Deep reinforcement learning-based dynamic path planning of flexible needle in robotic puncturing

适应性 稳健性(进化) 运动规划 穿刺 运动学 计算机科学 强化学习 机器人 障碍物 优先次序 路径(计算) 方案(数学) 控制工程 避障 自动化 人工智能 模拟 工程类 夹持器 机制(生物学) 灵活性(工程) 机器人学 机器人运动学
作者
Jiewu Leng,Tengliang Zhu,Zhiqiang Huang,Rongjie Li,Xueliang Zhou,Jun Lin,Ding Zhang
出处
期刊:Biomimetic intelligence and robotics [Elsevier BV]
卷期号:6 (2): 100290-100290
标识
DOI:10.1016/j.birob.2026.100290
摘要

Flexible needle puncture path planning in surgical robots faces significant challenges, such as limited adaptability to multi-objective environments and poor real-time performance. These issues affect both the accuracy and efficiency of needle puncture, restricting its application in complex medical scenarios. This paper proposes a deep reinforcement learning-based method to improve flexible needle path planning. To address the limitations of traditional models in accurately capturing needle dynamics, a hierarchical tissue model based on the unicycle framework is designed, which integrates kinematic and mechanical models. This approach considers the varying forces from different tissues on the needle at various positions. A dynamic multi-objective environment and obstacle model are also constructed, along with a target prioritization scheme for multi-objective optimization. Additionally, a prioritized experience replay (PER) mechanism is introduced to improve data efficiency in the learning process. This method enhances the needle’s adaptability and robustness in dynamic environments. Simulation results demonstrate that the model improved real-time performance and precision in dynamic multi-objective environments, making intelligent decisions based on target priorities and accelerating the exploration of optimal strategies.
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