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

要約

低侵襲手術 (MIS) は、狭いアクセスポートによって視野が制限され、可動範囲が制限されるため、外科医にとっては困難です。
これらの課題は、内視鏡の正確で安定した位置決めと、制限されたスムーズな動作制御を提供するロボット支援内視鏡システムによって解決できます。
この研究では、MIS における内視鏡の視覚サーボ制御のためのオンライン階層最適化フレームワークを提案します。
このフレームワークでは、組織損傷を防ぐためにリモート運動中心 (RCM) 制約を維持することが優先されますが、視覚追跡タスクは、関心のある視覚特徴の自律追跡を可能にする二次タスクとして定義されています。
6-DOF Denso VS050 マニピュレータを使用してアプローチを検証し、0.4 ミリ秒未満の最適化解決時間と約 0.4 mm の最大 RCM 偏差を達成しました。
私たちの結果は、MIS の制約された動作計画の課題に対処し、正確かつ自律的な内視鏡の位置決めと視覚追跡を可能にする、提案されたアプローチの有効性を示しています。

要約(オリジナル)

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.

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