（机械电子工程专业论文）喉部微创外科手术机器人控制系统设计与实验分析.pdf

中文摘要 本文针对喉部微创外科手术特点设计了喉部手术机器人控制系统，开发了控 制系统原型样机。基于该样机进行了系列实验，验证了机器人完成设计任务的能 力，并对机器人系统的各项性能参数进行测试，为进一步改进系统提供了实验依 据，本文主要工作内容如下： ( 1 ) 在分析喉部微创外科手术特点基础上，对喉部微创外科手术机器人系 统进行建模和仿真。首先，应用d h 方法分别建立机器人主操作手、从操作手 被动支架、主动支架及末端工具的运动学模型，用m a t l a b 软件仿真出主操作手、 从操作手末端工具的工作空间，确定主从操作手之间的运动比例映射系数：然后， 以喉部微创外科手术机器人从操作手运动学模型为基础，对主从操作手之间的映 射实现作了详细阐述；最后，针对喉部微创外科手术机器人末端工具的不同类型 特点，设计了机器人的主从非冗余及冗余控制算法。 ( 2 ) 研制了喉部微创外科手术机器人控制系统。首先，分析了喉部微创外 科手术机器人控制系统可采用的控制模式；其次，确定了控制系统体系结构，采 用p c + d s p 运动控制卡实现开放式控制系统结构设计；设计并搭建了机器人控制 系统硬件平台及主从控制软件，满足了医疗机器人实时操作的要求。 ( 3 ) 进行了喉部微创外科手术机器人的实验。首先，测量了机器人从操作 手末端工具控制点处初始化误差、重复定位误差等参数；其次，对影响机器人操 作能力的末端工具夹持力大小及机器人从操作手刚度进行了测量及分析；最后， 进行了主从操作映射误差测量实验、支撑喉镜狭小环境下模拟物缝合实验、缝合 线新型打结方法的验证实验。实验结果表明，机器人具备完成各项设计任务的能 力。 关键词：微创手术喉部工作空间主从冗余控制实验 a b s t r a c t t h ec o n t r o ls y s t e mm a d ei n t h i sd i s s e r t a t i o nw a sd e s i g n e df o rt h el a r y n g e a l s u r g i c a lr o b o ti nc o n s i d e r a t i o no ft h ef e a t u m si ns u r g i c a lo p e r a t i o n ，t h e nt h ep r o t o t y p e m o d e lw a sd e v e l o p e d e x p e r i m e n t sw e r ee x e c u t e do nt h er o b o tt o t e s tt h e p e r f o r m a n c ea n da b i l i t yo fi ti na c c o m p l i s h i n gt h ed e s i g nt a s k sa n dt oi m p r o v et h e s y s t e m t h es t u d yw o r kd o n e w e r es h o w n a s ： ( 1 ) t h em o d e l so ft h er o b o tw e r ee s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e da f t e rt h ei n t r o d u c t i o n o ff e a t u r e si nt h el a r y n g e a ls u r g i c a lo p e r a t i o n t h ek i n e m a t i cm o d e l so ft h em a s t e r m a n i p u l a t o r , t h ep a s s i v es u p p o r t e r , t h es l a v em a n i p u l a t o ra n dt h ee n de f f e c t o rw e r e e s t a b l i s h e di nm e t h o do ft h ed ht h e o r y , a n dt h e i rw o r ks p a c e sw e r es i m u l a t e du s i n g m a t l a b ，t h e nt h em a s t e r - s l a v ec o r r e s p o n d i n gc o e f f i c i e n tw a sf i x e do n t h ec o n t r o l l m e t h o db e t w e e nt h em a s t e ra n ds a l v em a n i p u l a t o r sw a sw o r k e do u tb a s e do nt h ew o r k d o n ea b o v e ，t h en o n - r e d u n d a n c ya n dr e d u n d a n c yc o n t r o lm e a n sf o rt h er o b o ts y s t e m r e l a t e dt ot h ed i f f e r e n c e so ft h ee n de f f e c t o r sw e r ed e s i g n e d ( 2 ) t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mw a sm a d e t h ec o n t r o lm e t h o do fp cp l u s m o t i o nc o n t r o l l e rw a sc h o s ef r o ms e v e r a lc h o i c ea v a i l a b l e ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mw a s d e s i g n e da n de s t a b l i s h e df o rt h ep r o t o t y p e ，t h e nt h em a s t e r - s l a v