面向任务自主的机器人手术器械规划与控制集成

敏捷机动对于机器人赋能的复杂任务（如外科手术）至关重要。先前关于手术自主性的探索仅限于完成单一任务的可行性研究，未系统解决跨不同任务的通用操作安全性。我们提出一种用于 6 自由度机器人器械的集成规划与控制框架，以实现手术任务的流水线自动化。我们利用机器人器械的几何结构，提出节点状态空间（NSS）以在 SE(3) 空间中表示机器人状态。每一基本机器人运动可通过动力学系统对状态参数进行调节来编码。这在理论上确保每条过程内轨迹全局可行且稳定到达容许目标，且控制器为闭式，无需计算 6 自由度逆运动学。进而，为可靠规划运动步骤，我们提出机器人的交互式（瞬时）目标状态，将经由期望路径约束的操作规划转化为变目标操作（GVM）问题。我们详述 GVM 如何基于动态或受扰环境下的即时情况自适应且平滑地规划流程（可按需推进或回退过程）。最后，我们将上述策略扩展以刻画各类手术任务的完整流水线。仿真表明，我们的框架可平滑求解扭转机动同时避免碰撞。使用 da Vinci Research Kit（dVRK）的物理实验验证了自动化单个任务（包括组织清创、解剖与伤口缝合）的能力。结果证实了相较于最先进自动化算法具有良好的任务级一致性与可靠性。