误导运动学链下的 cable-driven 手术操作机械臂的稳定跟踪控制

遥控中心运动 (Remote Center of Motion, RCM) 机器人操作机械臂已彻底变革了 minimally invasive 手术技术，使其能够在不扰动患者体内插入点的情况下，对患者体腔内进行精确、灵活的手术操作。准确的 RCM 工具控制对于将 suturing 缝合、血液吸取及肿瘤切除等自主子任务整合到机器人手术程序中至关重要，从而减轻外科医生的疲劳并改善患者预后。然而，这些 cable-driven 系统受到显著关节读取误差的影响，这会破坏执行控制所必需的运动学计算。虽然使用内窥相机进行视觉跟踪可以纠正面向视图内的关节误差，但位于插入点之前的运动学链中的误差无法被修复，因为它们仍处于视野之外。目前尚无任何研究对这些条件下的控制稳定性进行表征。我们填补了这一空白，设计了一种对 RCM 操作机械臂运动学链中不可视部分具有 provably 稳定跟踪-in-the-loop 控制器。我们此外将该控制器纳入用于整个运动学链的 bilevel 控制方案中。我们在模拟和真实环境中对该方法进行严格的基准测试，以验证理论发现。我们的工作为从遥操作手术过渡到自主手术的下一步工作提供了关键见解。