ec o n t r o ls o f t w a r ef o r t h er o b o tw a sd e v e l o p e da n dd e b u g e d ，w h i c hc o u l ds a t i s f yt h ed e m a n do fr e a l t i m e o p e r a t i o ni nt h em i s ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t so ft h er o b o tw e r em a d e t h ei n i t i a l i z a t i o ne r r o r s ，t h e r e p e a t i n gm o t i o ne r r o r so f t h es l a v em a n i p u l a t o rw e r et e s t e d t h e 鲥pf o r c eo ft h ee n d e f f e c t o rw h i c ha f f e c tt h er o b o ta b i l i t y ，a sw e l la st h er i g i d i t yo ft h es l a v em a n i p u l a t o r , w a sa s l om e a s u r e da n da n a l y s i s e dt oe v a l u a t et h ec a p a b i l i t yo ft h er o b o t t h es u t u r e e x p e r i m e n tw a sm a d eu n d e rt h em a s t e r - s l a v em o d eu s i n gt h es u b s t i t u t eo f t h et i s s u ea s t h et a r g e t a n dt h em a s t e r - s l a v em o t i o ne r r o sw a sm e a s u r e di nt h ee x p e r i m e n to f s u t u r i n gm e n t i o n e da b o v e t oe v a l u a t et h em e t h o do ft y i n gd e v e l o p e db yo u rl a b ， r e f e r e dt y i n ge x p e r i m e n tw a sm a d e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ep r o t o t y p ec o u l df u l f i l l t h ei n i t i a ld e s i g nt a r g e t k e yw o r d s ：m i s ，t h r o a t ，w o r k s p a c e ，m a s t e r - s l a v e ，r e d u n d a n c y ， e x p e r i m e n t s 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，也不包含为获得鑫盗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：粤溜甩 签字日期： 御孑年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤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) 事位论文作者签名：猡内忍 导师 签字日期：硼年占月1 1 日签宁日期 日 第一章绪论 1 i 引言 第一章绪论 科学技术推动着医学的发展，技术革命给医学带来进步【l 】。医学技术的不断 问世极大地丰富了临床诊治、预防保健以及医学研究的手段，推动了医学科学的 发展。机器人技术经过工业方面的成熟研究与应用后，在2 0 世纪末进入医学应 用研究领圳2 1 ，极大的推动了医学技术的发展。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 究热剧3 1 。尤其是外科手术机器人方面，将机器人自身优点与医生经验结合，如 表1 1 【4 】所示，给外科医学技术带来了重要的变革。 表1 i 优点缺点 i 良好的判断能力；i 容易疲劳，易于发生临床上的疏忽； 医 2 良好的手眼协调能力；2 医生的手容易发生颤抖，影响手术质量； 3 在人手本身动作范围内良好的3 在人手本身运动范围外操作性和灵活性受到限制； 运动灵活性；4 医生不能对组织结构透视； 生 4 对多种信息的融合及利用能力5 手作为执行任务的工具，体积大，影响周围环境； 容易培训：6 操作精确度受到人自身的限制； 5 灵活性好，易于提高水平；7 不易消毒处理及保持无菌状态； 8 易受到放射性器械影响； 1 良好的操作精度；1 机器人自身判断能力差； 2 不易疲劳，稳定，可靠性高；2 难以适应新的应用对象变换； 机 3 不受射线设备的影响；3 运动灵活性有限； 器 4 可设定工作在不同的运动范围4 手眼协调能力受限； 人和载荷；5 目前可利用的反馈信息有限； 5 可以整合多种信息，安装各种传6 难于整合和理解复杂的信息； 感器； 目前，外科手术机器人已经发展到显微外科【5 】，【6 1 、微c o # l - 科7 】 【8 1 ，【9 1 、辅助医 疗【1 0 】，【1 1 】，【1 2 1 、康复机器人【1 3 】，【1 4 1 ，【1 5 1 等各个领域，其中微创外科手术机器人发展最 为成熟，影响最为重大。微创外科手术机器人己从最初腹腔微创外科手术机器人 发展到多个类别，如胸腔、泌尿、耳鼻喉等方面的微创外科手术机器人系统。 第一章绪论 12 国内外医疗机器人发展简介 1 9 9 5 年美国的航空航天管理局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 ( r a m s ) ，如图卜i 所示。该系统为双手主从遥控操作模式，每一个操作手都 有6 个运动自由度，可克服囡长时间手术而使手术医师发生的振颤或肌肉痉挛等 问题。