Autonomous Laparoscope Control through Unified Mechanics-Based Representation of Multimodal Intraoperative Information
作者: Xiaojian Li, Jin Fang, Yudong Shi, Xilin Xiao, Kai Yan, Kang Min, Ling Li, Hua Tang, Hangjie Mo
分类: cs.RO
发布日期: 2026-05-06
💡 一句话要点
提出基于统一力学建模的多模态腹腔镜机器人自主控制方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)
关键词: 腹腔镜机器人 多模态融合 力学建模 自主控制 任务优先级
📋 核心要点
- 现有腹腔镜机器人控制方法难以统一表示和利用术中多模态信息，如位置、力/力矩和图像等。
- 该方法将多模态信息统一建模为等效力，并利用任务优先级方案生成控制指令，实现信息融合。
- 实验表明，该方法支持多任务操作，保持RCM约束，并减少套管针部位的载荷。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种基于统一力学建模的多模态信息融合的腹腔镜机器人控制方法，旨在为外科医生提供稳定的腹腔镜视野，并减轻助手负担。该方法将术中位置、力/力矩和图像等多模态信息映射为操作空间中的等效力，并通过任务优先级方案将其注入到任务空间和零空间中。通过任务优先级投影，合成腹腔镜控制指令，从而在统一框架内实现多模态信息的协调融合。实验结果表明，该方法支持多任务操作，包括柔顺的腹腔镜操作和自主器械跟踪，同时保持RCM约束并减少持续的套管针部位载荷。
🔬 方法详解
问题定义：腹腔镜手术中，腹腔镜机器人需要根据术中信息调整姿态以维持理想视野。然而，术中多模态信号（位置、力/力矩、图像）物理意义和单位差异大，难以统一表示，进而难以生成直接用于控制的指令。现有方法难以有效融合这些信息，实现稳定、安全的自主控制。
核心思路：论文的核心思路是将不同模态的术中信息（位置、力/力矩、图像）统一表示为操作空间中的等效力（wrench）。通过将这些力信息整合到统一的力学模型中，可以实现多模态信息的协调融合，并生成一致的控制指令。这种方法利用力学原理，将不同性质的信息转换为统一的物理量，便于后续处理和控制。
技术框架：该方法的技术框架主要包含以下几个阶段：1) 多模态信息映射：设计映射策略，将位置、力/力矩和图像等信息转换为操作空间中的等效力。2) 任务优先级分配：使用任务优先级方案，将等效力注入到任务空间和零空间中，实现不同任务的优先级控制。3) 控制指令合成：通过任务优先级投影，合成腹腔镜控制指令，驱动机器人运动。该框架的核心在于将多模态信息统一到力学模型中，并利用任务优先级实现多任务的协调控制。
关键创新：该方法最重要的技术创新点在于提出了基于统一力学建模的多模态信息融合方法。与现有方法相比，该方法能够将不同模态的信息统一表示为等效力，从而实现信息的协调融合和一致控制。此外，该方法还利用任务优先级方案，实现了多任务的优先级控制，提高了机器人的自主性和灵活性。
关键设计：论文的关键设计包括：1) RCM约束力：构建RCM约束力，保证机器人运动时满足RCM几何约束，减少套管针部位的受力。2) 操作力：设计操作力，实现柔顺的腹腔镜操作，允许医生通过拖动腹腔镜进行交互。3) 器械跟踪力：构建器械跟踪力，实现对术中器械的自主视觉跟踪。这些力的设计是基于具体的任务需求，并利用力学原理进行建模，从而实现机器人的自主控制。
📊 实验亮点
实验结果表明，该方法能够在保持RCM约束的同时，实现柔顺的腹腔镜操作和自主器械跟踪。在体外实验和体内猪实验中，该方法能够有效减少套管针部位的持续载荷，并实现对术中器械的稳定跟踪。具体性能数据未知，但实验结果验证了该方法在实际手术场景中的可行性和有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于腹腔镜手术机器人辅助系统，提高手术精度和安全性，减轻医生疲劳。通过自主控制腹腔镜，机器人可以提供稳定的视野，并根据术中信息自动调整姿态。未来，该技术有望扩展到其他微创手术领域，实现更智能化的手术机器人辅助。
📄 摘要（原文）
Laparoscope-holding robots can provide surgeons with a stable laparoscopic field of view (FOV) and reduce the burden on human assistants. To maintain an ideal intraoperative FOV, the robot must continuously adjust the laparoscope pose according to intraoperative information. However, intraoperative multimodal signals, such as position, force/torque, and images, differ markedly in physical meaning and units, making it difficult to build a unified representation and to generate control commands that can be used directly for laparoscope control. To address this issue, we propose a laparoscope-holding robot control method based on unified mechanics modeling of multimodal information. First, we design mapping strategies for multiple intraoperative sources, including position, force/torque, and images, and unify them into an equivalent-wrench representation in the operational space. Then, using a task-priority scheme, we inject the wrenches into the task space and the null space, respectively, and synthesize laparoscope control commands via task-priority projection, thereby achieving consistent representation and coordinated fusion of multimodal information within a single framework. Finally, taking the intraoperative remote center of motion (RCM) position, force/torque sensor readings, and laparoscopic images as examples, we construct an RCM-constraint wrench to enforce the RCM geometric constraint and reduce the contact force at the trocar site, a laparoscope-manipulation wrench to enable compliant dragging, and an instrument-tracking wrench to achieve autonomous visual tracking of the instruments. Experiments on a surgical phantom and in vivo porcine trials demonstrate that the proposed method supports multi-task operation, including compliant laparoscope manipulation and autonomous instrument tracking, while maintaining the RCM constraint and reducing sustained trocar-site loading.