（机械电子工程专业论文）喉部手术机器人主从控制与实验系统的研究开发.pdf

中文摘要 本文所研究与开发的主从控制喉部手术机器人主要面向喉部微创外科手术。 该系统能够在狭长的喉部空间内完成对病变组织的夹持、分离、切除、手术清淤 等基本手术操作。 首先，分析了喉部手术的任务要求和手术的基本操作，并以此为依据，对喉 部手术机器人的从手结构进行了具体分析和设计。其中，主要进行了从手位置机 构、姿态机构和从手工具的设计。并且应用d h 方法对喉部手术机器人的主、从 手分别建立了数学模型，最终完成支撑喉镜下主从对应运动的数学模型、进退刀 数学模型的创建以及主从手工作空间分析。 其次，在提出的总体控制算法的基础上，设计和开发了喉部手术机器人主从 控制系统，主要包括硬件系统整体结构确定以及各自由度电机选型、运动控制卡 选择，与基本手术操作相对应的各运动单元程序设计以及虚拟仿真系统的人机界 面设计。 再次，为了解决喉部手术机器人术前准备过程中机器人和病人之间定位难的 问题，进行了定位系统设计。其基本思想为实现视觉导引下的快速移动定位。定 位系统设计包括了视觉导引系统设计和手术床定位调整系统设计。 最后，设计并进行了该喉部手术机器人的主从控制性能研究测试，并在此基 础上完成了猪的喉部声带肿物切除手术的动物实验。手术过程中，没有对正常组 织造成任何伤害，基本达到预期效果。实验结果表明，该机器人系统具有较好的 安全性、灵活性、稳定性和可靠性，其设计能够满足喉部手术的要求。 关键字：喉部手术机器人主手从手主从控制控制系统定位系统 动物实验 a bs t r a c t am a s t e r - s l a v ec o n t r o ls u r g i c a lr o b o ts y s t e mw a sd e v e l o p e df o rm i n i m a l l y i n v a s i v el a r y n g e a ls u r g e r yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es y s t e mi sa b l et op e r f o r mb a s i c s u r g i c a lo p e r a t i o n s ，s u c ha sg r a s p i n g ，s e p a r a t i n g ，c u t t i n ga n ds u c t i o ni nt h el o n ga n d n a r r o ws p a c eo ft h r o a t f i r s t l y , a n a l y s i sw a sd o n eb a s e do nt h er e q u i r e m e n t sa n dt h eg e n e r a lo p e r a t i o n s f o rl a r y n g e a ls u r g e r y a n dd e t a i ld e s i g na n da n a l y s i so ft h es l a v em a n i p u l a t o rw a s d i s c u s s e d ，m a i n l yi n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h es l a v em a n i p u l a t o r sa lm s ，w r i s t sa n d t o o l s w i t hd e n a v i t - h a r t e n b e r gm e t h o d ，t h em a t h e m a t i cm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e df o r m a s t e rm a n i p u l a t o ra n ds l a v em a n i p u l a t o rs e p a r a t e l y t h e nt h em a s t e r - s l a v em o d e l i n s i d et h el a r y n g o s c o p e ，t h ee n t e r i n ga n dq u i t t i n gm o d e lf o rt h et o o l s ，t h ew o r ks p a c e s f o rt h em a s t e ra n dt h es l a v ew e r ea n a l y z e d s e c o n d l y , am a s t e r - s l a v e c o n t r o l s y s t e m f o r l a r y n g e a ls u r g i c a lr o b o tw a s d e v e l o p e db a s e do nt h eg e n e r a lc o n t r o la l g o r i t h mp r o