13、基于串联弹性执行器的内窥镜肌腱力控制及稳定行走式内窥镜尖端设计

基于串联弹性执行器的内窥镜肌腱力控制及稳定行走式内窥镜尖端设计

1. 串联弹性执行器（SEA）在内窥镜中的应用

在医疗机器人领域，精确的工具操作至关重要。对于内窥镜这类设备，力的精确测量和控制是提高手术精度和安全性的关键。串联弹性执行器（SEA）为解决这一问题提供了新的思路。

1.1 SEA的原理与优势

SEA通过在电机和负载之间引入扭转弹簧，将力测量问题转化为位置测量问题。弹簧的扭转刚度为 (k_s) ，它可以放置在内窥镜外部靠近电机的位置。这种配置虽然不能消除肌腱摩擦对力测量的影响，但能实现更稳健的测量。

弹簧在电机和负载之间起到低通滤波器的作用。一方面，它可以降低传动过程中的峰值力，提高系统的抗冲击能力；另一方面，它会限制输出力的带宽，在系统设计中需要进行权衡。不过，外科手术任务通常不需要高度动态的运动，因此SEA在这方面的限制影响较小。

1.2 实验设置与方法

为了验证SEA在肌腱驱动内窥镜中的应用概念，设计并制造了一个实验装置。内窥镜原型有两个自由度，但首次实验仅使用了一个自由度。通过两条拮抗肌腱（用索引 (i) 表示肌腱编号）来控制内窥镜尖端的上下俯仰运动（(i = 1) 向上，(i = 2) 向下）。

实验装置包括内窥镜原型、驱动组件和控制系统。肌腱的一端连接在内窥镜尖端，另一端缠绕在绞盘上。绞盘通过扭转弹簧与直流电机相连，电机施加扭矩使绞盘转动，从而产生肌腱力 (F_i) ，驱动内窥镜尖端运动 (\phi) 。

为了测量弹簧的偏转，在每个轴 (i) 上使用了两个14位绝对编码器：一个放置在电机和弹簧之间，测量电机位置 (q_{i,m}) ；另一个放置在弹簧和