[论文解读] Robotic Tele-Operation for Upper Aerodigestive Tract Microsurgery: System Design and Validation

Giovani Braglia, José Jair Alves Mendes Junior+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2026

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一句话总结

该论文提出了一种带远程运动中心（RCM）的经遥操作的止血钳操作系统，用于上部气道消化道显微手术，并对其稳定性、使用者努力和可用性相对于徒手操作进行了验证。

ABSTRACT

Upper aerodigestive tract (UADT) treatments frequently employ transoral laser microsurgery (TLM) for procedures such as the removal of tumors or polyps. In TLM, a laser beam is used to cut target tissue, while forceps are employed to grasp, manipulate, and stabilize tissue within the UADT. Although TLM systems may rely on different technologies and interfaces, forceps manipulation is still predominantly performed manually, introducing limitations in ergonomics, precision, and controllability. This paper proposes a novel robotic system for tissue manipulation in UADT procedures, based on a novel end-effector designed for forceps control. The system is integrated within a teleoperation framework that employs a robotic manipulator with a programmed remote center of motion (RCM), enabling precise and constrained instrument motion while improving surgeon ergonomics. The proposed approach is validated through two experimental studies and a dedicated usability evaluation, demonstrating its effectiveness and suitability for UADT surgical applications.

研究动机与目标

• 将通过遥操作解决方案替代经口激光显微手术中的手动组织操作的必要性进行动机说明。
• 设计新颖的末端执行器和完整的遥操作流程， enforcing RC M约束。
• 通过将遥操作与徒手操作进行对比的实验来验证系统，并评估可用性。
• 使用定量指标和用户调查评估外科医生的努力程度和操作稳定性。

提出的方法

• 在Franka Emika Panda机器人上开发用于遥操作的止血钳控制端执行器。
• 使用Omega.7触觉设备作为主控端，配备两个安全脚踏开关，只有按下时才允许移动。
• 实现基于ROS的控制，使用从主控到从控的RCM约束速度映射。
• 通过将平移指令转换为绕RCM的支点旋转并应用纠正平移来保持RCM固定，从而强制实现RCM。
• 提供实时可视化以及用于重力补偿末端执行器建模的.json/.urdf描述。
• 通过10名参与者的遥操作与徒手比较实验，以及对硅喉返声带操作的初步用户研究来进行评估。

Figure 1 : OR setup example during UADT procedures.

实验结果

研究问题

• RQ1 相比徒手操作，遥操作框架是否提高了钳夹处理稳定性？
• RQ2 遥操作是否降低了在类似于UADT的任务中的用户肌肉努力和疲劳？
• RQ3 参与者对所提出系统的感知可用性和用户体验如何？
• RQ4 系统是否能够在操作过程中保持固定的RCM并抑制喉镜遮挡？
• RQ5 有效采用的潜在限制和培训要求是什么？

主要发现

• 与徒手操作相比，遥操作减少了抓握振动，指示稳定性提高。
• sEMG数据表明遥操作下肌肉激活度降低，中位频率更高，暗示努力和疲劳减少。
• 系统可用性（SUS）显示总体可用性和可学习性良好，且用户体验（UEQ）结果积极。
• 参与者表示该框架具有支撑性和吸引力，并提出3D可视化和力反馈增强的建议。
• 局限性包括有限的训练时间以及某些认知/操作需求，需进一步训练和改进。

Figure 2 : Proposed teleoperation system. On the surgeon side, the master operator takes control by simultaneously pressing two enabling pedals, thus sending velocity commands with the remote controller. On the patient side, the slave robot moves our custom end-effector, whose open-close movements a