基于软多腔骨干的混合肌腱-气动连续体机器人可重构设计方法

《Actuators》：A Reconfigurable Design Approach for Hybrid Tendon–Pneumatic Continuum Robots Enabled by Soft Multi-Lumen Backbones

　　

连续体机器人（CR）在受限和非结构化环境中具有固有的顺应性和灵巧性；然而，实现混合多段功能通常需要针对特定应用进行重新设计和紧密耦合的架构。为解决这一限制，本研究提出了一种可重构的混合连续体机器人架构，该架构基于一个多腔中心集成骨干，支持多种驱动模式和机器人配置。所提出的设计将用于近端驱动的外部肌腱驱动盘模块与气动驱动的远端末端相结合，而内部腔道允许气动管线的布设以及可选增强元件的插入，且不会产生结构干扰。该架构的可重构性通过两种配置得到验证：Concept-1，一种两段混合系统；以及Concept-2，一种通过减小盘直径并将肌腱驱动扩展到骨干实现的微型化三段配置。实验评估了分段驱动、耦合变形行为、工作空间能力、迟滞响应、末端接触力以及基于体模的目标可达性。结果表明，肌腱驱动与气动驱动的集成显著扩展并重新定向了可达工作空间。附加功能测试显示，肌腱驱动段具有可重复的加载-卸载行为，最大气动末端接触力约为0.45 N，并且使用Concept-2成功到达胃样体模内的五个代表性目标。基于恒曲率公式的运动学模型与实验数据进行了验证，得出Concept-1和Concept-2的均方根误差（RMSE）分别为5.44 mm和6.12 mm。这些结果证明了该模型在不同配置和尺度下的一致性精度。总体而言，所提出的架构实现了模块化、可扩展和可重构的混合连续体机器人，为从大型操作到胃镜启发的微创手术等各种应用提供了一个灵活框架。

## 论文解读：基于软多腔骨干的混合肌腱-气动连续体机器人可重构设计方法

### 研究背景、存在问题与研究动机
连续体机器人（Continuum Robots, CR）因其固有的顺应性和灵活性，在受限和非结构化环境中展现出显著优势，广泛应用于工业抓取、农业操作、内窥镜检查及微创手术等领域。然而，现有连续体机器人通常采用单一驱动模式，如肌腱驱动、气动、液压或磁驱动，每种模式各有优劣：肌腱驱动可实现紧凑的近端驱动和高力传递，但存在摩擦、迟滞和张力复杂性；气动驱动提供平滑的分布式变形，但压力-变形关系非线性，控制精度受限。为平衡不同驱动方式的优缺点，混合连续体机器人应运而生，通过结合肌腱驱动与气动驱动，提升了操作灵活性和敏捷性。然而，现有混合系统大多采用固定体架构，驱动路径、结构组件和段定义高度耦合，导致制造复杂、模块化程度低，难以针对不同任务进行重新配置或缩放。因此，亟需一种统一的模块化设计框架，能在紧凑体内同时支持多种驱动模式，并允许简单重构。本研究提出一种基于软多腔骨干的可重构混合连续体机器人架构，以解决上述挑战。

### 研究内容与结论
研究人员提出了一种以软多腔骨干为核心的结构和布线平台，通过内部腔道可重新配置为气动管线、肌腱通道或结构增强插件的路径，同时外部肌腱驱动盘模块通过自锚定机制实现可逆装配。基于该架构，研究人员设计了两种配置：Concept-1（两段混合系统：近端肌腱驱动盘段+远端气动段）和Concept-2（微型化三段系统：近端肌腱驱动盘段+中间骨干肌腱驱动段+远端气动段）。通过实验表征，验证了分段驱动、耦合变形、工作空间、迟滞响应、末端接触力及体模目标可达性。结果表明：肌腱驱动与气动驱动集成显著扩大了工作空间，分段间部分解耦，气动末端最大接触力约0.45 N，Concept-2在胃样体模内成功到达五个目标。恒曲率运动学模型预测与实验数据吻合良好，Concept-1和Concept-2的均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）分别为5.44 mm和6.12 mm。该研究为可重构混合连续体机器人提供了模块化、可扩展的设计框架，适用于从大型操作到胃镜启发的微创手术等场景。论文发表在《Actuators》。

