Development of a Minimally Invasive Surgical Robot Using Self-Helix Twisted Artificial Muscles

弹道 运动学 控制理论(社会学) 弯曲 机器人 跟踪误差 计算机科学 模拟 工程类 人工智能 物理 结构工程 控制(管理) 经典力学 天文
作者
Shuyun Jiang,Dejian Zhou,Yingxiang Liu,Jie Deng,Shijing Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (2): 1779-1789 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tie.2023.3257374
摘要

In the field of surgery, minimally invasive surgical robots (MISRs) have emerged as the persistent pursuit of physicians to minimize harm and perform precise surgery. The structure of newly proposed MISRs tends to change form rigid to flexible, which poses a challenge to precise control. In this work, a MISR actuated by self-helix twisted artificial muscles (SHTAMs) with large bending angle and high precision is developed. The configuration and operation principle of the MISR are illustrated. Then, the physical model of SHTAM and the kinematics model of the end effector are established. The contraction ratio of SHTAM reaches 27.5%, and the output force is 5424.2 mN. Besides, the maximum bending angle (about 92°) of MISR is measured to verify the kinematic analysis. Moreover, in the point positioning control experiments, the steady-state error is less than 0.11°. Subsequently, the trajectory tracking tests on sinusoidal trajectories with different frequencies and amplitudes are carried out, and the circular trajectory tracking experiment is also performed with a maximum error of 1.8° in cold gel environment. The experimental results indicate that the proposed MISR has a large bending angle and can achieve accurate trajectory control, which exhibits excellent prospect in precision minimally invasive surgery.

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