离轴 compliant RCM关节：近各向同性刚度与最小寄生误差
机器人学
2026-03-31 v1
摘要
本文提出一种离轴、单体 compliant Remote Center of Motion（RCM）关节，用于神经内窥镜操作，实现近各向同性刚度和最小寄生运动。基于Tetra II概念，末端执行器置于四棱柱 flexure之外，以改善视野、便于消毒和实现快速工具释放。设计分为两个阶段：首先依据刚度各向同性目标对 mobility面板进行尺寸确定，然后通过有限元可行性探索合成 constraining面板，以在RCM漂移与刚度各向同性之间进行权衡。该关节采用梁单元进行建模，并通过详细的有限元分析进行验证，包括疲劳限定的应力约束。制造采用选择性激光烧结制造PA12原型，并在台架上进行表征：在末端执行器处施加2 N径向负载，6-DOF电磁传感器记录姿态。所选配置产生刚度椭圆主轴比（PAR）为1.37，寄生/有用旋转比（PRR）为0.63%。在4.5度命令旋转下，预测的RCM漂动保持亚毫米（0.015-0.172 mm）。疲劳分析预测在不同方向下可用的旋转工作空间为12.1度-34.4度。实验再现了仿真中预测的方向刚度趋势，典型偏差为6-30%，证明该设计紧凑、可制造的RCM模块适用于受限的外科手术进入。
引用
@article{arxiv.2603.28240,
title = {Off-Axis Compliant RCM Joint with Near-Isotropic Stiffness and Minimal Parasitic Error},
author = {Federico Mariano and Elena De Momi and Giovanni Berselli and Jovana Jovanova and Just L. Herder and Leonardo S. Mattos},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.28240},
year = {2026}
}