在過(guò)去的幾十年里，機(jī)器人系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，在精度和能力方面都有所提高。這逐漸促進(jìn)了一些外科和醫(yī)療程序的部分自動(dòng)化。
清華大學(xué)的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種軟機(jī)器人觸手，它有可能用于提高一些標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療程序的效率。這種觸手在IEEE機(jī)器人學(xué)報(bào)中介紹，通過(guò)其新穎的控制算法以及所謂的形狀記憶合金主動(dòng)冷卻（機(jī)器人的致動(dòng)候選）進(jìn)行控制。
“有一天，一位神經(jīng)外科醫(yī)生來(lái)到我們的實(shí)驗(yàn)室，詢(xún)問(wèn)是否有可能為他開(kāi)發(fā)一種柔軟、可控的導(dǎo)管，以協(xié)助他進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)，”開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一趙慧禪告訴Tech Xplore?！八Ｍ@種軟導(dǎo)管對(duì)周?chē)h(huán)境極其安全，并且能夠通過(guò)遙控器向不同方向彎曲。從這些要求出發(fā)，我們開(kāi)發(fā)了一種軟機(jī)器人觸手?！?/div>
趙和他們的同事創(chuàng)造的機(jī)器人觸手的初始原型有兩個(gè)關(guān)鍵限制。首先是它移動(dòng)得太慢，其次它的移動(dòng)很難控制，尤其是在存在已知或未知的外部干擾的情況下。
為了克服這些限制，研究人員創(chuàng)建了一種“多輸入多輸出雙通道”控制器，分別基于彎曲和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的兩種控制策略，以及SMA材料的主動(dòng)冷卻策略，這將允許他們更好地控制機(jī)器人的動(dòng)作。該控制器的主要目標(biāo)是加快機(jī)器人觸手的驅(qū)動(dòng)速度并提高其可控性，因?yàn)檫@反過(guò)來(lái)可以促進(jìn)其在現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)施。
“我們的觸手是通過(guò)加熱/冷卻三個(gè)形狀記憶合金(SMA)彈簧來(lái)驅(qū)動(dòng)的，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的另一位研究員Xin An告訴Tech Xplore。“這些SMA彈簧會(huì)分別在加熱/冷卻時(shí)收縮/伸長(zhǎng)，因此，驅(qū)動(dòng)觸手以不同的角度向不同的方向彎曲。我們使用固定在機(jī)器人觸手上的幾個(gè)攝像頭和標(biāo)記來(lái)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人觸手的實(shí)時(shí)彎曲狀態(tài)觸手和反饋控制器向SMA發(fā)出命令并驅(qū)動(dòng)觸手變形到所需的方向和彎曲角度?！?/div>
一個(gè)人使用手柄并實(shí)時(shí)控制機(jī)器人觸手。
控制團(tuán)隊(duì)機(jī)器人觸手的SMA彈簧具有高能量密度。因此，觸手也可以變得輕巧緊湊，這可能更適合某些醫(yī)療應(yīng)用。
一個(gè)人使用手柄并實(shí)時(shí)控制機(jī)器人觸手。
研究人員在一系列實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了他們的系統(tǒng)，他們遠(yuǎn)程控制它通過(guò)集成攝像頭掃描房間的圖像。他們發(fā)現(xiàn)它取得了非常有希望的結(jié)果，因?yàn)樗梢杂行铱焖俚貓?zhí)行不同的彎曲運(yùn)動(dòng)。
“機(jī)器人觸手被智能材料成功驅(qū)動(dòng)，形成了一個(gè)相當(dāng)柔軟、靈巧、可控的機(jī)械手，”趙解釋道?！斑@意味著在未來(lái)，我們有可能使用軟材料制造機(jī)械臂、導(dǎo)管或內(nèi)窺鏡，其性能與剛性材料的性能相似?！?/div>
雖然到目前為止，研究人員只在他們的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了他們的機(jī)器人觸手，但他們最終也希望在臨床環(huán)境中測(cè)試它，用它來(lái)進(jìn)行真正的手術(shù)。為此，他們現(xiàn)在正致力于進(jìn)一步改進(jìn)其系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、傳感和控制能力，以確保它可以幫助外科醫(yī)生進(jìn)行內(nèi)部檢查而不傷害患者的身體。
“我們現(xiàn)在希望集成機(jī)載傳感器，以獲取我們機(jī)器人觸手的實(shí)時(shí)姿勢(shì)/形狀，”An補(bǔ)充道?！皯T性測(cè)量單元(IMU)和光纖布拉格光柵(FBG)是我們傳感系統(tǒng)的潛在候選者。如果我們成功獲得單個(gè)觸手模塊的姿勢(shì)/形狀，我們就可以將多個(gè)模塊段連接成一個(gè)更長(zhǎng)、更靈巧的軟機(jī)械手”