Constrained Motion Planning for a Robotic Endoscope Holder based on Hierarchical Quadratic Programming

📄 arXiv: 2406.09982v1 📥 PDF

作者: Jacinto Colan, Ana Davila, Yasuhisa Hasegawa

分类: cs.RO

发布日期: 2024-06-14

备注: Accepted at 2023 International Conference on Control and Robotics Engineering (ICCRE)

期刊: 2023 8th International Conference on Control and Robotics Engineering (ICCRE), pp. 198-203

DOI: 10.1109/ICCRE57112.2023.10155579

💡 一句话要点

提出基于分层二次规划的机器人内窥镜末端执行器约束运动规划方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人内窥镜 微创手术 运动规划 分层二次规划 视觉伺服

📋 核心要点

  1. 微创手术中内窥镜的运动受到狭窄入口的限制，精确控制和防止组织损伤是关键挑战。
  2. 论文提出一种分层优化框架，优先保持远程中心运动(RCM)约束，同时实现视觉特征的自主跟踪。
  3. 实验结果表明，该方法优化求解时间短，RCM偏差小，能够有效解决微创手术中的运动规划问题。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于微创手术(MIS)中内窥镜视觉伺服控制的在线分层优化框架。由于狭窄的入口限制了视野和运动范围，微创手术对外科医生来说具有挑战性。机器人辅助内窥镜系统通过提供精确和稳定的定位，以及内窥镜的约束和平滑运动控制，可以解决这些挑战。该框架优先保持一个远程中心运动(RCM)约束，以防止组织损伤，同时将视觉跟踪任务定义为辅助任务，以实现对感兴趣的视觉特征的自主跟踪。我们使用一个6自由度的Denso VS050机械臂验证了我们的方法，实现了低于0.4毫秒的优化求解时间和大约0.4毫米的最大RCM偏差。结果表明，该方法能有效解决微创手术中受约束的运动规划挑战，实现精确和自主的内窥镜定位和视觉跟踪。

🔬 方法详解

问题定义：微创手术中，内窥镜的运动范围受限，需要精确控制以避免损伤组织。现有的内窥镜控制方法可能无法同时满足RCM约束和视觉跟踪的需求，导致手术精度下降或增加手术风险。因此，需要一种能够同时满足RCM约束和视觉跟踪任务的运动规划方法。

核心思路：论文的核心思路是将RCM约束作为首要任务，视觉跟踪作为次要任务，通过分层优化来解决。这种方法确保了在满足RCM约束的前提下，尽可能地完成视觉跟踪任务，从而提高手术的安全性和精度。分层优化允许对不同任务设置优先级，从而更好地处理约束和目标之间的冲突。

技术框架：该框架包含以下主要模块：1) 运动学模型：建立内窥镜机器人的运动学模型，用于计算末端执行器的位姿和速度。2) RCM约束：定义RCM约束，确保内窥镜末端始终围绕一个固定的远程中心运动。3) 视觉跟踪任务：定义视觉跟踪任务，例如跟踪特定的视觉特征。4) 分层二次规划：使用分层二次规划求解器，将RCM约束作为首要任务，视觉跟踪作为次要任务，求解机器人的关节运动。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于使用分层二次规划来处理RCM约束和视觉跟踪任务。与传统的单层优化方法相比，分层优化能够更好地处理约束和目标之间的冲突，确保RCM约束得到满足。此外，该方法采用在线优化，能够实时调整机器人的运动，适应手术过程中的变化。

关键设计：该方法使用二次规划来求解优化问题，目标函数通常是关节速度的平方和，约束条件包括RCM约束和关节速度限制。分层优化通过设置不同的权重来区分任务的优先级。RCM约束通常被赋予较高的权重，以确保其得到满足。视觉跟踪任务的权重则相对较低，允许在满足RCM约束的前提下进行优化。

📊 实验亮点

实验结果表明，该方法能够在0.4毫秒内完成优化求解，最大RCM偏差约为0.4毫米。这些结果表明，该方法能够实时满足RCM约束，并实现精确的视觉跟踪。与传统的控制方法相比，该方法能够显著提高内窥镜的控制精度和安全性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种机器人辅助微创手术，例如腹腔镜手术、胸腔镜手术等。通过精确控制内窥镜的运动，可以提高手术的精度和安全性，减少手术创伤，缩短患者的恢复时间。此外，该方法还可以扩展到其他需要约束运动规划的机器人应用中，例如工业机器人、无人机等。

📄 摘要（原文）

Minimally Invasive Surgeries (MIS) are challenging for surgeons due to the limited field of view and constrained range of motion imposed by narrow access ports. These challenges can be addressed by robot-assisted endoscope systems which provide precise and stabilized positioning, as well as constrained and smooth motion control of the endoscope. In this work, we propose an online hierarchical optimization framework for visual servoing control of the endoscope in MIS. The framework prioritizes maintaining a remote-center-of-motion (RCM) constraint to prevent tissue damage, while a visual tracking task is defined as a secondary task to enable autonomous tracking of visual features of interest. We validated our approach using a 6-DOF Denso VS050 manipulator and achieved optimization solving times under 0.4 ms and maximum RCM deviation of approximately 0.4 mm. Our results demonstrate the effectiveness of the proposed approach in addressing the constrained motion planning challenges of MIS, enabling precise and autonomous endoscope positioning and visual tracking.