五篇ICRA最佳医疗机器人获奖论文大盘点 | ICRA 2017

ICRA全称为“IEEE International Conference on Robotics and Automation”（机器人与自动化会议），是机器人技术领域最有影响力的国际学术会议之一。ICRA 2017于5月29日至6月4日举行，雷锋网(公众号：雷锋网)AI科技评论从新加坡带来一线报道。该会议举办期间，雷锋网将围绕会议议程及获奖论文展开系列专题报道，敬请期待。

基于并行计算硬件的连续体机器人的高效临近查询

由于连续体机器人领域的进步，手术操作者越来越能够通过复杂的路径接近深层病变组织。在大多数情况下，这类机器人可以精确的建模为一系列圆柱型。为了安全无缝的对这些具有复杂的非直观运动学机器人进行远程操作，研究者开发了依靠准确的临近度查询，来计算连续体机器人与解剖结构之间的距离的触觉指导方案。该论文介绍了一种准确地模拟连续体机器人的方法，该机器人采用具有球型或平面的圆柱型分段，然后有效地计算到三角形网格的最短距离。该论文提供了适用于并行计算硬件的简单和复杂集合图元的高效分析窄相位PQ计算的实现，以及实验验证，结果显示出该方法更高的性能适合于实时的机器人应用。该论文在计算机实验中，比较了在PQ计算或其他优化任务中使用的各种根寻找算法，以评估其在不同硬件上执行的适用性。关于根据可用的并行计算硬件选择合适的临近度查询算法来讨论这些实验结果的含义。最后，介绍了密集动态解剖结构未来改进的前景。

使用单一旋转磁体同时定位和推进内腔中磁性胶囊的首次实现

该论文提出了一种使用单个旋转执行器磁体推进嵌入了霍尔效应传感器的螺旋磁性胶囊的方法。该方法估计了胶囊与应用场同步旋转时的六自由度姿态。它适用于肠道的活动胶囊内窥镜检查。在胶囊通过内腔时，使用一个拓展卡尔曼滤波器来对胶囊的六自由度姿态进行估计，该卡尔曼滤波器使用的是简化的两自由度过程模型，两个自由度包括胶囊以其主轴线向前或向后移动方向和旋转方向。持续监测胶囊在施加场中的运动，以确定胶囊是否与施加的场同步旋转。基于该信息，调整外部源的旋转速度，以防止期望的磁耦合出现损失。该试验首次证明了使用单个旋转磁体对通过管腔的胶囊同时进行定位和推进是可行的。以前的工作假定胶囊在定位阶段没有净运动，需要定位和推进是分开进行的。与之前的分步方法相比，该方法需要的时间减少了三倍。

用于远程MR引导针插入的滚动隔膜液压传动

磁共振成像（magnetic resonance imaging， MRI）具有许多优点，包括无与伦比的软组织表征能力，并能将检测和活组织检查两个过程合二为一。然而，由于扫描空间狭窄，患者需要繁琐重复的定位，或者使用机器助手将医生与患者隔离。该论文提出了一种替代方案，使用一种经皮手术的远程手术技术，以满足介入放射科医师的需求，克服MR环境所带来的挑战。该技术演示了1-DOF针的插入手术。该技术使用滚动隔膜，离合器和线缆绞盘驱动器来推动针，同时将作用力和运动无差别地传递给操作者。该系统表现出优异的位置跟踪性能（无负载的情况下<0.7^{cric}的误差），并能可靠地传递力的变化。在针的远程操作期间，用户能够以77%的精度检测轻薄膜穿刺，并且能够像手动操作一样准确的区分劲度系数。

具有动力的保护性股骨假体的高效能3D假肢行走的初步结果

该项工作提出了一种针对定制保护性股骨假体（compliant transfemoral prosthesis)的系统性假肢控制策略的初步实验验证，最终实现高效能的三维（3D）多接触假体行走。特别是为了捕捉现实的截肢假体系统的重要组成部分，研究人员开发了一种3D非对称混合动力系统模型，形成了步态设计和控制结构的基础。基于该模型，利用两步直接并置优化方法设计了一种高效能3D多接触点的假肢步态。这种设计的步态也受到许多实际的限制，例如与人类相似性的限制，以及舒适性限制。对于实验验证，研究人员定制构建了一个具有动力的股骨假肢设备，该设备可以进行修改，以实现设计的3D步态。该设备与现有的动力假体的区别是，为了节能和类人行为的目的，将兼容部件添加到三个关节中（两个节距关节和一个滚动关节）。结合所提出的控制方法和新颖的硬件设计，最终的结果是与其他设备和控制方法相比，实验性的实现了3D多接触点的假肢行走，提高了能量效率。

用于细针抽吸活检的磁力驱动软胶囊内窥镜

该论文介绍了一种用于上消化道的细针抽吸活检的磁力驱动软胶囊内窥镜（magnetically actuated soft capsule endoscope for fine-needle aspiration biopsy, B-MASCE）。一个薄而中空的针头被连接到胶囊上，可以深入渗透到组织中以得到表面下的活检样本。该设计利用软弹性体作为柔性机构来引导针。内部永久磁铁为驱动和跟踪提供了一种手段。胶囊被设计成朝向其目标滚动，然后将活检针部署在目标区域的精确位置。B-MASCE由多个定制设计的电磁铁控制，而其位置和方向由磁传感阵列跟踪。在体外试验中，B-MASCE展示了位于解剖人体胃模型内的猪组织模型的滚动运动和活检。经实验确认，组织样品被保留在针内。

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