受限管腔内磁性软体连续体机器人实时仿真驱动的导航控制

磁性软体连续体机器人 (MSCRs) 已成为微创介入领域的一项极具前景的技术，在受限管腔中提供了增强的灵巧性和远程控制的导航能力。与具有预成型尖端的传统导丝不同，MSCRs 具有在施加磁场下主动弯曲的磁性尖端。尽管在建模和仿真方面进行了广泛的研究，但实现 MSCRs 在受限管腔中的实时导航控制仍然是一个重大挑战。主要原因在于机器人与管腔的接触相互作用以及 MSCR 在磁驱动下非线性行为建模的计算局限性。现有方法，如有限元法 (FEM) 仿真和能量最小化技术，存在计算成本高和接触相互作用过度简化的问题，使其在实际应用中不切实际。在这项工作中，我们开发了一个实时仿真与导航控制框架，该框架将硬磁弹性杆理论（在离散微分几何 (DDG) 框架内表述）与降阶接触处理策略相集成。我们的方法在保持计算效率的同时，能够捕捉大变形和复杂相互作用。接下来，导航控制问题被表述为一个逆向设计任务，其中通过最小化约束力并提高导航精度来实时计算最优磁场。我们通过全面的数值模拟和实验研究验证了所提出的框架，证明了其鲁棒性、效率和准确性。结果表明，我们的方法在保持高保真建模的同时显著降低了计算成本，使其在临床环境中进行实时部署成为可能。