A Master-Salve Robot Manipulator for Needle-Based Teleoperation in MRI Chamber
作者: Omar Curiel, Jing-Yuan Huang, Po-Chih Chen, Ji Ma, Qing Dai, Wenqi Zhou, David Lu, Holden H. Wu, Tsu-Chin Tsao
分类: cs.RO
发布日期: 2026-08-06
备注: 14 pages, 12 figures
💡 一句话要点
提出一种安全的主从机器人以解决MRI室内腹部介入问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱四：生成式动作 (Generative Motion) 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)
关键词: 机器人操控 MRI介入 流体传输 多模态控制 医疗机器人 高精度控制
📋 核心要点
- 现有的MRI室内介入操作缺乏高效、安全的机器人辅助，传统方法在精确控制和实时反馈方面存在不足。
- 本文提出的主从机器人系统通过流体传输实现运动和力的传递，具备多模态控制能力，提升了操作的灵活性和安全性。
- 初步实验结果显示，该系统在床边手动控制模式下具备良好的功能性，为未来的临床应用奠定了基础。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种适用于MRI室的安全主从机器人操控系统，用于腹部介入操作。该系统由一个人机操作的2+1自由度主控制器和一个2+1自由度从控制器组成，通过流体传输实现运动和力的传递。数字主控制器提供了多模态控制能力，超越了以往研究中常见的分轴或模式切换的混合人机控制配置。高输入阻抗、低泄漏的弹性流体执行器用于远程角度控制，而低摩擦石墨活塞缸则用于针头插入轴的远程驱动。该设备支持实时MRI引导的介入操作，允许手动、数字、混合和协作控制模式。初步的MRI扫描结果表明，该操控器在床边手动控制模式下的功能可行性。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决MRI室内腹部介入操作中缺乏高效、安全的机器人辅助的问题。现有方法在精确控制和实时反馈方面存在不足，限制了介入操作的效果和安全性。
核心思路：论文提出的主从机器人系统通过流体传输实现运动和力的传递，结合数字主控制器的多模态控制能力，提升了操作的灵活性和安全性。设计上考虑了MRI环境的特殊要求，确保设备的安全性。
技术框架：整体架构包括人机操作的主控制器和从控制器，主控制器负责输入信号的采集和处理，从控制器则通过流体传输执行具体的操作。系统支持手动、数字、混合和协作控制模式，适应不同的操作需求。
关键创新：最重要的技术创新在于采用高输入阻抗、低泄漏的弹性流体执行器和低摩擦石墨活塞缸，分别用于远程角度控制和针头插入轴的驱动。这种设计显著提高了操作的精确性和安全性。
关键设计：系统的关键参数包括流体传输的压力和流量控制，损失函数设计用于优化控制精度，确保在不同操作模式下的稳定性和响应速度。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该主从机器人系统在床边手动控制模式下实现了亚牛顿的力透明度和亚毫米的运动传输，显示出优越的操作精度和灵活性。这些性能指标相较于传统方法有显著提升，验证了系统的功能可行性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括医疗机器人、MRI引导的介入手术及其他需要高精度控制的医疗操作。其实际价值在于提升腹部介入手术的安全性和效率，未来可能在临床中广泛应用，改善患者的治疗体验。
📄 摘要（原文）
We present a MR safe, master-slave robot manipulator for abdominal interventions in the MRI chamber. A human operated 2+1-DoF master controller manipulator transmits motion and force to a 2+1-DoF slave manipulator via fluid transmission. Jointly, a digital master controller provides multimodal control capability beyond common split axis or mode switchable hybrid human-digital controller configurations found in previous studies. High input impedance, low-leakage, elastomeric fluid actuators are delegated to remote angulation control. Low-friction graphite piston cylinders are delegated to needle insertion axis remote actuation given the sub-newton force transparency and sub-millimeter motion transmission over bedside fluid piping lengths. The device enables real-time MRI guided interventions allowing manual, digital, hybrid, and collaborative control modes. Collaborative tasks such as assisted tissue penetration, fault-driven virtual fixture, and motion compensation through feedback control are presented in this paper. Preliminary MR scanner results demonstrate manipulator functional viability for an in-vivo pig experiment in bedside, manual control mode configuration.