Запечатлевая движение,
Создавая истории

Робот с концентрическими трубками (ККТ), маневрирующий в узком канале, должно располагаться вдоль запланированного пути целиком, а не только его кончик. Исследование группы учёных Юго-Восточного университета, представленное на TASE 2025, переносит управление формой всего инструмента из пространства положений в пространство кривизны, обеспечивая непрерывное рулевое управление со скоростью 0,1–0,3 с за кадр на языке Python в условиях одного центрального процессора. В физическом эксперименте на бронхиальном фантоме система захвата движений NOKOV откалибровала взаимное расположение манипулятора и модели бронхов, синхронизировав аппаратную установку с расчётным моделированием.

Почему управление только кончиком недостаточно

ККТ представляет собой вложенную конструкцию из заранее изогнутых упругих трубок; скользящее перемещение и вращение трубок относительно друг друга изменяет пространственную конфигурацию, что делает систему идеальной для малоинвазивных вмешательств в замкнутых полостях. Большинство существующих алгоритмов контролируют исключительно положение кончика внутренней трубки, полностью игнорируя геометрию всей конструкции. При продвижении робота сквозь изогнутые анатомические структуры промежуточные участки могут касаться окружающих тканей, что повышает риск повреждений и снижает качество управления. Полная оптимизация формы отличается высокой вычислительной нагрузкой и обладает слабой временной плавностью, а стратегия следования за лидером не способна точно воспроизводить сложные произвольные траектории в пределах ограниченного рабочего объёма ККТ.

Управление только кончиком против рулевого управления всем инструментом: ключевые различия

В эксперименте с произвольной траекторией (исогнутый остов, извлечённый из модели бронхов) авторы прямо сравнили оба подхода:

Таблица 1. Сравнение управления только кончиком и непрерывного рулевого управления всем инструментом на произвольных траекториях (источник: результаты исследования).

Методология: Оптимизация в пространстве кривизны

Прямая оптимизация полной конфигурации в координатном пространстве выполняется медленно. Для конструкций с преобладанием жёсткости кривизна практически не зависит от вращения трубок; изменению подлежат лишь точки перехода кусочно-постоянной кривизны при выдвижении элементов. Следовательно, подход разделяет вычисления: сперва определяется оптимальная длина выдвижения для совпадения с целевой кривизной, после чего подбирается вращение трубок для достижения нужной формы. При уменьшении числа неизвестных обработка одного кадра непрерывного рулевого управления занимает 0,1–0,3 с на одном процессоре с использованием Python.

Рисунок 1. Робот с концентрическими трубками и его конфигурационные параметры: манипулятор UR3 обеспечивает глобальное вращение; три предварительно изогнутые трубки формируют геометрию инструмента посредством выдвижения (α1–α3) и вращения (β1–β3).

Рисунок 2. Стратегия в пространстве кривизны: (а) кривизна не подвержена влиянию вращения трубки; (b) выдвижение смещает точки перехода кусочно-постоянной кривизны; (с) сперва оптимизируется длина выдвижения, затем рассчитывается вращение для соответствия целевой конфигурации.

Верификация: Моделирование и физический фантом

Было проведено четыре серии испытаний. На стандартных геометрических примитивах (косинусоида, дуга, прямая линия, составная кривая) инструмент плавно и непрерывно следовал каждому образцу. При динамически меняющихся формах система сохраняла высокую степень совмещения и значительно превосходила базовый вариант при масштабных трансформациях. На сложном скелете бронха вся конструкция уверенно следовала по маршруту, тогда как контроль только кончика оставлял промежуточные сегменты вне заданной траектории. Рассчитанный маршрут бронха затем был реализован аппаратно с применением трёхмерно напечатанных концентрических трубок PCL, шести шаговых моторов, манипулятора UR3 для глобального поворота и модели бронхов, изготовленной на 3D-принтере. Наложение расчётных данных на захваченные физические показатели подтвердило, что ККТ постоянно удерживает свою полную конфигурацию вдоль центральной линии.

Рисунок 3. Аппарный эксперимент на бронхиальном фантоме: (а) установка с ретроотражающими маркерами NOKOV на манипуляторе и опорной площадке фантома; (b) продвижение ККТ через модель бронха при полном выравнивании корпуса по центру; (с) детализированное сопоставление аппаратных и расчётных данных; (d) ведение по сложной кривой: предлагаемый алгоритм против управления кончиковым режимом.

Ключевые результаты

Таблица 2. Основные итоги и их смысловая нагрузка (источник: материал исследования).

Время обработки 0,1–0,3 с указывает на возможность выполнения непрерывного рулевого управления в режиме реального времени на стандартном оборудовании; серия шагов j=20/50/80 наглядно показывает расширение дистанции рассогласования между новой разработкой и кончиковым управлением по мере увеличения протяжённости маршрута.

