（机械电子工程专业论文）喉部手术机器人从操作手设计与仿真分析.pdf

摘要 本文对应用于喉部微创手术的手术机器人系统的从操作手部分进行了研究 与开发。喉部微创手术是医生需要通过工具深入病人喉部深处完成的手术，受到 手术空间的限制，该类手术只适用简单手术。在喉部微创手术机器人帮助下，医 生可以在狭小的喉部空间内完成夹持、切除、缝合和打结等复杂手术操作。喉部 微创手术机器人的出现扩大了手术适应症，减轻医生的疲劳，消除医生操作手的 颤抖，提高喉部手术质量，以及缩短康复周期。 首先，针对喉部手术的任务要求、手术的基本操作以及操作空间，我们科学 地进行统计分析。同时分析国内外已有的同类型机器人系统，对手术机器人从操 作手进行概念设计，在此基础上，提出整个喉部手术机器人从操作手的整体构型， 并将其具体分为三部分，然后对各部分进行机构设计； 然后，对喉部手术机器人从操作手的各部分进行详细设计，根据各部分所确 定的机构，落实其实现方式。在末端工具设计过程中，重点对从操作手手术工具 的自由度和工作范围进行分析，并运用a d a m s 软件对快换机构进行优化。在 主动支架设计过程中，巧妙地采用了四连杆机构简化了整体结构。设计被动支架 时，在满足手术要求的前提下，考虑人机工程学，设计出由两个锁紧机构控制的 具有6 自由度的被动支架。并建立从操作手的整体虚拟样机； 最后，运用a d a m s 软件对喉部手术机器人从操作手主动支架进行了运动学 和动力学仿真分析。通过分析，我们得出主动支架各关节之间没有任何干涉，且 各关节行程都在设计范围内。由仿真结果，我们确定了主动支架各关节的驱动电 机。同时我们对从操作手的运动关节建立了虚拟的闭环控制系统，运用 s i m u l l n k 软件和a d a m s 软件对从操作手的机械系统和控制系统进行联合仿 真分析。通过仿真分析，本喉部手术机器人从操作手具有较好的安全性、灵活性、 稳定性和可靠性，其设计理念符合喉部微创手术要求，基本达到预期效果。 关键字：喉部手术从操作手运动学动力学a d a m ss i m u l i n k 联合仿真 a b s t r a c t as u r g i c a lr o b o t i cs y s t e mw a sd e v e l o p e df o rm i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r yo f l a r y n g e a ls u r g e r yi nt h i sp a p e rt h es y s t e mc o u l dr e p l a c es p e c i a ls u r g e o nf o re n t s u r g e r y , p e r f o r m i n gl a r y n g e a ls u r g e r yi nt h en a r r o ws p a c eo ft h r o a t a c c o r d i n gt ot h i s r o b o t i cs y s t e m ，w ec o u l dt a k ea d v a n t a g e so fb o t ht h es u r g e o n s e x p e d e n c e sa n d r o b o t i ct e c h n i q u ei nm i s t h ep a t i e n t s p a i n sw i l lb er e d u c ew i t hh i g hq u a l i t i e s s u r g e r y f i r s t l y , s c i e n t i f i ca n a l y s i sw a st a k e no nt h et a s k , b a s a lo p e r a t i o na n dw o r k i n g s p a c e a n dad e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u td e s i g np r i n c i p l ea n do p e r a t i o nm e t h o d sw a s d i s c u s s e df o rl a r y n g e a ls u r g i c a lr o b o t i cs y s t e m s e c o n d l y , w ed i v i d e dt h es l a v em a n i p u l a t o ri n t ot h r e ep a r t s ：m i c r o - m a n i p u l a t o r , t h ep o s i t i v ep a r ta n dt h en e g a t i v ep a r t , t h e nw ed e v e l o pt h es t r u c t u r eo ft h e m s e p a r a t e l y c o n c r e t e l yw ec o m b i n et h eo p e n - c