基于改进RRT算法的套管柔性针运动规划.pdf

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1、第３８卷第３期仪器仪表学报Ｖｏｌ３８Ｎｏ３２０１７年３月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＭａｒ．２０１７基于改进ＲＲＴ算法的套管柔性针运动规划赵燕江，黄磊，杜海艳，张永德，胡海龙（哈尔滨理工大学智能机械研究所哈尔滨１５００８０）摘要：运动规划是运动控制的基础，然而套管柔性针穿刺软组织的运动规划问题面临着巨大的挑战：一方面由于套管柔性针的运动是个非完整约束运动，另一方面要求套管柔性针绕过人体的某些生理结构障碍和敏感组织准确穿刺靶点。基于分析现有运动规划算法存在的不足，提出基于改进的快速探索随机树（ＲＲＴ）的套管柔性针运动规划算法。提出贪婪启发策略

2、并结合可达引导策略来改进传统ＲＲＴ算法；引入直线段路径，采用直线、曲线结合的路径形式；同时考虑入射姿态的规划。基于套管柔性针的运动学模型，分别在二维和三维有障碍环境下进行仿真研究。结果表明，所提出的运动规划算法不论是在运算速度和收敛性上还是在路径形式和搜索的鲁棒性上都优于目前普遍采用的运动规划算法。这些优势为将来的实时运动规划奠定基础。最后对规划的路径进行了穿刺实验，结果证明实验路径与规划路径十分吻合，验证了所提出的路径规划算法的正确性和规划路径的可行性。关键词：套管柔性针；运动规划；快速探索随机树；机器人辅助手术中图分类号：ＴＨ７７２ＴＰ２４２文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４６０．

3、５０ＭｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｃａｎｎｕｌａｆｌｅｘｉｂｌｅｎｅｅｄｌｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄＲＲＴａｌｇｏｒｉｔｈｍＺｈａｏＹａｎｊｉａｎｇ，ＨｕａｎｇＬｅｉ，ＤｕＨａｉｙａｎ，ＺｈａｎｇＹｏｎｇｄｅ，ＨｕＨａｉｌｏｎｇ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｃｈｉｎｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇｉｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇｆｏｒａｃａｎｎｕｌａｆ

4、ｌｅｘｉｂｌｅｎｅｅｄｌｅｉｎｓｅｒｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｏｆｔｔｉｓｓｕｅｉｓａｇｒｅａｔｃｈａｌｌｅｎｇｅ．Ｏｎｔｈｅｏｎｅｈａｎｄ，ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆｔｈｅｎｅｅｄｌｅｉｓａｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃｍｏｔｉｏｎ，ａｎｄｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｔｈｅｎｅｅｄｌｅｈａｓｔｏｓｔｅｅｒｃｌｅａｒｏｆｔｈｅａｎａｔｏｍｉｃａｌｏｂｓｔａｃｌｅｓａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｅｏｒｇａｎｓｔｏｒｅａｃｈｔｈｅｔａｒｇｅｔｐｒｅｃｉｓｅｌｙ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｍｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ａｍｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇ

5、ａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｅｃａｎｎｕｌａｆｌｅｘｉｂｌｅｎｅｅｄｌｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎａｎｉｍｐｒｏｖｅｄＲａｐｉｄｌｙＥｘｐｌｏｒｉｎｇＲａｎｄｏｍＴｒｅｅｓ（ＲＲＴ）．ＴｈｅＧｒｅｅｄｙＨｅｕｒｉｓｔｉｃｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅＲｅａｃｈａｂｉｌｉｔｙＧｕｉｄｅｄｓｔｒａｔｅｇｙｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＲＲＴ．Ｌｉｎｅａｒｓｅｇｍｅｎｔｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏｔｈｅｐｌａｎｎｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｐａｔｈｏｆｔｈｅｌｉｎｅａｒａｎｄｃｕｒｖｉｌｉｎｅａ

6、ｒｓｅｇｍｅｎｔｓｉｓａｄｏｐｔｅｄ．Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓａｒｅｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｉｎ２Ｄａｎｄ３Ｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｗｉｔｈｏｂｓｔａｃｌｅｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｎｅｅｄｌｅ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｙｉｅｌｄｓｓｕｐｅｒｉｏｒｒｅｓｕｌｔｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｔｅｒｍｓｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ，ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ，

7、ｆｏｒｍｏｆｐａｔｈａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｏｆｓｅａｒｃｈｉｎｇａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｓｅｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｉｅｓｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｕｐｃｏｍｉｎｇｒｅａｌｔｉｍｅｍｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｐｌａｎｎｅｄｐａｔｈｉｓｃａｒｒｉｅｄ，ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