p o s e db yu s ，i n c l u d i n gt h e o v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h eh a r d w a r ea n dt h es e l e c t i o nf o re a c hm o t o ra n dm o t i o n c o n t r o lc a r d ，t h em o t i o np r o g r a m m i n gt oe v e r ys u r g e r yo p e r a t i o na n dt h ev i r t u a l e m u l a t i n gs y s t e mf o rh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h i r d l y , l o c a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e dt os o l v et h ep o s i t i o n i n gp r o b l e mb e t w e e n t h er o b o ta n dt h ep a t i e n tb e f o r et h eo p e r a t i o n f a s t m o v i n gp o s i t i o n i n gu s i n gt h e v i s i o ng u i d a n c ei st h ee s s e n t i a li d e a i tm a i n l yi n c l u d e st h ed e s i g n so fv i s i o ng u i d a n c e s y s t e ma n ds u r g e r yb e da d j u s t i n gs y s t e m f i n a l l y , t e s t sw e r ed e s i g n e da n de x e c u t e dt oc o n f i r mt h er e l e v a n tp e r f o r m a n c e so f t h em a s t e r - s l a v ec o n t r o ls y s t e m t h ee x p e r i m e n t , c u t t i n gk n u bt i s s u ef r o mv o c a lc o r d s o ft h ep i g ，w a sw e l ld o n ew i t h o u ta n yi n j u r y , c o n f o r m i n gt oo u re x p e c t a t i o no f e f f e c t i v e n e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti ti sp o s s i b l et oa p p l yt h em a s t e r - s l a v es y s t e mt o p e r f o r mc u r r e n tm i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r yf o rt h r o a tt h r o u g ht h el a r y n g o s c o p ew i t h g r e a ts a f e t y , d e x t e r i t y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：l a r y n g e a ls u r g i c a lr o b o t ；m a s t e rm a n i p u l a t o r ；s l a v em a n i p u l a t o r ； m a s t e r - s l a v ec o n t r o l ；c o n t r o l s y s t e m ；p o s i t i o n i n gs y s t e m ；a n i m a l e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：新岳山 签字日期： z 。7 年z 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：郭岳山 签字日期：z d 0 7 年7 月 石日 导师签名： 签字日期：2 缴石日 妒_ 7 年乙月石日 第一章绪论 1 引言 第一章绪论 随着社会的进步和生活水平的不断提高，人类对自身疾病的诊断、治疗、预 防以及卫生健康给予越来越多的关注。然而传统的人工直接操作的手术方式由 于大夫疲劳、精度低等因素，极太的影响了手术教果。因此，数字化医疗仪器设 备得到了迅速的发展，已成为当前的研究热点之一。 