Практическое значение

Жёсткостные конструкции повсеместно встречаются в робототехнике континуального типа, поэтому управление через кривизну предлагает масштабируемое решение для снижения вычислительной нагрузки и повышения плавности контроля. Полное совмещение геометрии также гарантирует минимальный риск повреждения тканей, что непосредственно улучшает тактильную обратную связь, предоперационное планирование и интраоперационную навигацию.

Необходимость применения захвата движений в эксперименте

Манипулятор и трёхмерно напечатанная модель бронхов устанавливались автономно, без механической жёсткой стыковки. отсутствие пространственной сопряжения двух систем координат исключает перенос расчётного пути на физический прототип. Установка ретроотражающих меток на манипуляторе и крепеже фантома позволила системе NOKOV определить относительное позиционирование оборудования и анатомической модели, тем самым establishing пространственную взаимосвязь между реальной сборкой и программным расчётом. После этого система вела непрерывный мониторинг ориентаций, что сделало возможным визуальное наложение виртуальной и захваченной траекторий для подтверждения неизменного следования всего инструмента центральной оси.

Оптический трекинг в робототехнике континуального типа

Роботы данного класса принципиально отличаются от традиционных аппаратов с жёсткими шарнирами тем, что их корпус способен к бесконечной деформации или изменению профиля. В связи с этим оценка исключительно рабочей точки может не давать полного представления о корректности следования по заданному маршруту.

В научных разработках робототехники континуального типа оптический трекинг поддерживает несколько типов исследовательских операций:

1. Калибровка систем координат: Определение пространственных взаимоотношений между раздельно смонтированными элементами робота, фантомами или внешними эталонами.

2. Измерение рабочих траекторий: Непрерывная фиксация фактического перемещения аппарата или его отслеживаемых узлов в процессе тестирования.

3. Верификация траекторий: Сопоставление фактических маршрутов с проектными или симуляционными кривыми для оценки точности навигации.

4. Проверка переноса в реальность: Наложение аппаратных замеров на результаты виртуального моделирования для анализа эффективности передачи управляющих команд на физические объекты.

5. Комплексная оценка движения: Получение внешних измерительных данных, позволяющих анализировать соответствие всего корпуса целевой линии, вместо изолированного контроля только передней точки.

Лабораторный стенд с ККТ на TASE 2025 наглядно продемонстрировал описанный конвейер работы в условиях физического бронхиального фантома.

Главный вывод

При тестировании робототехнических комплексов континуального типа оптический трекинг выступает надёжным внешним референсом для калибровки пространственных систем, непрерывного снятия телеметрии траекторий и верификации программного обеспечения. В рамках текущего проекта ККТ платформа NOKOV обеспечила точную привязку физического манипулятора и бронхиального образца к расчётной базе, а также позволила совместить захваченные координаты с симуляционными кривыми.

Вопросы и ответы

В1. Хватает ли управления только кончиком для ККТ в стеснённом пространстве?

Нет. Средние секции уходят с заданной линии в искривлённых или разветвлённых ходах, создавая угрозу соприкосновения с живыми тканями и травм; медицинские процедуры повышенного рискового профиля требуют контроля полной геометрии инструмента.

В2. В чём причина повышенной скорости оптимизации в сфере кривизны?

Для аппаратов с доминантной жёсткостью вращение почти не меняет профиль кривизны, а вытягивание сдвигает исключительно точки перехода кусочно-постоянного профиля. Декомпозиция задачи на оптимизацию длины и поиск угла вращения радикально сокращает количество неизвестных, давая показатель 0,1–0,3 с за цикл обработки на однопоточном процессоре.

В3. Какова была необходимость привлечения трекинга NOKOV для аппаратной части?

Блок управления и тестовый образец монтировались обособленно; их матрицы координат нуждались в предварительном сведении перед загрузкой расчётных маршрутов. Оборудование NOKOV выполнило юстировку взаимного расположения руки и модели и вела непрерывный поток данных для последующего наложения маршрутов.

В4. Чем новый подход опережает кончиковый контроль на сложных маршрутах?

Весь корпус держит строгое соответствие извлечённому остову бронха, тогда как кончиковый режим вызывает явное отклонение средних зон; разница параметров пропорционально растёт с увеличением протяжённости трассы (j=20/50/80).

В5. В каких лечебных областях возможна практическая польза?

Интеграция континуальных роботов в узкие, извилистые и высокорисковые зоны: бронхоскопия, лапароскопия, сосудистые операции и вмешательства через естественные отверстия.

Литературные источники

Л. Сие, Л. Чжу, С. Цзинь и А. Сун, «Непрерывное рулевое управление на основе кривизны для жёстких роботов с концентрическими трубками», IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, т. 22, с. 15565–15575, 2025, doi: 10.1109/TASE.2025.3570861.

ПРОСМОТРЕТЬ ИССЛЕДОВАНИЕ.