双驱动器仿肺软体机器人建模与变形分析

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.10.027

摘要/Abstract

摘要：

针对图像引导放射治疗带来的额外辐射剂量问题，以环节动物的肌肉静水结构为启发设计了一种双驱动器仿肺软体机器人，体外模拟人体肺部的呼吸变形。对仿肺软体机器人进行了三维建模和有限元仿真，由仿真结果可知，加装轴向驱动器能增加仿肺软体机器人变形自由度，使其更趋向真实肺部变形。通过共形几何方法分析了仿肺软体机器人的变形特性，并通过实验测试了其变形性能。研究结果表明：当径向驱动器气压为1 kPa和2 kPa、轴向驱动器气压为7 kPa时，径向驱动器的z轴尺寸伸长率分别为10.95%和8.87%，所设计的仿肺软体机器人能够满足模仿肺部变形的要求。最后，通过线性拟合得到了变形程度与充气气压之间的关系式，可应用于仿肺软体机器人的变形控制。

关键词: 仿肺软体机器人, 双驱动器, 共形几何, 变形分析

Abstract:

To address the problems of extra radiation dose caused by image-guided radiotherapy， a dual-actuator lung-like soft robot inspired by the muscle hydrostatic structure of annelids was designed to simulate the respiratory deformation of human lungs in vitro. The 3D modeling and finite element simulation of the lung-like soft robots were carried out. The simulation results show that the axial actuator may increase the degree of deformability of the lung-like soft robots and makes it more inclined to the real lung deformability. The deformation characteristics of the lung-like soft robots were analyzed by means of conformal geometry. The deformation performance of the robots was tested by experiments. The results show that when the radial actuator pressure is as 1 kPa and 2 kPa and the axial actuator pressure is as 7 kPa， the z-axis elongation of the radial actuator is as 10.95% and 8.87%， respectively. The designed lung-like soft robots may meet the requirements of imitating lung deformation. Finally， the relationship between the deformation extent and the inflation pressure was obtained by linear fitting， which may be applied to the deformation control of the lung-like soft robots.

Key words: lung-like soft robot, dual actuator, conformal geometry, deformation analysis

中图分类号:

TP242

张来喜, 赵杨昊宇, 朱盛杰, 马凯威, 徐丰羽. 双驱动器仿肺软体机器人建模与变形分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2379-2388.

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图/表 21

图1 双驱动器仿肺软体机器人的结构

Fig.1 Structure of lung-like soft robot withdual ctuators

图2 右肺的三维建模

Fig.2 3D modeling of the right lung

表1 人体肺部平均尺寸与仿肺软体机器人尺寸对比 (cm)

Tab.1 Comparison of the average human lung size with the size of the lung-like soft robot

方向

男性平均尺寸

女性平均尺寸

仿肺软体

机器人尺寸

图3 轴向驱动器结构

Fig.3 Structure of axial actuators

表2 两种本构模型材料参数

Tab.2 Material parameters of the two superelastic models

本构模型	材料参数	试样1	试样2	试样3	平均值
Mooney-Rivlin	C₁₀	0.2761	0.2585	0.2791	0.2712
Mooney-Rivlin	C₀₁	$-$ 0.4288	$-$ 0.3874	$-$ 0.4324	$-$ 0.4162
Yeoh	C₁₀	0.0106	0.0124	0.0117	0.0116
Yeoh	C₂₀	0.0312	0.0341	0.0335	0.0329

表2 两种本构模型材料参数

Tab.2 Material parameters of the two superelastic models

本构模型	材料参数	试样1	试样2	试样3	平均值
Mooney-Rivlin	C₁₀	0.2761	0.2585	0.2791	0.2712
Mooney-Rivlin	C₀₁	$-$ 0.4288	$-$ 0.3874	$-$ 0.4324	$-$ 0.4162
Yeoh	C₁₀	0.0106	0.0124	0.0117	0.0116
Yeoh	C₂₀	0.0312	0.0341	0.0335	0.0329

图4 径向驱动器坐标系定义

Fig.4 Coordinate definition of the radial actuator

图5 径向驱动器特征点的选取

Fig.5 Feature points selection of the radial actuator

图6 径向驱动器变形对比

Fig.6 Deformation comparison of the radial actuator

图7 径向驱动器变形趋势

Fig.7 Deformation trend of radial driver

图8 固定径向驱动器气压时轴向驱动器变形

Fig.8 Axial actuator deformation when radial actuator pressure is fixed

图9 沿最短路径画出的曲面新边界

Fig.9 New boundary of a surface drawn along the shortest path

图10 共形参数化所得圆环

Fig.10 The ring from conformal parameterization

图11 气压与共形模关系

Fig.11 The relationship between pressure and conformal modulars

图12 径向驱动器左侧上半部分模具

Fig.12 The upper mould of the left actuator

图13 轴向驱动器模具

Fig.13 axial actuator moulds

图14 轴向驱动器导向筒

Fig.14 Axial actuator guide cylinder

图15 双驱动器仿肺软体机器人样机

Fig.15 Prototype of dual actuators lung-like soft robot

图16 气动试验平台1.气泵 2.过滤减压阀 3.调压阀 4.电气压力比例阀5.控制模块 6.电源模块 7.数显气压表8.上位机 9.仿肺软体机器人

Fig.16 Pneumatic test platform

图17 双驱动器仿肺软体机器人z轴方向尺寸变化

Fig.17 Size change in the z-axis direction of the dual-actuator lung-like soft robot

表3 双驱动器仿肺机器人x、y轴方向尺寸变化

Tab.3 Size changes in x and y axes of the dual-actuator lung-like robot

数据来源	气压p/kPa	x/mm	y/mm
有限元仿真	1	119.9	162.6
有限元仿真	2	130.3	164.7
充气试验	1	121.7	163.8
充气试验	2	131.6	166.3

图18 仿肺软体机器人两种变形状态

Fig.18 Two inflatable satus of the lung-like soft robot

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