機器人技術與系統全國重點實驗室劉英想教授團隊在壓電機器人操控器研究方面取得新進展

　　【儀表網 研發快訊】近日，機器人技術與系統全國重點實驗室劉英想教授團隊在壓電機器人操控器研究方面取得新進展，成功研制出一種用于血管精準穿刺的新型壓電機器人操控器。相關研究以《一種面向生物體精細穿刺的二維跨尺度壓電機器人操控器》(A Compact 2-DOF Cross-Scale Piezoelectric Robotic Manipulator with Adjustable Force for Biological Delicate Puncture)為題發表在《IEEE機器人學匯刊》(IEEE Transactions on Robotics)上。這一研究成果為機器人操控器多自由度、大工作范圍、高精度及大穿刺力的兼備提供一種有效解決思路，在細胞和血管等生物體微穿刺領域具備了應用潛力。
 

　　生物體微操作是生物醫學工程領域的一項共性支撐技術，也是機器人技術的重要應用方向。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，其中以細胞和血管等生物體微穿刺最具挑戰。隨著穿刺對象逐漸由“大尺寸”“規則形狀”向“小體積”“復雜形態”發展，對機器人操控器的多項技術指標均提出了苛刻需求。現有機器人操控器受結構、致動元件和驅動方法的限制，在維度、尺度、精度、力度、電磁兼容性和結構緊湊性等方面存在諸多局限。因此，面向細胞和血管等生物體的精細穿刺需求，如何研制出多性能兼備的機器人操控器成為本領域的重大挑戰之一。
 

　　針對上述問題，團隊分析了現有各類機器人操控器的設計方法、結構特征、驅動模式和性能參數，提出了一種基于“單驅動器+雙模塊+多維軌跡”驅動圓柱型動子實現二維直線-旋轉運動的設計思想，并基于該思想設計了一種壓電機器人操控器的新構型。該操控器的壓電驅動模塊采用多柔性鉸鏈與縱-彎-彎壓電致動元件融合設計策略，實現了致動元件的運動轉換和驅動模塊的三維軌跡解耦輸出；通過壓電驅動模塊、壓電鎖止模塊與光軸的集成設計，實現了操控器的緊湊結構和穿刺力的精準可調。團隊進一步提出了一種雙足多維軌跡協同步進的驅動方法，實現了操控器無回退的二維跨尺度運動，并基于理論分析和有限元仿真方法研究了關鍵結構參數對位移響應和穿刺力的影響規律。為了驗證相關設計和方法的可行性，團隊研制了壓電機器人操控器樣機，實驗結果表明，該操控器直線和旋轉運動范圍分別為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，解決了現有機器人操控器難以實現多自由度、大工作行程、高精度和大穿刺力兼備的難題。
 

　　此外，團隊還研制了一款專用手持控制器，并基于團隊前期自研的六維壓電平臺構建了一套機器人精細穿刺系統。試驗結果表明，團隊所研發的機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，并在300毫牛穿刺力下實現了外徑780微米彎曲狀硅膠血管的精準穿刺。相關結果表明，該型操控器可為不同尺寸、不同形態的細胞或血管等生物體精細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。機電工程學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。
 

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

壓電機器人操控器的構型、驅動方法、系統構建與應用實驗