（机械电子工程专业论文）显微外科手术机器人系统（MicroHand）的研究与开发.pdf

摘要 本文主要针对显微外科手术机器人 ( mi c r o h a n d )的控制系统进行了设计和 开发。以p c计算机为 平台 建立了 一 个集运动控制、 触觉感知、图 像采集、 实时 通讯为一体的开放式控制系统; 对主从异构型机器人的控制方法进行了深入的研 究，取得了一定的研究成果，并将其成功的用在 mi c r o h a n d 系统中。 基于显微外科手术的基本操作和空间布局， 以血管吻合显微手术操作为实际 应用对象， 对医生的动作进行了记录和量化分析， 以 此为标准设计了平面关节型 的从手操作器。由于采用了巧妙的双四连杆机构， 从机械结构上将机器人的位置 和姿态解祸， 大大简化了控制算法。 在四连杆的实现机构上采用了新型丝传动方 式，即简化了机构，又减轻了重量。 首先，建立了 mi c r o h a n d机器人主手和从手的运动学方程，通过数学模型 之间的广义映射建立坐标系之间的对应关系， 从而解决了主从异构型机器人的控 制难题。 其次， 与此同时在将运动学逆解的公式， 通过微变化方式进行了线性化 处理， 减小了计算量， 提高了系统的实时性。 线性化公式就像一把双刃剑在简化 计算的同时也降低了系统的精度， 为补偿线性化公式的误差， 采用了将误差作为 反馈值组成闭环的控制算法来改善其精度。 最后， 在计算机仿真试验中， 可以观 测到线性化公式的精度有了明显的提高。 为了验证理论分析设计的正确性和有效性，分别对 mi c r o h a n d主从机器人 的从手和整个系统的主从控制过程进行了详细的实验验证， 并运用该系统进行各 种如切开、分离、止血等基本操作的功能性试验及 “ 穿针引线”的灵活性实验。 最后， 经过对仿造血管的多次吻合操作后， mi c r o h a n d 系统作为主刀医生成功的 对兔子颈部动脉进行了血管吻合手术。 关键词:遥操作 术机器人 主从式异构开放式控制系统基于 p c机显微外科手 医疗机器人系统 abs tract c e n t e r e d o n t h e s p e c i a l t o p i c o f d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o n t h e c o n t r o l l e r o f m i c r o s u r g e r y r o b o t . b a s e d o n t h e p e r s o n a l c o m p u t e r d e s i g n a o p e n s y s t e m i n c l u d e m o t i o n c o n t r o l , h a p t i c s i m u l i n k , r e a l - t im e c o m m u n i c a t i o n a n d s o o n . t h e c o n t r o l o f s l a v e - m a s t e r i s o m e r i c s t y p e a r e f u l l y a n d s y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e d a n d s t u d ie d , o b t a i n in g s o m e v a l u a b l e o u t c o m e s o f t h e o r e t i c a l a n d p r a c t ic a l s i g n i f i c a n c e , w h i c h h a s b e e n s u c c e s s f u ll y a p p l i e d o n m ic r o h a n d s y s t e m . b a s e d o n t h e b a s a l m a n i p u l a t i o n a n d s p a t i a l a rr a n g e m e n t o f t h e m ic r o s u r g e ry , d o v e t a i l e d t h e v e i n d u r in g m i c r o s u r g e ry m a n i p u l a t i o n a s p r a c t i c a l a p p l i c a t io n o b j e c t , t h e a c t i o n o f t h e d o c t o r i s re c o r d e d a n d q u a n t i fi e d a n a l y z e d . d e p e n d o n a b o v e c r i t e r i o n w e d e s ig n a j o i n t t y p e ro b o t i n t h e s a m e p l a n e . wh a t s