利用支撑喉镜的喉部手术是一类处理喉部各种良性病变、声带癌前病变和早 期声带癌等的微创外科手术。手术中支撑喉镜的使用使医生能够进行双手操作， 并且病变部位暴露好，视野大，术者有充足的时间反复观察、精细操作，在彻底 处理病变的基础上，能够最大限度地保护正常组织，因而手术时间相对缩短，在 减少复发率和保护喉功能方面较其他喉镜下的手术有了跨越式发展。本文对面向 喉部手术的机器人系统进行了应用开发。 12 外科手术机器人的发展概述 121 国外外科手术机器人的发展状况 2 0 世纪9 0 时年代初期。美国航空航天管理局( n a s a ) 下属的空气推进动 力学实验室与美国的微型灵巧系统公司合作，研制出了用于眼科手术的机器人辅 助显微外科手术系统。该系统机构采用丝传动形式，具有6 个自由度，并且实现 了力反馈；系统采取主从操作。目前主要应用于眼部手术”】，如图1 1 所而 【”。 一 ( a ) 试验整体情况和) 试验局部情况 圈1 - ln a s a 主持开发的机器人辅助显微外科手术系统 由德国机器人与嵌入式系统研究中心和幕尼黑理工大学心脏治疗中心鞋合 第章绪论 甜瓒 $ 圜 第一章绪论 态误差大约在1 3 度左右，手术针和目标之间的平均距离可达到2 r a m 左右。该系 统已进行了实验验证，如图1 _ 4 所示吼 赢l 獬i l ! ! 州。州m 曲 圈1 - 4c t 导航的前列腺手术针定位辅助机器人 美国j o h n sh o p k i n s 大学还研制了面向眼部手术的s t e a d yh a n d 显微外科机器 人系统能够实现包括医生判断力、综台传感技术以及眼手协调工作在内的精细 手术操作，如图1 - 5 所示，图a 为s t e a d yh a n d 操作手臂原型，图b 为s t e a d ym n d 进 行视网膜手术的示意图。同时，该系统的模块化设计对于外科手术机器人系统的 发展起到了蕾要的作用6 1 。 ( a ) s k 9 衄f a r a d 系统操作臂s t e a d y h a n d 系统进行视网膜手术 圈1 - 5s t e a d y h 帅d 机器人系统 操作者能够通过器械及手术环境得到相关的力感觉信息，从而实现平稳的、 无振动的以及精确的位置控制和力控制，因而整个机器人系统具有很高的灵敏 度。 早在1 9 9 4 年美国c o m p u t e rm o t i o n 公司推出了首台机器人辅助手术系统 a e s o p , 主要用于心脏和其他手术中，如图l _ 6 m 。1 9 9 6 年该公司又推出了用于微 酉通 1 嚣萋够_罗镌鎏篱 第一章绪论 创伤手术的z e u s 外科手术机器人系统，如图l - 7 1 7 1o 该系统采用主从遥操作技术， 突破了传统微创伤手术的界跟、将手术精度和水平提高到新的高度，大大降低了 手术剖伤，缩短了康复时间，同时也减轻了医生的疲劳强度。著名的超远程胆囊 摘除手术啉白手术就是通过z e u s 系统完成的口l 。该系统从操作手的每个机械臂 都具有6 十1 个自由度，其中6 个用于位娶调整，另外1 个用于位置优化可以完成 复杂的手术操作。但是其从手的布局方式占用空间较大，工作空间较小，并专用 于腹部微创手术。 鳕警翟 图l 石a e s o p 机器人系统盈1 - 7 z e u s 外科手术机器人系统 ( 时d a v m c i 整体布局 彻d e v m c i 手术区域 圈1 - 8 d e v i n c i 外科手术机罂人系统 2 0 0 0 年，美国i n t u i t i v e s u r g i c a l 公司成功开发出d a v i n c i 外科手术机器人系统， 系统经由图形导航采取主从操作方式，从手两手协作一手夹持内窥镜如图i 一8 所示p i 。并实现了远程手术操作进行微创心脏搭桥手术，是目前为数不多的商业 化的医疗机器人之一，被视为主从式外科机器人研究的一个里程碑。d a v i n c i 系 统相对比较完普，但是该系统从手存在机构庞大的问题，而且主要针对胸腹部微 刨手术而设计的，加上系统没有设计力感觉装置，相对医疗安全性较差，影响了 其在更太范围内的推广应用。 1 22 国内外科手术机器人的发展状况 第一章绪论 在国内，北京航空航天大学机器人研究所与解放军海军总医院研制成功基于 立体定向技术的脑外科手术机器人系统l l o 。通过获取患者病患部位的c t 和删 图像生成病灶部位的三维模型，然后通过虚拟规划控制机械臂实施手术。机械 臂系统如图i - 9 所示】。 图1 9 机器人辅助无框架脑定位系统图l - l o 正骨机器人系统 哈尔滨工业大学机器人研究所成功研制了正骨机器人。该辅助正骨手术机器 人系统利用图像进行医疗导航。手术过程中，利用x 光机获取医疗图像，对病人 体内病灶部位定位，引导机器人手臂精确达到手术部位。使得定位准确，不用开 刀，缩短疗程。如图1 1 0 所示。 醚削 图i - i lr a m s 辅助显徽手术机器人系统 图l 一1 2m i c a o h m u l 显微手术机器 系统 天津大学、南开大学与天津医院合作开发的辅助显微外科手术机器人系统 ( r a m s ) ，是一个集图像处理、运动控制、夹持力感觉等功能干一体的比较完 整的主从式机器人系统，如图i ii 所示。