l o s ej o i n tw i t hp i t c hj o i n t ，w h i c hc a n m i n i s ht h ed i a m e t e ro ft h em i c r o - m a n i p u l a t o ri no r d e rt oa v o i dt h ec o l l i s i o no ft w o m a n i p u l a t o r s w ea l s oo p t i m i z et h em e c h a n i s mo fq u i c k - c h a n g ew i t ha d a m s ， m a k i n gu s eo f t h em e c h a n i s mo f p a r a l l e l o g r a mt os i m p l i f yt h ep o s i t i v ep a r t b a s e do n t h ee r g o n o m i c s ，o u rn e g a t i v ep a r tw h i c hh a s6d o f sj u s th a s2b r a k e s t h ev i r t u a l m o d e lo f t h er o b o ti se s t a b l i s h e db yu s i n gs o l i d w o r k sa n da d a m s v i e w i no r d e rt oa n a l y z ek i n e m a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so fs u r g i c a lr o b o t , t h e d y n a m i cs i m u l a t i o no ft h ep o s i t i v ep a r tw a sc o m p l e t e dw i t ht h eh e l po fa d a m s ，a n d w em a k eac o n c l u s i o nt h a tt h e r ei sn oc o l l i s i o nb e t w e e na l lj o i n t s , a n da l s ow ec h o i c e t h ea p p r o p r i a t em o t o rf o r j o i n t sa c c o r d i n gt ot h er e s u l to f t h es i m u l a t i o n f i n a l l y , w es e tu pav i r t u a lc o n t r o ls y s t e m ，a n di n t e g r a t eb o t ht h em e c h a n i c a l m o d e la n dt h ec o n t r o l ss y s t e mc o m b i n e dw i t ha d a m sa n ds i m u l i n k ，t h e nr u n t h ec o l l a b o r a t i v es i m u l a t i o nr e p e a t e d l yu n t i lam o r ep r a c t i c a lc o n t r o l l e ri sa c h i e v e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ti sp o s s i b l et oa p p l yt h es y s t e mt op e r f o r mc u r r e n t m 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 hl a r y n g o s c o p ew i t hh i 曲p r e c i s ea n d d e x t e r i t y k e yw o r d s ：l a r y n g e a ls u r g e r y , s l a v e - m a n i p u l a t o r , d y n a m i c s ，k i n e m a t i c s , a d a m s ， s i m u l i n k 。c o l l a b o r a t i v es i m u l a t i o n 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，也不包含为获得苤生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：嬲瑾 签字日期：夕护口7 年2 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。 