m o r e , t h i s ty p e r o b o t s o l v e t h e c o u p l in g o f r o b o t s p o s i ti o n a n d p o s t u r e i n m e c h a n i s m a n d p r e d i g e s t t h e a r i t h m e t i c o n c o n t r o l . ma k e u s e o f a t h r e a d t o r e a l i z e t h e f o u r b o l t i n g b a r c a n s i m p l e t h e m e c h a n i s m a n d r e d u c e t h e w e i g h o f s y s t e m a ft e r c o n s t r u c t e q u a t i o n s o f k i n e m a t i c s o f t h e s l a v e a n d m a s t e r , w e u t i l i z e t h e e q u a l o f g e n e r a l i z e d m o v e m e n t in t h e s a m e c o o r d i n a t e , s o l v e t h e p r o b l e m o n c o n t r o l o f s l a v e - m a s t e r i s o m e r i c s t y p e r o b o t . a t t h e s a m e t i m e , t h r o u g h mic r o m o v e m e n t t o l i n e a r i z a t i o n t h e c o n t r a - k i n e ma t i c s f o r mu l a a n d r e s u l t i n t h e r e d u c e o f c a l c u l a t e wo r k i n c r e a s e t h e ma s t e r - s l a v e r e a l - t i me c h a r a c t e r i s t i c . l i n e a r i z a t i o n i s l i k e a d o u b l e b l a d e s w o r d , o n t h e o n e h a n d s i m p l e c a l c u l a t e o n t h e o t h e r r e d u c e t h e s y s t e m p r e c i s i o n .i n t h e e n j , w e e n g a g e i n t h e f e e d b a c k m e t h o d t o i m p r o v e i t s p r e c i s i o n . 玩t h e f o l l o w i n g c o m p u t e r s i m u l in k w e d r a w t h e c o n c l u s i o n t h a t t h i s m e t h o d i m p r o v e l i n e a r i z a t i o n f o r m u l a r p r e c i s i o n o b v i o u s l y . t o v a l i d a t e t h e t h e o r e t ic a l a n a l y s i s , t h e e x p e r i m e n t s o n mi c r o h a n d s l a v e a n d t h e w h o l e s y s t e m a r e m a d e . mi c r o h a n d d o e s c u tt in g s e p a r a t e a n d s t a n c h o p e r a t i o n , d o s e w i n g w o r k . wh a t s m o r e , a ft e r s e v e r a l t h e s t i t c h o f t h e b i o n i c s v e i n， mi c r o h a n d a s t h e p r i m a t a l s u r g e ry s u c c e e d s t i c h i n g t h e v e i n i n t h e r a t s c e r v i x . k e y w o r d s : mi c r o ma s t e r 一s l a v e , t y p e i s o m e r i c s , o p e n i n g - s y s t e m , p c b a