Haptic bilateral teleoperation system for free-hand dental procedures
作者: Lorenzo Pagliara, Enrico Ferrentino, Andrea Chiacchio, Giovanni Russo
分类: cs.RO
发布日期: 2025-03-27 (更新: 2025-06-06)
备注: 13 pages, 11 figures
💡 一句话要点
针对自由手牙科手术，提出力触觉双边遥操作系统以提升精度与安全性
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 力触觉遥操作 牙科手术机器人 双边控制 导纳控制 力反馈 视觉反馈 微创手术
📋 核心要点
- 传统自由手牙科手术精度要求高、重复性强，易疲劳，现有机器人方案接受度低且存在局限性。
- 论文提出力触觉双边遥操作系统，通过力反馈和视觉引导，增强操作者感知，提升操作精度。
- 实验结果表明，该系统在牙科洁治术中提高了遥操作的自然性、安全性和准确性。
📝 摘要（中文）
自由手牙科手术通常重复、耗时，需要高精度和手工灵巧性。机器人可以在提高手术精度和安全性、增强患者舒适度和减少操作者工作量方面发挥关键作用。然而，用于自由手手术的机器人解决方案仍然有限或完全缺乏，并且它们的接受度仍然很低。为了解决这个差距，我们开发了一种用于自由手牙科手术的力触觉双边遥操作系统（FH-HBTS）。该系统包括一个专用的机械末端执行器，与标准临床工具兼容，并配备了一个内窥镜摄像头，以提高手术部位的可见性。通过确保操作者的动作与机器人的运动之间的运动和力对应关系，并通过视觉反馈进行监控，我们增强了操作者的感觉意识和运动精度。此外，认识到需要确保手术安全，我们通过仅基于测量的接触力来缩放提供给导纳控制器的运动参考来限制交互力。这确保了所有接触状态下的有效力限制，而无需事先了解环境。所提出的FH-HBTS在牙科模型上使用牙科洁治术进行了验证。结果表明，该系统提高了遥操作的自然性、安全性和准确性，突出了其增强自由手牙科手术的潜力。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决自由手牙科手术中精度不足、操作疲劳以及现有机器人方案接受度低的问题。现有方法缺乏有效的力反馈和直观的操作方式，导致手术精度难以保证，操作者易疲劳，且患者对机器人手术的接受度不高。
核心思路：论文的核心思路是构建一个力触觉双边遥操作系统，通过主从控制，将操作者的动作和力反馈到机器人端，同时利用内窥镜摄像头提供视觉反馈，增强操作者的感知能力，从而提高手术精度和安全性。此外，系统还通过力限制策略，确保手术过程中的安全性。
技术框架：该系统主要由以下几个模块组成：1) 主端操作设备：用于捕捉操作者的动作和力；2) 从端机器人：执行手术操作，配备专用末端执行器和内窥镜摄像头；3) 力触觉反馈系统：将从端受到的力反馈给主端操作者；4) 视觉反馈系统：通过内窥镜摄像头将手术部位的图像传输给操作者；5) 导纳控制器：根据操作者的指令和力反馈，控制从端机器人的运动。
关键创新：该论文的关键创新在于：1) 针对自由手牙科手术设计了专用的机械末端执行器，使其能够兼容标准临床工具；2) 提出了一种基于测量的接触力来缩放运动参考的力限制策略，能够在所有接触状态下有效限制交互力，无需事先了解环境信息；3) 将力触觉反馈、视觉反馈和导纳控制相结合，提高了遥操作的自然性、安全性和准确性。
关键设计：论文中，力限制策略是关键设计之一。该策略通过导纳控制器实现，其核心思想是根据测量的接触力来调整运动参考。具体来说，当接触力超过设定的阈值时，系统会减小运动参考的幅度，从而限制从端机器人的运动速度和力。此外，内窥镜摄像头的位置和角度也经过精心设计，以提供最佳的手术部位视野。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的FH-HBTS系统在牙科洁治术中表现出良好的性能。通过使用该系统，操作者能够更自然、安全和准确地进行遥操作。具体来说，该系统能够有效限制交互力，避免对牙齿造成过度损伤，同时提供清晰的视觉反馈，帮助操作者更好地了解手术部位的情况。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种需要高精度和灵巧性的微创手术，例如牙科植入、根管治疗等。通过远程操作，医生可以在远离患者的地方进行手术，降低感染风险，并为偏远地区提供高质量的医疗服务。此外，该系统还可以用于培训牙科医生，提高其手术技能。
📄 摘要（原文）
Free-hand dental procedures are typically repetitive, time-consuming and require high precision and manual dexterity. Robots can play a key role in improving procedural accuracy and safety, enhancing patient comfort, and reducing operator workload. However, robotic solutions for free-hand procedures remain limited or completely lacking, and their acceptance is still low. To address this gap, we develop a haptic bilateral teleoperation system (HBTS) for free-hand dental procedures (FH-HBTS). The system includes a dedicated mechanical end-effector, compatible with standard clinical tools, and equipped with an endoscopic camera for improved visibility of the intervention site. By ensuring motion and force correspondence between the operator's actions and the robot's movements, monitored through visual feedback, we enhance the operator's sensory awareness and motor accuracy. Furthermore, recognizing the need to ensure procedural safety, we limit interaction forces by scaling the motion references provided to the admittance controller based solely on measured contact forces. This ensures effective force limitation in all contact states without requiring prior knowledge of the environment. The proposed FH-HBTS is validated in a dental scaling procedure using a dental phantom. The results show that the system improves the naturalness, safety, and accuracy of teleoperation, highlighting its potential to enhance free-hand dental procedures.