该机器人系统可以消除医生操作时的抖 动具有良好的超低速运动特性，通过建立主从双向力反馈系统，实现r a m s 主从机器人带有力感觉的微操作并最终辅助医生完成显微缝合过程” 卅。2 0 0 3 年以来以天津大学为主研制开发了主从遥操作显微外科手术机器人系统r 命名为 “妙手”m i c r o h a n d ) ，如图1 1 2 所示，并成功进行了对l m m 动脉血管的剪切、 缝合动物实验。妙手系统由从手( 左手和右手) 、主手( 左手和右手) 、从手末端工具、 第一章绪论 力传感器、图像采集装置和控制系统构成【1 5 i 1 6 1 。 综上所述，通过医疗机器人实施手术，可以提高手术精度，减少创伤，减少 手术时间，提高成功率，降低康复时间。一个神经外科大夫的误差精度能达到2 毫米，而机器人的精度可以很容易的达到微米级，往往可以在同等情况下实现比 传统的人工手术更好的手术效果。医疗机器人在脑神经外科、心脏修复、胆囊摘 除手术、人工关节置换、整形外科、泌尿科手术及内窥镜手术等方面得到了广泛 的应用。在提高手术效果和精度的同时，也在不断地开创新的手术，并向其它领 域扩展1 1 7 1 1 1 8 】。随着微机电技术( m e m s ) 的不断深入发展，研究微小型机器人甚 至纳米机器人具有很好的发展前景。它可以直接进入人体器官内部进行工作，完 成组织取样、疏通血管、药物放置、细胞操作等普通医疗技术和手段无法完成的 工作1 1 9 1 1 2 0 l 。 但同时也可以看出，外科手术机器人的发展，是一个综合发展的课题。现代 先进手术机器人的临床应用，离不开如下几大关键技术的可靠应用： 1 机器人机械结构的创新。满足机器人在尺寸规划范围内具有足够的自由 度和灵活性，同时具有足够的机械刚性和安全性，并且从机构上降低控 制系统的难度。 2 机器人系统所具有的图像导航功能。为了提高医疗机器人的手术定位精 度和智能，一般都采取c t 或者m r 图像在虚拟环境中规划导引手术过 程。 3 机器人系统力反馈功能。为了获得临床手术的力感觉，提高手术的安全 性能，要求主从操作系统获取机器人从手操作部位的力感觉。 4 机器人控制系统。系统整体动力学参数确定，硬件选取，优化系统性能； 软件系统编制，特别是操作系统的人性化设计，减少操作大夫出错概率， 提高舒适度。 1 2 3 喉部手术机器人的研究动态 机器人系统在腹腔镜、内窥镜领域的应用不仅解决了传统腹腔镜、内窥镜手 术中的许多问题，而且使微创手术进入了一个全新的技术时代。借助图像视觉系 统，可以使外科医生获得一种与以往传统手术相似的操作环境，同时又有效地利 用了机器人在外科手术中的稳定精确的操作，可以减少外科医生在手术中因为疲 劳产生的误操作和手部的颤抖，提高手术的精度和质量。耳鼻喉手术机器人属于 此类微创手术机器人系统。 耳鼻喉手术机器人系统，尤其是喉部手术机器人系统已经成为当今医疗机器 人的重要研究课题之一。目前，包括美国j o h n sh o p k i n s 大学、i n t u i t i v es u r g i c a l 公 第一章绪论 司以及德国h e l m h o j e 国家研究中心在内一些科研机构正在进行相关机器人系统 的研究与开发。 其中，由美国j o h n sh o p k i n s 大学开发的新型喉部微创手术机器人系统采用 主从控砖4 模式可以同时实现三个蛇形执行器在咽喉内的主从操作。该系统具有 3 4 个自由度，可同时控制三个高灵敏的蛇形末端执行器。其中每个末端执行器都 是由一个4 自由度的分离式平行固定装置控制器和一个7 白由度的可卸换多脊柱 蛇形机构组成。该机构采用多根高弹性管作为柔性脊柱，并采用推拉的工作模 式来实现任意方向9 0 0 弯曲以及缝合，并能够将平行固定装置器的旋转转换成为 蛇形机构末端手爪旋转如罔l i3 所i 。该机构外径约为4 m m ，末端手爪能够 产生大于l n 的作州力，基本能够满足喉部手术的操作要求治疗，目前还处十进 一步的研究阶段“。 ( 吣辅助从手 ( 埘弛敏末梢单元( d d u )( c ) 可拆分平行末端 囝i 一1 3 多脊柱蛇形喉部手术机器人系统 ( 曲帚触辱装置的e n t 手术机器 原型 c o ) 乳究状带柔性组织的骨骼仿真模型 图l 1 4 带触感装置的e n t 手术机器 系统 德国h c l m h o l t z 国家研究中心的研究主要集中在面向微刨外科手术虚拟现实 培训的触感接口系统的开发。在该系统研究过程中，根据对其多运动参数进行3 d 模拟研究，该中心设计并制造成功两套手术系统，其中的一套，如图i 1 4 ( a ) 所示主要是应用 t - t - 对神经外科以及耳鼻喉科等头部手术。同时，该中心蒯 第一章绪论 l e i p z i g 医院以及德国k a r l s r u h e 研究中心合作进行模拟耳鼻喉手术。其中，虚拟 模型由带有乳状突起的骨骼组织和代表血管的可变形软组织构成，见图1 - 1 4 ( b ) 。 该系统的触感接口采用的是美国s e n s a b l et e c h n o l o g i e s 公司生产的p h a n t o m d e s k t o p i 。 