s e d , s u r g e ry r o b o t , me d i c a l r o b o t s y s t e m y 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己 经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 一 玉主 e t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 储 签 “ : j 纬 签 字 日 期 : 夕 年 ) 月 、 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解- 人 建ll 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 达建人可 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 导师签名 签字日 期， w 月 乞 日 签 字 日 期 : 汤 ” 笋 年扩月 砂 日 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 引 言 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。人们尝试将传统医疗器械与信息、微 电子、新材料、自 动化、精密制造、机器人等技术有机结合，以提高医疗诊断 的准确性和治疗的质量。在这种情况下，医用机器人和数字化医疗仪器设备得 到了迅速的发展，己经成为当今世界发展速度最快、贸易往来最活跃的高科技 产业之一。 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m、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 。 112 与人类相比，机器人具有定位准确、运行稳定、灵巧性强、工作范围大、 不怕辐射和感染等优点。医用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。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，估计在今后五年里还会以每年 2 0 %-3 0 %的速度增长。 根据联合国欧洲经济委员会( e c e ) 和国际机器人联合会( i f r ) 的统计，1 9 9 8 年底医疗外科机器人的装备数量为 8 0 0台， 2 0 0 2年的装备数量 达到7 0 0 0 台，它是机器人增长最快的 领域。 迄今为止，医用机器人还没有明确、统一的分类标准。在己有的分类中， 有的按医学学科类别进行分类，有的按医药、医学图像、人工组织、手术器械 分类，有的按保健、诊断、治疗、康复、服务分类。 1 .2 手术机器人的研究现状与发展 1 . 2 . 1国际上 的研 究现状 2 0 世纪9 0时年代初期，主从式医疗机器人的研制取得了飞跃性的发展， 第一章绪论 1 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。人们尝试将传统医疗器械与信息、微 电子、新材料、自动化、精密制造、机器人等技术有机结合，以提高医疗诊断 的准确性和治疗的质量。在这种情况下，医用机器人和数字化医疗仪器设备得 到了迅速的发展，已经成为当今世界发展速度最快、贸易往来最活跃的高科技 产业之一。 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体的新型交叉研究 领域，已经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【1 1 【2 l 与人类相比，机器人具有定位准确、运行稳定、灵巧性强、工作范围大、 不怕辐射和感染等优点。医用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。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，估计在今后五年里还会以每年2 0 3 0 的速度增长。根据联合国欧洲经济委员会( e c e ) 和国际机器人联合会( i f r ) 的统计，1 9 9 8 年底医疗外科机器人的装备数量为8 0 0 台，2 0 0 2 年的装备数量 达到7 0 0 0 台，它是机器人增长最快的领域。 迄今为止，医用机器人还没有明确、统一的分类标准。在已有的分类中， 有的按医学学科类别进行分类，有的按医药、医学图像、人工组织、手术器械 分类，有的按保健、诊断、治疗、康复、服务分类。 1 2 手术机器人的研究现状与发展 1 2 1 国际上的研究现状 2 0 世纪9 0 时年代初期，主从式医疗机器人的研制取得了飞跃性的发展 第一章绪论 一批研究成果相继被报道p h ”。美国的z e u s 和d av i n c i 系统实现了微创心脏 搭桥手术，并实现了远程手术操作。