Dexterous Control of an 11-DOF Redundant Robot for CT-Guided Needle Insertion With Task-Oriented Weighted Policies

要約

コンピューター断層撮影（CT）誘導針生検は、肺がんを含むさまざまな状態を診断するために重要ですが、限られた内部空間、長期の手順、放射線曝露などの課題を呈します。
ロボット支援は、針の軌道精度を改善し、放射線被曝を減らし、リアルタイム調整を可能にすることにより、有望なソリューションを提供します。
以前の作業では、制限付きCTボア内に柔軟な針挿入用に設計された冗長なロボットプラットフォームを導入しました。
ただし、ベースモビリティが限られているため、臨床環境での柔軟な展開が制限されます。
この研究では、6-DOFロボットベースを5ドーフ駆動型のエンドエフェクターと統合し、ワークスペースの柔軟性と精度を大幅に向上させる改善された11度（Freedom（DOF）ロボットシステムを提示します。
自由度の多い自由度により、大規模な動きと微細な骨内調整のための2段階の優先度スキームを備えた加重逆運動コントローラーと、器用さを最適化するためのヌル空間制御戦略を導入します。
シミュレーションと現実世界の両方の実験を通じてシステムを検証し、CT誘導手順の優れた追跡精度と操作性の向上を実証します。
この研究は、ロボット支援の針生検シナリオのための過剰な冗長性とヌル空間制御の定式化の強力なケースを提供します。

要約(オリジナル)

Computed tomography (CT)-guided needle biopsies are critical for diagnosing a range of conditions, including lung cancer, but present challenges such as limited in-bore space, prolonged procedure times, and radiation exposure. Robotic assistance offers a promising solution by improving needle trajectory accuracy, reducing radiation exposure, and enabling real-time adjustments. In our previous work, we introduced a redundant robotic platform designed for dexterous needle insertion within the confined CT bore. However, its limited base mobility restricts flexible deployment in clinical settings. In this study, we present an improved 11-degree-of-freedom (DOF) robotic system that integrates a 6-DOF robotic base with a 5-DOF cable-driven end-effector, significantly enhancing workspace flexibility and precision. With the hyper-redundant degrees of freedom, we introduce a weighted inverse kinematics controller with a two-stage priority scheme for large-scale movement and fine in-bore adjustments, along with a null-space control strategy to optimize dexterity. We validate our system through both simulation and real-world experiments, demonstrating superior tracking accuracy and enhanced manipulability in CT-guided procedures. The study provides a strong case for hyper-redundancy and null-space control formulations for robot-assisted needle biopsy scenarios.

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