A Rapid Instrument Exchange System for Humanoid Robots in Minimally Invasive Surgery

📄 arXiv: 2604.02707 📥 PDF

作者: Bingcong Zhang, Yihang Lyv, Lianbo Ma, Yushi He, Pengfei Wei, Xingchi Liu, Jinhua Li, Jianchang Zhao, Lizhi Pan

分类: cs.RO, cs.CV, eess.SY

发布日期: 2026-04-06

💡 一句话要点

针对人型机器人微创手术，提出快速器械交换系统。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱六：视频提取与匹配 (Video Extraction)

关键词: 人型机器人 微创手术 器械交换 遥操作 柔顺对接

📋 核心要点

  1. 人型机器人在微创手术中具有潜力，但其双臂结构需要高效的器械交换能力。
  2. 论文提出基于单轴柔顺对接和环境约束释放的快速交换系统，结合FPV降低操作复杂性。
  3. 实验表明，该系统具有操作鲁棒性，新手经过训练后器械操作能力显著提升。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于人型机器人在微创手术中使用的沉浸式遥操作快速器械交换系统。该系统利用基于单轴柔顺对接和环境约束释放的低延迟机构。结合头戴式显示器(HMD)的实时第一人称视角(FPV)感知，该框架显著降低了对接过程中的操作复杂性和认知负荷。专家和新手之间的对比评估表明，该系统具有很高的操作鲁棒性和快速收敛的学习曲线；经过短暂的培训后，新手在器械安装和拆卸方面的表现得到了显著提高。虽然长距离空间对准在时间和协作稳定性方面仍然存在挑战，但这项研究成功地验证了人型机器人在受限临床环境中执行稳定器械交换的技术可行性。

🔬 方法详解

问题定义：人型机器人在微创手术中，由于其固有的双臂结构，需要频繁地进行器械交换以完成复杂的手术操作。现有的解决方案可能效率低下，增加手术时间和操作难度，特别是对于需要高精度和快速反应的微创手术而言。因此，如何实现人型机器人的快速、稳定和易于操作的器械交换是亟待解决的问题。

核心思路：论文的核心思路是设计一个基于单轴柔顺对接和环境约束释放的快速器械交换机构，并结合沉浸式遥操作界面，降低操作复杂性和认知负荷。通过柔顺对接，可以容忍一定的初始对准误差，提高对接成功率和鲁棒性。环境约束释放则允许在对接完成后快速锁定和释放器械。

技术框架：该系统主要包含以下几个模块：1) 快速器械交换机构：基于单轴柔顺对接和环境约束释放的机械结构，实现器械的快速锁定和释放。2) 遥操作界面：通过头戴式显示器(HMD)提供实时第一人称视角(FPV)，增强操作者的沉浸感和空间感知能力。3) 控制系统：实现对器械交换机构的精确控制，并提供必要的反馈信息。整体流程为：操作者通过HMD观察手术环境，控制机器人手臂移动到器械交换位置，利用柔顺对接机构进行对接，锁定器械，完成交换。

关键创新：该论文的关键创新在于将单轴柔顺对接和环境约束释放机制应用于人型机器人的器械交换系统。这种设计简化了对接过程，提高了对接的鲁棒性和效率。此外，结合实时第一人称视角(FPV)的遥操作界面，进一步降低了操作复杂性和认知负荷。

关键设计：单轴柔顺对接机构的设计允许在一定范围内自动校正对准误差，避免了对机器人运动控制的过高精度要求。环境约束释放机构则采用简单的机械结构，实现快速的锁定和释放。遥操作界面通过HMD提供沉浸式体验，操作者可以直观地观察手术环境和机器人状态，从而更有效地控制机器人。

📊 实验亮点

实验结果表明，该系统具有较高的操作鲁棒性和快速收敛的学习曲线。新手经过短暂的培训后，在器械安装和拆卸方面的表现得到了显著提高。专家和新手在完成器械交换任务的时间和成功率方面都表现出良好的性能。这些结果验证了该系统在实际临床应用中的可行性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种需要频繁器械交换的微创手术场景，例如泌尿外科、妇科和普通外科等。通过提高手术效率和降低操作难度，有望缩短手术时间，减少患者创伤，并降低医生的认知负荷。未来，该技术还可扩展到其他需要远程操作和精确控制的领域，如危险环境下的机器人操作。

📄 摘要（原文）

Humanoid robot technologies have demonstrated immense potential for minimally invasive surgery (MIS). Unlike dedicated multi-arm surgical platforms, the inherent dual-arm configuration of humanoid robots necessitates an efficient instrument exchange capability to perform complex procedures, mimicking the natural workflow where surgeons manually switch instruments. To address this, this paper proposes an immersive teleoperated rapid instrument exchange system. The system utilizes a low-latency mechanism based on single-axis compliant docking and environmental constraint release. Integrated with real-time first-person view (FPV) perception via a head-mounted display (HMD), this framework significantly reduces operational complexity and cognitive load during the docking process. Comparative evaluations between experts and novices demonstrate high operational robustness and a rapidly converging learning curve; novice performance in instrument attachment and detachment improved substantially after brief training. While long-distance spatial alignment still presents challenges in time cost and collaborative stability, this study successfully validates the technical feasibility of humanoid robots executing stable instrument exchanges within constrained clinical environments.