论文标题：Design and modeling of continuum robot based on virtual-center of motion mechanism

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Guoxin LI, Jingjun YU, Yichao TANG, Jie PAN, Shengge CAO, Xu PEI

发表时间：15 Jun 2023

DOI：10.1007/s11465-022-0739-6

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连续体机器人凭借多自由度与高柔顺性的结构优势，在微创手术、航空检修、核电设备维护等狭窄复杂空间作业场景中展现出巨大应用潜力。然而，传统连续体机器人常受限于关节装配误差、弯曲角度不足及建模精度低等问题，难以满足高精度作业需求。

《Frontiers of Mechanical Engineering》2023年第18卷第2期的研究论文“Design and modeling of continuum robot based on virtual-center of motion mechanism”，提出一种基于运动虚拟中心（VCM）机构的连续体机器人设计方案，通过一体化柔性关节设计与伪刚体（PRB）建模，有效突破传统技术瓶颈。

在核心结构设计上，该方案以双叶片式等腰梯形柔性铰链（D-LITFP）为基础构建VCM机构。D-LITFP由两个叶片式等腰梯形柔性铰链（LITFP）串联叠加而成，通过将两个LITFP的瞬时旋转中心（ICR）重合，形成固定旋转轴，实现单自由度大行程转动。同时，采用平行布置的D-LITFP结构提升整体刚度，且VCM机构可一体化加工，无需关节装配，显著降低装配误差，确保弯曲变形均匀性。

建模分析层面，研究将叶片的PRB模型扩展至VCM机构，建立刚度与行程的数学模型。通过推导LITFP在纯弯矩作用下的力学方程，得出等效单铰模型的刚度计算公式，并结合材料屈服强度，确定D-LITFP的最大旋转角度。参数优化结果显示，当LITFP1与LITFP2的结构参数分别为t=0.6mm、b=9mm、H=55mm/46mm时，VCM机构的复合刚度达6.92N?m/rad，最大行程约14.2°，轴向抗压刚度达1915N/mm，可承受至少1800N的轴向压力。

运动学分析与性能验证环节，研究基于分段常曲率理论，建立驱动绳长差与关节弯曲姿态的映射关系，通过Denavit-Hartenberg参数法构建单段及整体机器人的位姿变换矩阵。有限元分析（FEA）与实验结果表明，PRB模型计算值与仿真、实验数据的相对误差均小于10%；3D打印PLA材质的 VCM机构最大弯曲角度达29.6°，满足设计验证需求。所设计的连续体机器人，其弯曲角度重复定位精度约±1.47°，弯曲方向重复定位精度约 ±2.46°，可实现C形、S形及圆周轨迹运动。

研究指出，未来需通过优化关节刚度分布以抵消自重影响，并进一步推进VCM机构小型化，为航空航天、核电等高精尖领域的复杂环境作业提供更优技术方案。该研究为连续体机器人的结构创新与精准控制提供了重要理论支撑，推动柔性机器人技术向更高精度、更广泛应用场景发展。

关键词

运动虚拟中心机构；连续体机器人；柔性关节；伪刚体模型；绳驱动

引用

Guoxin LI（李国鑫）, Jingjun YU（于靖军）, Yichao TANG（唐一超）, Jie PAN（潘杰）, Shengge CAO（曹晟阁）, Xu PEI（裴旭）. Design and modeling of continuum robot based on virtual-center of motion mechanism. Front. Mech. Eng., 2023, 18 (2): 23

https://doi.org/10.1007/s11465-022-0739-6

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