特授权墨盗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：寡愀 签字日期：- 彬年卫月，日 导师签名： 签字日期：卫，吵年夕月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早殖下匕 医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机 图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域， 已经发展成为国际机器人领域的一个研究热点。目前，先进机器人技术在医疗外 科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、新型手术医学治疗 方法等方面得到了广泛的应用。这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、 新理论的发展。部分外科手术机器人，已经开始从实验室研究阶段走向临床商业 应用阶段。医疗机器人的发展不仅在医学领域产生了重大的影响，也为传统医学 带来了极大的技术甚至是观念上的变革i l j 1 2 1 。 近几年，医疗机器人技术的研究与应用开发进展很快，预计今后几年医疗机 器人的研究与开发将进入一个新的发展时期。据日本科学技术政策研究所预测， 至u 2 0 1 7 年在医疗领域使用微型机器和机器人的手术将超过全部医疗手术的一半。 另据日本药事工业生产动态统计年报统计，在日本国内能够代替医生眼睛进 行诊断的医疗装置发展速度较快，而能够代替医生手臂进行医疗的器械发展相对 落后。所以发展和应用医疗机器人势在必行【引。 一般机器人在应用上有两个突出的特点：一是它能够代替人类工作，代替人 进行简单的重复劳动，代替人在脏乱环境和危险环境下工作，或者代替人进行劳 动强度极大的工种作业；二是扩展人类的能力，它可以做人很难进行的高细微精 密的作业，以及超高速作业等。医疗机器人正是运用了机器人的这两个特点。而 医疗机器人在具备了机器人的两个基本的特点同时，还有其自身的定位准确、动 作精细、工作范围大、不怕辐射和避免病人感染等特点。譬如：在血管缝合手术 时，人工很难进行细于l 毫米以下的血管缝合，如果使用医疗机器人，血管缝合 手术可以达n d , 于0 1 毫米的精度；用医疗机器人进行手术避免了医生直接接触 患者的血液，大大减少了患者的感染危险。由此可见，医疗机器人不仅可以协助 医生完成手术部位的精确定位，而且可以实现手术最小损伤，提高疾病诊断、手 术治疗的精度与质量，提高手术安全，缩短治疗时间，降低医疗成本。因此许多 发达国家纷纷设立专项计划，研究和开发显微外科机器人，并将研究成果迅速转 化为产品，形成新的产业，其发展速度远远超过一般工业机器人，估计在以后五 年里还会以每年2 0 3 0 的速度增长。它是机器人增长最快的领域1 4 】。 机器人技术在外科手术中的应用，引起了一场新的革命。正如该领域中的著 名学者美国r m t a y l o r 教授的评价，机器人和计算机技术对于外科手术的影响 第一章绪论 将如同计算机集成制造对于产品制造的影响一样广泛和深远。 1 2 医疗机器人的研究现状与发展 医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其 发展前景非常看好。近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学 术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计 划( 队r p ) 已召开过多届医疗外科机器人研讨会。美国国防高级研究计划局 ( d a l 心a ) 已经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手 术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚 拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。在发达国家已经出现医疗外 科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。医疗领域也 出现了开发医用机器人的热潮。可以说，目前医疗领域的机器人技术是最发达的 领域之一。 在学术界，医疗外科手术机器人是近十年来的研究热点，发达国家的一流大 学和研究机构纷纷建立研究中心和专门实验室开展手术机器人的理论和应用研 究。1 9 9 6 年，美n c o m p u t e rm o t i o n 公司推出了用于微创伤手术的z e u s 夕b 科手术 机器人系统。该系统采用主从遥操作技术，突破了传统微创伤手术的界限、将手 术精度和水平提高到新的高度，大大降低了手术创伤，缩短了康复时间，同时也 减轻了医生的疲劳强度【5 】。美国j o h n sh o p l 【i n s 大学研制“s t e a d y h a n d ”系统，用 于眼科显微外科学的手持主动式装置，提高手术操作的精度，消除医生操作颤抖 对手术的影响【6 1 。麻省理工学院针对现有微创( m i s ) 手术器械灵巧性不足的问 题，开发了一种用于医疗缝合的机器。