循钉板上的图案；以及使用标准手术工具包引导连续体末端穿过环板上的环。
🔬 方法详解
问题定义：现有连续体器械遥操作方法在处理线性和角度指令的优先级时存在不足，难以在满足RCM约束的同时实现精确控制。尤其是在微创手术等复杂环境中，需要同时考虑器械末端的线性运动和姿态调整，而现有方法难以有效协调这两种运动，导致操作精度下降。
核心思路：论文的核心思路是采用基于任务优先级的运动学框架，将线性和角度指令视为具有不同优先级的任务，通过冗余解析方法，在满足高优先级任务的同时，优化低优先级任务的执行。这种方法能够有效地协调线性和角度指令，提高遥操作的精度和效率。
技术框架：该框架主要包含以下几个模块：1) 连续体器械的运动学建模，建立器械末端位置和姿态与关节变量之间的关系；2) 任务优先级分配，根据具体任务需求，确定线性和角度指令的优先级；3) 冗余解析器设计，利用伪逆或阻尼最小二乘等方法，求解满足RCM约束和任务优先级的关节变量；4) 遥操作控制器的实现，将操作者的指令转换为器械末端的期望位置和姿态，并通过冗余解析器计算关节变量，驱动器械运动。
关键创新：该论文的关键创新在于将任务优先级的概念引入到连续体器械的遥操作控制中，并提出了一种基于运动学的实现方法。与传统的遥操作方法相比，该方法能够更有效地协调线性和角度指令，提高操作精度和效率。此外，该方法还考虑了RCM约束，使其更适用于微创手术等应用场景。
关键设计：在任务优先级分配方面，可以根据具体任务需求，动态调整线性和角度指令的优先级。例如，在需要精确位置控制的任务中，可以提高线性指令的优先级；而在需要精确姿态控制的任务中，可以提高角度指令的优先级。在冗余解析器设计方面，可以采用不同的优化准则，例如最小化关节运动幅度、避免关节极限等。此外，还可以引入阻尼因子，提高冗余解析器的鲁棒性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的基于任务优先级的遥操作框架能够有效地协调线性和角度指令，提高操作精度。在轨迹跟踪任务中，IM末端能够精确地跟踪预定义的路径。在物体操作任务中，能够成功地推动球沿预定路径运动。在路径引导任务中，能够顺利地引导连续体末端穿过环板上的环。这些实验结果验证了该框架的有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于微创手术、腔镜手术等领域，提高手术操作的精度和安全性。通过优化连续体器械的遥操作控制，医生可以更灵活地操控器械，完成复杂的手术操作。此外，该技术还可应用于工业检测、维修等领域，实现对狭小空间的精确操作。
📄 摘要（原文）
This paper addresses the challenge of teleoperating continuum instruments for minimally invasive surgery (MIS). We develop and adopt a novel task-priority-based kinematic formulation to quantitatively investigate teleoperation commands for continuum instruments under remote center of motion (RCM) constraints. Using redundancy resolution methods, we investigate the kinematic performance during teleoperation, comparing linear and angular commands within a task-priority scheme. For experimental validation, an instrument module (IM) was designed and integrated with a 7-DoF manipulator. Assessments, simulations, and experimental validations demonstrated the effectiveness of the proposed framework. The experiments involved several tasks: trajectory tracking of the IM tip along multiple paths with varying priorities for linear and angular teleoperation commands, pushing a ball along predefined paths on a silicon board, following a pattern on a pegboard, and guiding the continuum tip through rings on a ring board using a standard surgical kit.