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基于环境属性的手术机器人自适应路径规划

方程 胡陟

方程, 胡陟. 基于环境属性的手术机器人自适应路径规划[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(2): 216-222. doi: 10.12299/jsues.24-0063
引用本文: 方程, 胡陟. 基于环境属性的手术机器人自适应路径规划[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(2): 216-222. doi: 10.12299/jsues.24-0063
FANG Cheng, HU Zhi. Adaptive path planning of surgical robots based on environmental attributes[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(2): 216-222. doi: 10.12299/jsues.24-0063
Citation: FANG Cheng, HU Zhi. Adaptive path planning of surgical robots based on environmental attributes[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(2): 216-222. doi: 10.12299/jsues.24-0063

基于环境属性的手术机器人自适应路径规划

doi: 10.12299/jsues.24-0063
基金项目: 国家自然科学基金 (62003207);国家重点研发计划 (2019YFC0119303);中国博士后科学基金面上资助(2021M690629)
详细信息
    作者简介:

    方程:方 程(1995 − ),男,硕士生,研究方向为机器人技术。E-mail:fangchengemail@163.com

    通讯作者:

    胡 陟(1985 − ),男,副教授,博士,研究方向为力触觉反馈、力控制。E-mail:huzhi26@126.com

  • 中图分类号: R318; TP242

Adaptive path planning of surgical robots based on environmental attributes

  • 摘要: 在双臂手术机器人环境中,机械臂能否安全、高效地到达目标位置至关重要。提出一种自适应APF-Informed-RRT*路径规划算法,旨在克服传统APF-Informed-RRT*路径规划算法存在的缺乏适应性、路径稳定性不足等问题,以提高机械臂的路径规划质量。该算法根据机器人当前位置与目标位置的欧氏距离及附近区域内障碍物密度对引力项系数、斥力项系数及随机引导项系数进行动态调整,从而适应环境以降低路径规划代价。仿真结果表明,与APF-Informed-RRT*算法相比,该算法在3D口腔仿真环境中路径代价及搜索范围表现出色。这种自适应性使算法在路径规划任务中具备有效的稳定性。
  • 图  1  Informed-RRT*椭圆采样范围

    Figure  1.  Informed-RRT* elliptical sampling range

    图  2  Informed-RRT*椭圆参数

    Figure  2.  Informed-RRT*ellipse parameters

    图  3  基于 APF-Informed-RRT*搜索树扩展方式示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of APF-Informed-RRT* search tree expansion method

    图  4  三维口腔模型

    Figure  4.  3D oral model

    图  5  路径规划试验程序流程图

    Figure  5.  Path planning experiment procedure flow chart

    图  6  路径规划图

    Figure  6.  Path planning map

    表  1  RRT*算法

    Table  1.   RRT* algorithm

    输入:起始位置$ {{x}}_{{\mathrm{init}}} $,目标位置$ {{x}}_{{\mathrm{goal}}} $及地图矩阵$ {{\boldsymbol{M}}}_{\mathrm{ap}} $
    输出:T
    1.  for $ {i}\leftarrow 1 $ to N do
    2.   从状态空间中随机采样点 $ {{x}}_{\rm{rand}} $
    3.   在树 T 中找到最近的节点 $ {{x}}_{\rm{nearest}} $,使得 $ {{x}}_{\rm{nearest}} $ 到 $ {{x}}_{\rm{rand}} $ 的连线不与障碍物相交
    4.   尝试将 $ {{x}}_{\rm{rand}} $ 连接到 $ {{x}}_{\rm{nearest}} $,生成节点$ {{x}}_{\rm{new}} $
    5.   在树 T 中找到 $ {{x}}_{\rm{near}} $ 邻域内的节点,更新节点的父节点为生成的 $ {{x}}_{\rm{new}} $,并重新计算代价
    6.   如果新的代价更低,调整树的结构以优化路径
    7.  return T
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    表  2  参数数据表

    Table  2.   Parameter data table

    指标 μ(len) σ(len) μ(tree) σ(tree) μ(time) σ(time) cost
    R=5, step=5 109.28 11.14 1180.6 611.32 49.79 59.16 2.42
    R=10, step=5 94.66 5.86 700.95 283.06 83.33 45.91 2.97
    R=15, step=5 89.91 2.58 864.10 280.23 263.11 145.31 7.90
    R=5, step=10 108.22 10.43 418.70 435.02 11.68 16.64 1.00
    R=10, step=10 100.26 6.73 220.65 95.56 9.57 5.17 0.98
    R=15, step=10 99.32 9.45 228.95 203.81 24.50 44.89 1.77
    R=5, step=15 103.50 10.77 124.90 78.03 3.07 1.74 1.56
    R=10, step=15 102.65 10.97 116.35 64.02 3.78 2.23 1.57
    R=15, step=15 101.43 8.19 103.50 47.22 3.33 1.70 1.24
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-28
  • 网络出版日期:  2025-09-30
  • 刊出日期:  2025-06-30

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