加州大学b e r k e l e y 分校开发了带有力反馈 和立体触觉的遥操作微创手术系统。j o h n sh o p k i n s 大学、m i t 、c a r n e g i e m e l l o n 大学的研究人员合作建立了工程研究中心，致力于新型计算方法、界面技术和计 算机集成手术系统的研究。在欧洲，英l 垂l l m p e f i a l 大学研究前列腺和膝关节手术 机器人，法国t i m c i m a g 研究小组开发心包穿刺机器人系统，德国开发了用于 内诊镜手术的模拟训练，意大利研究了微创器械前端操作器的设计。在日本， k b s h i m o g a 等研制了用于微创神经外科手术的带触觉的机器人系统，东京大学 研制了腹腔镜手术中主从机器人系统以及脑外科活检机器人，名古屋大学主要研 究微创手术设备的触觉反馈。 国内，哈工大机器人研究所在“8 6 3 ”计划的资助下，联合北京航空航天大 学机器人研究所、北京积水潭医院、哈尔滨医科大学附属第二医院等单位共同研 制出一大一小两种类型的接骨机器人系统，大型系统侧重于跟踪国外先进技术， 用较大的投资建立适于研究和应用的全数字医疗平台，开展医学图像处理、网络 遥操作、自动化手术、手术虚拟仿真等医疗机器人通用技术的研究及在接骨手术 中的应用：小型系统侧重于实用化研究，突破了经x 射线图像导航机器人完成髓 2 第章绪论 内钉的远端孔锁定手术的难题，系统采用框架式结构具有体积小、价格低、便 于医生操作，便于大面积推广等特点。至今已完成2 l 例临床手术，手术成功率 1 0 0 ，得到了医疗单位的认可吼 3 喉部手术机器人的研究动态 机器人系统在内窥镜领域的应用不仅解决了传统内窥镜手术中的许多问题， 而且使微刨手术进入了一个全新的技术时代。借助内窥镜系统清晰的视觉显示信 息，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震颤，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 s h o p k i n s 大学、i n t u i t i v es u r g i c a l 公司以及德国亥姆霍兹( h e h n h o l t z ) 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 从控制模式，可虬同时实现三个蛇形执行器在咽喉内的遥操作。该系统具有3 4 自由度，可同时控制三个高灵敏度、高准确性的蛇形末端执行器。其中每个末端 执行器都是由一个4 自由度的分离式平行周定装置控制器和一个7 自由度的可卸 a 辅助从手 b 灵敏末精单元( d d u ) c 可拆分平行末端 图1 - 1 多脊柱蛇形堠部手木机器人系统 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，并采用推立 的工作模式来实现任意方n e 9 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。该机构外径约为4 r a m ，末端手爪能够产生大 于i n 的作用力，基本能够满足喉部手术的操作要求治疗，但是离临床实验阶段 第章绪论 的要求还存在一定差距”j 。 德国亥姆霍兹( h e l m h o l t z ) 国家研究中心的研究主要集中在面向微创外科手 术虚拟现实培训的触感接门系统的开发。在该系统研究过程巾，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 - 2 ( a ) 所示主要是应用于针对神经外科以及耳鼻喉科等头部手术。同时， 该中心剧l e i p z i g 医院( 主要负责医学部分研究) 以及德国k a r l s r u h e 研究中心( 主 要负责提供软件技术支持) 台作进行模拟耳鼻喉手术。其中虚拟模型由带有乳 状突起的骨髂组织和代表血管的可变形软组织构成，见圈i - 2 ( 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 md e s k t o p 吼 a 带触感装置的e n t 手术机器人原型b 乳突状带黍性组织的骨骼仿真模型 图l 带触感装置的e n t 手术机器 系统 而美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司研制的d av i n c i 外科手术机器人系统则于2 1 1 0 5 年成功实施了一例咽喉部疾病患者治愈从而证明了d av i n c i # b 科手术机器人系 统在耳鼻喉手术领域的巨大潜力【l 。由于手术空间的限制，该病例只采用了两只 手臂进行操作，配合以人工进行手术中去除的组织碎片及黏液清理。手术进展顺 利，无任何并发症出现。系统的具有7 个自由度的手术器械使得医生可以在有限 的工作空问内进行操作。由于系统具有三维图像显示、比例运动控制以及振动过 滤功能，使得手术的精度大大提高。