Future operating theatres will be equipped with robots to perform various surgical tasks including, for example, endoscope control. Human-in-the-loop supervisory control architectures where the surgeon selects from several autonomous sequences is already being successfully applied in preclinical tests. Inserting an endoscope into a trocar or introducer is a key step for every keyhole surgical procedure -- hereafter we will only refer to this device as a "trocar". Our goal is to develop a controller for autonomous trocar docking. Autonomous trocar docking is a version of the peg-in-hole problem. Extensive work in the robotics literature addresses this problem. The peg-in-hole problem has been widely studied in the context of assembly where, typically, the hole is considered static and rigid to interaction. In our case, however, the trocar is not fixed and responds to interaction. We consider a variety of surgical procedures where surgeons will utilize contact between the endoscope and trocar in order to complete the insertion successfully. To the best of our knowledge, we have not found literature that explores this particular generalization of the problem directly. Our primary contribution in this work is an optimal control formulation for automated trocar docking. We use a nonlinear optimization program to model the task, minimizing a cost function subject to constraints to find optimal joint configurations. The controller incorporates a geometric model for insertion and a force-feedback (FF) term to ensure patient safety by preventing excessive interaction forces with the trocar. Experiments, demonstrated on a real hardware lab setup, validate the approach. Our method successfully achieves trocar insertion on our real robot lab setup, and simulation trials demonstrate its ability to reduce interaction forces.


翻译:未来的手术室将配备机器人执行各种外科任务,例如内窥镜操控。采用外科医生从多个自主序列中选择的人机协同监督控制架构已在临床前测试中成功应用。将内窥镜插入套管或导入器是每个微创外科手术的关键步骤——下文我们将此装置统称为“套管”。本研究旨在开发一种用于自主套管对接的控制器。自主套管对接是“轴孔装配问题”的一种变体。机器人学文献中已有大量研究针对该问题展开探讨。轴孔装配问题在装配领域得到了广泛研究,通常假定孔位静态且对交互作用呈现刚性响应。然而在本研究中,套管并非固定装置且会对交互产生动态响应。我们考察了多种外科手术场景,其中外科医生需利用内窥镜与套管之间的接触力才能成功完成插入操作。据我们所知,尚未发现文献直接探讨该问题的这一特定泛化形式。本研究的主要贡献在于提出了自动化套管对接的最优控制框架。我们采用非线性优化程序对任务进行建模,通过最小化受约束的成本函数来求解最优关节构型。该控制器融合了插入过程的几何模型与力反馈项,通过限制套管交互力来保障患者安全。在真实硬件实验平台上的验证实验证明了该方法的有效性。我们的方法在真实机器人实验平台上成功实现了套管插入,仿真实验进一步表明其能有效降低交互作用力。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
12+阅读 · 2021年9月13日
Arxiv
17+阅读 · 2018年4月2日
VIP会员
最新内容
人工智能赋能无人机:俄乌战争(万字长文)
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:56
国外海军作战管理系统与作战训练系统
专知会员服务
2+阅读 · 今天4:16
美军条令《海军陆战队规划流程(2026版)》
专知会员服务
9+阅读 · 今天3:36
《压缩式分布式交互仿真标准》120页
专知会员服务
4+阅读 · 今天3:21
《电子战数据交换模型研究报告》
专知会员服务
6+阅读 · 今天3:13
《基于Transformer的异常舰船导航识别与跟踪》80页
《低数据领域军事目标检测模型研究》
专知会员服务
6+阅读 · 今天2:37
【CMU博士论文】物理世界的视觉感知与深度理解
专知会员服务
10+阅读 · 4月22日
伊朗战争停火期间美军关键弹药状况分析
专知会员服务
8+阅读 · 4月22日
电子战革命:塑造战场的十年突破(2015–2025)
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员