基于运动规划的任意布线多腱机器人交互速率监督控制

腱驱动机器人通过一根或多根处于张力下的腱来弯曲并操控柔性骨架，能够改善涉及人体难以触及区域的微创手术。在受限的解剖环境中安全规划运动需要在形状估计和碰撞检测方面具备准确性与高效性。采用任意布线腱的腱驱动机器人能够实现复杂且有趣的形状，使其能够到达难以触及的解剖区域。任意布线的腱驱动机器人具有非直观的非线性运动学。因此，我们设想临床医生在微创手术过程中利用辅助性的交互速率运动规划器，自动生成通向临床医生指定目标的无碰撞轨迹。由于当前的腱机器人运动学模型计算代价高昂，标准运动规划技术无法实现交互速率的运动规划。在本工作中，我们提出了一种针对任意布线腱驱动机器人的三阶段运动规划系统，包含预计算阶段、加载阶段和监督控制阶段。我们的系统通过开发快速运动学模型（比现有模型快 1,000 倍以上）、快速体素碰撞方法（比标准方法快 27.6 倍），并利用具有预体素化顶点和边的整个机器人工作空间预计算路线图来实现交互速率。在模拟实验中，我们表明我们的运动规划方法实现了高末端位置精度，并在分割的塌陷肺胸膜空间解剖环境中以平均 14.8 Hz 的频率生成规划。我们的结果表明，我们的方法比采用标准正向运动学和碰撞检测方法的流行现成运动规划算法快 17,700 倍。我们的开源代码已在线发布。