但是，系统仍然存在严重不足：i 、手术器 械尺寸偏大，8 r a m 的器械外径使得直径2 0 r a m 左右的喉部手术空间更加狭小，不 利于手术操作，影响了手术的精度和质量：2 、手术的准备过程过分冗长，耗时 i 小时4 9 分钟的手术有1 小时1 5 分钟的时间用于系统安装等准备过程，即实际 手术时间仅为3 0 分钟左右，严重影响手术效率：3 、手术过程中，由于受操作空 间的限制，只应用f o av i n c i 系统的两个手臂，其q j - - 只进行手术操作另一只 用来夹持立视镜因此必须增加助理医生手动进行手术中去除的组织碎片及黏液 清理。这些都必须在以后的1 二作中进行改进i 。 第章绪论 a d a v i n c i 系统在进行喉部手术 b 三维立视镜下的手术操作 图i 一3d a v i n c i 系统在进行喉部手术的病例 围内，天津大学自主研究开发出了喉部手术机器人“妙于i i 系统( m i c r o h a n d i i ) ，其从手机构具有2 十6 + 1 个自由度。其中粗调调整机构为i d o f 手动水 平转动+ i d o f 垂直升降；精细操作机构为3 d o f 位置：+ 3 d o f 姿态+ i d o f 束 端器械开合。m i c r o h a n di i 从操作手可在2 0 0 r a m 2 0 0 m m 2 0 0 r a 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轨迹要求，可在m 2 0 f i l m 巾2 5 m m 厂 r 疃j 曩巍 图1 4 机器人系统从手样机 2 0 r a m 精细操作手术工作空间内，在姿态圆锥角为1 3 。的圆锥体内，完成面 向精细操作的全部手术动作。其从手样机如图l _ 4 所示。2 0 0 5 年9 月，在专业医 生的指导下，于天津大学与天津市人民医院之间进行了猪声带肿物切除手术的动 物实验。整个动物实验共耗时约5 0 分钟，全部由操作人员远程控制喉部手术机 器人进行手术操作。实验进展顺利在手术过程当中并没有伤害正常的组织，也 没有发生机器人与喉镜之间的刚性碰撞现象。并最终顺利完成了手术预定目标， 基本达到预期效果。实验证明喉部手术机器人“m i c r o h a n d1 i ”系统具有较好的 可靠性和灵活性其设计理念完全符合喉部手术要求能够满足喉部手术的要求， 图i 一5 、l - 6 是手术过程中通过喉内窥镜的图像系统舰察到的器械对声带病变组 第一章绪论 罔l 5 撕碗声带肿物 图i - 6 咬下部分声带肿物 织进行手术操作i 。2 】。 但是在动物实骑中也暴露出“m i c r o h a n di i ”系统如_ 卜的一些问题：i 、 由于整个“m i c r o h a n d1 i ”系统是采用的串联结构，罔此末端工具的精度较低， 抗十扰能力较弱；2 、由于“m i c r o h a n di i ”系统采崩的是双工具协同操作完成 手术同时喉部空间极其有限，这就导致工具容易产生干涉现象，影响手术的安 全性；3 、“m i c r o h a n di i ”系统采用主从操作手对病人进行远程遥操作，由于主 从操作手标定的原园导致木端工具不能迅速精确的进入到手术部位，延误手术时 间，危及手术安全。 d a v i n c i 和“m i c r o h a n di i ”系统在手术时暴露出的问题，轻则影响到手术 进程，重则将影响到手术的质量甚至危及到患者的安全。因此本文将在解决 d av i n c i 和“m i c r o h a n d i i ”系统所存在问题的基础上，设计出一套新的喉部手 术机器人从操作手结构系统。 14 本文的研究内容 第一章绪论 通过对医疗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。 第二章机器人从操作手方案设计 主要阐述机器人从于的构型综台问题。首先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：然后，提出机器人的构型综 合问题：最后，从机器人从操作手的位置要求和姿态要求出发，确定喉部手术机 器人从操作手的自由度总数及类型并将整体结构分为三大部分，然后分别对各 部分进行方案设计。 第三章机器人从操作手详细设计 在对机器人从操作手进行方案设计分析的基础上，对机器人从操作手结构进 第一章绪论 行了具体分析和设计。其中，主要包括从手末端执行器部分、主动支架部分和被 动支架部分的详细结构设计。并且在此基础之上，构建了喉部手术机器人系统虚 拟样机。并用a d a m s 软件对机器人从操作手部分机构进行了优化，并最终成功 设计出喉部手术机器人从操作手结构系统。 第四章机器人从操作手机械结构仿真分析 在已经建立好的机器人虚拟样机的基础上，运用a d a m s 软件对整个从操作 手主动部分( 末端执行器部分、主动支架部分) 进行运动学和动力学分析，进行 运动学分析是来验证在真实工作情况下各关节的运动特性是否满足要求；进行动 力学分析是来求得在真实工作情况下各主动关节的力矩和功率，最后在运动学和 动力学分析结果的基础上选择合适的驱动电机。 第五章从操作手机电一体化联合仿真分析 在对喉部手术机器人的从操作手进行完运动学和动力学仿真分析并选择驱 动单元后，运用a d a m s c o n t r o l s 模块和m a t l a b 中的s i m u l i n k 模块对从操 作建立虚拟的控制系统，进而对从操作手机械系统和控制系统进行联合模拟仿真 分析，调整控制参数，并分析仿真结果。 