一种软轴拉扭协同驱动的新型刚柔混联连续体机器人机构设计与实验验证

Mechanism Design and Experimental Validation of a Novel Rigid-Flexible Hybrid Continuum Robot with a Tension-Torsion Synergistic Actuation

摘要

利用软轴良好的拉扭协同驱动特点设计了一种结合“双段柔性体+单段刚性体”的新型刚柔混联连续体机器人机构，实现了6根软轴拉扭动力输入与7自由度运动输出。该机构通过软轴的牵拉运动来控制柔性段的弯曲形态，利用扭转运动来控制末端刚性关节运动。搭建了实验平台并对该机构的物理性能进行了实验验证。实验结果表明，该机构具有灵活的多自由度弯曲能力和良好的负载能力；重复性实验中，单/双段连续体机器人最大标准差分别仅占机械手长度的1.62%和7.66%，验证了该机器人机构设计具有良好的定位稳定性和可靠性。

Abstract

Combining a dual-segment flexible body and a single-segment rigid body， a novel rigid-flexible hybrid continuum robot mechanism was designed by utilizing the tension-torsion synergistic actuation of flexible shafts， which realized 6 tension-torsion power inputs from the flexible shafts and a 7-degree-of-freedom motion output. The bending configurations of the flexible segments were controlled by the pulling motion of the flexible shafts， while the motions of the terminal rigid joint were controlled through their twisting motion. An experimental platform was built to experimentally validate the physical performance of the prototype. Experimental results show that the mechanism demonstrates flexible multi-DOF bending capability and a good load-carrying capacity. In repeatability experiments， the maximum standard deviations for the single and dual-segment continuum robot account for 1.62% and 7.66% of the manipulator's length， respectively， which verifies that the robot mechanism design possesses good positioning stability and reliability.

Graphical abstract

关键词

软轴 / 拉扭协同驱动 / 刚柔混联机构 / 连续体机器人 / 实验验证

Key words

flexible shaft / tension-torsion synchronous drive / rigid-flexible hybrid mechanism / continuum robot / experimental validation

0 引言

受象鼻^［1］、章鱼^［2］等生物结构启发，连续体机器人通过连续弯曲实现复杂操作，其固有的灵活性与安全性使其在医疗^［3］、农业^［4］、救援任务^［5］以及空间探索领域^［6］展现出广阔的应用场景。

在医疗领域，连续体机器人的高灵活性尤其适用于微创手术。ZHANG等^［7］设计的仿生复合机器人可穿行于狭窄曲折腔道。KIM等^［8］开发的亚毫米级软体机器人能进行精细操作。TRONCOSO等^［9］展示了模块化设计在复杂环境中的适应能力。尽管如此，在口腔、阴道等自然腔道进行微创介入治疗时，对机器人的运动灵活性、结构紧凑性及末端操作精确性提出了较高要求。传统刚性或半刚性手术器械在异形腔道内操作时往往面临视野受限、操作角度不足以及损伤周围组织的风险，因此，开发能够安全、高效地在复杂腔道内导航并执行精确操作的新型医疗机器人是当前研究的重要方向之一。

连续体机器人的驱动方式主要包括肌腱、气动、形状记忆合金以及磁驱动。PEYRON等^［10］提出一种肌腱驱动连续体机器人。CHAILLOU等^［11］研究了高柔性气驱机器人，但其系统庞大且控制复杂。MC CAFFREY等^［12］设计的形状记忆合金驱动机器人虽可无线供电，但响应速度受冷却过程限制。LIN等^［13］提出的磁控系统虽无摩擦，却易受外界磁场干扰。肌腱或绳索驱动方式^［14］允许驱动装置后置，减小了末端执行器的体积和重量，但单根肌腱或绳索只能传递单一拉力，且在多段串联结构中末端驱动绳需单独穿过近端基座，从而增加了结构复杂度。

为应对上述挑战，本研究利用软轴拉扭共轴协同驱动特点，设计了一种新型刚柔混联连续体机器人。该设计通过软轴的牵拉实现柔性段的灵活弯曲以适应复杂腔道路径，同时利用同一软轴的扭转驱动前端刚性关节执行精确的手术操作（如抓取、切割等）。这种“刚柔混联”与“拉扭协同”的有机结合，可通过更少的动力传递介质实现多自由度和高度紧凑的结构，为自然腔道微创手术提供新的技术途径。

综上，本文提出一种软轴拉扭共轴协同驱动的新型刚柔混联连续体机器人系统。在该机器人系统运动建模的基础上^［15］，详细介绍其机构组成与设计，包括机器人本体和驱动模块。同时，搭建实验平台，并通过一系列实验对其基本运动功能、负载能力及重复性进行验证。