d av i n c i 系统已经成功应用到了胸部手术、腹部手术、泌屎科手术和妇科手 术中，其在耳鼻喉手术中的潜能，通过不断的试验和摸索，也逐渐得到了验证。 在2 0 0 5 年的报道中，利用i d a v i n c i 系统为一个4 6 岁的妇女做了咽溪部囊肿切除 手术。然而由于d a v i n c i 系统初始是为了胸腔和腹部内窥镜手术设计的，所以定 位机器人适应通口手术的调整过程是非常繁琐的。手术总共花了1 小时4 9 分， 其中i 小时1 5 分钟用于调整蛮际手术操作时间大概为3 0 分钟。其中在使用 3 支手臂的过程中遇到了困难，园为内部操作守问受到了很大的限制。仅仅能够 使用两支手臂，一支用于手持立体镜，另外一支用来烧灼肿囊。因此，还需要另 外一个手术护士人工提供吸引头操作。如图1 一1 5 所示。 ( 劬d a v - m e i 系统在进行喉部手术 三维立视镜下的手术操作 圈1 1 5 d a v m e i 系统在进千亍喉部手术 系统布局 卧。6 婴嚣装人体模g 喉部 巢磐缝厶 可以总结得出机器人辅助喉部手术特点口5 】【2 q ： 机器人工具和内窥镜在经口手术中的定位：由于手术工具要通过获长的口腔 所以定位比较繁琐。如果采用开口器可以保持嘴张的很大使得工具进入相 嘲圈翻 习基习 巨蓼 第一章绪论 对容易。 2 支撑咽喉部暴露方式：如果采用喉镜，其内壁会阻碍内窥镜的运动，对于不 同的部位需要重新定位喉镜；如果采用开口器就可以完整暴露喉部，不会阻 碍内窥镜的运动，也不需要重新定位。 3 手术床的定位：为了获得更好的视觉，以及避免设备之间的干涉，将手术床 旋转3 0 度的角。 4 工具和夹持内窥镜的臂的合理布置：优化工作范围，避免束缚和约束。 5 手术工具尺寸特点：5 m m 工具工作在声f - j ，8 m m 工具工作在上声门和下咽部， 工具径向尺寸越小，干涉越小。 6 手术工具特定要求：为了在口腔内部完成手术动作，工具末端应该具有“手 腕”功能，使得可以完成开口手术的运动效果，完成口腔内部角落里的手术 动作，以及缝合打结等。 7 止血功能的实现：利用双极烧灼钳子完成。 8 吸引功能的实现：在开口器上集成吸引功能或者另外开发吸引工具，抑或采 用人工辅助吸引的方式。 1 0 实现无创口手术：提高手术速度和精度，减少感染，加速病人康复。 1 3 本文的选题意义 以天津大学开发的m i c r o h a n d 显微外科机器人系统为基础开发的适合喉部手 术的新型机器人系统，采用主从操作方式，将医生的经验以及机器人灵活、不干 涉、定位精确、运行稳定、操作精度高等特点有机结合在一起，能够实现双手协 调操作，解决手术过程中的干涉问题，提高手术的精度以及灵活性，解决医生操 作的位姿问题以及由此带来手的颤动、疲劳问题，减轻患者的痛苦，提高手术的 质量和成功率，缩短治疗时间，降低医疗成本。 1 4 本文的设计任务分析 在传统的喉部手术过程中，医生一般通过观察m 砌，c t 的二维断层图像， 在头脑中形成手术区域如声带、会厌等的三维解剖模型，来把握手术区域的空间 结构。由于内窥镜导航插入及周围空间等的限制，造成手术器械的操作缺少应有 的灵活性。同时，由于医生对手术器械进行盲移，这样往往会带来潜在的危险， 如手术器械之间的碰撞，或触及病人的组织器官，致使手术缺乏必要的安全保证。 同时，喉部手术还存在以下显著特点：手术器械的操作区域狭长；器械更换频繁： 第一章绪论 双手同时操作过程中容易产生干涉；手术过程中，医生的位姿受到手术环境的制 约，从而导致疲劳、颤抖等负面效应。 针对如上所述问题，结合天津市科技发展重点项目“可重构的耳鼻喉微创外 科手术机器人系统开发”，进行了喉部手术机器人的研究开发工作。 本文的设计任务如下所示： l 、机器人从手机械结构设计。 2 、对主从手以及相应的手术操作建立数学模型。 3 、机器人控制系统算法设计，硬软件设计：选择合理器件完成控制柜搭建， 并完成机器人操作系统软件设计。 4 、设计机器人定位系统，实现快速准确定位，解决机器人与病人病变部位定 位困难的问题。 5 、机器人主从操作性能测试以及动物实验设计实施。 1 5 本文的研究内容 第一章绪论 通过对外科手术机器人特别是耳鼻喉手术机器人系统的国内外发展状况、研 究水平以及存在的问题等诸多方面的研究，确立了本文研究的选题意义所在，并 且在对设计任务进行充分分析的基础上，简要阐述了本文的主要研究内容。 第二章机器人从手设计 根据喉部手术基本操作以及操作空间的科学统计结果，对喉部手术机器人从 手进行设计。通过对从手结构进行具体的分析，选择合理优化的机械结构，并对 具体的机械结构设计以及手术工具进行详细的阐述，为系统控制做好基础。 第三章机器人数学模型 对喉部手术机器人分别通过d h 方法对主手、从手系统建立数学模型；然后 针对手术过程中的进刀，退刀以及主从随动过程分别建立数学模型。并据此对主 从操作空间进行分析。 第四章机器人控制系统设计 针对喉部手术的医学数据和机器人自身的相关参数，确定主从控制系统算 法，然后选取相应的控制硬件，并完成控制柜搭建；利用l a b v i e w 编制相应的运 动控制程序和图像处理程序，利用v c 完成主手虚拟操作系统的编制。 