在微创手术领域，器械需穿过狭长通道后，于体内狭小空间内实现灵活、稳定且精准的操作，同时还要在保证执行器小尺寸的前提下，兼顾“柔顺交互”与“刚性操作”的双重手术需求，这是一项持续存在的挑战。近日，北京理工大学段星光教授、李长胜副教授团队联合香港中文大学Hongliang Ren教授团队、谢菲尔德大学Lin Cao教授团队在SmartBot期刊上发表了题为“Compact Manipulator With Flexible Parallel Mechanisms and Variable Stiffness for Keyhole Procedures”的研究文章，被选为封面论文。

SmartBot 是Wiley出版集团出版的开放获取英文学术期刊，已获得中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目支持，聚焦智能机器人领域的前瞻性科研成果，旨在打造高影响力、多学科、专业性的机器人领域国际卓越期刊。

文章创新性提出了一款外径仅4.5毫米、具备7个运动自由度和主动刚度调节能力的柔性并联手术执行器。该执行器采用驱动单元与末端执行机构相分离的布局，二者通过一根长度可调的不锈钢管连接，从而使笨重的电机和传动机构得以远离手术操作区域。其核心创新在于末端执行器——一个由近端和远端两个柔性并联机构串联而成的灵巧构型。近端机构由6根PEEK柔性管构成，远端机构则由6根具备超弹性的NiTi杆组成。这一设计巧妙融合了并联机构的高刚度、高精度优势与柔性机构的连续、无铰链特性，有效解决了手术执行器在微型化设计中的关键难题。同时，执行器中央预留有直径1.8毫米的通道，为集成手术工具与传感器等提供了充分空间。

为实现精准控制，需建立能够准确描述其形变的数学模型。本文在常曲率假设下，构建了该柔性并联机构的运动学模型。通过引入一组虚拟运动参数，推导出从驱动空间到末端执行器位姿的映射关系。基于该模型进行仿真分析，确定了执行器的可达工作空间，并验证了其能够实现较大的轴向位移。仿真结果表明，该执行器的工作空间与操作灵巧性均能满足如内镜下脊柱手术等典型锁孔手术的要求。

为验证理论模型的有效性，研究团队搭建了一套遥操作测试平台，该平台集成了主手操控设备、从端执行器及视觉反馈系统。实验中，由外科医生远程操控执行器末端，使其沿预设的螺旋线、十字及五角星等复杂轨迹进行运动。通过高精度视觉系统记录的实际轨迹与理论轨迹对比分析显示，其平均跟踪误差仅为0.49毫米。该结果不仅证实了所建立运动学模型具有较高的准确性，也表明该系统能够满足精细手术任务对操作精度的要求。

为实现手术过程中安全性与适应性的提升，本研究提出并实现了一种“刚柔并济”的刚度主动调节机制。通过调整并联机构中柔性分支链的有效长度，可动态改变执行器的整体结构刚度。理论分析建立了分支刚度与整体刚度矩阵之间的耦合关系模型。实验结果表明：在短链配置下，执行器呈现高刚度，可提供稳定支撑；在长链配置下则切换为低刚度模式，适用于探查等需被动顺应组织环境的精细操作。实测数据与理论模型高度吻合，验证了该刚度调节方法的有效性与准确性。

为评估执行器在真实狭窄环境下的操作性能，研究设计了在青椒内部摘取种子的模拟实验。青椒的不规则内腔结构和附着在内壁的种子，有效模拟了人体内腔的非结构化环境。实验过程中，执行器在内窥镜的二维图像引导下，依次完成了进入腔体、内部探索、定位种子、实施夹取和安全退出等一系列操作步骤。该实验结果表明，执行器在视觉信息有限且空间严重受限的条件下，具备执行环境探查和精细操作任务的能力。

为在更接近真实手术场景的条件下评估性能，本研究利用离体猪肠组织开展了实验验证。实验中，执行器需克服组织形变、表面黏液附着及视野局部受限等多种实际挑战。测试结果表明，执行器可实现超过30毫米的轴向位移与最大50度的主动弯曲，并在部分视野盲区内完成对组织的基本操作。该实验初步验证了执行器在复杂生物组织环境中的可行性与适应性，为后续研究与系统优化提供了重要依据。

本研究系统介绍了一款面向锁孔手术的柔性并联式手术执行器，完整呈现了其机械结构设计、运动学建模与综合性能验证的全过程。通过一系列实验，系统评估了该执行器在操作精度、刚度调节能力、灵巧性及环境适应性等方面的表现。实验结果表明，该执行器在结构紧凑的前提下，能够实现较高的运动精度与有效的刚度调控，展现出良好的手术应用潜力。

全文链接: https://doi.org/10.1002/smb2.70015

To cite this article:Li, Changsheng, Jinpeng Diao, Chao Qian, et al. 2025. “ Compact Manipulator With Flexible Parallel Mechanisms and Variable Stiffness for Keyhole Procedures,” 

SmartBot: e70015. https://doi.org/10.1002/smb2.70015.