《Frontiers in Robotics and AI》：Force-differential steering of a track-based robotic colonoscope: experimental evaluation in single and multi-bend pipes
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这项工作展示了一种实验室规模的履带式机器人结肠镜，其采用了力差转向机制。一个注射器驱动的液压系统选择性地回缩各个履带，以产生不对称的履带-壁接触力，从而实现转向。研究人员开发了一个理论模型来描述液压输入、法向力调节和转向扭矩之间的关系，并为该机制提供了一阶框架
这项工作展示了一种实验室规模的履带式机器人结肠镜，其采用了力差转向机制。一个注射器驱动的液压系统选择性地回缩各个履带，以产生不对称的履带-壁接触力，从而实现转向。研究人员开发了一个理论模型来描述液压输入、法向力调节和转向扭矩之间的关系，并为该机制提供了一阶框架。该原型机在力传感器和惯性测量单元（IMU）的辅助下进行了测试，评估了其在单弯和多弯柔性管道中的直线推进和转向性能。液压驱动实验表明，随着注射器输入的增大，履带-壁法向力呈近线性增加，尽管测量值显著低于理论预测。转向实验表明，无主动转向的运动在牵引力丧失前产生约35°的偏航角，而力差转向将偏航角提高到约45°，并使其能够通过120°的弯曲。不同摩擦条件下的测试进一步表明，壁面摩擦降低会削弱转向性能。在连续的S形管道中，三次独立试验中有两次成功完成了两个弯道，而一次试验表现出不完全的偏航恢复，表明试验间存在变异性以及对牵引条件的敏感性。总体而言，这些结果为力差转向在履带式机器人结肠镜中的应用提供了概念验证证据，并证明直线推进和主动平面转向可以在一个通用的履带运动架构内实现。在评估临床适用性之前，需要进一步小型化、改进液压控制以及在更具生理代表性的环境中进行评估。
结肠镜在高度弯曲、柔软且湿滑的结肠内导航面临稳定转向难题。仅依靠推进力容易导致偏离中线、不稳定壁接触以及弯道内定向失败，增加黏膜应力并延长操作时间。已有差速、关节式、磁辅助和柔性连续体等转向策略，但存在结构复杂、尺寸受限、依赖外部大磁体或响应慢等不足。研究团队在前期工作中验证了履带式机器人结肠镜可通过气动波纹管膨胀机构调节履带-壁接触压力。为了更精确地控制接触力并实现主动转向，本研究将气动系统替换为注射器驱动的液压系统，通过选择性回缩履带产生非对称壁接触力，形成力差转向机制。
研究人员构建了第二原理样机，包含四个热塑性聚氨酯（TPU）履带、外部电机、软轴和蜗轮蜗杆传动，以及注射器式液压驱动单元。每条履带可通过液压独立径向膨胀或回缩，从而改变与管道壁面的法向力。研究人员建立了理论模型，推导了液压输入与法向力、转向扭矩的关系，并给出了几何约束和转向裕度判据。实验使用力传感器和惯性测量单元（IMU）量化牵引力、法向力和偏航角，在柔性铝波纹管（内径约152 mm，长1,000 mm）形成的单弯（90°、120°）及连续S形管道中评估性能。结果显示：单履带回缩使总牵引力降低约20%–25%；法向力随液压输入近似线性上升，但绝对测量值显著低于理论预测；主动转向在120°弯中将偏航角从约35°提升至约45°并成功通过；高摩擦（人工肠组织）条件下偏航角接近80°，低摩擦（润滑）条件下仅约40%，说明壁面摩擦对转向至关重要；在S形连续