国内的北京航空航天大学机器人研究所的王 田苗教授与解放军海军总医院的田增民教授研制出了基于立体定向技术的脑外 科手术机器人系统，该系统是国内首台，也是目前唯一的一台实际应用于临床治 疗中的外科手术机器人系统，目前已经为近3 百名患者实施了手术治疗。 图i i用于眼科手术的机器人辅助显微外科手术系统 美国的航空航天管理局( n a s a ) 下属的空气推进动力学实验室( j p l ) 与 美国的微灵巧系统公司( m i c r o d e x t e r i t ys y s t e m s ) 合作，研制出了机器人辅助显 微外科手术系统，如图1 一l 所示。此系统采用的是双手主一从控制形式，每一 个操作手都有6 个运动自由度。由于该控制模式为遥控操作，故含有工作台和手 动对，a 的反馈结构，从而克服了因长时间手术使手术医师发生的振颤或肌肉痉挛 等问题。目前此系统只能用于眼科手术，抓起小的手术器械，尚不能进行缝合操 作。 1 9 9 6 年初，美国的c o m p u t e r m o t i o n 公司利用研制a e s o p 系列机器人积累的 在计算机和机器人方面的关键技术，推出了功能强大的z e u s 机器人外科手术系 统，并用于微创伤手术，如图卜一2 所示。z e u s 系统让外科医生突破了传统微刨 伤手术的界限，减轻了医生的疲劳强度，大大降低了病人的痛苦。z e u s 系统的 从操作系统的每个机械臂具有6 + 1 个自由度，其中6 个用于位姿调整，另舛一个 用于位置优化。通过z e u s 系统，医生可以在舒适的工作环境下操纵主手动作， 并通过监视器实时监视手术的过程；在手术地点，从手忠实地模拟并按比例缩放 医生用主手操作的动作，完成手术。 2 图1 - 2z e u s 外科手术机器人系统 第一章绪论 a ) d av i n c i 进行心脏手术b ) d av i n c i 系统打结 图1 - - 3d a v i n c i 机器人系统 2 0 0 0 年1 月9 日，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司成功地开发出d a v i n e i ( 达芬奇) 外科手术机器人系统，是主从式医疗机器人研究的一个里程碑。它是目前为数不 多的商品化的医疗机器人之一，主要包括一个医生控制平台、多功能手术床、各 种手术器械和图像处理设备等。手术医生在控制台上通过主手( 图1 3d a n c i 外科手术机器人医生的运动) 操作机器人动作，通过脚踏板来控制高质量的视觉 系统。多功能手术床包括2 个机器人手臂和一个内窥镜挟持手臂，为避免损伤患 者微细组织和神经，内窥镜手臂在手术切口1 c m 上回转。 从1 9 9 5 - - 2 0 0 0 年这五年里，东京大学工程综合系的m a m o r um i t s u i s h i 博 士进行了遥操作显微血管缝含机器人的研究，如图1 4 所示。目前该机器人已 经成功完成了3 0 0 公里的动物l m m 微血管缝合试验。该显微血管缝合机器人的 从手采用四联杆机构加弧形导轨，使得从手末端姿态的调整不会影响到操作点的 空间位置，同时从手的夹持机构没有采用电机驱动，而是采用液压伺服驱动，控 制性较好。 a ) 机器人手臂 b ) 四联杆机构c ) 图像系统 图1 4 东京大学研制的血管缝合机器人 正如上述系列图片所示，2 0 世纪9 0 年代初期，医疗外科机器人的研制取得 了飞跃性的发展，一批研究成果相继被报道。在国外，美国的z e u s 和l a v i n e i 系统实现了微创心脏搭桥手术，并实现了远程手术操作。在医疗外科机器人的发 展过程中，显微外科手术机器人的发展是其中重要的一个分支，由于刚刚起步， 任重而道远。 第一章绪论 1 。2 2 国内的研究现状 目前国内医疗机器人的应用大多依靠 国外的整机进口，如1 9 9 4 年美国研制了成 功的第一台协助微创手术的内窥镜自动定 位系红“伊索”如图1 5 ，已经在上海第一 人民医院、北京3 0 1 医院、北京阜外医院、 北京安贞医院、北京朝阳医院、北大人民 医院、上海中山医院、广州中山医科大学 附属第三人民医院等医院辅助外科大夫成 功的完成了诸如微创心脏瓣膜手术、心脏 手术、胸科手术等高难度的手术。并且著 名的“达芬奇”( d a v i n c i ) 和“宙斯” 图1 - 5 “伊索”内窥镜自动定位系统 ( z e u s ) 机器人手术系统也将走进中国。 而目前国内自主研发医疗机器人，还仅仅能从事对外科手术中的体内探察、 定位、夹线等辅助工作，而不能胜任真正开刀。如哈尔滨工业大学机器人研究所 研制成功纳米级精密定位系统，北京航空航天大学机器人研究所与解放军海军总 医院研制的基于立体定向技术的脑外科手术机器人系统等。 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 o b o t i ca s s i s t a n tm i c r o s u r g e r ys y s t e m ，简称r a m s ) ，是一个集图像处理、运 动控制、夹持力感觉等功能于一体的比较完整的主从方式的手术系统。