一种用于体外超声的并联软体机器人末端执行器的设计与集成

目的：本研究通过设计与集成一种用于超声成像的新型软体机器人系统，来解决当前最先进超声机器人的局限性。该系统利用软流体驱动器的固有特性，在超声探头与患者之间建立安全、可适应的交互。方法：我们采集临床数据以确定产前胎儿超声成像所需的运动范围和力水平，并据此设计软体机器人末端执行器。我们验证了其机械特性，推导并验证了一个运动静力学模型，并在超声体模上展示了其可控性和成像能力。结果：该软体机器人展现出期望的刚度特性，在无外力作用时能够达到所需工作空间的 100%，在考虑其柔顺性时能达到 95%。该模型能够准确预测末端执行器的位姿，位置平均误差为 1.18±0.29 mm，姿态平均误差为 0.92±0.47 度。所推导的控制器在无外加负载和有外加负载的情况下，均能以 0.39 mm 的平均位置误差有效跟踪目标位姿。使用该系统采集的超声图像质量与手动超声医师扫描相当。结论：该系统能够承受胎儿超声扫描中常见的负载，并保持可控，其运动范围与手动扫描相似。意义：所提出的软体机器人为在日常扫描工作中减轻超声医师负担提供了一种安全、经济高效的解决方案。其设计与建模范式具有很强的通用性，尤其适用于设计用于物理交互任务的软体机器人。