A Master-Slave 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 (更新: 2026-08-07)
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室内针灸操作问题
🎯 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: 主从机器人 MRI干预 针灸操作 流体传输 多模态控制 医疗机器人 实时引导
📋 核心要点
- 现有的MRI室内干预方法在安全性和操作精度上存在挑战，难以实现高效的针灸操作。
- 论文提出了一种主从机器人操控系统，通过流体传输实现运动和力的精确传递，支持多种控制模式。
- 初步实验结果显示，该系统在床边手动控制模式下表现出良好的功能可行性，适用于生物实验。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种适用于MRI室内腹部干预的安全主从机器人操控系统。该系统由一个人操作的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，超越了以往研究中的常见分轴或模式切换混合人机控制配置。采用高输入阻抗、低泄漏的弹性流体执行器进行远程角度控制，低摩擦石墨活塞缸用于针插入轴的远程驱动，具备亚牛顿的力透明度和亚毫米的运动传输精度。该设备支持实时MRI引导干预，允许手动、数字、混合和协作控制模式，展示了在协作任务中的应用潜力。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：本研究旨在解决现有MRI室内干预方法在安全性和操作精度上的不足，特别是在针灸操作中面临的挑战。现有方法往往无法提供足够的力反馈和运动精度，影响干预效果。
核心思路：论文的核心思路是设计一种主从机器人操控系统，利用流体传输技术实现运动和力的高效传递，进而提升操作的安全性和精确性。通过多模态控制能力，系统能够适应不同的操作需求。
技术框架：整体架构包括一个人操作的主控制器和一个从控制器，主控制器具备2+1自由度，能够将操作指令通过流体传输传递给从控制器。从控制器同样具备2+1自由度，负责执行具体的操作任务。系统还集成了数字主控制器，提供多种控制模式。
关键创新：本研究的关键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，显著提升了针插入过程中的力透明度和运动传输精度。这种设计与传统的机械传动方式有本质区别。
关键设计：在关键设计方面，系统的参数设置经过优化，以确保流体传输的高效性和稳定性。同时，控制算法采用了反馈控制机制，以实现运动补偿和故障驱动的虚拟夹具功能，增强了系统的协作能力。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该主从机器人操控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精度，展示了其在生物实验中的功能可行性，显著提升了操作的安全性和效率。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括医疗机器人、远程手术和MRI引导的干预操作。通过提升针灸操作的安全性和精确性，未来有望在临床实践中广泛应用，改善患者的治疗体验和效果。
📄 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.