该机器人 可以消除医生操作时的抖动，具有良好的超低速运动特性，但其只能用来完成长 时间稳定夹持微细血管、神经束等助手完成的动作。 而像“达芬奇”( d a v i n c i ) 和“宙斯”( z e u s ) 可以代替主刀医生完成切开、 分离、止血、打结、缝合、引流等基本操作的机器人系统，在国内还处于研究的 初期阶段，各大科研院所也正积极开展医用机器人的研究和开发工作。 1 3m i c r o h a n d 系统的总体结构 如图l 一6 所示，为显微手术系统的总体结构示意图和实际系统。它包括一个 医生控制平台、从操作臂，多功能手术床、各种手术器械和图像处理设备等。 首先，它有一个主操作臂( 主机械手或主机器人) 和一个从操作臂( 从机械 手或从机器人) ，操作人员( 医生) 用手直接操纵主动臂，而从操作臂则跟随主操 作臂运动来完成操作任务。同时装在从手的力矩传感器，将力信号反馈给主手， 通过主手使医生实现感受力的功能。 4 第一章绪论 圈1 - 6m i c r o h a n d 系统的整体结构 其次，m i e r o h a n d 的主手具有6 + 1 个自由度，三个控制位置，三个控制姿态， 外加一个开关量。从手系统具有8 + 1 个自由度，粗调机构包括两个自由度，z 方 向的垂直运动和水平方向的手动调整关节：精调机构则是6 + 1 个自由度，三个实 现位置，三个实现姿态，外加一个开合运动，与主操作手相对应，实现主手的动 作。 最后，从实际应用的角度出发，为该系统设计了若干不同的末端手术器械， 每种器械具有不同的用途。例如夹钳、缝合和组织处理等。 在助手的帮助下m i e r o h a n d 系统可以代替主刀医生完成切开、分离、止血、 打结、缝合、引流等基本操作。 1 4m i c r o h a n d 医疗机器人的控制系统简介 本系统采用的是主从遥控操作方式。可以分为两个子系统，主刀医生操作系 统与患者接受手术系统。该操作方式的优点是： 机器入在入的操级下，在难以蓟达( 距离遥远、对入有害或操作有难度) 的 环境中完成比较复杂的精细操作的一种远距离操作；而主从遥操作机器人引入了 人的智慧，利用人和机器人各自的优点，互补的完成更加复杂的工作： 使用这种主从操作方式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 第一章绪论 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。 1 4 1 传统的控制系统结构的弊端 ( 1 ) 开放性差：传统的机器人控制系统是根据应用的情况不同，采用专用 的c p u 、编程语言、操作系统，这种控制器使得一种控制器只能适用于特定的环 境和任务，这样很不便于系统的扩展和改进。 ( 2 ) 软件通用性差：控制器的软件只应用于特定的处理器，很难在不同的 系统之间使用，由于软件系统大都采用低级语言，很难利用w i n d o w s 、l i n u x 等 操作系统丰富的软件资源。 ( 3 ) 支持的通讯协议少：控制器缺少网络通讯的功能，很难实现网络化操 作。 1 4 2 基于p c 机的开放式控制系统 m i c r o h a n d 医疗机器人控制系统采用的是多级c p u ，分布控制模式。c p u 之间采用串行结构，即有两级c p u ，上级c p u 用来进行运动学计算、处理用户 任务和外部通讯：下层c p u 用来控制关节运动单元，通过高性能d s p 芯片从硬 件实现轨迹插补算法，大大的提高了系统的计算速度，满足主从操作实时陛的要 求。 医疗机器人系统的开放式结构，m i c r o h a n d 医疗机器人的控制系统是基于通 用计算机为平台，通过p c i 总线，即插即用的嵌入式的实时运动控制系统。此种 结构的控制系统具有以下的功能和特点： ( 1 ) 开放性、标准化系统软件与即插即用控制器硬件突破传统机器人软硬 件捆 $ 关系。基于w i n d o w s n t 的操作系统平台，具有大量的标准的软件工具和 数据文件格式可以兼容，使系统具有良好的人机接口和支持各种协议的通讯接 口。 ( 2 ) 随着p c 计算机性能指标高、产品更新换代，控制系统的品质也将不 断提高。 ( 3 ) 支持各种协议的通讯接口与计算机网络( 如i e c s 0 2 3 t c p i p ) 协议， 容易实现主从手远程操作。 ( 4 ) 下位机的双处理器的结构，使得其具有很高的运动控制品质，单轴 p i d 控制环刷新周期可以达到6 2 9 s 。 ( 5 ) 开放的f p g a 技术可以使用户可以根据情况任意搭建自己的控制系 统硬件环路。 第一章绪论 外科医生在手术中因为疲劳产生的误操作和手部的震颤 量。 1 .4 . 1 传统的控制系统结构的弊端 提高手术的精度和质 ( 1 )开放性差:传统的机器人控制系统是根据应用的情况不同，采用专用 的c p u 、 编程语言、 操作系统， 这种控制器使得一种控制器只能适用于特定的 环 境和任务，这样很不便于系统的扩展和改进。 ( 2 )软件通用性差:控制器的软件只应用于特定的处理器，很难在不同的 系统之间使用，由 于软件系统大都采用低级语言， 很难利用wi n d o w s . l i n u x 等 操作系统丰富的软件资源。 ( 3 )支持的通讯协议少:控制器缺少网络通讯的功能，很难实现网络化操 作。 1 .4 .2 基于p c机的开放式控制系统 mi c r o h a n d医疗机器人控制系统采用的是多级 c p u ，分布控制模式。c p u 之间采用串行结构，即有两级 c p u ，上级c p u用来进行运动学计算、处理用户 任务和外部通讯; 下层 c p u用来控制关节运动单元， 通过高性能d s p 芯片从硬 件实现轨迹插补算法， 大大的提高了系统的计算速度， 满足主从操作实时性的要 求。 医疗机器人系统的开放式结构， m i c r o h a n d 医疗机器人的控制系统是基于通 用计算机为平台， 通过p c i 总线， 即插即用的嵌入式的实时运动控制系统。 此种 结构的控制系统具有以下的功能和特点: ( 1 ) 开放性、 标准化系统软件与即插即用控制器硬件突破传统机器人软硬 件捆绑关系。 基于wi n d o w s / n t的操作系统平台， 具有大量的标准的软件工具和 数据文件格式可以 兼容，使系统具有良 好的人机接口 和支持各种协议的通讯接 口 。 ( 2 )随着p c计算机性能指标高、 产品更新换代， 控制系统的品质也将不 断提高。 ( 3 ) 支持各种协议的通讯接口与计算机网络 ( 如i e c 8 0 2 . 3 t c p / i p )协议， 容易实现主从手远程操作。 ( 4 )下位机的双处理器的结构，使得其具有很高的运动控制品质，单轴 p i d控制环刷新周期可以达到6 2 u s o ( 5 )开放的f p g a技术可以 使用户可以 根据情况任意搭建自 己 的 控制系 统硬件环路。 第一章绪论 1 . 5 本文的研究内容 本文主要介绍了mic r o h a n d 手术机器人系统的数学建模和控制系统的设计。 并从数学建模和控制方式上解决了主从操作型机器人的异构问题。 第一章 绪论 介绍了国内外医疗机器人发展的现状， 和当代机器人控制器的基本结构与各 自的优缺点，并对 mi c r o h a n d机器人系统进行了简单的介绍，最后阐述了本文 的研究内容。 第二章 mi c r o h a n d 系统从手的结构设计 对显微手术的基本操作进行定性和定量的分析，并以此为依据，对 mi c r o h a n d 系统的从手结构的进行设计。 第三章 m i c r o h a n d 机器人控制系统的硬件设计 介绍了 mi c r o h a n d机器人控制系统硬件的总体结构，重点介绍了基于双处 理器机构的高速位置和姿态运动控制单元。 第四章 m i c r o h a n d 医疗机器人运动控制的数学模型 分别对 mi c r o h a n d医疗机器人的主手和从手建立了数学模型，并且从主从 手映射关系方面成功的解决了主从操作手异构的问题。 最后提出了一种新的计算 方法用来提高 mi c r o h a n d从手线性化公式精度，并用计算机仿真技术对新方法 改善系统精度进行了量化。 第五章 mi c r o h a n d 系统软件设计 以l a b v i e w为软件平台， 建立了 控制系统的软件结构， 采用模块化的开发模 式， 将软 件系统划分 为1 ) p h a n t o m d e s k t o p( 主操 作手) 控 制与 通讯 模块; 2 ) 主从操作手空间映射模块; 3 ) 运动控制算法; 4 )图像采集与显示模块。 简化了 开发周期，降低了开发难度。 第六章 mi c r o h a n d 系统的实验研究 x ; mi c r o h a n d 系统的精度进行了量化标定， 测量了系统的回零精度、 重复定 位精度、直线度等机械性能指标。并运用该系统进行各种如切开、分离、止血、 打结、 缝合、引流等功能性试验及“ 穿针引线” 的灵活性实验。 最后， 经过对仿造 血管的多次吻合操作后， m i c r o h a n d 系统作为主刀医生成功的对兔子颈部动脉进 行了血管吻合手术。 第二章 mi c r o h a n d 系统机械结构设计与研究 第二章 mi c r o h a n d 系统机械结构设计与研究 2 . 1 引言 mi c r o h a n d 系统采用主从控制模式， 其从手的设计要考虑手术应用的具体环 境和场合， 以及完成的主要动作。 本章将根据实际手术中医生动作的量化标准为 依据， 进行从手操作器的设计， 使其更好的满足手术要求; 主手控制器的设计则 在满足准确记录操作者动作和重现高精度的接触力的基础上， 应用人机工程学原 理使人对其的操作更加舒适， 在这里选用了国外已 经商品化的设备p h a n t o m， 其 具有六个自由度和三维力反馈功能，最后对其工作原理进行了分析。 2 .2 mi c r o h a n d 手术系统从手设计的任务要求 mi c r o h a n d 是具有力感觉的显微外科手术机器人系统。 此系统的任务是， 在 显微外科手术过程中，替代主刀医生完成血管剥离、缝合、剪断等复杂的操作。 