用于自然孔道诊断手术的交错式连续体操作器的多层刚度优化模型

《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》：Multi-Layer Stiffness Optimization Model of a Staggered Continuum Manipulator for Natural Orifice Diagnostic Surgery

提出了一种交错连续操纵器和多层刚度优化方法，通过全局虚拟关节模型生成刚度分布并优化整体布局，局部优化关节结构重塑负载路径，实现66%的尖端刚度提升和62%质量减轻，支持170度无控制损失弯曲，实验显示位置误差仅0.72毫米，验证了该方法在自然孔道诊断中的有效性。

　　

摘要：

自然孔道诊断手术需要使用既细长又足够刚性的操作器，以确保在接触过程中定位的准确性。刚度性能直接影响操作的精确度和稳定性。本文提出了一种交错连续体操作器以及一种多层刚度优化方法。首先，通过拓扑优化对操作器的结构进行优化，以最大化其性能。随后，建立了一个包含末端执行器精度约束的多层刚度优化模型，用于同时优化不同层次上的局部关节参数和整体操作器参数。全局层在设计空间中构建虚拟关节模型（VJM）刚度图，而局部层则调整关节结构以优化载荷路径。最终，原型测试和仿真结果表明，优化后的操作器尖端刚度提高了66%，质量减少了62%，并且能够在不失控制性的情况下实现最大170度的全方位弯曲。在模拟诊断操作时施加外部力矩和轴向尖端载荷的台架测试中，3D末端执行器的位置误差仅为0.72毫米，这证实了刚度的提升有效减少了载荷引起的变形。研究结果表明，将交错关节布局与多层刚度优化相结合，为自然孔道诊断手术提供了同时优化灵活性、空间效率和精度的实用方法。