基于介电弹性体驱动的MRI相容操作手系统模型及控制方法研究

MRI-compatible manipulator is a rising topic of surgery robot. Since the conventional actuators are not completely compatible with MRI environment, the dielectric elastomer actuator (DEA) has been introduced to the development of MRI-compatible manipulator. Considering the flexible actuator characteristic of dielectric elastomer, a Variable Geometry Truss is chosen to construct the manipulator. To achieve the accurate control of manipulator trajectory, an idea was proposed based on continuous adjustment of the power supply voltage which results in continuous and accurate displacement output of DEA. Based on analysis of DEA electrostrictive strain characteristics and manipulator regidity, system model of the actuators and the manipulator has been established, which is expected to describe the influence of the dielectric elastomer parameters, mechanism parameters, power supply voltage, and preload on the displacement and output force of the actuator and the manipulator. We hope this could benefit the manipulator design. The quantitative ralationship between the voltage and the manipulator's output force can be obtained by this model, so the force and displacement can be accurately adjusted by the Hybrid Force/Position Control. This research can benefit development of MRI-compatible manipulator and flexble surgery robot and it can also serve as a idea to the development of light mobile manipulator.

MRI相容操作手是外科手术机器人发展的一个新兴方向。针对现有驱动方式与MRI环境不能完全兼容的状况，将介电弹性体驱动方式引入到MRI相容操作手的设计中。考虑到介电弹性体柔性驱动的特点，选择变几何桁架机构作为操作手构型。为实现操作手的精确轨迹控制，提出一种基于连续电压调节来实现介电弹性体驱动器连续精确位移输出的构想；通过介电弹性体驱动器电致变形的机理分析和操作手的刚度分析，建立驱动器和操作手的系统模型，揭示介电弹性体参数、机构参数、加载电压、预载荷对驱动器和操作手输出位移、输出力的影响规律，为操作手的设计提供理论依据。借助系统模型得到加载电压与操作手输出力、输出位移的定量关系，进而利用力位混合控制方法实现操作手探针输出力和位移的精确调节。课题对MRI相容操作手及柔性操作手术机器人的发展具有重要意义，同时也可以为轻型移动机械臂的发展提供新的思路。

由于磁共振成像（MRI）设备中的磁场强度高，传统的电磁驱动机械手无法与MRI设备兼容作业；介电弹性体采用静电场驱动，与MRI设备可以兼容，因此本项目研究了介电弹性体驱动的机械手，以期实现与MRI能够共存的相关作业。. 为使机械手达到期望的负载能力，首先研究了介电弹性体驱动的堆叠驱动器（该驱动器结构紧凑，出力较大），电致应变达到18.2%，出力为0.64N/cm2，达到了MRI相容机械手的要求。但大量实验后发现其寿命短，原因为：该种方式利用介电弹性体薄膜的法向变形来工作，因此需要堆叠几百层以上来满足输出位移要求，这就要求几百层材料及电极均不能失效；就目前的材料和驱动器制备工艺而言，还难以达到这样的要求。之后又探索了圆柱卷形驱动器，但测试后发现其出力小，难以满足机械手的要求。. 为使驱动器的出力能力达到要求，同时在现有的材料及制备工艺条件下达到寿命要求，本项目在后期着重研究了一种新型的介电弹性体旋转关节，这种关节具有更大的负载自重比，全部为软体结构，无任何金属材料，因此可以与MRI充分兼容，且寿命达到了实验室样机的一般要求。对这种关节的静力学、动力学和设计方法进行了研究，成果发表者Applied Physics Letters 和Meccanica期刊上。最后用这种关节制成串联机械手，具备一定的负载能力。. 总体而言，课题存在一些探索失败的地方，比如拟采用的堆叠型介电弹性体驱动器寿命短，无法支持后续研究；因此在2014年末申请了课题内容调整。但欣慰的是，在探索过程中发现了另外一种介电弹性体旋转关节，在负载能力和寿命方面达到要求，同时具有极轻的质量并能够实现全软体，且成本很低，在新一代轻质、快速、防碰撞、低成本软体机械手方面具有非常好的应用前景。当然，目前制备的这种关节也存在不足：其驱动能力会随时间下降，这主要是由于丙烯酸介电弹性体的粘弹性引起的。因此下一步将替换材料，使用硅橡胶来作为驱动，使其能够长时间保持性能稳定。.共发表论文5篇，其中SCI论文4篇。有2篇发表在业内著名期刊Applied Physics Letters上；申请发明专利1项；已培养硕士2名；在培养的博士生1人，硕士生3人。后续将在介电弹性体驱动的软体机器人方面继续开展深入研究。