本文介绍了全髋关节置换术（THA）的手术机器人系统的开发和实验评估。尽管在关节置换手术中使用的现有机器人系统已经取得了一些进展，但机器人组必须在操作过程中准确地位于目标位置，这在很大程度上取决于外科医生的经验。此外，手持式髋臼铰刀通常表现出不均匀的强度和研磨文件。此外，缺乏实时测量股骨颈长度的技术可能导致结果不佳。为了应对这些挑战，我们提出了一种可实时可追溯的光学定位策略，以减少手术期间对机器人臂的不必要的手动调整，一种稳定磨削的最终效用系统，以及提供股骨颈的实时测量的光学探测器长度和其他参数用于选择适当的假体。下肢的长度在安装假体时测量。实验评估结果表明，根据其准确性，执行能力和鲁棒性，提出的手术机器人系统对于THA是可行的。

在核医学中，规定放射性碘治疗以治疗甲状腺功能亢进等疾病。规定剂量的计算在甲状腺体积上取决于其他因素。目前使用传统的2D超声成像估计这一点。但是，这种模态本质上是依赖的，导致体积估计的高变异性。为了提高再现性和一致性，我们用甲状腺体积的自动机器人超声扫描唯一地结合了基于神经网络的分割。通过使用具有连接超声探头的6 DOF机器人臂实现机器人采集。其运动基于每个甲状腺叶的在线分割和美国图像的外观。在后处理期间，将美国图像分段以获得体积估计。在一种消融研究中，与机器人在体积精度方面执行的与机器人执行的天真线性运动相比，我们证明了机器人臂运动的运动引导算法的优越性。在对幻影的用户研究中，我们将传统的2D超声测量与机器人系统进行了比较。与地面真理相比，超声专家用户的平均体积测量误差可能会从20.85 +/- 16.10％显着降低到仅8.23 +/- 3.10％。在非专家用户中观察到这种趋势，其中测量了与机器人系统的平均误差改善，以高达85美元的价格，这显然显示了机器人支持的优势。

机器人超声（US）成像已被视为克服美国自由手检查的局限性，即操作员互操作机构的局限性。 \修订{然而，机器人美国系统在扫描过程中无法对主体运动做出反应，这限制了他们的临床接受。}关于人类超声检查员，他们经常通过重新定位探针甚至重新启动摄取，尤其是因为扫描而对患者的运动做出反应。具有较长结构等肢体动脉的解剖学。为了实现这一特征，我们提出了一个基于视觉的系统来监视受试者的运动并自动更新扫描轨迹，从而无缝获得目标解剖结构的完整3D图像。使用RGB图像中的分段对象掩码开发运动监视模块。一旦受试者移动，机器人将通过使用迭代最接近点算法在移动前后获得的对象的表面点云来停止并重新计算合适的轨迹。之后，为了确保重新定位US探针后的最佳接触条件，使用基于置信的微调过程来避免探针和接触表面之间的潜在间隙。最后，整个系统在具有不均匀表面的人类臂幻象上进行了验证，而对象分割网络也在志愿者上得到验证。结果表明，提出的系统可以对对象运动做出反应，并可靠地提供准确的3D图像。

机器人超声（US）成像旨在克服美国自由企业考试的一些局限性，例如难以保证操作员可重复性。然而，由于患者之间的解剖学和生理变化以及解剖下结构的相对运动，富有鲁棒性产生最佳轨迹以检查感兴趣的解剖学时，当他们构成明确的关节时，这是一项挑战。为了应对这一挑战，本文提出了一种基于视觉的方法，允许自动机器人美国肢体扫描。为此，使用带注释的血管结构的人臂的Atlas MRI模板用于生成轨迹并注册并将其投射到患者的皮肤表面上，以进行机器人的美国获得。为了有效地细分并准确地重建目标的3D容器，我们通过将通道注意模块纳入U-NET型神经网络中，利用连续美国框架中的空间连续性。自动轨迹生成方法对具有各种铰接关节角度的六名志愿者进行评估。在所有情况下，该系统都可以成功地获取志愿者四肢上计划的血管结构。对于一名志愿者，还提供了MRI扫描，可以评估美国图像中扫描动脉的平均半径，从而导致半径估计（$ 1.2 \ pm0.05〜mm $）可与MRI地面真相相当（$ 1.2 \ $ $） PM0.04〜mm $）。

