Concentric Tube Robot Redundancy Resolution via Velocity/Compliance Manipulability Optimization

要約

同心円筒型ロボット（CTR）は、低侵襲手術を可能にする可能性を持っている。過去10年間、広範なモデリングと制御スキームが提案されてきたが、安全な動作と実現可能なアクチュエータコマンドを生成するために重要な操作性の観点から軌道追跡性能を改善するための取り組みは限られていた。本論文では、運動学的に冗長なCTRの軌道追跡において、速度/コンプライアンス操作性に基づく性能指標を最適化する、勾配ベースの冗長性解決フレームワークを提案する。コセラ棒モデルの状態変数の1次・2次導関数をCTRの弧長に沿って伝播させることで操作性の勾配を効率的に計算し、有限差分法に比べて勾配の計算時間を68%短縮した。勾配を軌道追跡のヌルスペースに投影することで、タスク固有の性能指標を最適化する。提案手法は、軌道追跡、障害物回避、外部負荷補償をそれぞれ含む3つの例示的なシナリオで検証される。シミュレーションの結果、一般的に使用されている冗長性解決アプローチが性能不足、あるいは失敗する中で、提案手法は必要なタスクを達成することができることが示された。

要約(オリジナル)

Concentric Tube Robots (CTR) have the potential to enable effective minimally invasive surgeries. While extensive modeling and control schemes have been proposed in the past decade, limited efforts have been made to improve the trajectory tracking performance from the perspective of manipulability , which can be critical to generate safe motion and feasible actuator commands. In this paper, we propose a gradient-based redundancy resolution framework that optimizes velocity/compliance manipulability-based performance indices during trajectory tracking for a kinematically redundant CTR. We efficiently calculate the gradients of manipulabilities by propagating the first- and second-order derivatives of state variables of the Cosserat rod model along the CTR arc length, reducing the gradient computation time by 68\% compared to finite difference method. Task-specific performance indices are optimized by projecting the gradient into the null-space of trajectory tracking. The proposed method is validated in three exemplary scenarios that involve trajectory tracking, obstacle avoidance, and external load compensation, respectively. Simulation results show that the proposed method is able to accomplish the required tasks while commonly used redundancy resolution approaches underperform or even fail.

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