面向自然腔道手术的机器人柔性丝鞘传动设计方法与行为控制

Continuum robotics have recently become research hotspots in the field of robotics, which also make an efficient technological approach for Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery (NOTES). However, design method and motion control of the flexible tendon-sheath driving system keep to be one of the difficulties in continuum robotics research. Towards this bottleneck, in this project, motion behaviors of NOTES robots based on tendon-sheath driving system will be investigated, while driving accuracy and real-time response of the system will be optimized. By combining mathematical modelling, virtual prototype simulation and experimental tests, the approximate expression of the real input-output relationship in the tendon-sheath driving system will be built at model level. And the effects of geometrical and physical parameters on driving accuracy and hysteresis will be studied. Furthermore, the underlying mechanism and an optimum design method to restrict motion hysteresis will be proposed. Then, a method of linearizing the complicated non-linear model at the given accuracy constraints will be developed with the establishment of the feed-forward control strategy to compensate motion hysteresis. Finally, taking NOTES robots as the typical research object, a dynamic lightweight prototype based on tendon-sheath driving system will be developed, to comprehensively evaluate effectiveness of the proposed study in systematic optimal design and application. This project is expected to provide new thoughts for the design of NOTES robots.

连续体机器人是近年来机器人领域研究热点，也是自然腔道手术的有效技术途径。而其柔性丝鞘传动设计方法与行为控制一直是研究难点之一。针对这一瓶颈问题，本项目将探索基于同轴丝鞘传动的自然腔道手术机器人运动行为，并从运动精度与响应实时性方面对系统进行优化。通过采用数学建模、虚拟仿真与实验相结合的方法，以建立丝鞘传动真实输入输出关系在模型层面的近似表达为主线，深入探究影响传动精度的迟滞特性在几何、物理两个维度的内在因素，并揭示其作用机理；进一步在给定精度约束下，对基于上述理论建立的迟滞特性的数学表达进行修正与简化，进而建立补偿运动迟滞的前馈控制策略，优化系统的运动映射。以自然腔道手术机器人为典型载体，开发基于丝鞘传动的动态轻量化样机，综合评估所研究内容在优化系统设计层面与应用层面的有效性。本项目将为自然腔道手术机器人传动设计提供新思路。

连续体机器人是近年来医疗机器人领域的研究热点，也是自然腔道手术的有效技术途径。针对柔性丝鞘传动设计方法与行为控制这一瓶颈问题，本项目探索了基于丝鞘传动的自然腔道手术机器人运动行为，从运动精度与响应实时性方面对系统进行优化。采用数学建模、虚拟仿真与实验相结合的方法，深入探究影响传动精度的迟滞特性的内在因素，并揭示其作用机理。对基于上述理论建立的迟滞特性的数学表达进行简化与优化，进而建立补偿运动迟滞的前馈控制策略，优化系统的运动映射。以自然腔道手术机器人为典型载体，开发基于丝鞘传动的动态轻量化样机，综合评估所研究内容的有效性。突破了部分柔性丝传动建模、迟滞补偿、精确控制等关键技术。初步建立了一种面向自然腔道手术的机器人柔性丝鞘传动设计方法与行为控制新方法。.. 项目期间围绕相关技术申请国家发明专利6项，授权国家发明专利4项。发表相关高水平学术论文7篇，其中SCI/EI检索论文7篇。参加国际会议3人次，积极参加各种国际国内交流活动，多次通过网络方式或与来访高水平专家就机器人技术、丝/丝鞘传动等技术开展深入讨论。培养研究生6名，协助培养博士生3名。负责人获得国家技术发明二等奖（第三获奖人）。完成了任务指标，取得了较好的研究效果。.. 项目研究成果可起到抛砖引玉的作用，将为微创外科机器人辅助手术特别是自然腔道手术机器人中的传动、建模、误差补偿等相关研究奠定坚实的基础，有望为微创外科机器人辅助手术中的丝/丝鞘传动相关基础研究提供一定的理论指导及应用启发。