遥操作平台通常要求用户位于固定位置，以便可视化和控制机器人的运动，因此不提供具有多种移动性的操作员。一个例子是现有的机器人手术解决方案，该解决方案要求外科医生远离患者，附着在其头部必须固定的控制台上，并且它们的臂只能在有限的空间中移动。这在正常手术中的医生和患者之间产生了障碍。为了解决这个问题，我们提出了一个移动电话专业解决方案，外科医生不再机械地限制在控制控制台上，并且能够使用配备有无线传感器的手臂来远优步到患者床边的机器人，并通过光学查看内窥镜视频 - 通过头戴式显示器（HMDS）。我们评估我们的用户交互方法的可行性和效率，与标准的手术机器人机械手相比，通过两个任务，具有不同水平的所需灵活性。结果表明，通过足够的训练，我们所提出的平台可以获得类似的效率，同时为操作员提供额外的移动性。

脑出血（ICH）是最致命的中风子类型，死亡率高达52％。由于颅骨切开术引起的潜在皮质破坏，保守管理（注意等待）历史上一直是一种常见的治疗方法。最小的侵入性疏散最近已成为一种可公认的治疗方法，用于体积30-50 mL的深座性血肿的患者，但适当的可视化和工具敏感性仍然受到常规内窥镜方法的限制，尤其是较大的血肿体积（> 50 mL）。在本文中，我们描述了Aspihre的发展（脑部出血机器人疏散的手术平台），这是有史以来的第一个同心管机器人，该机器人使用现成的塑料管来进行MR引导ICH撤离，改善工具敏感性和程序可视化。机器人运动学模型是基于基于校准的方法和试管力学建模开发的，使模型可以考虑可变曲率和扭转偏转。使用可变增益PID算法控制旋转精度为0.317 +/- 0.3度。硬件和理论模型在一系列系统的基准和MRI实验中进行了验证，导致1.39 +\ -0.54 mm的管尖的位置精度。验证靶向准确性后，在MR引导的幻影凝块疏散实验中测试了机器人的疏散功效。该机器人能够在5分钟内撤离最初38.36 mL的凝块，使残留血肿为8.14 mL，远低于15 mL指南，表明良好的后疏散临床结果。

使用增强现实（AR）用于导航目的，这表明在手术手术过程中协助医生有益。这些应用通常需要知道外科手术工具和患者的姿势，以提供外科医生在任务执行过程中可以使用的视觉信息。现有的医学级跟踪系统使用放置在手术室内的红外摄像头（OR）来识别感兴趣的对象附加并计算其姿势的复古反射标记。一些市售的AR头式显示器（HMD）使用类似的摄像头进行自定位，手动跟踪和估算对象的深度。这项工作提出了一个使用AR HMD的内置摄像机来准确跟踪复古反射标记的框架，例如在手术过程中使用的标记，而无需集成任何其他组件。该框架还能够同时跟踪多个工具。我们的结果表明，横向翻译的准确度为0.09 +-0.06毫米，可以实现标记的跟踪和检测，纵向翻译的0.42 +-0.32 mm，绕垂直轴旋转的0.80 +-0.39 ver。此外，为了展示所提出的框架的相关性，我们在手术程序的背景下评估了系统的性能。该用例旨在在骨科过程中复制K-Wire插入的场景。为了进行评估，为两名外科医生和一名生物医学研究人员提供了视觉导航，每次都进行了21次注射。该用例的结果提供了与基于AR的导航程序报告的相当精度。

点对特征（PPF）广泛用于6D姿势估计。在本文中，我们提出了一种基于PPF框架的有效的6D姿势估计方法。我们介绍了一个目标良好的下采样策略，该策略更多地集中在边缘区域，以有效地提取复杂的几何形状。提出了一种姿势假设验证方法来通过计算边缘匹配度来解决对称歧义。我们对两个具有挑战性的数据集和一个现实世界中收集的数据集进行评估，这证明了我们方法对姿势估计几何复杂，遮挡，对称对象的优越性。我们通过将其应用于模拟穿刺来进一步验证我们的方法。

