科企岛：通过主动冷却控制的软机器人触手
在过去的几十年里，机器人系统变得越来越复杂，在精度和能力方面都有所提高。这逐渐促进了一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软机器人触手，它有可能用于提高一些标准医疗程序的效率。这种触手在IEEE 机器人学报中介绍，通过其新颖的控制算法以及所谓的形状记忆合金主动冷却（机器人的致动候选）进行控制。
“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，以协助他进行神经外科手术，”开展这项研究的研究人员之一赵慧禅告诉 Tech Xplore。“他希望这种软导管对周围环境极其安全，并且能够通过遥控器向不同方向弯曲。从这些要求出发，我们开发了一种软机器人触手。”
赵和他们的同事创造的机器人触手的初始原型有两个关键限制。首先是它移动得太慢，其次它的移动很难控制，尤其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，研究人员创建了一种“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，这将允许他们更好地控制机器人的动作。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，因为这反过来可以促进其在现实世界中的实施。
“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 弹簧会分别在加热/冷却时收缩/伸长，因此，驱动触手以不同的角度向不同的方向弯曲。我们使用固定在机器人触手上的几个摄像头和标记来发现机器人触手的实时弯曲状态触手和反馈控制器向 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 弹簧具有高能量密度。因此，触手也可以变得轻巧紧凑，这可能更适合某些医疗应用。
一个人使用手柄并实时控制机器人触手。
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，因为它可以有效且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，”赵解释道。“这意味着在未来，我们有可能使用软材料制造机械臂、导管或内窥镜，其性能与刚性材料的性能相似。”
虽然到目前为止，研究人员只在他们的实验室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测试它，用它来进行真正的手术。为此，他们现在正致力于进一步改进其系统的驱动、传感和控制能力，以确保它可以帮助外科医生进行内部检查而不伤害患者的身体。
“我们现在希望集成机载传感器，以获取我们机器人触手的实时姿势/形状，”An 补充道。“惯性测量单元 (IMU) 和光纤布拉格光栅 (FBG) 是我们传感系统的潜在候选者。如果我们成功获得单个触手模块的姿势/形状，我们就可以将多个模块段连接成一个更长、更灵巧的软机械手”
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