第五章机器人定位系统设计 针对喉部手术过程中，机器人与病人喉部病变部位之间定位困难，提出了图 像识别和移动定位的方法。预先标定机器人与支撑喉镜之间的关系，然后通过视 第一章绪论 觉导引调整、利用二级转动手术床调整已安装好喉镜的病人位姿，直到在系统允 许的误差范围内。 第六章系统实验研究 根据系统要求，对机器人进行主从操作测试，并进行动物实验验证。 第七章全文总结 对全文的课题研究工作进行简明扼要的总结，也分析了其中存在的问题和不 足之处，从而为明确下一步研究的方向打下基础。 第二章喉部手术机器人从手设计 第二章喉部手术机器人从手设计 设计出满足手术要求的从手机构是喉部手术机器人系统研究的首要问题。本 章主要针对喉部手术的特点，对喉部手术的工作空间、基本动作以及任务要求进 行分析：在此基础上对喉部手术机器人系统从手与工具进行了详细的设计，并对 其核心机构进行了分析研究。 2 1 喉部手术的工作空间 喉部手术的工作空间，直接决定了机器人从手末端执行器以及从手结构的要 求和特点。而喉部手术的工作空间主要受两个因素影响：喉部生理空间和喉镜空 间，其外在表现就是手术器械的操作空间。 2 1 1 喉部生理空间 咽喉内部及声带结构图如图2 1 所示。为了准确地测量喉部生理空间，我们 选择3 0 例病例( 其中包括不同年龄段的男、女病例) 的喉部c t 扫描图片进行分 析处理、边界提取，然后进行三维重构，从而根据重构出来的立体图测量出每个 病例的喉部范围。最后，综合喉部解剖数据初步确定喉部生理空间的大小范围。 1 会厌软骨2 甲状软骨板3 声带4 环状软骨5 喉前庭6 室带7 喉室8 声门下区 图2 1 咽喉内部及声带结构示意图 确定的方法有两种：第一种，根据测量的结果选择一个可以涵盖它的区域， 同时考虑宽裕度系数6 ，然后得到生理空间范围是：( 1 5 1 8 ) c m x ( 1 5 - - 2 - - - - 3 ) 第二荜喉部手术机器人从手设计 c m 2 c m ：第二种，用近似的方法对喉部的轮廓进行包络，选取大概的生理空间 范围约为：( 1 5 1 8 ) c m ( 15 2 3 ) g m x 2 c m ，得到的结果和第一种方法基 本相同。 因此，综合比较前两种方法，晟终得到喉部的生理空间范围：( 1 8 0 + 2 0 ) m m x3 0 r a m 2 0 m m 。 2 12 喉镜空间 由于整个喉部在手术过程中基本上处于拉直状态喉镜及手术器械郝是直接 进入到病变部位进行手术操作因此支撑喉镜下的微刨外科手术工作空问还受到 喉镜空间的制约。喉镜分很多种，下面以天津市人民医院提供的常用型号喉镜( 见 图2 - 2 ) 为例进行分析。 图2 - 2 嚷镜 根据喉镜实际尺寸的测量数据作如下处理； 1 用足够大的圆域包围喉镜的近端。这里圆域直径为喉镜近端内壁所围区域 的晟大径向尺寸，为3 0 m m ； 2 用足够大的圆域包围喉镜的远端。这里圆域直径为喉镜远端内壁所围区域 的最大径向尺寸，为2 0 r a m ； 3 保持喉镜长度不变为1 7 3 m m ； 得到的近似喉镜空间形状和圆台相近，如图2 - 3 所示。空间范围和上述所得 喉部生理空间大致相同 图2 - 3 近似喉镜空问 第二章喉部手术机器人从手设计 2 13 手术器械操作空间 为了测量手术器械的操作空间建立坐标系如下：取喉部的底部中心位置为 坐标原点0 ，平行于声带的方向为z 轴，垂直于声带的方向为x 轴。其中o p 、 o p l 表示一个器械所在的两个不同位置，如图2 4 所示。通过手术录像分析与手 术现场观察可知，手术器械可以绕z 轴3 6 0 。旋转，在x o z 平面内的投影角n ， 在y o z 平面内的投影角为8 。 由于喉部的病变多发生在左、右侧声带以及喉头，而这些都是分布在喉部的 边缘，故对单侧声带手术时进行分析，其他部分按照以圆心对称处理对左侧进 行手术时a 的角度一般在0 5 4 范围内，b 的角度一般在1 。o 。，如图2 - 5 所示。故手术器械的运动幅度一般在0 6 1 0 。的范围之内，手术器械的活动空问 类似于圆锥体手术空间位于喉镜( 图示圆柱体) 的底部，如图2 4 所示。 ( 柚真实下术操作( b ) 手术操作孛问分析 留2 4 手术器械操作空川分析 雠j 一7 ) o 一2 b i r “一oj 一0 l 川 ( a ) d 角度o嘞一角度n 图2 - 5 手术中运动角度的概率分布 总之，在双手协调进行操作的喉部手术中，左、右手的手术器械的摆角一般 在o 。 5 。范围内；经多次测量计算取平均值得出，器械在支撑喉镜约束下活动 的位姿量化参数为：器械末端伸出喉镜下的尺寸不大于2 0 m m ，移动范围不大于 支撑喉镜下巾2 0m m 由2 5m m 2 0 m m 的圆台：器械在喉镜内的偏转角度不大 于1 3 。，自转角度不大于3 6 0 。其工作空间如图2 - 6 所示。 第二章喉部手术机器人从手设计 工具的可达空 声带 杓状软骨 手术操作空间 图2 - 6 器械操作空间示意图 2 2 面向喉部手术的机器人从手设计要求 工具 作工具 喉部手术机器人的设计是基于喉部手术的特点，采用主从操作方式，将医生 的经验以及机器人技术中的灵敏度高、定位精确、运行稳定、操作精度高以及对 干涉的有效控制等特点有机结合在一起。