微创手术机器人mciro hand a主从控制策略研究

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1、微创手术机器人MciroHandA主从控制策略研究0引言微创手术是利用细长的手术工具通过病人体表切口探入体内进行手术操作的。与传统开口手术相比，它可以减少手术对病人造成的创伤，缩短恢复时间。另一方面，它也为医生操作带来了诸多困难，如：灵活性降低，工具的自由度被约束为4个(不含开合)；由于切口的限制，操作呈现杠杆效应；医生通过二维显示器获得手术场景的信息，缺乏深度方向上的感觉。微创手术的这些缺点，使得其仅在相对简单的手术中得到应用[1]。微创手术操作示意图所示。微创手术的优势及其局限性，使得医生期望获得辅助设备以方便实施

2、并能够在更多领域中开展这类手术[2]。机器人技术的引入可以：a)增加工具的自由度数；b)发挥机器人操作稳定、定位准确的优势；c)使医生在三维图像下进行手术操作，且能够克服眼手不协调的缺点[3]；d)机器人辅助手术还具有远程操作的潜力[4]。近年来，多种形式的微创机器人样机相继开发出来，包括利用自然腔道进行操作的微型机器人[5，6]，直接安装于病人身体之上的小型机器人[7，8]，安装于手术床上的机器人[9]，布置于地面的体积较大的机器人[10，11]等。其中，由IntuitiveSurgical.Inc.开发的daVin

3、ci机器人系统[11]及由ComputerMotion公司开发的Zeus机器人系统[12]，均通过了美国FDA认证。文献[13]总结了两者的特点及性能比较。两公司合并后，Zeus机器人系统不再生产[14]。然而，已获得推广的机器人也存在相关问题，如：技术垄断、价格昂贵、所提供的手术工具并不能满足不同区域的病人的需求等。尽管如此，机器人技术对手术操作带来的变革仍然被认为与CT、MRI等图像技术对医疗诊断带来的变革等同[15]。针对这种情况，我们自主研发了新型的微创手术机器人“MicroHandA”系统。本文以“Micro

4、HandA”为研究对象，建立了微创机器人系统的主从运动控制策略，包括：运动一致性控制，比例控制及增量式控制。解决了医生眼手运动不协调及主从手异构等问题。通过设计套环-滑竿实验、缝合打结等实验，验证了控制策略的正确性、有效性。1“MicroHandA”系统简介“MicroHandA”系统为主从式手术机器人系统，由主操作手与从操作手两大部分组成。其中，主操作手系统为自主研发的具有重力平衡功能的力反馈型设备，位姿解耦，操作灵活，能够在三个移动方向上提供最大为12N的持续反馈力。机器人的从操作手系统由三部分组成：用于手术前对机

5、器人进行快速调整的被动调整臂系统，在手术过程中不参与运动；用于夹持手术工具实现绕体表切口运动的主动机械臂系统；以及实际进行手术操作的多自由度手术工具。主动机械臂利用新型的机械结构[16]，实现了微创手术操作需要工具在运动中始终通过固定切口的需求；文献[17]介绍了主动机械臂的详细设计及优化过程。具有多种形式的手术工具有4个自由度，外径为8mm。通过手术仿真，可以确定合适的切口位置及机器人的初始位姿，再对被动机械臂进行调整，使主动机械臂到达理想位姿后，便可以运用“MicroHandA”系统进行辅助手术。包含运动映射与力映

6、射两个过程的系统总体功能。2控制系统软件层级合理的划分控制系统软件的层级结构，对于复杂的控制系统来说非常必要。它不仅有利于系统调试，还有利于系统维护与升级。根据微创手术机器人的功能及需求，将“MicroHandA”的控制软件划分为界面层、核心软件层及底层驱动层三个层级。界面层用于完成参数设置、状态显示、功能切换、比例调整、处理工具更换及机械臂干涉问题等功能。核心软件层是实现主从运动控制及力反馈控制的关键层，它包含主从运动学计算、力反馈计算及状态检测等模块。应当指出，目前机器人从操作手尚未安装力检测元件，因此主从操作时，

7、主操作手端只是提供运动输入，而无力矩输出。核心软件层保留的力反馈计算功能，只是在手术仿真时用以实现虚拟力反馈。底层驱动层主要包含各电机驱动器、I/O驱动设备等，是对各控制信号的执行部分。“MicroHandA”软件架构如所示。3相关运动策略针对传统微创手术在操作上的诸多问题，“MicroHandA”系统采用了一系列运动控制策略，主要包含运动一致性控制、比例控制及增量式控制三种。3.1运动一致性控制运动一致性控制主要用于解决传统手术操作中眼手不协调的问题。本控制策略目的是实现手术工具末端的姿态和运动方向与主操作手末端的姿

8、态及运动方向一致，即实现直觉运动控制。在主从操作过程中，如果操作者直接观察被操作环境的信息(通常在系统调试阶段使用)，则主从操作手的运动应在同一参考坐标系下描述，如中的大地坐标系Gxyz。若操作者通过图像设备(内窥镜、显示器等)观察被操作环境的信息(机器人辅助手术过程采用的方式)，则主操作手的运动应在显示器坐标系下进行描述，如中D