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具有锥形柔性聚合物主干的肌腱驱动机器人：设计、制造与建模

本文介绍了采用热塑性聚氨酯（TPU）柔性锥形背骨的3D打印腱驱动连续体机器人的设计、建模与制造。该可扩展设计集成了一个电子基座外壳，可通过执行器和压缩式载荷传感器直接实现腱张力控制与感知。与许多单一用途且成本高昂的连续体机器人不同，所提出的设计强调可定制性、快速组装与低成本，同时通过几何锥形实现高曲率与增强的远端柔顺性，从而支持广泛的柔顺机器人检测与操控任务。我们基于Cosserat杆理论，采用牛顿方法建立了锥形背骨的通用正向静力学模型，将现有腱驱动Cosserat杆公式扩展为显式考虑空间变化的背骨截面几何。该模型捕捉了锥形引起的梯度刚度分布，并可系统探索构型空间随几何设计参数的变化。具体而言，我们分析了背骨锥角对机器人构型空间与可操作性的影响。该模型经运动捕捉数据验证，在通过线搜索校准杨氏模量以最小化建模误差后，实现了厘米级形状预测精度。我们进一步演示了通过沿连续体机器人布线的内窥镜抓持器，在6自由度机械臂上实现遥操作抓取。提供了参数化iLogic/CAD脚本以快速生成与缩放几何。所提出的框架为使用熔融沉积建模3D打印机制造的锥形腱驱动连续体机器人，建立了从参数化设计到受控腱驱动的简单、快速且可重复的途径。