1 刚柔混联连续体机器人驱动方案与自由度配置

本研究创新性地应用软轴拉扭协同驱动方式，构建由并联柔性关节和基于差动机构刚性关节组成的刚柔混联连续体机器人模组，如图1所示，主要包括：机械手、固定板、过渡板、异形引导管、滚珠丝杆滑台模组以及驱动模块。该机器人模组共包含8个自由度，其中前端机械手具备7个自由度用于实现复杂位姿调整，另有1个直线驱动自由度用来实现机械手整体的轴向往返运动。

机器人自由度配置方案如图2所示。单个连续体机器人包含8个自由度，自由度①为直线运动关节，实现刚柔混联连续体机构整体的直线往复运动；实现自由度②和③的机构为柔性关节近端段的弯曲运动关节，通过软轴牵拉F_q （q=4，5，6）（其具体排布与驱动路径详见图3）以并联驱动方式驱动柔性关节近端段在正交平面弯曲，带动柔性关节远端段和刚性关节段实现三维空间的万向弯曲运动；实现自由度④和⑤的机构为柔性关节远端段的弯曲运动关节，通过均布的三根软轴牵拉F_q （q=1，2，3）（其具体排布与驱动路径详见图3）以并联驱动方式驱动柔性关节远端段在正交平面弯曲，带动刚性关节段实现三维空间的万向弯曲运动。刚性关节采用差动机构，2、1号软轴的扭转运动别驱动锥齿轮C1和C2旋转。当此两根软轴旋转方向相同即锥齿轮C1、C2旋转方向相反时，锥齿轮C1和C2将分别驱动锥齿轮C3和C4同向转动，进而带动机械手前端钳子机构绕轴S做俯仰运动，即自由度⑥；当此两根软轴旋转方向相反时，齿轮传动链C2-C4-C6-C8与C1-C3-C5-C7将驱动齿轮C9旋转，进而驱动机械手前端钳子旋转，即自由度⑦。3号软轴扭转驱动丝杆螺母副机构实现机械手前端钳子的开合，即自由度⑧。

2 刚柔混联连续体机器人机构设计与实现

拉扭共轴协同驱动的刚柔混联连续体机器人结构如图3所示，其主体由柔性关节（分为近端段和远端段）与刚性关节串联构成。分隔盘通过空心铜铆与弹性骨架固接。机器人共配置6根软轴，沿圆周均匀分布：其中3根（标记为4，5，6）贯穿柔性关节近端段并固定于其上沿，专用于驱动近端段的弯曲运动；另外3根（标记为1，2，3）则同时穿过柔性关节的近端段与远端段，最终连接至刚性关节的动力输入端，负责驱动远端段弯曲及刚性关节的运动。

在本研究中，柔性关节的核心部件包括直径为0.92 mm的超弹性镍钛合金骨架、同直径的316不锈钢软轴以及若干316不锈钢分隔盘，这些材料均满足生物相容性要求。为能够实现机械手的快速装配和拆卸，本研究设计并加工了一系列厚度相同但孔型各异的模块化分隔盘，通过不同的分隔盘堆叠方案，可以灵活便捷地调整机械手形状配置。同时，为减小软轴与分隔盘之间的摩擦力，分隔盘的软轴过线孔内配置了具有良好润滑特性的粉末冶金含油轴承。LI等^［16］的研究表明：当两个分隔盘间最优距离与布线孔径到弹性骨架的距离之比为0.4时，恒定曲率模型与非线性模型之间的误差最小。考虑到本文连续体机器人布线孔径到弹性骨架的距离为5 mm，因此确定两个分隔盘之间的距离为12.5 mm。

为实现前端机械手精确的位姿操控，本研究采用驱动后置方案，通过直流无刷电机（型号CBL2040-2416F，减速比5.5∶1，深圳泰科）驱动软轴的牵拉与旋转。驱动模块采用模块化的层级结构，为后期扩展提供了可能。如图1所示，该驱动装置分上下两层模块，上层模块通过3套滚珠丝杆滑台模组配置6个电机，负责柔性关节远端段牵拉运动与刚性关节扭转驱动；下层模块使用3套滚珠丝杆滑台模组仅负责柔性关节近端段牵拉运动。上下两层模块通过两侧布置刚性连接板使其成为整体，然后固连到负责整只机械手直线往返运动的滚珠丝杆滑台模组上。为确保动力在传递大拉力时依然可靠，电机与软轴的连接采用了微型自紧夹头，其大夹紧力可有效防止软轴滑脱，保证了驱动的精确性与稳定性。最终，所有软轴经特制引导管精确导向至机械手基座。