第六章全文总结 对全文的课题研究工作进行简明扼要的总结，在肯定其研究工作的同时，也 分析了其中存在的很多经验教训和不足之处，从而为明确下一步研究的方向打下 了坚实的基础。 7 第章喉部 术机器 从撵作手方粜设 第二章喉部手术机器人从操作手方案设计 2 i 喉部手术简介 在h 常牛活中当病人忠有卢带息肉声带囊肿，喉乳三l 状 ；i 等川佩1 治疗 山沾无法治愈的喉部疾病时需要求助于喉音【；f 术。小的声带病变般通过纤维 喉镜或者电于喉镜进 r 摘除，但对f 较人，或多发的嫡，堡多请i 艟微镜下进打 摘除i ”i 。 喉部显微外科手术需要支撑喉镜、显微镜等医疗吐备以及不l r , j 的f 术器械。 立掉喉镜足一种暴露患者喉挪的硬管镜( 如图2 - 5 所：) 它以使k ! 】l i j 绛n 腔 商接舀到卢带。医生在手术时。通过址微镜，将手术 l 入心者啦内从衙完成 丁术，f 术一般在伞麻f 完成。 罔2 - 2 即是喉部手术时的情况，患者平卧在床上，枕部垫高医生通过缸微 镜进行手术操作。图2 - l 是手术时使用的手术钳。图2 - 3 为医生对痫人喉部息肉 进行切除时从昂徽镜i i 再剑的手术丽而 二- ；一 j ：l - 一 阁2 】喉部手术手术钳 兮 圆 阁2 - 3 喉部手术示意闰 2 2 喉部手术的工作空间 图2 2 喉部f 术唼吲 喉部手术的j l 作窀问对j 。机器人从操们- 手的结构设起着块定忡作。喉部 窄问的大小班定了手术机器人各个关仃行程的人小及末端r 具的凡寸大小。而喉 第二章喉部手术机器人从操作手方案设计 部手术的- 作空问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 2 1 喉部生理空间 咽喉内部及卢带结构如图2 - 4 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米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。 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 ) g l f t ( 15 2 3 ) c m 2 c m ：第二种用近似的疗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 x ( i5 2 3 ) c m 2 c m ，得到的结果和第一种方法基 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 4 咽喉内部及声带结构示意图 本相同。因此，综合比较前两种方法，最终得到喉部的生理空间范围；( 1 8 0 + 2 0 ) m m 3 0 r a m 2 0 r a m 2 “ 2 22 喉镜空间”i 由于整个喉部在手术过程中基本上处于拉直状奁。喉镜及手术器械都是直接 进入到病变部位进彳亍手术操作，因此支撑喉镜下的微刨外科手术工作空间还受到 喉镜空间的制约。喉镜分很多种，f 面以天津市人民医院提供的常用型号喉镜( 见 图2 - 5 ) 为例进行分析。 第章喉韶手术机器人从操作手方案设 量1：鼍昌蛊! 累孑 网2 - 5 嗽镜 根据喉镜实际尺寸的测量数据件如下处邪： l 用足够人的嘲域包围喉镜的近端。这里圆域直径为喉镜近端内壁所嗣m 域 的最大径向尺寸，为3 0 r a m ； 2 川足够人的圆域包吲喉镜的远端。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 r a m ： 得到的近似喉镜空间形状和厕台相近，如图2 - 6 所示。空间范围和上述所得 喉部生理空间大致相同。 圆 t _ 产1 厂 一 4 _ 广、弋一一一 t t 空茸n 7 - 枷， 223 器械操作空间 吲2 - 6 近似唯镜空间 为了测量手术器械的操作空间，建市坐标系如下：取喉部的底部中心位置为 牮标原点o ，平行于声带的方向为z 轴，垂直于声带的方向为x 轴。采用两个 摄像机分别从右视( 摄像机i ，布置于y 轴的正向上) 和正视( 摄像机2 布置于x 轴的正向上) 两个方向对临床喉部手术进行同步录像。其中o p 、o p i 表示一个器 械所在的两个不同位置。利用投影洼分析手术器械的姿态，手术器械可以绕z 第一章喉部手术机器人从操作手a 案设计 轴3 6 0 。旋转，在x o y 面上的投影必为3 6 0 9 圆周，这也是不需要在z 方向布 置摄像机的原因。器械在x o z 平面内的投影角a ，存y o z 平面内的投影角为 b ，如图2 - 7 所示。 奠 也 一一一一。 图2 - 7 手术器械操作空问骨析 由于喉部的病变多发生在左、右侧声带以及喉头，而这晦都是分粕在喉部的 边缘放对单侧声带手术时进行录像，其他部分按照以圆心对称处理。通过对手 术器械投影角的统计分析可知，对左侧进行手术时，的角度一般在0 。- - 5 。范 围内，b 的角度般在1 。5 。，如图2 - 8 所示。