中枢神经系统（CNS）利用预期（APA）和补偿性（CPA）的姿势调整以保持平衡。姿势调整包括质量中心的稳定性（COM）（COM）和身体的压力分布相互影响，如果存在他们俩缺乏表现。任何可预测的或突然的扰动都可能为COM与平衡和身体的均匀压力分布的分歧铺平道路。由于其不良的APA和CPA，并引起了它们的跌倒。神经系统患者跌倒风险的最小化方法正在利用基于扰动的康复，因为它有效地恢复了平衡障碍。根据发现的结果，我们的发现，我们的发现，我们的发现，我们的发现，我们的发现，我们的发现是有效的。介绍新型3 DOF平行操纵器的设计，实现和实验评估，以治疗M. M.的平衡障碍，机器人平台允许角运动脚踝基于其拟人化的自由。赋予上下平台的最终效应分别旨在评估每只脚的压力分布和身体的com。在机器人平台的高级控制中，用于调节任务的难度水平。在这项研究中，在模拟环境中得出并验证了机器人的运动学和动态分析。还通过PID控制器成功实现了对原型的低级控制。每个平台的容量都通过一组实验来评估，考虑评估最终效应器上的脚注和类似对象的压力分布和COM。实验结果表明，这样的系统井井有条，需要通过APA和CPA进行平衡技能培训和评估。

休眠季节葡萄树修剪需要熟练的季节性工人，这在冬季变得越来越缺乏。随着在短期季节性招聘文化和低工资的短期季节性招聘文化和低工资的时间内，随着工人更少的葡萄藤，葡萄藤往往被修剪不一致地导致葡萄化物不平衡。除此之外，目前现有的机械方法无法选择性地修剪葡萄园和手动后续操作，通常需要进一步提高生产成本。在本文中，我们展示了崎岖，全自治机器人的设计和田间评估，用于休眠季节葡萄园的端到最终修剪。该设计的设计包括新颖的相机系统，运动冗余机械手，地面机器人和在感知系统中的新颖算法。所提出的研究原型机器人系统能够在213秒/葡萄藤中完全从两侧刺激一排藤蔓，总修枝精度为87％。与机械预灌浆试验相比，商业葡萄园中自治系统的初始现场测试显示出休眠季节修剪的显着变化。在手稿中描述了设计方法，系统组件，经验教训，未来增强以及简要的经济分析。

这封信报告了一种新型手持机器人的设计，构造和实验验证，用于在人声褶皱的办公室激光手术中。办公室内窥镜激光手术是喉咙学的一种新兴趋势：它有望以成本的一小部分提供相同的传统手术治疗（即手术室）的患者结局。不幸的是，办公室程序可能具有挑战性。用于激光输送的光纤只能以视线方式向前发出光，这严重限制了解剖学访问。我们在这封信中提出的机器人旨在克服这些挑战。机器人的最终效应子是可通的激光纤维，通过将薄光纤纤维（0.225 mm）与肌腱驱动的镍氨基烷凹口鞘的组合组合而产生，可提供弯曲。该设备可以与大多数市售的内窥镜无缝使用，因为它足够小（1.1 mm）可以通过工作通道。为了控制纤维，我们提出了一个可以安装在内窥镜手柄顶部的紧凑型致动单元，以便在手术过程中，操作医生可以单手同时操作内窥镜和可驾驶的纤维。我们报告了模拟和幻影实验，表明与当前的临床纤维相比，该提议的设备大大增强了手术通道。

位置敏感探测器（PSDS）提供了高精度跟踪单个活动标记的两个（或三个）自由（DOF）位置，同时具有高更新频率和低延迟的快速响应时间，所有使用非常简单的信号处理电路。然而，由于缺乏方向测量，有限的跟踪范围和对环境变化的敏感性，它们并不特别适用于6-DOF对象姿势跟踪系统。我们提出了一种新颖的6-DOF姿势跟踪系统，用于需要单个有效标记的刚性物体跟踪。所提出的系统使用立体声的PSD对和多个惯性测量单元（IMU）。这是基于实用的方法来识别和控制红外发光二极管（IR-LED）有源标记的功率，目的是增加跟踪工作空间并降低功耗。我们所提出的跟踪系统用三种不同的工作空间尺寸验证，使用具有三种不同动态运动模式的机器人臂操纵器进行静态和动态位置精度。结果表明，静态位置根均方（RMS）误差为0.6mm。动态位置rms误差为0.7-0.9mm。方向rms误差在不同动态运动时的0.04和0.9度之间。总的来说，我们所提出的跟踪系统能够在工作空间的中间范围和实验室设置下的所有工作空间的子度准确度下跟踪刚性物体姿势。