确定了 m i c r o h a n d系统从手的任务之后，要深入细致的 研究显微外科手术 的基本操作和空间布局，在定性研究的基础上进行定量分析，为 mi c r o h a n d主 从机器人的设计提出量化指标。 2 .2 . 1 显微外科手术中医生的动作分析 通过对血管吻合过程的分析可以知道， 在吻合血管的过程中， 需要医生的两 手在三维空间中相互协调配合工作。 同时可以了解到在操作过程中所需要的一些 关键动作如下: a) 左手执镊子夹持血管的外膜，右手执持针器将针刺入血管; ( 2 ) 右手腕部的运动带动针转动穿过血管壁， 同时， 左手起辅助配合作用: ( 3 ) 在右手将针穿入血管之后， 左手的镊子通过转动将针前部夹住， 同时， 右手的持针器在后部顺势前推; c 4 ) 在将针完全从血管拔出之后， 进行线的打结， 在打结时要保持线的牵 引张力达到内膜外翻。 由上可见， 在吻合血管的过程中最重要也是最复杂的动作是缝合和打结， 如 图2 - 1 和图2 - 2 所示。 第二章m i c r o h a n d 系统机械结构设计与研究 2 1 引言 第二章m i c r o h a n d 系统机械结构设计与研究 m i c r o h a n d 系统采用主从控制模式，其从手的设计要考虑手术应用的具体环 境和场合，以及完成的主要动作。本章将根据实际手术中医生动作的量化标准为 依据，进行从手操作器的设计，使其更好的满足手术要求；主手控制器的设计则 在满足准确记录操作者动作和重现高精度的接触力的基础上，应用人机工程学原 理使人对其的操作更加舒适，在这里选用了国外已经商品化的设备p h a n t o m ，其 具有六个自由度和三维力反馈功能，最后对其工作原理进行了分析。 2 2 m i c r o h a n d 手术系统从手设计的任务要求 m i c r o h a n d 是具有力感觉的显微外科手术机器人系统。此系统的任务是，在 显微外科手术过程中，替代主刀医生完成血管剥离、缝合、剪断等复杂的操作。 确定了m i c r o h a n d 系统从手的任务之后，要深入细致的研究显微外科手术 的基本操作和空间布局，在定性研究的基础上进行定量分析，为m i c r o h a n d 主 从机器人的设计提出量化指标。 2 2 1 显微外科手术中医生的动作分析 通过对血管吻合过程的分析可以知道，在吻合血管的过程中，需要医生的两 手在三维空间中相互协调配合工作。同时可以了解到在操作过程中所需要的一些 关键动作如下： i1 )左手执镊子夹持血管的外膜，右手执持针器将针刺入血管； ( 2 ) 右手腕部的运动带动针转动穿过血管壁，同时，左手起辅助配合作用； ( 3 ) 在右手将针穿入血管之后，左手的镊子通过转动将针前部夹住，同时， 右手的持针器在后部顺势前推； ( 4 ) 在将针完全从血管拔出之后，进行线的打结，在打结时要保持线的牵 引张力达到内膜外翻。 由上可见，在吻合血管的过程中最重要也是最复杂的动作是缝合和打结，如 图2 1 和图2 2 所示。 第二章m i e r o h a n d 系统机械结构设计与研究 訾幽黼 a j 针刺入第一根血管 b ) 针穿过对侧血管 c ) 将针从血管中拔出 图2 - 1血管缝合示意图 垄 # 图2 2 打结示意图 2 2 2 医生手米操作空间的测量 显微外科手术医生操作空间的研究是m i e r o h a n d 主从机器人设计中最基础 的工作，同时对机构的设计评价、运动参数的选择以及今后机构需要采取的控制 方法都具有极其重要的作用。 在现代的显微手术中，显微镜被广泛的使用，在显微镜的帮助下医生可以在 小于l m m 的血管上缝十几针，但是它的使用同时也带来了一些限制，如图2 - 3a ) 所示，通常显微镜的视野范围小( 视野直径一般小于4 0 r a m ) 这样就导致医生手 术的区域非常小；手术空间的大致范围如图2 3b ) 所示。 a ) 手术现场图 b ) 主刀医生手术空间布置 图2 - 3 手术实际的操作空间 显微视觉获取空间 左手操作空间 手术对象空间 图2 - 4 手术空问布置图 9 右手操作空间 第二章m i c r o h a n d 系统机械结构设计与研究 对手术空间的布局进行定性的分析，如图2 - 4 所示。由图可见，每一机构工 作中的使用空间都类似于圆锥体，显微镜的视觉信息获取空间居中，左右手操作 空间分别位于对称的两侧，手术对象空间位于三锥体的相交处。 在m i e r o h a n d 机器人从手机构的设计中，要使机器人的运动能够模仿人的 运动规律，除了定性分析之外，还需要准确的分析医生在手术过程中的动作和运 动空间；而且，还要进步量化，即用准确的数据表示，为下一步的设计提供数 据上的要求和准则。 为了测量工作空间，采用了两个摄像机分别从俯视和正视两个方向对手术进 行同步录像，如图2 5 所示。录像摄制的是断指的血管吻合过程。所得到的数据 是对中指和食指中的两条静脉和两条动脉吻合的过程测量的结果，四条血管的直 径均小于l m m 。使用的针号为9 - 0 ，其直径为1 0 0 岫，长度为5 m m ，形状为3 g 圆弧。 