基于顺应性双稳态节段的连续体机器人定制形态构建及其在医疗应用中的研究

这篇研究创新性地将顺应性双稳态机制（CBM）整合到连续体机器人中，开发出兼具延伸和锁定功能的智能节段。通过机械设计实现被动形态编程（Extending节段提升50%工作空间，Locking节段增加80%-100%刚度），在肝脏活检模拟中使尖端-目标偏差降低61%，为微创手术（MIS）提供了可定制路径的解决方案。

　　

2 Design & Methodology

研究团队提出了一种非整体式顺应性双稳态机制（CBM），由柔性构件、固定支架和刚性销组成，通过几何变形实现双稳态切换。该设计通过薄梁理论建立解析模型，推导出位移_h与驱动力_F的关系（公式1-5），有限元分析（FEA）显示最大应力1.574 MPa处于PLA材料弹性范围内。

2.3 CBM与节段集成

将CBM嵌入球关节连续体节段中，开发出两种变体：延伸节段（激活态长度增加7 mm至44 mm）和锁定节段（激活态通过几何限位提升刚度）。3D打印原型采用PLA材料，通过肌腱驱动实现状态转换，单个节段质量20 g，截面直径43 mm（表1）。

2.4 运动学建模

基于Denavit-Hartenburg（D-H）参数建立模型，引入状态变量_S（0/1）控制节段长度_Li（公式6-8）。五节段机器人模拟显示，激活状态下工作空间扩大50%，甚至可实现反向延伸（图6）。

3 Experiments and Results

3.1 弯曲角度测试

视觉标记法测量显示，延伸节段激活后弯曲角度提升60%-70%，但3D打印公差导致多节段组装时实际角度低于模型预测（图7）。

3.2 刚度测试

锁定节段在中部位置激活时刚度提升100%，基部位置因支撑效应增幅为80%（图8）。水平方向刚度变化不显著，主要依赖背骨特性。

3.3 肝脏活检形态验证

在1.6倍成人胃尺寸的模型中，13节段机器人（含9个延伸节段和4个锁定节段）激活后：

• 曲率半径从83.4 mm缩小至60.6 mm

• 末端弯曲角从93°增至135.5°

• 尖端-目标偏差降低61%（63.3 mm→24.7 mm）（图10，表3）

4 Conclusion

该研究通过机械智能实现连续体机器人形态编程，其模块化设计可适配不同手术路径需求。未来将聚焦临床级微型化（当前半尺寸直径21.5 mm）、三维运动控制及患者特异性优化，推动其在疝修补、耳鼻喉手术等领域的应用。