虽然在各种应用中广泛使用刚性机器人，但它们在他们可以执行的任务中受到限制，并且在密切的人机交互中可以保持不安全。另一方面，软机器鞋面超越了刚性机器人的能力，例如与工作环境，自由度，自由度，制造成本和与环境安全互动的兼容性。本文研究了纤维增强弹性机壳（释放）作为一种特定类型的软气动致动器的行为，可用于软装饰器。创建动态集参数模型以在各种操作条件下模拟单一免费的运动，并通知控制器的设计。所提出的PID控制器使用旋转角度来控制多项式函数之后的自由到限定的步进输入或轨迹的响应来控制末端执行器的方向。另外，采用有限元分析方法，包括释放的固有非线性材料特性，精确地评估释放的各种参数和配置。该工具还用于确定模块中多个释放的工作空间，这基本上是软机械臂的构建块。

许多钥匙孔干预依赖于双手动处理外科手术器械，强迫主要外科医生依靠第二个外科医生作为相机助理。除了过度涉及手术人员的负担外，这可能导致图像稳定性降低，增加任务完成时间，有时由于任务的单调而有时会出现错误。由一组基本说明控制的机器人内窥镜持有者已被提出作为替代方案，但它们的不自然处理可能会增加（SOLO）外科医生的认知负荷，这阻碍了它们的临床验收。如果机器人内窥镜持有者通过语义上丰富的指令与操作外科医生合作的机器人内窥镜持有者，则可以实现手术工作流程的更无缝集成。作为概念证明，本文介绍了一种新颖的系统，为外科医生和机器人内窥镜支架之间的协同相互作用铺平了道路。该拟议的平台允许外科医生执行生理协调和导航任务，而机器人臂自动执行内窥镜定位任务。在我们的系统中，我们提出了一种基于外科刀具分割的新型工具提示定位方法和一种新型的视觉伺服方法，可确保内窥镜摄像机的平滑和适当的运动。我们验证了我们的视觉管道并运行了对该系统的用户学习。通过使用欧洲妇科手术课程验证的腹腔镜运动来确保研究的临床相关性，涉及双部手动协调和导航。我们拟议的系统的成功应用提供了更广泛的临床采用机器人内窥镜架的有希望的起点。

The use of needles to access sites within organs is fundamental to many interventional medical procedures both for diagnosis and treatment. Safe and accurate navigation of a needle through living tissue to an intra-tissue target is currently often challenging or infeasible due to the presence of anatomical obstacles in the tissue, high levels of uncertainty, and natural tissue motion (e.g., due to breathing). Medical robots capable of automating needle-based procedures in vivo have the potential to overcome these challenges and enable an enhanced level of patient care and safety. In this paper, we show the first medical robot that autonomously navigates a needle inside living tissue around anatomical obstacles to an intra-tissue target. Our system leverages an aiming device and a laser-patterned highly flexible steerable needle, a type of needle capable of maneuvering along curvilinear trajectories to avoid obstacles. The autonomous robot accounts for anatomical obstacles and uncertainty in living tissue/needle interaction with replanning and control and accounts for respiratory motion by defining safe insertion time windows during the breathing cycle. We apply the system to lung biopsy, which is critical in the diagnosis of lung cancer, the leading cause of cancer-related death in the United States. We demonstrate successful performance of our system in multiple in vivo porcine studies and also demonstrate that our approach leveraging autonomous needle steering outperforms a standard manual clinical technique for lung nodule access.

该制造业目前目前目睹了与工业机器人前所未有的采用的范式转变，机器愿景是一种关键的感知技术，使这些机器人能够在非结构化环境中进行精确的操作。然而，传统视觉传感器对照明条件和高速运动的灵敏度为生产线的可靠性和工作速率设定了限制。神经形态视觉是最近的技术，有可能解决传统视觉的挑战，其具有高颞率，低延迟和宽动态范围。在本文中，我们首次提出了一种新型神经形态视觉的基于峰值的控制器，用于更快，更可靠的加工操作，并具有能够进行具有亚毫米精度的钻井任务的完整机器人系统。我们所提出的系统使用我们专为神经形态摄像机的异步输出开发的两种感知阶段为3D定位了目标工件。第一阶段执行用于初始估计工件的姿势的多视图重建，并且第二阶段使用圆孔检测对工件的局部区域进行这种估计。然后，机器人精确地定位钻孔末端执行器并使用基于组合的位置和基于图像的视觉伺服方法钻取工件上的目标孔。所提出的解决方案是通过实验验证的用于在具有不受控制的照明的非结构环境中任意地放置的工件上的工件上钻出螺母孔。实验结果证明了我们的溶液的有效性小于0.1mm的平均位置误差，并证明了神经形态视觉的使用克服了传统相机的照明和速度限制。