这样，既可以使医生在舒适的手术环境 下进行工作，又可以协助医生更好地完成狭小空间内的手术动作，减少医生在手 术中因疲劳而产生的负效应，提高手术的质量与安全性，缩短治疗时间，减轻患 者痛苦，降低医疗成本。 2 2 1喉部手术的基本动作分析 一般支撑喉镜下的喉部手术的基本动作包括切、穿、剥、剪、拉、咬、吸七 种。与之相对应，手术过程中使用的器械主要包括平头喉剪、翘头喉剪、平头喉 钳、翘头喉钳、喉刀、喉吸引管六种。手术过程中，医生以右手操作为主，左手 为辅，一般左手持一把夹持钳，右手交替使用上述六种喉部手术器械，完成支撑 喉镜下的喉部手术。 通过手术分析可知，工具在支撑喉镜下的运动有四种： l 、沿支撑喉镜大范围的直线运动； 2 、支撑喉镜下，工具可达工作空间内小范围的移动； 3 、支撑喉镜下，工具可达工作空间内小范围的转动； 4 、工具末端的开合。 整个手术过程可以认为是依据工作空间中的手术对象，调整工具位姿到达目 标点和操作目标点的不断重复。而调整工具位姿到达目标点和操作目标点则是上 述四种动作中几种的合成。 第二章喉部手术机器人从手设计 2 2 2 机器人从手的设计要求 由于喉部手术在支撑喉镜下进行，而且左右手分工不同，因此，相应的手术 机器人的设计也应该从双臂角度出发，并且充分考虑支撑喉镜的狭长约束所带来 的运动与干涉问题。也就是说，对应于狭长约束下的工作空间，机器人双臂能够 快速稳定的、大范围的、沿喉镜精确的直线运动到喉部精细操作范围内，协调操 作完成手术动作，并能够快速更换器械。 相应于喉部手术的基本动作，从手的设计要求除了能够满足机器人基本的设 计要求外，还要满足如下专门的设计要求： 1 、要求有足够的刚度，安装简易，机构轻便，既要求操作手易于对病人进 行手术，还要易于护士的辅助操作； 2 、有基本的位姿粗调能力，使机器人操作部位处于操作对象的基本操作区 域： 3 、能够实现手术需要的大范围行程直线运动； 4 、能够实现操作工具在支撑喉镜约束下、狭小范围内的精细手术操作； 5 、能够快速更换手术器械。 2 3 机器人从手设计 喉部手术机器人从手，其任务对象为喉部微创手术，工作空间为由2 0 m m 巾2 5m m 2 0 m m 的圆台。因此，从手需要有足够的自由度与灵活度，满足手术 中对姿态、位置与动作的要求。因此，机器人一般需要6 个自由度；其中，决定 姿态的三个自由度必须是转动关节，决定位置的三个自由度则可以是转动关节， 也可以是移动关节；手术器械末端开合，即第七自由度，是手术机器人所特有的 一个自由度。因此，喉部手术机器人系统m i c r o h a n di i 的从手最少需要6 + 1 个 自由度。 由上述分析与综合的结果可知，支撑喉镜下喉部手术机器人的设计除了需要 满足上述设计要求外，还要满足手术在狭长空腔局限下远端操作，即解决传统手 术中存在的干涉问题，和工具长距离频繁进出的往复运动两大特点。， 因此，机器人从手设计应采用落地支撑，两臂对称安装于立柱两侧，如图2 7 所示。每个手臂包括三个部分： l 、粗调位置调整机构一一能够实现喉部手术中的臂部初步调整，和对应于 狭长约束工作空间下的机器人双臂快速稳定的、大范围的、沿喉镜精确的往复直 线运动： 第二章喉部手术机器人从手设计 2 、精调位置调整机构( 臂部) 一一能够实现喉部手术中的精细位置调整； 3 、姿态调整机构( 腕部) 一一能够实现喉部手术中的精细姿态调整，工具 的快速更换，工具末端的开合动作，并能解决传统手术中的干涉问题。 其中，前两部分是在原“妙手”显微外科手术机器人的基础上改进完成的， 第三部分专门针对支撑喉镜下喉部手术设计完成。 2 3 1 机器人从手臂部简介 图2 7 喉部手术机器人从手单臂 机器人从手臂部由2 个自由度的平面转动机构和一个自由度的直线运动机构 构成。臂部采用平面转动关节型机构，符合人类臂部关节的特点，具有较大的工 作空间，能够避障和深入狭小区域工作，满足喉部手术的操作要求。 两个自由度平面转动机构由四个平面关节在两套丝传动机构的驱动下来实 现，如图2 8 所示。该机构基于双四连杆机构的原理，形成转动偶，不仅从机构 上可以实现位置解耦，而且使电机后置，减轻了系统前端的质量，提高了系统整 体的刚度。 ( a ) 从手臂部结构 l i g 户( ) i i i 图2 8 机器人从手臂部 i l l b ( b ) 平行四边形结构 第二章喉部手术机器人从手设计 丝传动机构基于平行四连杆机构设计的出发点，是为了应用平行四连杆机构 的突出特点，即连杆的摆动实现末杆的绝对平移运动。而不直接采用四连杆机构 是因为其采用铰链连接，对于连杆的精确定位比较困难；而且四连杆机构的工作 空间受到两连杆之间距离的限制，致使机构在相等的工作空间内相对庞大。从运 动学角度具体描述其工作原理，以其中一套丝传动机构为例说明如下，如图2 8 a 所示，轮l 与臂i 固定，轮2 与臂i i i 固定。