3 实验验证

3.1 实验平台搭建

为验证所提机器人机构的性能，搭建了图4所示的实验平台。软轴上的牵拉力通过固连于电机输出轴的拉压力传感器（型号RDF-TM10，9量程10 kg，深圳锐力德）测量，拉力数据通过Modbus TCP协议利用测力变送器传输回控制系统。为精确感知机械手的位姿数据，构建了由4台动作捕捉镜头（MARS1.3H，北京度量）搭建的光学动态捕捉系统，位置精度为±0.2 mm。所有实验均以机器人的自然下垂状态为初始构型，并在运动中保持2 N的预紧力。

3.2 运动与负载性能验证

为定性展示机器人样机的运动能力，本节对单段和双段样机进行了弯曲性能以及末端负载能力测试。针对单段连续体机器人样机，考虑到分隔盘处布线孔的位置坐标，本文选定12种驱动力配置，如图5所示（F₄ ~F₆分别为软轴4~6的拉力），其中，电机输出端上的力传感器数据提供了3种选项，分别为10、20、30 N。自然下垂状态下，单段样机在oyz平面绕x轴的弯曲角度为-4.6°，如图5a所示；单根软轴驱动时，在oxz平面绕y轴的最大弯曲角度为-32.4°，如图5g所示；双根软轴驱动时，在oxz平面绕y轴的最大弯曲角度为38.9°，如图5j所示。

针对双段连续体机器人样机，同样设定12种配置，如图6所示（F₁~F₆分别为软轴1~6的拉力），其中驱动力提供了4种选项，分别为10、20、30、50 N。自然下垂状态下，双段样机在oyz平面绕x轴的弯曲角度为-20.3°，如图6a所示；双根软轴驱动时，在oxz平面绕y轴近、远端段柔性关节的最大弯曲角度分别为4.6°、-11.2°，如图6d所示；三根软轴驱动时，在oxz平面绕y轴近、远端段柔性关节的最大弯曲角度分别为27.8°、52.3°，如图6h所示。从单、双连续体机器人样机弯曲测试中可以看出，不同拉力配置下样机的运动范围覆盖了较大任务空间区域。

为进一步评估连续体机器人样机的性能，在F₂=50 N、F₅=10 N配置下通过悬挂7种不同标准质量m_F（m_F分别为1、2、5、10、20、50、200 g）的砝码以量化机械手有效载荷能力，悬挂方向沿机械手基坐标系-y轴，如图7所示。可以发现，当小于50 g的负载时，机械手均未发生明显变形；当负载质量增大到200 g时，虽然机械手产生了偏转，但长度为197 mm的连续体机器人依然可以举起，这表明该连续体机器人具有良好的承载能力。

3.3 重复性实验

为评估软轴拉扭共轴协同驱动的新型刚柔混联连续体机器人的重复性，本研究设定了27种不同配置，每种配置下进行5次重复实验，将平均值和标准差作为重复性指标。针对单段连续体机器人样机部分考虑15种配置，重复性指标如图8所示。针对双段连续体机器人样机设定12种配置，重复性指标如图9所示。可以发现，随着机械手长度的增大，重复性逐渐变差。单段连续体机器人样机在x、y、z方向上的最大标准差分别为1.1、0.9、0.5 mm，双段连续体机器人样机在x、y、z方向上的最大标准差分别为7、10.8、5.9 mm。考虑到单、双段机械手长度的比例分别为68、141 mm，则在x、y、z方向上单、双段连续体机器人样机最大标准差占机械手长度分别为1.62%、1.32%、0.74%以及4.96%、7.66%、4.18%。

4 结论

本文设计了一种基于软轴拉扭共轴协同驱动的新型刚柔混联连续体机器人。该机构创新性地利用单根软轴兼具拉/扭驱动的特性，通过软轴牵拉驱动双段柔性关节和扭转驱动刚性关节，实现了6输入7输出的紧凑构型。该设计显著提高了机器人在狭小非结构化环境中的灵活性与操作能力，同时简化了结构复杂度。通过对样机进行弯曲功能、负载能力和重复性等一系列实验验证，结果表明：该机器人具备大范围的空间运动能力和良好的承载性能；135组重复性实验结果表明，所有方向上单、双段连续体机械手最大标准差分别仅占机械手长度的1.62%、7.66%，验证了该机构具有良好的定位稳定性。

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基金资助

国家自然科学基金(61963007)

广东省基础与应用基础研究基金(2023A1515012427)

广东省基础与应用基础研究基金(2023A1515140026)

深圳市科技计划(JCYJ20210324122200002)

广东省医学科学技术研究基金(A2021169)

广东省医学科学技术研究基金(B2023109)

深圳市大鹏新区医疗健康集团医疗卫生科研项目(DPJTKY202306)