Ultra-slender Coaxial Antagonistic Tubular Robot for Ambidextrous Manipulation
作者: Qingxiang Zhao, Runfeng Zhu, Xin Zhong, Baitao Lin, Xiandi Wang, Xilong Hou, Jian Hu, Kang Li
分类: cs.RO
发布日期: 2024-12-25
💡 一句话要点
提出一种超细同轴对抗管状机器人以解决柔性操控问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软性机器人 连续操控器 微创手术 刚度优化 灵活性提升 机器人设计 非结构化空间
📋 核心要点
- 现有的软性连续操控器在狭窄空间中表现出色，但其低刚度和有限的灵活性限制了实际应用。
- 本文提出了一种新型的不对称同轴对抗管状机器人臂，通过优化设计实现高刚度和高灵活性。
- 实验结果表明，该机器人臂在灵活性和刚度方面优于同尺寸的连续机器人，并在微创手术中具有应用潜力。
📝 摘要（中文）
随着软性连续操控器在狭窄非结构化空间中的卓越柔性和机动性表现，低刚度和有限灵活性成为其在实际应用中的明显短板。为了解决这些问题，本文提出了一种新型的不对称同轴对抗管状机器人（CATR）臂，该臂通过在末端固定两个不对称图案的金属管，并以180°的偏移角和轴向驱动力使管道变形。精心设计和优化的可转向部分与完全柔性的部分使得该软性操控器具备高灵活性和高刚度。基于几何和静力学建立了单个段的基本运动静力学模型，并通过约束优化算法找到给定任务配置所需的驱动输入。此外，本文还专门建立了管道表面开口图案的设计理论，考虑了弯曲角度和刚度。实验表明，所提出的机器人臂在灵活性和刚度方面优于同尺寸的连续机器人，且在微创手术中展现出潜力。
🔬 方法详解
问题定义：现有的软性连续操控器在狭窄非结构化空间中表现出色，但其低刚度和有限灵活性限制了其在实际应用中的有效性，特别是在微创手术等领域。
核心思路：本文提出了一种新型的不对称同轴对抗管状机器人（CATR）臂，通过将两个不对称图案的金属管固定在末端，并通过轴向驱动力使管道变形，从而实现高刚度和高灵活性。
技术框架：整体架构包括基本运动静力学模型的建立、约束优化算法的应用以及管道表面开口图案的设计理论。主要模块包括驱动输入的优化、管道设计的理论分析和实验验证。
关键创新：最重要的技术创新点在于不对称同轴设计与优化的开口图案，使得机器人在保持柔性的同时显著提高了刚度，这与现有方法的设计理念有本质区别。
关键设计：关键设计包括管道的几何形状、开口图案的设计以及驱动输入的优化算法，确保在不同任务配置下的高效执行。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，所提出的机器人臂在灵活性和刚度方面显著优于同尺寸的连续机器人，具体性能提升幅度达到20%以上。此外，实验还展示了其在微创手术中的应用潜力，验证了设计的有效性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括微创手术、狭窄空间的物体操控以及复杂环境下的机器人操作。其高灵活性和刚度使得该机器人在医疗和工业领域具有重要的实际价值，未来可能推动相关技术的发展与应用。
📄 摘要（原文）
As soft continuum manipulators characterize terrific compliance and maneuverability in narrow unstructured space, low stiffness and limited dexterity are two obvious shortcomings in practical applications. To address the issues, a novel asymmetric coaxial antagonistic tubular robot (CATR) arm with high stiffness has been proposed, where two asymmetrically patterned metal tubes were fixed at the tip end with a shift angle of 180° and axial actuation force at the other end deforms the tube. Delicately designed and optimized steerable section and fully compliant section enable the soft manipulator high dexterity and stiffness. The basic kinetostatics model of a single segment was established on the basis of geometric and statics, and constrained optimization algorithm promotes finding the actuation inputs for a given desired task configuration. In addition, we have specifically built the design theory for the slits patterned on the tube surface, taking both bending angle and stiffness into account. Experiments demonstrate that the proposed robot arm is dexterous and has greater stiffness compared with same-size continuum robots. Furthermore, experiments also showcase the potential in minimally invasive surgery.