操作运动时，臂i 与基础杆件固定， 臂l i 在电机m i 的驱动下转动，丝在钢丝轮上的切点发生变化，产生相对运动， 轮l 上的切点分别从a 1 到b i 、a 3 到b 3 ，轮2 上的切点分别从a 2 到b 2 、a 4 到b 4 ，此时丝带动轮2 绕0 2 点顺时针转动( 纯滚动) 。由于臂i i 逆时针绕o l 点转动时，臂i i l l 颐时针绕0 2 点转动，同一时间转动的角度相等，方向相反，即 t , 0i i = - m i i ，故形成转动偶，从而实现臂i 姿态不变的平移运动。 机器人从手臂部1 个自由度直线运动副是为满足手术操作垂直运动的需要而 设计。该运动副由精细滑台机构实现，运行稳定可靠，精度高，适合手术的精细 操作。 2 3 2 机器人从手腕部构型 机器人从手腕部由3 轴汇交于工作点的空间机构和工具开合机构构成。整个 腕部针对支撑喉镜下喉部手术专门设计，如图2 - 9 所示。3 个旋转轴汇交于工具 末端点，使末端工具在一个圆锥角为1 5 。的锥体内运动，实现姿态解耦。在腕部 的3 个旋转中，有一个为安装于腕部的工具的自转，从而使得腕部机构只有2 个 自由度，从而简化了腕部的机构。如图2 - 9 所示，电机m 4 的旋转轴线通过圆弧 导轨的圆心，手指可沿着导轨运动，且手指的端点位于导轨的圆心处，保证了在 导轨旋转、手指沿导轨偏转以及手指自转时，手指端点的位置不发生变化，从而 实现手指可在一个圆心角为1 5 0 的锥体内运动，实现位姿解耦，满足了临床手术 的要求。 图2 - 9 机器人从操作手的腕部 第二章喉部手术机器人从手设计 为解决喉镜下手术工具的干涉问题，对左手腕部工具的支撑机构进行了专门 设计，使左手工具的驱动部分偏转6 0 。，工具的末端点仍为弧形导轨的中心，此 时喉镜内仅有直径为3 r a m 的两个工具协调操作，喉镜外的腕部与臂部可以完全 分开，从而保证双臂能够在各自的工作空间内运动而不会彼此干涉。 喉部手术机器人从手腕部姿态调整部分的设计可实现模块化。带有操作工具 的v 级杆为整个腕部机构，基于姿态三轴共点姿态解耦特性，建立对应模块，易 于安装替换，倾斜角度依据喉部手术中喉镜的一般角度设计为2 0 。 2 3 3 粗调位置调整机构 粗调位置调整机构由1 个自由度的垂直升降机构和1 个自由度的手动水平转 动机构及2 个自由度平面转动机构构成，如图2 7 所示。其中，1 个自由度的垂 直升降机构由丝杠、滑台机构实现，位于整个臂部的基部，有较高的刚度与较高 的定位精度，传动可靠，可以被锁死在任意位置；1 个自由度的手动水平转动机 构易于臂部的初步调整，没有电动传动机构，增加的系统的刚度，降低了控制系 统的难度；2 个自由度平面转动机构，与臂部的机构为同一机构，其与垂直升降 机构联合，可实现大行程直线运动。 2 个自由度平面转动机构与臂部的机构采用同一机构。这是因为精调机构与 粗调机构在手术操作过程中没有同时使用的情况。粗调位置调整机构，主要用于 满足支撑喉镜下工作空间以外的可调操作空间内的运动，是可大范围调整的，适 合手术的整体空间布局的需要，在设计时需考虑从手距离手术床的距离、病人的 位置和医生、助手的操作空间。对粗调机构而言，结构不易过于复杂，因其一般 位于臂部的基部，涉及机器人整体系统的刚度，系统刚度是机器人全部技术指标 得以实现的最基本的条件。而对于喉部手术的因为工具替换产生的沿喉镜的直线 运动与喉镜下的精细操作来说，2 个自由度平面转动机构可以为二者提供足够的 操作空间。 因此，喉部手术机器人从手粗调机构仅仅选用2 个自由度，用于从手布局的 基本定位调整；为提高系统刚度，我们将其中的l 自由度水平转动设计为手动机 构；进出喉镜的大行程直线运动，借用臂部2 自由度平面转动机构。 2 3 4 机器人从手实验样机 机器人从手可在2 0 0m m 2 0 0m m 2 0 0 m m 的可调节空间内完成手术初步 定位与器械更换大行程的直线运动要求，可在巾2 0m mx 由2 5m m x2 0 m m 精细 操作手术工作空间内，在姿态圆锥角为1 5 。的圆锥体内，完成面向精细操作的全 第二章喉部手术机器人从手设计 部手术动作。 根据喉部手术机器人系统的任务要求及其从手结构设计，构建面向喉部手术机器 人系统虚拟样机如图2 - 1 0 所示。该系统面向喉部手术能够调整臂部初态构 建腕部模块，并采用相应专门手术器械，完成精细操作手术。其实物照片如图2 - 1 l 所示。 蒋圉 图2 i o 机器人从手虚拟样机图2 - 1 1 机器人系统从手样机 2 4 机器人手术工具设计 作为喉部手术机器人的末端执行器喉部手术操作工具主要包括手术器械和 驱动机构两部分。其中，手术器械的设计是在保留传统喉部手木器械的标准尺寸 和结构的基础上，对器械的驱动手柄加以改造，并在器械上增加旋转自由度机构 以及快换接口。这样，即可以简化腕部结构，又能够满足喉部手术中频繁快换更 换器械的要求；器械驱动机构直接安装于喉部手术机器人的腕部机构上，并在末 端设置快换接口与手术器械相匹配。器械驱动机构主要分为旋转机构、开合机构 与快换机构三个组成部分，完成手术器械的旋转、开合以及整个器械的快换三种 动作，并为手术器械提供喉部手术所需的夹持力。 喉部手术操作工具的末端器械开合驱动采用了传统的步进电机驱动方式，利 用螺纹结构的特性把步进电机的旋转