具备可编程“随动”操作的螺旋线缆驱动连续体机器人
机器人学
2026-01-21 v1
摘要
脊髓刺激（SCS）主要用于疼痛管理，最近已证明在促进脊髓损伤患者的功能恢复方面具有疗效。对运动神经元的有效刺激理想情况下需要将 SCS 导线放置在皮质脊髓束和红核脊髓运动纤维所在的腹侧或外侧硬膜外腔。这对当前的手动导向标准构成了重大挑战。在本研究中，我们提出了一种针对 ExoNav 的静态建模方法，ExoNav 是一种可转向的机器人工具，旨在促进向腹侧和外侧硬膜外腔的精确导航。采用 Cosserat 杆框架建立线缆驱动力与机器人整体形状之间的关系。研究了重力作为外部载荷的示例，并将其在模型和仿真中实现。实验结果表明，四个测试原型的均方根误差（RMSE）分别为 1.76mm、2.33mm、2.18mm 和 1.33mm。基于驱动时 ExoNav 的螺旋形状，通过向该机器人系统添加插入和旋转自由度（DoF），它能够执行“随动”（FTL）运动，这一点已在仿真和实验中得到证明。所提出的仿真具备计算最佳线缆张力以在存在重力引起的机器人变形时跟随所需 FTL 路径的能力。进行了三次 FTL 实验测试，末端执行器位置显示出与所需路径的可重复对齐，最大 RMSE 值为 3.75mm。最后，进行了体模模型演示，其中遥操作机器人成功导航至脊髓外侧和腹侧目标。此外，用户能够导航至背根神经节，展示了 ExoNav 在运动功能恢复和疼痛管理方面的潜力。
引用
@article{arxiv.2601.13177,
title = {Helical Tendon-Driven Continuum Robot with Programmable Follow-the-Leader Operation},
author = {Behnam Moradkhani and Raghav Sankaranarayanan and Pejman Kheradmand and Harshith Jella and Nicholas Ahn and Ajmal Zemmar and Yash Chitalia},
journal= {arXiv preprint arXiv:2601.13177},
year = {2026}
}
备注
8 pages, 9 figures