基于虚拟约束法的人-机器人协作柔性针穿刺在线规划与控制

In clinic, linear percutaneous needle insertion has problems as limited path and deflection, thus flexible needle insertion is strongly needed. Existing studies tend to use the path planning and control approaches for autonomous robot to implement the insertion for flexible needles, thus it has very limited adaptabilities and does not integrate surgeon in the control loop. This fails to satisfy the clinical requirement that surgeon needs to dominate the inserting operation. Therefore, this project proposes to use teleoperated human-robot collaboration to realize online planning and control for flexible needle insertion into soft tissues. The following tasks will be conducted: (1) needle insertion modeling for human-robot collaborative operation, (2) preoperative planning for human-robot collaborative needle insertion using virtual fixtures, (3) intraoperative control and online trajectory adjustment for human-robot collaborative needle insertion, and (4) testing experiments towards insertion modeling and validation experiments for proposed planning and control methods. The objective of this project is to construct a systematical approach to human-robot collaborative needle insertion, which promotes a way for the clinical implementation of robot-assisted flexible needle insertion technology.

柔性针穿刺能解决临床上直线经皮穿刺的路径受限及形变误差问题，对其应用有着迫切的临床需求。已有研究使用自主机器人路径规划及控制方法来实现柔性针穿刺，适应性差且缺乏人与机器人协作的机制，因此无法满足临床穿刺必须由医生主导操作的要求。据此，本项目提出使用遥操作方式的人与机器人协作的柔性针软组织穿刺在线规划及控制方法。主要研究内容有：（1）建立适用于人与机器人协作的柔性针穿刺模型；（2）建立基于虚拟约束法的人与机器人协作柔性针穿刺术前规划方法；（3）建立可实现在线轨迹调整的人与机器人协作柔性针穿刺术中控制方法；（4）开展穿刺建模测试实验及人机协作穿刺验证实验的研究。本研究的目的是建立系统化的人与机器人协作柔性针穿刺方法，为机器人辅助柔性针穿刺技术的临床应用建立理论基础和基本方法。

人与机器人协作柔性针穿刺可将人的经验性适应性优势和机器人的精确控制优势结合，解决目前自主柔性针穿刺适应性差和无法由医生主导操作的问题。本项目开展了人与机器人协作的柔性针穿刺规划与控制方法研究，具体研究内容包括：（1）建立了适用于人-机器人协作的柔性针穿刺模型；（2）建立了基于环境特征和随机方法的柔性针穿刺术前规划方法，建立了基于虚拟约束及人机协作机制的柔性针穿刺术前规划方法；（3）建立了人机协作柔性针穿刺术中控制方法以及基于超声/视觉的柔性针状态跟踪与获取方法；（4）搭建了柔性针穿刺实验装置，完成体模验证实验研究。项目在国内外学术期刊和国际会议上发表论文11篇，申请发明专利5项并已获授权1项。本项目研究建立了遥操作形式下的人与机器人协作柔性针穿刺方法，以期为机器人辅助柔性针穿刺技术的临床应用建立理论基础和基本方法，进而推动人工智能和生物智能相互融合的技术创新。