用于MRI扫描仪机器人的紧凑型串联弹性致动器模块的设计与控制
机器人学
2026-03-03 v3
摘要
机器人辅助技术拓展了磁共振成像(MRI)引导下医疗干预的能力，然而，专为MRI环境设计的力控致动器仍然有限。在本研究中，我们提出了一种新颖的MRI兼容旋转式串联弹性致动器(SEA)模块，该模块采用速度源型超声波电机，用于在MRI扫描仪内进行力控操作。与先前MRI兼容的SEA设计不同，我们的模块采用传动系力传感SEA架构，在变速箱和电机外壳之间放置了四个商用压缩弹簧。为了实现精确的扭矩控制，我们开发了一种基于扰动观测器的控制器，该控制器专为速度源型电机设计。该控制器即使在变化的外部阻抗下也能改善扭矩调节，增强了致动器在MRI引导医疗干预中的适用性。实验验证确认了在3特斯拉MRI和非MRI环境下均能实现有效的扭矩控制，达到5%稳定时间为0.05秒，稳态误差在致动器最大输出扭矩的2.5%以内。值得注意的是，该控制器在低阻抗和高阻抗条件下均能保持一致的性能。
引用
@article{arxiv.2406.07670,
title = {Design and Control of a Compact Series Elastic Actuator Module for Robots in MRI Scanners},
author = {Binghan He and Naichen Zhao and David Y. Guo and Charles H. Paxson and Alfredo De Goyeneche and Michael Lustig and Chunlei Liu and Ronald S. Fearing},
journal= {arXiv preprint arXiv:2406.07670},
year = {2026}
}