腔内器官内部的导航是一项艰巨的任务，需要在操作员的手的运动与从内窥镜视频获得的信息之间进行非直觉的协调。开发自动化某些任务的工具可以减轻干预期间医生的身体和精神负担，从而使他们专注于诊断和决策任务。在本文中，我们提出了一种用于腔内导航的协同解决方案，该解决方案由3D打印的内窥镜软机器人组成，该机器人可以在腔内结构内安全移动。基于卷积神经网络（CNN）的Visual Servoing用于完成自主导航任务。 CNN经过幻象和体内数据训练以分割管腔，并提出了一种无模型的方法来控制受约束环境中的运动。在不同的路径配置中，在解剖幻像中验证了所提出的机器人。我们使用不同的指标分析机器人的运动，例如任务完成时间，平滑度，稳态中的误差以及均值和最大误差。我们表明，我们的方法适合在空心环境和条件下安全导航，这些环境和条件与最初对网络训练的条件不同。

在本报告中，我们提出了在哥斯达黎加太平洋架子和圣托里尼 - Kolumbo Caldera Complex中，在寻找寿命中的寻找寿命任务中的自主海洋机器人技术协调，操作策略和结果。它作为可能存在于海洋超越地球的环境中的类似物。本报告侧重于ROV操纵器操作的自动化，用于从海底获取有针对性的生物样品收集和返回的。在未来的外星勘查任务到海洋世界的背景下，ROV是一个模拟的行星着陆器，必须能够有能力的高水平自主权。我们的田间试验涉及两个水下车辆，冰（Nui）杂交ROV的两个水下车辆（即，龙眼或自主）任务，都配备了7-DOF液压机械手。我们描述了一种适应性，硬件无关的计算机视觉架构，可实现高级自动化操作。 Vision系统提供了对工作空间的3D理解，以便在复杂的非结构化环境中通知操纵器运动计划。我们展示了视觉系统和控制框架通过越来越具有挑战性的环境中的现场试验的有效性，包括来自活性Undersea火山，Kolumbo内的自动收集和生物样品的回报。根据我们在该领域的经验，我们讨论了我们的系统的表现，并确定了未来研究的有希望的指示。

上肢控制和功能的丧失是中风后患者的不懈症状。这将使他们的日常生活活动施加艰辛。引入了超级机器人四肢（SRL）作为解决方案，以通过引入独立的新肢体来恢复损失的自由度（DOF）。 SRL中的致动系统可以分为刚性和软致动器。通过固有的安全性，成本和能源效率，软执行器已证明对刚性的刚性有利。但是，它们的刚度低，这危害了其准确性。可变的刚度执行器（VSA）是新开发的技术，已被证明可确保准确性和安全性。在本文中，我们介绍了基于可变刚度执行器的新型超级机器人肢。根据我们的知识，提议的概念验证SRL是第一个利用可变刚度执行器的人。开发的SRL将帮助中风后患者完成双重任务，例如用叉子和刀进食。说明了系统的建模，设计和实现。评估并通过预定义轨迹对其准确性进行了评估和验证。通过利用动量观察者进行碰撞检测来验证安全性，并通过软组织损伤测试评估了几种冲突后反应策略。通过标准的用户满意度问卷对援助过程进行定性验证。

Hololens（Microsoft Corp.，WA Redmond，WA）是一款头饰，光学透明的增强现实展示，是最近提高医学增强现实研究的主要参与者。在医疗环境中，HoloLens使医生能够立即了解患者信息，直接与他们对临床方案的看法，医学生，可以更好地了解复杂的解剖学或程序，甚至可以通过执行治疗任务。改进，沉浸式指导。在这篇系统的综述中，我们提供了有关医疗领域第一代霍洛伦斯在2016年3月发布到2021年的全面使用的全面概述，一直关注其继任者霍洛伦斯2号。通过系统搜索PubMed和Scopus数据库确定了171个相关出版物。我们分析了这些出版物的预期用例，注册和跟踪的技术方法，数据源，可视化以及验证和评估。我们发现，尽管已经显示出在各种医学场景中使用Hololens的可行性，但在精确，可靠性，可用性，工作流程和感知方面的努力增加了在临床实践中建立AR。