Sim2Real Rope Cutting With a Surgical Robot Using Vision-Based Reinforcement Learning
Notice bibliographique
Résumé
Cutting is a challenging area in the field of autonomous robotics but is especially interesting for applications such as surgery. One large challenge is the lack of simulations for cutting with surgical robots that can transfer to the real robot. In this work, we create a surgical robotic simulation of rope cutting with realistic visual and physics behavior using the da Vinci Research Kit (dVRK). We learn a cutting policy purely from simulation and sim2real transfer our learned models to real experiments by leveraging Domain Randomization. We find that cutting with surgical instruments such as the EndoWrist Round Tip Scissors comes with certain challenges such as deformations, cutting forces along the jaw, fine positioning, and tool occlusion. We overcome these challenges by designing a reward function that promotes successful cutting behavior through fine positioning of the jaws directly from image inputs. Policies are transferred using a custom sim2real pipeline based on a modular teleoperation framework for identical execution in simulation and the real robot. We achieve a 97.5% success rate in real cutting experiments with our 2D model and a 90% success rate in 3D after the sim2real transfer of our model. We showcase the need for Domain Randomization and a specialized reward function to achieve successful cutting behavior across different material conditions through optimal fine positioning. Our experiments cover varying rope thicknesses and tension levels and show that our final policy can successfully cut the rope across different scenarios by learning entirely from our simulation. Further project information is available athttps://medcvr.utm.utoronto.ca/tase2024-cutrope.htmlNote to Practitioners—Cutting is one of many repetitive tasks during a surgical procedure that can be automated to reduce a surgeon’s fatigue. This paper presents an autonomous approach to cutting that can be learned from simulation. The approach builds a surgical robotic rope environment in simulation that mimics the visuals and physics of real-life rope cutting. An autonomous agent, trained with learning-based methods, uses images to position the surgical scissors and controls the jaw to perform a cut on the rope. The agent creates quality cuts by learning to finely position the jaws optimally near the scissor joint, which is learned through rewards in simulation. Agents from the simulation are transferred to the real robot setup using a custom modular ROS teleoperation framework, treating deep learning-based autonomous agents as input into a teleoperation scheme. Experiments were conducted to examine the success of the method with different material conditions and the effect of fine positioning on cut success.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,004 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».