连续型手术机器人变刚度机构设计方法与构型稳定性研究

The continuum surgical robot is able to achieve dexterous manipulation under the confined surgical environment through multi-degree-of-freedom bending. It has the features of compact structure, high adaptability to the environment and high flexibility, and it is an important direction in the field of medical robots. Inside the delicate confined space of minimally invasive surgery and natural orifice transluminal endoscopic surgery, the continuum surgical robot needs to maintain a variable stiffness to meet the needs of different surgical stages. This project aims to ensure safety and stability of robotic surgery manipulation, and systematically study the key problems of variable stiffness continuous robots, including variable stiffness mechanism design, kinematic model, stiffness model and configuration stability. Based on the approximating rolling parallel mechanism, a variable stiffness mechanism design method for wire-driven robots is proposed, which achieves continuous and rapid stiffness adjustment through wire tension adjustment. With the flexible environment model and the variational principle, the kinematic model and tip stiffness model of stiffness control continuum robot interacting with the flexible environment are established considering structural constraints, and a general configuration stability criterion and quantitative indicator are proposed. The results of this project will provide a theoretical and practical basis for the systematical design of variable stiffness continuum robots.

连续型手术机器人可以通过自身的多自由度弯曲来实现受限环境下的灵活运动，具有结构紧凑、环境适应性强、灵活度高等特点，是医疗机器人领域的重要发展方向。在微创手术和经自然腔道内镜手术的复杂受限环境下，连续型机器人需要保持可调的整体刚度以适应不同手术阶段的要求。本项目以机器人手术的安全性与稳定性为出发点，针对变刚度连续型机器人的若干关键问题开展研究，包括变刚度机构设计方法、与柔性环境作用下的运动学模型和刚度模型以及平衡构型稳定性。基于近似滚动并联机构，提出一种丝驱动连续型机器人的变刚度机构设计方法，通过牵引丝的张力控制实现连续且快速的机器人刚度调整。基于柔性环境模型与势能泛函变分原理，考虑刚度控制模式的特点与结构约束关系，建立刚度控制机器人与柔性环境相互作用下的运动学模型与刚度模型，提出通用的构型稳定性判断准则与量化指标。本项目研究成果可以为变刚度连续型机器人的系统设计提供理论与实践基础。

不同于传统的串联和并联机器人，超冗余度/连续体机器人可以通过自身的多自由度弯曲变形来实现受限环境下的灵活运动，具有结构紧凑、环境适应性强、灵活度高等显著特点，这些特点使其广泛应用于工业检测、军事、救援以及微创手术中。然而，机器人的柔性也导致其负载能力较差，与环境交互时构型建模困难。本项目围绕超冗余度/连续体机器人的被动柔顺和平衡构型问题开展研究，成果如下： 针对传统的超冗余度/连续体机器人的被动柔顺问题，提出了一种只需考虑单个关节参数的机器人被动柔顺判断方法，基于该判断方法优化设计了一种无被动柔顺的机器人新构型；研究了该机器人在外部作用力下的变形特征，基于最小势能原理建立了平衡构型模型，研究了不同外力和参数对平衡构型的影响；在项目的资助下建立了多套连续体机器人系统样机，研究了不同构型（解耦、无被动柔顺等构型）和不同驱动机构（圆形驱动滑轮、非圆滑轮）连续体机器人的运动特性，为构建成熟的超冗余度/连续体机器人系统理论设计体系提供了重要基础。本项目在执行期间，共发表5篇SCI/EI期刊论文，其中1篇发表于机械设计领域国际顶级期刊Journal of Mechanical Design，获得授权发明专利4项，在申请发明专利3项。参加学术会议两次，邀请国内专家来访2人次，培养硕士生两名，本科毕业生一名，为更深入系统的研究铺下了人力基础和知识储备。