列朱浏彳叁： a 手术俯视图b 手术正视图 c 右手的轴测图 图2 - 5 工作空间投影 因为在显微手术过程中，医生的动作是缓慢而轻柔的。所以对录像每隔o 5 秒钟做一次记录。录像显示，手术空间大约是2 0 x 2 0 x 2 0 m m 3 的立方体，需要6 个自由度，运动的精度小于5 0 “m 。如图2 6 所示，是经过分析之后得到的两个 方向的投影角口和对时间的概率统计结果。其中深颜色的条状图为q 与属， 浅颜色的条状图为口：和属。 2 5 2 5 百2 0 百2 0 分1 5 分1 5 比1 0 比1 0 5 5 0 l o2 0 3 04 05 06 07 08 09 01 0 0 0 2 02 53 03 54 04 55 05 5 6 06 5 7 0 口角度( o ) 声角度( o ) 图2 - 6 运动角度的概率分布 从以上两个方向的两幅图中可以看到，手术工具的运动幅度绝大多数时间都 在4 0 0 5 0 0 的范围之内。俯视图中，左手口，的运动区间在4 0 0 1 1 0 0 ，但是运动 到9 0 0 1 1 0 0 之间的概率很小，不超过为8 ，此时左手在协助右手做打结的动 作。在前视图的运动范围图中，由于手术过程中受到显微镜空间等的限制，使得 第二章m i c r o h a n d 系统机械结构设计与研究 口角的运动范围受到了限制。在实际手术过程中，因为主刀医生的水平及其本身 的工作习惯，会导致工作空问稍有差别。 2 3m i c r o h a n d 从手机械系统的结构设计 2 3 1 机械结构方案的确定 由录像分析得出医生操作需要6 个自由度，再加上工具的夹持与松开这个自 由度，共有7 个自由度。所以设计的m i c r o h a n d 主从机器人的从手系统也应该 具有7 个自由度。 ( 1 ) 平面一关节型结构方案的确定 经过上面定量分析，又由于m i c r o h a n d 机器人从手除了完成打结、缝合之 外，还要完成拽线的工作，所以其工作区域要比实验范围大，为1 5 0 x 1 5 0 x 3 0 l l l i n 3 ， 为了j a 尽可能的小的机械系统来实现大范围的工作空间，在m i c r o h a n d 从手的 设计中，水平方向运动采用了关节型结构。其优点：一、关节型机器人在相同条 件下比其他型机器人具有大得多得相对空间( 即机器人末端点可达到的最大空间 和机器人体积之比) 和绝对空间( 即手腕所达到的空间) ；二、关节型结构符合 人类和动物都具有关节特点的自然规律，这种特点使得关节型机器人具有人臂的 功能，如避障和深入狭小区域工作的特点，适合显微外科的手术工作空间特点。 由第二章中显微手术机器人空间的研究知道，医生在工作时深度方向的工作 区域为2 0 m m ，其相对于水平方向的范围小的多，所以对于m i c r o h a n d 系统并没 有采用空间关节，而是通过在从手末端增加精密的直线运动副来实现深度方向的 运动。这样就可以只采用平面一关节运动加竖直方向运动副的方式实现空间运 动。 产面一关节代替空间关节的结构既简化了控制计算又提高了系统的安全性。 对于空间关节结构，由于重力的存在会使关节转动惯量随位置的变化而变化，所 以伺服控制器在控制电机运动的时候，伺服算法复杂并带来控制系统不稳定的隐 患；而采用平面一关节结构，因无需考虑重力，这样既避免了复杂的伺服算法， 又提高了系统的安全性。 ( 2 ) 双四连杆结构方案的确定 为了控制方便，大多数工业机器人的结构设计中位置和姿态不是相互偶合 的，这种结构有利于示教和离线编程模式的控制方式，因可以在位置移动的过程 中调整姿态以满足工作的要求。 参考上面的实验数据，主手的姿态大都在固定的圆锥体内，并且大夫在位置 移动的时候，姿态变化的比较小。基于这个特点，在机械结构上采用了双四连杆 第二章 mi c r o h a n d 系统机械结构设计与研究 刀角的 运动范围受到了 限 制。 在实际手术过程中， 因 为主刀医生的水平及其本身 的工作习惯，会导致工作空间稍有差别。 2 .3 mi c r o h a n d 从手机械系统的结构设计 2 .3 . 1机械结构方案的确定 由录像分析得出医生操作需要6 个自由度， 再加上工具的夹持与松开这个自 由度，共有 7个自由 度。所以设计的 mi c r o h a n d主从机器人的从手系统也应该 具有7 个自由 度。 ( 1 )平面一关节型结构方案的确定 经过上面定量分析，又由于 m i c r o h a n d机器人从手除了完成打结、缝合之 外， 还要完成拽线的 工作， 所以 其工作区域要比实 验范围 大， 为1 5 0 x 1 5 0 x 3 0 m m 3 为了用尽可能的小的机械系统来实现大范围的工作空间，在 m i c r o h a n d从手的 设计中， 水平方向运动采用了关节型结构。 其优点: 一、关节型机器人在相同条 件下比其他型机器人具有大得多得相对空间 即机器人末端点可达到的最大空间 和机器人体积之比) 和绝对空间 ( 即手腕所达到的空间) ; 二、 关节型结构符合 人类和动物都具有关节特点的自 然规律， 这种特点使得关节型机器人具有人臂的 功能，如避障和深入