通过对手术器械投影角的统计分 析可知，手术器械的运动幅度一般在0 。一1 0 。的范围之内手术器械的活动空 问类似于圆锥体。由于对于喉部每个手术器械的_ 【= 作空间和灵活度都是相同的， 故当使用两个手术器械的时候，情况也是如此。经过统计分析，a 的取值范围为 0 。1 0 ，b 的取值范围为0 。1 0 。手术空间位于喉镜( 图示圆柱体) 的底部 如图2 - 7 所”i 。 盯 讣 比 7 - 6 s 4 3 - 2 10 i234567j - 6 ，4 - 3 - 2 - l0 l234 567 口角度( o ) 口角度n 图2 - 8 手术中运动角度的概率分布 综上所述，通过对手术过程中器械投影角的统计分析可知，在双手孙调进行 操作的喉部手术巾，庄、右手的手术器械的摆角一般在0 。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 第二章喉部手术机器人从操作手方案设计 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 5 m m x 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 。；器械需要穿过喉镜的区域为17 3 m m ，即喉镜的总长度。 2 3 喉部手术机器人从手的任务分析 喉部手术机器人从操作手的主要任务就是：在主从操作模式下，专业医生能 够在喉部手术工作空间中灵活地进行的各种手术操作，同时避免两只工具间的干 涉现象。喉部手术机器人是通过其末端执行器来对病人进行手术操作的，根据喉 部手术机器人的任务要求，该从操作手动作不仅要有空间位置调整、空间姿态调 整和手术器械末端开合三种基本动作，而且还需要有器械快速更换的能力。总体 说来从操作手必须具备调整空间动作的能力。 为了使末端执行器能够准确到达手术操作的正确位置，并能够在同一手术位 置灵活地进行姿态调整，从而达到满足手术操作的最佳姿态，机器人从手系统至 少需要3 个位置自由度和3 个姿态自由度和一个开合自由度。另外由于末端工具 需穿过喉镜对病变组织进行手术，由2 2 节的结论：在喉部手术操作中，左右手 的手术器械的摆角一般在0 。- 5 。范围内，这显然无法满足手术中姿态的要求， 因此必须在机器人末端执行器上增加一个俯仰自由度，以增加其灵活性。 支撑喉镜类喉部手术机器人采用主从操作方式，专业医生操作主手机器人， 经过运动学逆解和运动学正解使从手产生相应的运动，安装在喉镜内的内窥镜摄 取画面然后通过网络传递到医生面前，使医生实时感知手术进程。根据反馈图像， 医生采取下一步动作。 由于医生是根据内窥镜的图像来操纵主操作手的，并且主操作手和从操作手 问存在着对应关系，因此须将从手机器人坐标在内窥镜图像坐标系下进行标定， 由此主操作手坐标系与主手处的图像坐标系的关系也就得出，医生就可以根据图 像通过主手准确灵活地完成手术。 将从手机器人坐标在喉镜内图像坐标系下进行标定的最好也是最简单的方 法就是通过机械式定位将从手机器人坐标和图像坐标系重合，即将喉镜、内窥镜 和手术机器人从操作手固定在一起，实现机械式定位。然而，喉镜、内窥镜和手 术机器人从操作手具有相当的重量，在手术过程中，这些重量将由病人来承担， 这样既增加了病人的负担也增加了手术的不安全性。因此，需要增加一个支架来 承担这些重量。同时为了使从操作手能够快速准确地到达手术部位，该支架必须 能使从手以任意的姿态到达任意的位置，另外为了便于控制，最好各个关节的松 开和锁紧可以由人手动完成，也就是说需要再设计一个6 自由度的被动支架。 由以上分析得知，喉部手术机器人从操作手由一个能手动调节的被动支架和 左右对称的各具有5 个自由度的主动支架及两个末端执行器组成。 第二章喉部手术机器人从操作手方案设计 2 4 喉部手术机器人从操作手的机构设计 2 4 1 末端执行器机构设计 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 速稳定地、大范围地沿喉镜精确地直线运动到喉部精细操作范围内，协调操作完 成手术动作，并能够快速更换手术器械【 】。 喉部手术机器人末端执行器是进行手术操作的直接部件，必须具有改变末端 姿态和快速更换工具的功能，相当于工业机器人的手腕部分。由于手术机器人末 端执行器直接决定了机器人的灵巧性，所以手术机器人末端执行器的设计至关重 要。要是喉部手术机器人从操作手具有足够的灵巧性，机器人系统至少需要3 个 用于调整姿态的自由度，传统的3 自由度末端执行器的自由度组合有旋转中心交 于一点的r r r ( x 轴向旋转一y 轴向旋转一z 轴向旋转) 形式、绕固定轴x y z 旋转的r p y ( 回转一俯仰一偏转) 形式、r y r ( 回转一俯仰一回转) 形式等 三种。各自示意图如图2 9 所示。 r r r i 冲yi 心r 图2 - 9 三自由度末端执行器组成形式 旋转中心交于一点的r r r ( x 轴向旋转一y 轴向旋转一z 轴向旋转) 形式可 以保证从操作手在调整末端工具姿态时，末端工具的位置将不受影响。但是如果 选用该自由度形式，除去自转自由度外，另两个自由度实现均需要弧形导轨，这 必然增加了喉部手术机器人从操作手的体积，从而占去病人面部的大量空间，而 这些空间对于喉部手术来说是相当重要的。