高精度自主控制灵活的针通过实时有限元模拟和交叉度优化灵活的针
Yanzhou Wang1, Chang Chang1, Junling Mei1
1Department of Mechanical Engineering and the Laboratory of Computational Sensing and Robotics, Johns Hopkins University, Baltimore, MD, USA.
IEEE robotics and automation letters
|September 17, 2025
概括
这项研究引入了一种用于软组织中自主灵活针控制的新框架. 实时模拟和优化在幻影实验中实现精确的针头插入,精度低于毫米.
科学领域:
- 机器人技术 机器人技术 机器人技术
- 医疗器械 医疗器械
- 生物医学工程 生物医学工程
背景情况:
- 精确的柔性针插入对于微创手术至关重要.
- 现有的方法在实时控制和模型不确定性方面面临挑战.
研究的目的:
- 开发一个统一的框架,用于软组织中自主灵活的针控制.
- 通过实时模拟和优化实现高目标准确度.
主要方法:
- 使用实时有限元 (FE) 模拟和交叉 (CE) 优化.
- 基于采样的模型预测控制 (MPC) 结合了基于动力学的撞击策略.
- 使用稀疏电磁 (EM) 追踪用于状态重建和不确定性补偿.
主要成果:
- 在plastisol和ex vivo胸幽灵中证明了亚毫米准确度.
- 实现的准误差分别为0.16 ± 0.29毫米和0.22 ± 0.78毫米.
- 该框架有效地协调了针插入,横向调整和形旋转.
结论:
- 拟议的框架允许精确的自主控制柔软组织中的柔性针.
- 实时FE模拟和CE优化对于复杂的针头操纵是有效的.
- 该方法显示了改进机器人辅助外科手术程序的巨大潜力.