### 主要关键技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法：**软多腔骨干设计**，作为统一结构与布线平台。**自锚定肌腱驱动盘模块**，通过干涉配合实现可逆装配，无需胶粘或额外紧固件。**恒曲率（Constant Curvature, CC）运动学建模**，建立肌腱位移与弯曲角度的映射关系，用于预测肌腱驱动段行为。**气动多腔室软执行器**（基于平行螺旋芯设计），用于远端气动段，通过实验标定输入体积与弯曲角度的非线性关系。实验平台包括：**电磁（Electromagnetic, EM）跟踪系统**（AURORA, NDI）记录末端位姿，**高分辨率相机**（Basler aCA2040-120um）记录面内变形。样机制造采用3D打印（PLA及SLA Clear V5树脂）和硅胶注模（Dragon Skin series 10），软多腔骨干为医用级弹性体（Nusil Med-4050）定制挤出。

### 研究结果

**6.1 分段驱动特性**
通过独立和联合驱动实验，评估各段行为及肌腱-气动互作。Concept-1中，近端肌腱驱动段（段1）在肌腱位移下实现超过90°弯曲，远端气动段（段2）独立驱动时弯曲角超过180°。当固定近端段后，远端气动段响应与独立驱动一致，表明两段部分解耦。Concept-2中，三段依次驱动：段1平滑弯曲，段2（骨干肌腱驱动）增加灵巧性，段3气动响应与Concept-1相似，联合驱动实现了多曲率复杂形状，展示了高度灵活性。

**6.2 工作空间分析**
使用Concept-1评估可达工作空间。单独气动段的工作空间有限（凸包体积357 cm3）。引入近端肌腱驱动段后，混合系统工作空间扩展至5040 cm3，扩大了14.1倍，且实现了近连续的全向覆盖，表明近端段显著扩展并重新定向了远端气动段的可达区域。

**6.3 运动学模型验证**
在段1对抗肌腱（肌腱1和肌腱3）驱动下，位移从2 mm增至12 mm，比较模型预测与实验末端位置。Concept-1的RMSE为5.44 mm，Concept-2为6.12 mm，均在段特征直径内。尽管Concept-2结构更复杂，模型仍保持类似精度，验证了恒曲率公式的有效性。

**6.4 功能性能表征**
迟滞实验显示，段1在加载-卸载循环中弯曲角存在轻微迟滞（归因于摩擦和软结构顺应性），但三次重复试验误差较小，且两对抗肌腱响应匹配良好。气动末端接触力随输入体积增加呈非线性增长，最大约0.45 N，适合低力接触任务。在胃样体模中，Concept-2成功到达五个目标位置，展现了在受限解剖环境内的导航与定位能力。

### 讨论与结论总结
讨论指出，所提出架构通过多腔骨干实现驱动路径的灵活布设，肌腱与气动段部分解耦有助于简化控制。工作空间扩展、模型可靠性以及体模演示验证了其在实际应用中的潜力。未来方向包括：引入闭环控制（结合电磁跟踪、视觉传感、压力反馈等）以提高精度；扩展模型以纳入迟滞、摩擦等非线性效应；评估全身无碰撞导航指标。研究结论部分（原文最后一段）可翻译为：本研究建立了一个统一且可重构的混合连续体机器人设计框架，其中多腔骨干支持多种驱动模式的集成、重新分配和协调。所提出的方法不仅简化了系统设计与装配，还扩展了连续体机器人在不同尺度和应用领域的功能能力。这些发现为开发能够在复杂、受限和动态环境中运行的下一代混合连续体机器人奠定了基础。