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2010 | OriginalPaper | Chapter

3D Motion Planning Algorithms for Steerable Needles Using Inverse Kinematics

Authors : Vincent Duindam, Jijie Xu, Ron Alterovitz, Shankar Sastry, Ken Goldberg

Published in: Algorithmic Foundation of Robotics VIII

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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Steerable needles can be used in medical applications to reach targets behind sensitive or impenetrable areas. The kinematics of a steerable needle are nonholonomic and, in 2D, equivalent to a Dubins car with constant radius of curvature. In 3D, the needle can be interpreted as an airplane with constant speed and pitch rate, zero yaw, and controllable roll angle.

We present a constant-time motion planning algorithm for steerable needles based on explicit geometric inverse kinematics similar to the classic Paden-Kahan subproblems. Reachability and path competitivity are analyzed using analytic comparisons with shortest path solutions for the Dubins car (for 2D) and numerical simulations (for 3D). We also present an algorithm for local path adaptation using null-space results from redundant manipulator theory. The inverse kinematics algorithm can be used as a fast local planner for global motion planning in environments with obstacles, either fully autonomously or in a computer-assisted setting.

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Metadata
Title
3D Motion Planning Algorithms for Steerable Needles Using Inverse Kinematics
Authors
Vincent Duindam
Jijie Xu
Ron Alterovitz
Shankar Sastry
Ken Goldberg
Copyright Year
2010
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-00312-7_33