基于控制屏障函数的人工缝合线程建模用于自动手术

自动化手术系统通过提升精度和安全性，同时减少高风险环境中的人为参与来实现目标。自动化手术过程中的缝线建模是一大挑战，因为缝线具有高度柔软和顺应性。现有模型要么缺乏对安全关键程序所需的精度，要么在实时执行方面计算负担过重。本文引入了一种新方法，通过控制屏障函数（CBFs）来建模缝线动力学，实现了逼真度和计算效率的平衡。在统一的CBF和控制Lyapunov函数（CLF）框架下，建模了线程行为、碰撞规避、刚性和阻尼等特性。该方法无需计算复杂力或求解微分方程，显著降低计算开销，同时保持适用于自动化和虚拟现实手术训练系统的逼真模型。该框架还允许基于线程与环境相互作用提供视觉线索，增强进行缝合或结扎任务的用户体验。该模型在MagnetoSuture系统上进行测试，该系统是一种 minimally invasive（ minimally invasive）机器人手术平台，使用磁场操控缝线针，为手术程序提供了更侵入性较小的解决方案。