Contact-Aware Impedance Controller for Robot-Assisted Ultrasound Imaging
作者: MD Miraj Arefin, M Efe Tiryaki
分类: cs.RO
发布日期: 2026-09-28
备注: 8 pages, 7 figures, submitted to the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA2027)
💡 一句话要点
提出基于B模式超声图像的接触感知控制器以提升机器人超声成像安全性
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 机器人控制 超声成像 接触感知 阻抗控制 医疗机器人
📋 核心要点
- 现有的机器人超声成像方法在探头与组织接触检测和定位方面存在不足，难以确保成像的安全性和准确性。
- 本文提出了一种基于B模式超声图像的接触感知方法，能够独立于力测量进行接触检测，并实时更新控制器的交互框架。
- 实验结果显示，所提控制器在接触定位和任务空间跟踪方面表现优异，显著降低了最大压缩相互作用力，提升了成像安全性。
📝 摘要（中文）
安全的机器人辅助超声成像需要一个可靠的控制器，能够检测和定位探头与组织的相互作用。本文提出了一种基于B模式超声图像的接触感知方法和接触感知阻抗控制器。该方法独立于力测量检测声学接触，能够进行接触条件下的力/扭矩归零，以减少残余扭矩偏差。在接触过程中，该方法持续估计沿曲面探头的有效接触位置，并利用该位置更新控制器的交互框架，从而在成像过程中实现物理探头与组织接触点的视觉伺服。实验结果表明，在琼脂幻影上，接触定位的均方根误差为1.46±0.14 mm，且在静态滚动过程中，所提控制器的任务空间跟踪精度与传统固定框架阻抗控制器相当，同时最大压缩相互作用力从31.56 N降低至20.09 N，减少幅度为36.3%。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决机器人辅助超声成像中探头与组织接触的检测与定位问题。现有方法依赖于力测量，导致在动态环境中难以准确判断接触状态，影响成像质量和安全性。
核心思路：提出了一种基于B模式超声图像的接触感知方法，能够在不依赖力传感器的情况下，实时检测探头与组织的接触状态，并通过更新控制器的交互框架来实现精确的视觉伺服。
技术框架：整体架构包括接触感知模块和接触感知阻抗控制器。接触感知模块通过分析超声图像来估计接触位置，而控制器则根据估计的接触位置调整探头的运动，以保持与组织的稳定接触。
关键创新：最重要的创新在于利用超声图像作为直接的接触反馈，突破了传统方法对力测量的依赖。这种设计使得在动态环境中也能实现高精度的接触检测与控制。
关键设计：在设计中，采用了实时图像处理算法来提取接触信息，并通过动态更新控制器的交互框架来实现对探头运动的精确控制。具体的参数设置和损失函数设计尚未详细披露，需进一步研究。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，所提接触感知控制器在接触定位方面的均方根误差为1.46±0.14 mm，且在静态滚动过程中，任务空间跟踪精度与传统固定框架阻抗控制器相当，同时最大压缩相互作用力显著降低，从31.56 N降至20.09 N，减少幅度达到36.3%。
🎯 应用场景
该研究具有广泛的应用潜力，尤其在医疗超声成像领域。通过提高机器人在超声成像过程中的安全性和准确性，可以显著提升临床诊断的质量。此外，该技术也可扩展到其他需要精确接触控制的机器人应用场景，如外科手术和生物医学工程。未来，随着技术的进一步发展，可能会在更多领域实现实际应用。
📄 摘要（原文）
Safe robot-assisted ultrasound imaging requires a reliable controller able to detect and localize probe--tissue interaction. In this paper, we present a B-mode ultrasound image-based contact perception method and a contact-aware impedance controller for robotic ultrasound imaging. The proposed method detects acoustic contact independently of force measurements, enabling contact-conditioned force/torque taring to reduce residual wrench bias. During contact, the method continuously estimates the effective contact location along the curved probe surface and uses it to update the controller interaction frame, enabling visual servoing of the physical probe--tissue contact point during imaging. Experiments on an agar phantom demonstrated a contact-localization RMSE of $\mathbf{1.46 \pm 0.14}$~mm over probe roll angles from $\mathbf{-15^\circ}$ to $\mathbf{15^\circ}$. During static rolling, the proposed controller maintained task-space tracking accuracy comparable to a conventional fixed-frame impedance controller while reducing the maximum compressive interaction force from $\mathbf{31.56}$~N to $\mathbf{20.09}$~N, corresponding to a $\mathbf{36.3\%}$ reduction. These results demonstrate the potential of ultrasound images as direct contact feedback for safe and accurate robot-assisted ultrasound imaging.