另外，由于手术需在喉部空间中进行， 由2 2 节得出，喉部空问相当狭小，手术器械的摆角一般在0 。一5 。范围内，采 用旋转中心交于一点的三轴旋转形式毫无意义。 r p y 形式是描述船舶在海中航行时姿态的一种方法【l 引，手术机器人从手末端 工具的姿态规定方法与此类似，设定末端工具杆件轴线为z 轴，绕z 轴的旋转称 为回转，绕y 轴的旋转称为俯仰，绕x 轴的旋转称为偏转。这三个自由度的实现 不需要额外的空间，同时考虑到喉部工作空间的狭小，可以将绕y 轴的旋转和绕 x 轴的旋转这两个自由度放在与末端执行器相连的主动支架上。 第二章喉部手术机器人从操作于坩案设计 r p r 形式弓r p y 形式相比，r p y 的工作窄问夫于r p r 的工作空间并且 能够实现一些躲过障碍的操作。r p r 型的未端t 具虽不能以机构允许的任意姿 态到达所有的工作点，但足在它的工作宅问点术端执行器有足够的姿态完成任 务。另外山f 喉部手术工作空间的限制和避免双手十涉的要求，末端执行器的抒 件直径必颓小于6 毫米，因此所有自由度的驱动必须后置，葵传动的实现都是由 丝传动来实现的。而丝传动就需要有张紧机构，且自旋自由度的宴现需耍径向支 撑以及各个自巾度运动时丝张紧的变化等等，这些原吲部导致采用r p r 形式 的末端工具较难实现。 由以上分析，丰喉部手术机器人从操作r 姿态调整自由度选用绕x 轴、绕y 轴、绕z 轴旋转三个自由度。同时考虑到喉部于术中间的狱小，将绕x 轴、绕 y 两个自巾度放到后面的主动立架上末端执行嚣拥有绕z 轴旋转的自由度。另 外为增加束端工其的灵活性，在工具杆件前端添加个俯仰自由度。囝此，本喉 部手术机器人从操作手末端执行器包括末端，f 合、末端偏转和绕杆件自旋等三个 自由赝。 这三个自由度中最难实现的是末端杆件的俯仰自山度，通过分析现有的喉部 ， = 一* 目口上息喉钳舀e ：一镕拴钳 立- 一i 二自喉坩一、异* 钳 ：l - 一碗口星囔错 岛k ，左开壁囔错 ： - 直尊 i - _ 上蕾星喉尊 ：簪。 一右开翌喉钳 l 嗳目f 圈2 一1 0 喉部手术工具汇总 手术工具( 如图2 - 1 0 ) ，我们得出这样一个结论：为满足喉部手术要求，现有的 方法采用的是用具有不刚角度的喉部手术工具来代替末端俯仰自由度。因此，在 末端工具t 添加俯仰自由度很有必要。另外，我们也得出可以将开合转动轴线与 弯曲自由度轴线重合用两个转动颚的相对运动同时实现弯曲和开合功能，这样 将末端工具的结构精简到最小，传动部件的设计也将得到简化。这对于减小束端 杆件的径向尺寸，避免双手操作的干涉都具有很重要的意义。 由于将开台转动轴线与弯曲自由度轴线重台用两个转动颚的相对运动同时 实现弯曲和开合功能。驱动部分只颁驱动手术工具的l 下颚，由于驱动部分必须 后置，手术末端的上下颚需通过传动部件与驱动部分连接，可以选择的传动部件 第二章喉部手术机器人从操作手方案设计 有丝或细钢杆。丝尺寸小，能最大地减小工具杆件的径向尺寸，并且传动效率高， 传动精确可靠。但是，采用丝传动必须增加丝张紧装置，安装过程困难，且可供 选择的材料稀少。如果采用小直径钢杆，利用细长钢杆的柔性，组成近似的曲柄 滑块机构，拉动细长钢杆就可以控制末端工具的上颚或下颚转动，示意图如图 2 - l l 所示。 图2 1 l 类四连杆机构示意图 由图2 1 l 可见，末端执行器的开合和偏转运动被转化为柔性钢杆的上下平 移运动。而能将电机的旋转运动转化为柔性钢杆直线往复运动的机构形式有连杆 机构、凸轮运动机构、螺旋机构、齿轮机构。综合考虑体积、可靠性、安全性以 及实现的难易程度，我们选择螺纹传动机构来将电机的旋转运动转变为柔性钢杆 的平移机构。 执行器绕杆件自身轴线旋转运动的实现过程如下：驱动电机输出轴的旋转运 动通过一定的传动方式带动杆件绕自身轴线的旋转运动。可选择的传动方式包括 齿轮机构、带传动机构、丝传动机构等。考虑到齿轮精度的要求及避免双杆干涉 的要求，我们选择丝传动来作为实现该自由度的传动机构。 一般的支撑喉镜下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。因此在喉部手术过程中，喉部手术机器人从操作手必须能够 随时根据手术要求而快速地更换所需的手术器械【1 9 l1 2 0 。 快速更换的部分可以是整个末端执行器，也可以从传动链中断开，更换传动 链前面的部分。由于末端执行器有三个自由度，需要三个电机。如果将整个末端 执行器作为快速更换部分，将大大增加整个机器人系统的成本，因此，考虑选用 在合适的传动链处断开的方法。由于前端类曲柄滑块机构不宜断开，因此我们选 择在电机与丝杠之间断开传动链，更换时电机部分无须更换，这样就极大地降低 了机器人系统的整体成本。 第二章喉部手术机器人从操作手方案设计 2 4 2 从操作手主动支架机构设计 为了满足喉部手术的操作要求，喉部手术机器人从操作手部分必须至少具有 3 个位置自由度和3 个姿态自由度，由2 4 1 节分析得出，喉部手术机器人从操 作手主动支架部分需包括3 个位置自由度和两个姿态自由度，总共具有5 个自由 度。我们设定末端杆件轴线为z 轴向，末端执行器电机到末端杆件的方向为x 轴向。