机器人超声扫描末端执行器：混合主动-被动恒力控制技术提升医学影像稳定性与可重复性

推荐：针对传统超声扫描依赖操作者经验导致接触力不稳定、影像质量参差的问题，研究人员开发了一种基于混合主动-被动恒力控制（HFCE）的机器人超声扫描系统。通过结合被动恒力机构的缓冲能力与主动控制的灵活性，该系统在硅胶模型和人体试验中实现了高重复性优质超声图像采集，为临床诊断提供了标准化工具。

　　

超声成像作为无辐射、实时性强的诊断工具，在软组织评估中具有不可替代的优势。然而，传统手动操作高度依赖医师经验，接触力的波动会导致图像失真或组织变形，进而影响诊断准确性。尤其面对呼吸运动或患者突发颤抖时，现有主动力控制方法因带宽限制难以快速响应，而被动恒力机构又缺乏调节灵活性。这一矛盾成为制约机器人辅助超声扫描技术临床落地的关键瓶颈。

澳门大学的研究团队在《Cyborg and Bionic Systems》发表的研究中，创新性地提出混合主动-被动恒力末端执行器（HFCE）解决方案。该系统通过3D打印制备的被动恒力机构（正刚度直线梁与负刚度曲线梁组合）形成5mm缓冲行程，可抵消15Hz突发干扰；结合基于应变片和倾角传感器的主动控制系统，实现12.33-21.29N接触力的实时调节与重力补偿。

机制设计与仿真研究
通过ANSYS优化设计的ABS材料机构，在-14至4mm预载位移范围内实现零刚度区域，安全系数>1.4。仿真显示正/负刚度叠加后力波动仅3.4%，实验验证中虽因滞后效应增至7.2%，仍显著优于人工操作。

振动隔离性能验证
在模拟呼吸振动（0.3Hz/6mm）叠加突发干扰（15Hz/0.7mm）时，系统将接触力标准差控制在±0.5N内。超声图像分析显示，硅胶模型内通道的质心波动速度从手动操作的2.1mm/s降至0.55mm/s。

临床适用性验证
志愿者前臂扫描试验中，三次重复扫描的影像峰值信噪比（PSNR）达31-33dB，证明系统可克服操作者经验差异带来的重复性问题。

该研究突破性地融合了被动机构的快速响应与主动控制的精准调节优势，其模块化设计（通过调整机构厚度可扩展至0.8-21.3N力域）为个性化医疗提供了可能。这种混合控制策略不仅适用于超声扫描，也为抛光、康复训练等需要动态力控的领域提供了技术范式。未来通过集成半自动路径规划算法，有望进一步减轻医生操作负担，推动机器人辅助超声的临床普及。