A surgical parallel continuum manipulator with a cable-driven grasper

Abstract

In this paper, we present the design, construction, and control of a six-degree-of-freedom (DOF), 12 mm diameter, parallel continuum manipulator with a 2-DOF, cable-driven grasper. This work is a proof-of-concept first step towards miniaturization of this type of manipulator design to provide increased dexterity and stability in confined-space surgical applications, particularly for endoscopic procedures. Our robotic system consists of six superelastic NiTi (Nitinol) tubes in a standard Stewart-Gough configuration and an end effector with 180 degree motion of its two jaws. Two Kevlar cables pass through the centers of the tube legs to actuate the end effector. A computationally efficient inverse kinematics model provides low-level control inputs to ten independent linear actuators, which drive the Stewart-Gough platform and end-effector actuation cables. We demonstrate the performance and feasibility of this design by conducting open-loop range-of-motion tests for our system.

Design and Analysis of a Dexterous Gripper Based on Flexible Parallel Continuum Manipulator

“…连续体机器人整体形状连续变化，结构单元多 样，应用范围十分广泛，从手术机器人的远程操作 到工业机器人的灵活抓取 [1] 。其中并联连续体机构 由边界约束平台以及并联排列的柔性支链组成 [2] ， 由于结构的固有柔性和低质量，基于该机构设计而 成的操作手在与人交互时更加的安全，并且在限定 空间中提供准确的多自由度运动， 增强环境适应性，  国家自然科学基金(51875033)和北京市自然科学基金(L172021)资助项 目。20200221 收到初稿，20200506 收到修改稿 同时可以利用自身柔性抵抗外界环境的冲击，避免 损坏 [3] 。与传统的并联刚性连杆操作手相比，在结 构、轻量化和柔顺性方面具有明显优势，与串联连 续体操作手相比，它具有更高的载荷能力、准确性 和可重复性。 SIMAAN 等 [4] 设计了 3-DOF 多杆连续体机构， 并将其应用到远程操作灵巧手术工具的腕关节设计 中，通过在末端增加可拆卸的抓手，实现操作手的 灵巧操作。徐凯等 [5] 提出了多杆连续体机构的广义 构型，通过这种广义构型的组合和连接，能够实现 多领域的应用，如应用在内窥镜和腹腔镜手术机器 人 [6][7] ，工业深腔机械臂 [8] 、肩部康复外骨骼 [9][10] 、 假肢手 [11][12] 以及基于连续体关节的并联机构 [13] 的设 计当中。此外，德国 Festo 公司研制的 3-DOF 仿生 三指操作手 [14] ，通过使用四根柔性驱动杆穿过一个 中间约束平台并联连接，能够为末端操作手提供大 范围的工作空间。连续体机构的发展 [1] 和传统并联 机构的发展为并联连续体机构的提出提供了一定的 基础，其中 BRYSON 等 [2] 首次提出了与传统的刚性 连杆 Stewart-Gough 并联机构相似的 6-DOF 并联连 续体机构，并利用经典的 Cosserat Rod 模型对该机 构的运动学和动力学 [15] 进行准确分析。OREKHOV 等 [16] 将 6-DOF 并联连续体机构与绳驱动的抓手相 结合应用于手术内镜检查中，将这种小型化多自由 度 的 操 作 手 应 用 于 空 间 限 定 的 手术操 作 中 。 YOUNG 等设计了 6-DOF 并联连续体机构 [17] ，并将 其应用于指尖可穿戴设备中，用来传递指尖的触觉 线索 [18] 。林华杰等 [19] 设计了 3-DOF 并联连续体机 构，采用 D-H 法对机构进行运动学分析，最后通过 仿真验证了运动模型。WU 等 [20] [24] 。 利用可操作度椭球体， 在特定位型下能够更加直观、 形象地对机构的灵活性能进行表达。 机构末端速度的可操作椭球体可表达为 M=[0,0,0…”

Design and Analysis of 6-DOF Triple Scissor Extender Robots With Applications in Aircraft Assembly

“…The drawback of parallel manipulators is a relatively small workspace, as analyzed in [6], [7], and [8]. Combining parallel manipulators with extendable mechanisms, such as cables [9] and scissor mechanisms [10] [11], makes the workspace significantly larger.…”