机械工程学报

作者：向红标, 赵向虹, 杨璐, 王收军, 张森, 张冕

单位：1. 天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津 300384;2. 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津 300384

关键词：磁性连续体操作手,结构逆向设计,工作空间优化,有限元仿真,微型软体机器人；

基金：天津市自然科学基金(20JCYBJC00790)和国家自然科学基金(52475120)资助项目。

磁性连续体操作手因具备无线驱动、高柔性与良好生物相容性，在微创手术等精密操作场景中展现出广阔应用前景。然而，受限于磁弹性连续体建模的非线性特性与结构参数间的强耦合关系，难以实现从目标任务需求出发的高效结构逆向设计。为此，提出一种面向工作空间需求的磁性连续体操作手结构逆向设计与优化方法。所提方法采用基于模块组合的结构表达方式，构建以任务目标为导向的工作空间性能评价模型，面向以位置为目标和以特定面积为目标的工作空间优化的两类典型任务场景，引入具有权重调节机制的优化算法，并结合COMSOL有限元仿真，完成参数优化与结构生成。基于优化结果制作了相应的操作手，并通过仿真与试验验证操作手的形变姿态轨迹与工作空间的准确性。进一步通过搬运与组装试验，验证了操作手在不同场景中的任务执行能力。研究结果表明，该方法可有效实现磁性连续体操作手在多目标场景下的定制化设计与性能适配，适用于微创医疗、柔性操控等柔性机器人关键领域。

来源：2025年第19期

《机械工程学报》期刊编辑部

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