Design and Characterization of a Variable-Length Continuum Mechanism with Force Locking
作者: Katelyn King, Veronica Fish, Allison M. Okamura
分类: cs.RO
发布日期: 2026-09-25
备注: 7 pages, 9 figures. Submitted to ICRA 2027. Ancillary files contain a supplementary video
💡 一句话要点
提出一种新型连续机制以解决高强度操作中的刚度不足问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 连续机制 力锁定 刚度调节 螺旋结构 高强度操作 柔性机器人 医疗机器人
📋 核心要点
- 现有的柔性连续机制在高强度操作中表现出低刚度，限制了其有效性。
- 本文提出了一种新型的杆驱动螺旋结构，通过对抗性伸缩实现灵活与刚性行为的结合。
- 实验结果显示，该机制具有180度的弯曲范围，且在力锁定状态下显著提高了刚度。
📝 摘要（中文）
灵活的连续机制在灵巧导航中的实用性常因其低刚度而受限，无法在高强度场景中有效操作。为了解决这一挑战，本文提出了一种新型连续机制，通过对抗性伸缩的杆驱动螺旋结构实现灵活与刚性行为的结合。该设计结合了可变长度能力与力锁定，增强了工作空间和刚度。实验结果表明，该机制具有180度的弯曲运动范围，平均远端定位误差小于10%。进一步测试表明，力锁定直接改善了轴向刚度，并间接增加了弯曲刚度，最大弯曲刚度沿着具有大轴向分量的载荷路径。驱动杆的张紧提供了在力锁定状态下的额外刚度调节能力，增加杆张力会成比例地提高弯曲刚度，增益系数为0.56。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决现有柔性连续机制在高强度操作中刚度不足的问题，导致其在操作中的有效性受限。
核心思路：通过设计一种杆驱动的螺旋结构，该结构能够在伸缩过程中实现灵活与刚性的对抗性行为，从而增强操作的刚度和灵活性。
技术框架：该机制的整体架构包括可变长度的螺旋结构和力锁定功能，主要模块包括驱动杆、力锁定机构和弯曲运动控制系统。
关键创新：最重要的技术创新在于结合了可变长度与力锁定的设计，使得在高强度操作中能够有效提升刚度，区别于传统的柔性机制。
关键设计：在设计中，驱动杆的张紧程度是一个关键参数，张紧程度的增加会成比例地提升弯曲刚度，增益系数为0.56，且力锁定状态下的刚度调节能力显著。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，该机制实现了180度的弯曲范围，平均远端定位误差小于10%。力锁定状态下，轴向刚度显著提高，弯曲刚度也得到增强，最大弯曲刚度沿载荷路径的提升效果尤为明显，展现了该机制的优越性能。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括医疗机器人、柔性机械手和自动化制造等高强度操作场景。通过提高操作的灵活性和刚度，该机制能够在复杂环境中实现更高效的任务执行，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
The utility of flexible continuum mechanisms for dexterous navigation is often impaired by their low stiffness, making them ineffective at manipulation in high-force scenarios. To address this challenge, we propose a novel continuum mechanism that achieves both flexible and rigid behavior by antagonistic extension and contraction of a rod-driven continuum helical structure. The helical design combines variable-length capacity with force locking for workspace and stiffness enhancement. In this article, we present the detailed design of the proposed mechanism and characterize its performance through experiments that quantify bending and stiffness. The results demonstrate 180 degree bending range of motion with an average distal positioning error of <10%. Further tests demonstrate that force locking directly improves axial stiffness and thus indirectly increases bending stiffness anisotropically, with maximum bending stiffness along load paths with a large axial component. Tensioning the driving rods provides additional stiffness tunability in the force-locked state, where increasing rod tension proportionally increases bending stiffness with a dimensionless gain of 0.56.