医疗机器人主从控制研究：虚拟夹具VF算法与主动约束

"该文主要探讨了具有主动约束的医疗机器人系统，特别是应用于穿刺手术的主从控制系统。通过搭建半实物仿真平台，研究了一种结合虚拟夹具VF算法和Proxy方法的主动约束控制策略，确保系统在给定运动约束条件下能有效地进行主从控制。遥操作穿刺手术因其微创特性在医学领域受到广泛关注，已有多个先进医疗机器人系统被研发并投入使用。本文的主从机器人构型采用SensAble公司的Phantom Omni为主手，具有6DOF，从手同样为6DOF，用于执行手术任务。VF作为一种软件约束模型，通过虚拟力限制机器人的运动，包括引导型VF和禁止型VF。文中重点研究线型VF，通过计算目标位置与实际位置的偏差来引导机器人运动。" 在医疗机器人技术中，主从控制是核心组成部分，它允许外科医生通过主手设备远程操纵从手设备进行精确的手术操作。在本文中，作者首先分析了穿刺手术机器人的功能需求，然后构建了一个半实物仿真环境，以模拟真实的手术情境。主从控制在此基础上进一步引入了主动约束控制策略，这是通过虚拟夹具VF算法和Proxy技术实现的。VF能够设定虚拟的边界和路径，防止机器人进入禁止区域，同时引导其沿着理想的手术路径移动。 VF分为两种类型：引导型VF (GVF) 和禁止型VF (FRVF)。GVF引导机器人沿着预定路径移动，而FRVF则阻止机器人进入预定义的危险区域。文章特别关注线型VF，这是一种简单但有效的VF形式，通过计算机器人末端位置的偏差，实时调整机器人的运动方向，以达到精确控制。 线型VF的计算基于目标位置和实际位置之间的差异，这一差异被用来计算虚拟力，进而调整机器人的运动。这种技术对于保证手术的精度和安全性至关重要，尤其是在穿刺手术中，由于手术区域的敏感性和精确性要求，任何微小的偏差都可能导致严重的后果。 该研究通过集成VF算法和Proxy方法，增强了主从控制系统的约束能力，提高了穿刺手术机器人的操作精度，为远程手术提供了更安全、更可控的技术支持。这一工作对于推动医疗机器人技术的发展，尤其是提升微创手术的安全性和效率，具有重要的理论和实践价值。