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超声探头与人体皮肤之间的接触力直接影响图像质量、患者安全性及舒适度。在婴幼儿发育性髋关节发育不良（Developmental Dysplasia of the Hip, DDH）超声检查中，由于婴幼儿皮肤较薄、软骨较软，在过大的探头压力下易发生变形，因此对力控
超声探头与人体皮肤之间的接触力直接影响图像质量、患者安全性及舒适度。在婴幼儿发育性髋关节发育不良（Developmental Dysplasia of the Hip, DDH）超声检查中，由于婴幼儿皮肤较薄、软骨较软，在过大的探头压力下易发生变形，因此对力控制精度提出了更高要求。本文提出了一种针对DDH超声机器人的综合力控制方法。首先，采用在线重力标定方法估计安装倾角、传感器零偏及探头重心，以提高力测量精度。其次，采用基于扭矩的姿态控制算法实现探头与皮肤的共形接触。最后，提出了一种基于模糊神经网络（Fuzzy Neural Network, FNN）的变导纳控制策略，该策略根据力误差及其变化率自适应调节阻尼系数，无需显式的软组织建模即可实现稳定的力控制。在婴儿体模及人体皮肤上的实验表明，所提方法的力波动幅度分别为0.0984 ± 0.0012 N和0.0976 ± 0.0014 N，稳态力误差绝对值低于0.01 N。与传统导纳控制相比，该方法显著减小了力振荡并提高了跟踪精度。在婴儿实验中，该方法能够平滑收敛至期望力并保持相对稳定的探头-皮肤交互，有助于获得一致的超声图像并减少组织变形。这些结果表明，所提方法可为稳定、轻柔的机器人DDH超声扫描提供可行的力控制基础。
发育性髋关节发育不良（Developmental Dysplasia of the Hip, DDH）是婴幼儿最常见的肌肉骨骼疾病之一，其最佳治疗窗口期为出生后6个月内，若未能及时诊治可能导致长期髋关节功能障碍、早发性骨关节炎甚至终身残疾。超声是DDH早期筛查的首选影像学方法，但该检查对医师经验和技术熟练度依赖性强，诊断结果易受主观因素影响而产生显著差异。机器人技术凭借其高精度、灵活性和可重复性优势，与超声技术结合成为实施DDH筛查的关键设备。Graf法是目前应用最广泛的DDH超声诊断技术，通过测量α角和β角进行诊断，其准确性取决于标准切面的稳定获取和高质量图像。由于婴幼儿髋关节主要由软骨组织构成，过大的接触力或不适当的探头方向易导致软组织变形、图像质量下降，不仅影响诊断可靠性，还可能带来潜在安全风险。因此，精确控制探头-皮肤接触力对于提高机器人DDH超声系统的成像质量、确保诊断可靠性和保障安全性至关重要。
研究人员针对机器人DDH超声系统中的力控制问题开展了系统性研究，提出了一种综合接触力控制方法，将重力补偿、基于扭矩的姿态控制与基于模糊神经网络（FNN）的变导纳控制相结合，实现了准确稳定的探头-皮肤交互。相关研究成果发表在《Actuators》期刊上。该研究的主要技术方法包括：采用静态多姿态标定方法进行重力补偿，通过估计机器人安装倾角、末端执行器重力及多维力/扭矩传感器零偏来提高力测量精度；利用基于比例-积分-微分（Proportional-Integral-Derivative, PID）控制器的扭矩反馈姿态控制算法，调节末端执行器姿态以实现探头与皮肤的共形接触；提出基于FNN的变导纳控制策略，以接触力误差及其变化率为输入，通过模糊推理输出阻尼系数，实现导纳模型参数的实时自适应调节。实验所用样本队列为：FNN训练数据集来自5名临床医师在常规婴幼儿髋关节超声筛查中采集的2000组接触力样本（采样率100 Hz）；人体皮肤实验招募健康成人志愿者参与；初步婴儿实验在扬州市妇幼保健院伦理委员会批准下，对4名6个月以下婴儿开展了DDH筛查。
研究结果部分按照原文结构展开如下。
在重力补偿实验中，研究人员在三种不同姿态下采集机器人末端力/扭矩传感器数据，每种姿态下连续采集10组数据取平均以减少随机测量噪声，计算得到末端工具的重心坐标、重力值及传感器零偏，为后续精确力控制奠定基础。
在姿态控制实验中，研究人员通过调整超声探头与婴儿髋关节体模之间的相对位置进行实验，设置了无接触、单侧接触和完全接触三种典型情况。结果表明，单侧接触时产生明显扭矩偏差，而经姿态调整后完全接触条件下扭矩分量显著降低，所提姿态控制算法能有效改善探头-体模接触姿态。在从非均匀接触到接近接触的动态过程中，初始扭矩约为0.1 N·m，姿态调整后各轴扭矩趋于零，验证了基于PID控制器的扭矩反馈姿态调节机制的有效性。
