Tendon-driven robots, where one or more tendons under tension bend and manipulate a flexible backbone, can improve minimally invasive surgeries involving difficult-to-reach regions in the human body. Planning motions safely within constrained anatomical environments requires accuracy and efficiency in shape estimation and collision checking. Tendon robots that employ arbitrarily-routed tendons can achieve complex and interesting shapes, enabling them to travel to difficult-to-reach anatomical regions. Arbitrarily-routed tendon-driven robots have unintuitive nonlinear kinematics. Therefore, we envision clinicians leveraging an assistive interactive-rate motion planner to automatically generate collision-free trajectories to clinician-specified destinations during minimally-invasive surgical procedures. Standard motion-planning techniques cannot achieve interactive-rate motion planning with the current expensive tendon robot kinematic models. In this work, we present a 3-phase motion-planning system for arbitrarily-routed tendon-driven robots with a Precompute phase, a Load phase, and a Supervisory Control phase. Our system achieves an interactive rate by developing a fast kinematic model (over 1,000 times faster than current models), a fast voxel collision method (27.6 times faster than standard methods), and leveraging a precomputed roadmap of the entire robot workspace with pre-voxelized vertices and edges. In simulated experiments, we show that our motion-planning method achieves high tip-position accuracy and generates plans at 14.8 Hz on average in a segmented collapsed lung pleural space anatomical environment. Our results show that our method is 17,700 times faster than popular off-the-shelf motion planning algorithms with standard FK and collision detection approaches. Our open-source code is available online.


翻译:Tendon 驱动机器人,其中一个或多个在紧张状态下弯曲并操纵一个灵活的骨干,可以改善涉及人体难以到达的区域的最小入侵性手术。在受限制的解剖环境中安全地进行运动需要精确和高效地进行形状估计和碰撞检查。使用任意途径的环形机器人能够达到复杂和有趣的形状,使他们能够前往难以到达解剖区域。由旋转方向驱动的环形机器人有不直观的非线性运动动力学。因此,我们设想临床医生利用一个辅助性交互速度运动规划师,在最小侵入性外科手术程序期间,自动产生无碰撞的轨迹到临床指定目的地。标准运动规划技术不能以目前昂贵的环形机器人运动模型实现交互式速度的动作规划。在这项工作中,我们为任意途径驱动的弯曲驱动的机械机器人提供了一个三阶段运动规划系统,其开放性平流平流阶段、负荷阶段、监督性控制阶段。 我们的系统在快速进动的周期内,其互动比率比我们快速进动的机序路路路路路路路比我们快速的模型显示一个快速的周期周期。

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