通过主动冷却控制的柔软机器人触手

在过去的几十年里，机器人系统变得越来越复杂，在精度和功能方面都有所提高。这逐渐促进了某些外科和医疗程序的部分自动化。

清华大学的研究人员最近开发了一种柔软的机器人触手，可用于提高一些标准医疗程序的效率。这个触手在IEEE Transactions on Robotics中介绍，通过他们新颖的控制算法以及所谓的形状记忆合金的主动冷却来控制，形状记忆合金是机器人的致动候选者。

“有一天，一位神经外科医生来到我们的实验室，询问是否有可能为他开发一种柔软、可控的导管来帮助他进行神经外科手术，”进行这项研究的研究人员之一赵慧婵告诉Tech Xplore。“他希望这种软导管对周围环境非常安全，并且能够通过遥控器向不同的方向弯曲。从这些要求出发，我们开发了一种柔软的机器人触手。

赵和他们的同事创造的机器人触手的最初原型有两个关键限制。首先是它的移动太慢，其次是它的运动难以控制，特别是在存在已知或未知的外部干扰的情况下。

为了克服这些限制，研究人员创建了一个“多输入 - 多输出双通道”控制器，分别基于弯曲和摆动运动的两种控制策略，以及SMA材料的主动冷却策略，这将使他们能够更好地控制机器人的运动。该控制器的主要目标是加快机器人触手的驱动速度并提高其可控性，因为这反过来又可以促进其实际实施。

“我们的触手是通过加热/冷却三个形状记忆合金(SMA)弹簧来驱动的，”进行这项研究的另一位研究员Xin An告诉Tech Xplore。“这些SMA弹簧在加热/冷却时会分别收缩/伸长，因此，驱动触手以不同的角度向不同方向弯曲。我们使用固定在机器人触手上的一些摄像头和标记来查找触手的实时弯曲状态，并使用反馈控制器向SMA发出命令并驱动触手变形到所需的方向和弯曲角度。

控制团队机器人触手的SMA弹簧具有很高的能量密度。因此，触手也可以适应轻巧紧凑，这可能更适合某些医疗应用。

研究人员在一系列实验中测试了他们的系统，他们远程控制它，通过集成摄像头扫描房间的图像。他们发现它取得了非常有希望的结果，因为它可以有效和快速地执行不同的弯曲运动。

“机器人触手被智能材料成功驱动，形成了一个相当柔软、灵巧、可控的机械手，”赵解释说。“这意味着在未来，我们有可能使用软材料制造机器人手臂，导管或内窥镜，这些材料具有与刚性材料相似的性能。

虽然到目前为止，研究人员只在实验室中测试了他们的机器人触手，但他们最终也希望在临床环境中进行测试，用它来进行真正的手术。为此，他们现在正在努力进一步提高其系统的驱动、传感和控制能力，以确保它可以协助外科医生在不伤害患者身体的情况下进行内部检查。

“我们现在希望集成机载传感器，以获得机器人触手的实时姿势/形状，”An补充道。“惯性测量单元(IMU)和Fibber Bragg光栅(FBG)是我们传感系统的潜在候选者。如果我们成功地获得了单个触手模块的姿势/形状，我们可以将多个模块段连接到一个更长的软机械手中，具有更大的灵活性。

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