医学院廖洪恩课题组在气动软体机器人领域获得重要进展-清华大学医学院

研究成果

医学院廖洪恩课题组在气动软体机器人领域获得重要进展

2022-01-11

近日,医学院生物医学工程系国家级特聘专家廖洪恩教授课题组在国际著名学术期刊《软体机器人》(Soft Robotics)上发表题为“正负压一体化可编程气动驱动系统”(Pneumatic System Capable of Supplying Programmable Pressure States for Soft Robots)的学术论文。该研究提出的气动驱动与控制系统具有“正负压一体化”和“可控充放气”的独特优势,可作为通用的气动平台,适用于研究中普遍的气动软体机器人的多种气压需求和精细气压控制。

软体机器人作为机器人领域的一个新兴分支,与刚性结构相比,具有高柔顺性、大自由度和环境共融性,在仿生机器人、搜索机器人、辅助设备和医疗机器人等领域都有潜在应用。气动软体机器人所有运动性能均通过单个或多个气腔形变组合进而控制机器人的位姿和运动,因此精确、稳定的气压控制可直接影响气动软体机器人的运动性能。软体机器人灵活性和机器人任务的复杂性的提高,对气动系统及气压控制精度提出了更高的要求(图1)。

1典型的正压、负压、正负压混合驱动的单腔软体驱动器

目前的气动驱动与控制系统中,气缸方案气体体积难以保证持续的供气,气泵方案大多数只能提供正压或负压的单一压力状态,难以满足正负压驱动软体机器人的驱动需求;且由于电磁阀的离散开关特性,在放气过程中气压会发生急剧下降,导致难以实现精确的压力控制;一些同时产生正压和负压的气动方案通常使用多个单独的泵源分别提供正压和负压,增加了系统的复杂性,且难以实现正负压的平稳快速转换。

2正负压一体化可编程压力气动驱动系统原型机及单路气动方案原理

该研究提出的创新的气动设计理念和气动配置,可满足各种机器人应用的不同压力要求(图2),具有“正负压一体化”和“可控充气和放气”的独特优势,该方案单路仅使用一个泵源和最少量的电磁阀组合即产生从负压到正压范围的可编程压力状态。设计了特殊的控制策略和闭环反馈控制算法,以实现充气和放气过程的可控和精确的压力调节(图3和动图演示),作为气动机器人领域通用的驱动平台,可进一步集成化和小型化,具有普适性(正压、负压、正负压混合驱动)和扩展性(气动、液动)。该研究突破了软体机器人气动驱动方案的技术瓶颈,解决了现有气动驱动方案单一压力状态、放气过程压力不可控的问题,对软体机器人驱动和控制领域具有重要价值和意义。

3:可控并联平台应用示范


清华大学2019年博士毕业生,现西湖大学工学院助理研究员张博语为该研究的第一作者。清华大学医学院教授廖洪恩是该研究的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目、北京市自然科学基金等项目支持。


廖洪恩教授团队简介

廖洪恩教授团队致力于智能微创诊疗一体化、新型手术机器人与智能控制、高性能裸眼三维立体医学影像等领域的研究,并取得一系列重要成果。与医疗机器人相关的研究被国际知名学术期刊《软体机器人》(Soft Robotics)、《IEEE机器人与自动化通讯》(IEEE Robotics and Automation Letters)等报道。这些技术突破传统意义微创手术概念,开拓新兴微创高精度诊疗领域,期待为未来的智能型诊疗设备研发及临床应用奠定基础。团队提出的“微创诊疗一体化”与未来新型医疗模式紧密结合,揭示了未来微创诊疗器械柔性化、诊疗一体化的趋势,体现了实验室在医疗健康领域立足眼前并兼顾长远发展的自主创新方向,也将助推“中国制造2025”和国产医疗器械的自主创新。

[论文原文链接]:

http://doi.org/10.1089/soro.2021.0016

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