【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉英想教授團(tuán)隊(duì)在壓電機(jī)器人操控器研究方面取得新進(jìn)展，成功研制出一種用于血管精準(zhǔn)穿刺的新型壓電機(jī)器人操控器。相關(guān)研究以《一種面向生物體精細(xì)穿刺的二維跨尺度壓電機(jī)器人操控器》(A Compact 2-DOF Cross-Scale Piezoelectric Robotic Manipulator with Adjustable Force for Biological Delicate Puncture)為題發(fā)表在《IEEE機(jī)器人學(xué)匯刊》(IEEE Transactions on Robotics)上。這一研究成果為機(jī)器人操控器多自由度、大工作范圍、高精度及大穿刺力的兼?zhèn)涮峁┮环N有效解決思路，在細(xì)胞和血管等生物體微穿刺領(lǐng)域具備了應(yīng)用潛力。
 

　　生物體微操作是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一項(xiàng)共性支撐技術(shù)，也是機(jī)器人技術(shù)的重要應(yīng)用方向。常見的生物體微操作包括微定位、微夾取、微穿刺和微注射等，其中以細(xì)胞和血管等生物體微穿刺最具挑戰(zhàn)。隨著穿刺對象逐漸由“大尺寸”“規(guī)則形狀”向“小體積”“復(fù)雜形態(tài)”發(fā)展，對機(jī)器人操控器的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均提出了苛刻需求。現(xiàn)有機(jī)器人操控器受結(jié)構(gòu)、致動(dòng)元件和驅(qū)動(dòng)方法的限制，在維度、尺度、精度、力度、電磁兼容性和結(jié)構(gòu)緊湊性等方面存在諸多局限。因此，面向細(xì)胞和血管等生物體的精細(xì)穿刺需求，如何研制出多性能兼?zhèn)涞臋C(jī)器人操控器成為本領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。
 

　　針對上述問題，團(tuán)隊(duì)分析了現(xiàn)有各類機(jī)器人操控器的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)特征、驅(qū)動(dòng)模式和性能參數(shù)，提出了一種基于“單驅(qū)動(dòng)器+雙模塊+多維軌跡”驅(qū)動(dòng)圓柱型動(dòng)子實(shí)現(xiàn)二維直線-旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想，并基于該思想設(shè)計(jì)了一種壓電機(jī)器人操控器的新構(gòu)型。該操控器的壓電驅(qū)動(dòng)模塊采用多柔性鉸鏈與縱-彎-彎壓電致動(dòng)元件融合設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了致動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)模塊的三維軌跡解耦輸出；通過壓電驅(qū)動(dòng)模塊、壓電鎖止模塊與光軸的集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了操控器的緊湊結(jié)構(gòu)和穿刺力的精準(zhǔn)可調(diào)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了一種雙足多維軌跡協(xié)同步進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方法，實(shí)現(xiàn)了操控器無回退的二維跨尺度運(yùn)動(dòng)，并基于理論分析和有限元仿真方法研究了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對位移響應(yīng)和穿刺力的影響規(guī)律。為了驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)和方法的可行性，團(tuán)隊(duì)研制了壓電機(jī)器人操控器樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該操控器直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍分別為38.5毫米和360度，位移分辨力為48納米和0.38微弧度，穿刺力范圍為1.70毫牛~301.34毫牛，穿刺力分辨率為0.13毫牛，解決了現(xiàn)有機(jī)器人操控器難以實(shí)現(xiàn)多自由度、大工作行程、高精度和大穿刺力兼?zhèn)涞碾y題。
 

　　此外，團(tuán)隊(duì)還研制了一款專用手持控制器，并基于團(tuán)隊(duì)前期自研的六維壓電平臺(tái)構(gòu)建了一套機(jī)器人精細(xì)穿刺系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的機(jī)器人操控器在不同穿刺力下成功完成了4種尺寸百微米級直狀硅膠血管的穿刺任務(wù)，并在300毫牛穿刺力下實(shí)現(xiàn)了外徑780微米彎曲狀硅膠血管的精準(zhǔn)穿刺。相關(guān)結(jié)果表明，該型操控器可為不同尺寸、不同形態(tài)的細(xì)胞或血管等生物體精細(xì)穿刺提供一種新選擇。
 

　　哈工大為論文唯一完成單位與通訊單位。機(jī)電工程學(xué)院博士研究生高祥和鄧杰副教授為論文共同第一作者，劉英想教授和張仕靜副研究員為論文共同通訊作者，博士研究生王瑋亦、常慶兵、孫建華和劉軍考教授為論文共同作者。
 

　　該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金等課題的資助。哈工大全媒體(闞思邈 高祥/文 高祥/圖)
 

壓電機(jī)器人操控器的構(gòu)型、驅(qū)動(dòng)方法、系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)