在接触力控制实验中，研究人员首先通过有经验的临床医师手动超声扫描探究临床常规操作中的接触力特征，发现接触力在?0.5 N至?3.5 N范围内大幅波动，仅短暂稳定，表明手动操作存在固有的力控制变异性。进而开展不同力水平下的超声成像实验，发现0 N时耦合不足、图像质量差，?1 N时图像清晰度改善但耦合仍不稳定，?2 N时组织边界清晰、亮度均匀且压缩最小，继续增大力未见图像质量明显改善反而增加皮肤压力，故选定?2 N作为最优目标力。随后在婴儿体模和人体皮肤上分别开展传统导纳控制与所提FNN变导纳控制的对比实验，被测对象机械刚度未知且可变，模拟真实临床场景。人体实验经伦理审批并获取书面知情同意。结果表明：在力稳定性方面，传统导纳控制存在明显振荡，而所提方法更平滑稳定，婴儿体模实验中力波动幅度从0.2880 ± 0.0252 N降至0.0984 ± 0.0012 N，人体皮肤实验中从0.2966 ± 0.0274 N降至0.0976 ± 0.0014 N；在 settling time（建立时间）方面，传统方法因持续振荡未能进入指定容差带，所提方法在婴儿体模和人体皮肤实验中分别实现1.12 ± 0.09 s和1.13 ± 0.08 s的建立时间，自适应阻尼调节以牺牲部分瞬态响应速度换取了更高的稳定性和 steady-state accuracy（稳态精度）；在稳态力误差方面，所提方法在婴儿体模实验中从0.0141 ± 0.0021 N降至0.0065 ± 0.0008 N，在人体皮肤实验中从?0.0185 ± 0.0027 N降至?0.0083 ± 0.00011 N。超声成像对比实验显示，相同条件下机器人获取的图像高度一致，而手动获取的图像存在明显差异，且机器人扫描时组织几乎无可见变形，手动成像则产生明显的臂部组织压缩。
在婴儿DDH超声实验中，研究人员对4名6个月以下婴儿开展机器人超声筛查，经医院伦理委员会批准并获取家长书面知情同意。婴儿由临床人员看护并使用临床固定装置保持稳定，机器人在预设接触力限值和紧急停止保护下操作。代表性Z轴接触力跟踪曲线显示，两次扫描均平滑收敛至期望力水平，建立时间约1.1–1.2 s，稳态阶段力波动在±0.08–0.10 N范围内。稳定阶段获取的代表性超声图像清晰呈现婴幼儿髋关节解剖结构，重复扫描间对应解剖特征保持良好一致性，显示了良好的成像重复性。
讨论部分中，研究人员对研究发现进行了阐释。多姿态重力标定有效减少了探头和传感器重量及安装偏差引起的静态偏差，避免了重力分量被误判为接触力而影响力控制环路精度。基于扭矩的姿态调节进一步改善了一侧接触和局部压力集中的问题。FNN变导纳控制相比固定参数导纳控制的主要优势在于：传统方法中固定阻尼系数难以在时间变化、非线性的探头-组织接触中平衡响应速度与接触稳定性，而所提控制器根据力误差及其变化率在线调整阻尼系数，力误差快速变化时增大阻尼以抑制过度运动和力波动，接近期望力时调整阻尼以支持稳定的低力接触，这在实验中得到验证。初步婴儿实验表明该系统能在婴儿髋关节扫描中维持相对稳定的低力接触，所获超声图像解剖结构可辨识且较为一致。
在临床意义方面，研究人员指出该研究聚焦于机器人婴儿DDH超声扫描中的低力探头-皮肤交互（期望接触力2 N），与既往主要在体模、成人组织、血管模型或一般软组织场景验证、且期望接触力较高的研究形成对比，填补了特定临床需求的空白。通过在线调整阻尼系数，该方法在测试条件下维持了较小的力波动，为未来机器人DDH超声系统提供了改善扫描一致性和减少手动力调节依赖的有用基础。
该研究亦存在局限性：婴儿实验仅涉及4名受试者，主要用于评估可行性，未来需纳入更大规模、包含不同年龄、体型和Graf分型的婴儿队列；婴儿检查中可能出现的不自主运动会影响探头-皮肤接触和图像一致性，未来将引入运动补偿和预测算法。此外，当前系统结构复杂、平台依赖性较强，力测量仍受传感器噪声、标定误差和平台机械特性影响，未来将致力于自动化重力标定、模块化系统接口及标准化外部通信接口，以提高与不同机器人平台和超声系统的互操作性。
研究结论翻译如下：该研究提出了一种用于机器人DDH超声系统的接触力控制方法，以在婴儿髋关节超声扫描期间实现稳定、轻柔的探头-皮肤接触。综合力控制框架包括三个主要组成部分：在线重力标定、基于扭矩的探头姿态调节，以及基于FNN的变导纳控制。在婴儿体模和人体皮肤上的实验结果表明，所提方法有效减小了力波动并提高了稳态精度。初步婴儿超声实验进一步证明了其在临床婴儿髋关节扫描中的可行性。这些发现支持将该方法作为未来机器人婴儿髋关节超声扫描系统力控制基础的潜力。