但是由于机构采用丝传动形式的空间转动关节，位姿不解耦，操作控制复 杂不适合复杂的手术操作，不能进行缝合操作。 闱 照k 蜒誊k 嘲盈毯飘 对s t e a d y h a n d 样机 b 1s t e a d yh a n d 实验 圈1 - 2s t e a d y h 卸d 系统 微创外科手术机器人是综合医疗机器人技术优点的产物之一，由于微创外科 第一章绪论 手术具有手术切口小、较小的手术创伤和较快的术后恢复等特点，被广泛应用于 临床手术中m 】，但是医生进行微创手术需要较高的技术水平和劳动强度。 1 9 9 6 年，c o m p u t e rm o t i o n 公司推出z e u s 机器人系统，用于微创伤手术”“， 如图】3 所示。这个系统让医生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，降低了病人的痛苦、手术剑伤和手术费用，缩短了康复时间， 同时也减轻了医生的疲劳强度i l ”。该系统从操作手的每个机械臂都具有6 + 1 个 自由度，其中6 个用于位姿调整，另外一个用于位置优化可完成复杂的手术操 作。尽管z e u s 机器人系统安全性高，术前机器人安装准备时间少，但是其从操 作手的布局方式占用空间大，工作空问小，灵活性相对较低，z e u s 系统末端工具 只有四个自由度，无法满足微色4 手术对灵括度的要求”，z e u s 系统已不再继续 生产，2 0 0 3 年，c o m p u t e r m o t i o n l n c 与i n t u i t i v es u r g e r y i n c 公司进行合作共同开 发d a v i n c i 系统。 警，翟 a ) z e u s 从操作手 图1 - 3 z e u s 系统 b 1 z e u s 主控台 2 0 0 年，美 虱i n t u k i v es u r g i c a l 公司开发出d av i n c i ，f 科手术机器人系统并通 过美国f d a 认证嘲，如图】- 4 所示。它是目前为数不多的商品化外科手术机器人 之一，被视为主从式外科机器人研究的一个里程碑。该系统包括一个医生控制 图1 4 d a v h c i 机器人系统 3 第一章绪论 平台、多功能手术床、各种手术器械和图像处理设备。d av i n c i 系统可以为医生 提供同开放式手术一样的直觉控制、运动范围和组织处理能力，医生可以进行远 程控制实施修复心脏瓣膜等多种精密手术。同时该系统具有自动纠错功能，可以 克服医生在操纵控制杆时手臂的颤抖，避免出现误操作。该系统精度高、刨口小、 效率高、费用低，大大减轻了患者的痛苦和经济负担。除腹腔手术外d av i n c i 系 统还能够进行心外科，泌尿外科和耳鼻喉外科等多种微创手术操作。截止2 0 0 7 年3 月d a v i n c i 系统已经在美国、欧洲、日本等地装机6 0 0 多台，是目前最成功 的外科手术机器人商业化产品，不仅带来了外科医疗水平的提高，而且创造了丰 厚的经济和社会效益“。 2 0 0 3 年。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 中心联合开发出针对心脏手术的微创机器人系统口”，并主要对机器人系统中的 力反馈评估进行研究。该系统的每个机械手臂有8 个自由度，可以进行套管针操 作。每个工具上装有力传感器可以检测来自工具中心轴部分三个方向的受力情 况，然后通过触感装置呈现给操作者，同时辅助以三维图像显示。通过这套系统， 他们实施了典型的心脏微创手术，并且对力反馈的质量进行了初步评估，同时对 自动打结等循环任务的可行性进行了探讨。图1 - 5 a 为机械臂的系统样机圈图 1 5 b 为系统整体的模型示意图。主操作手为美国s e n s a b l e t 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 。该系统有助于提高手术精度，缩短手术操作时间，同时避 免手术中对组织的损伤，能够在一定程度上缓解医生的压力从而有利于提高外 科手术的质量。 a ) 机器人样机 泛黾下丑监 图1 5 心脏手术机嚣人 b ) 机器人模型 1 9 9 7 年，北京航空航天大学机器人研究所开展了机器人辅助立体定向神经 外科手术的研究。2 0 0 1 年，北京航空航天大学、海军总医院同清华太学共同研 制了无框架定向神经外科计算机辅助外科手术系统，如图1 - 6 所示。该系统中通 第一章绪论 过引入虚拟现实技术增加了手术规划精度，提高了手术的安全性。开御了国内自 主开发外科手术机器人的先河。 曲脑外科机器人实验b ) 机器人产品 图i 6 北航脑外科机器人 2 0 0 4 年，天津大学开发了主从遥操作显微外科手术机器人“妙手”系统口“。 “妙手”系统由从操作手、主操作手、工具、力传感器、图像采集装置和控制系 统构成如图1 7 所示。从操作手为自主研究开发的关节式从操作手，主操作手 为具有力反馈能力的p h a n t o md e s k t o p 装置，工具为可更换末端工具的手指系 统。该系统可以实现显微血管的缝台，成功的对兔子的腿部l m m 静脉和颈部3 m m 动脉进行了血管吻合手术该系统可以实现远程操作。 圈1 7 “妙手”机器人系统 2 0 0 4 年，法国巴黎六大与天津大学合作研制了具有力感觉的腹腔手术机器 人系统m c 2 e 【”i ，该机构直接安装在人体上，以机构整体精简、体n d , 、熏量轻 为特点。具有4 + 1 个自由度( 1 9 0 f ) ，包括姿态调整机构的3 d o f ，工具进出移动 的i d o f ，工具末端开合的i d o f ，如图1 - 8 所示。姿态调整机构关节三轴交于 第一章绪论 腹部表皮进入点，使工具对人体的伤害降低到最低，并为工具末端提供最大操作 灵活区域，运行稳定可靠，并可实现工具替换。该机器人系统最大的特点是具有 力反馈功能。机器人与病人接触处安装有六维力传感器，可以精确的检测工具束 端所受的力。该系统己通过了猪心脏的动物实验研究。 a ) m c 。e 示意图 图i 8 m c 2 e 系统 13 喉部微创外科手术机器人 b ) m c 2 e 动物实验 目前，耳鼻喉科微刨外科手术机器人的研发刚刚起步，国内外各个相关研究 机构的工作重点已转向了这一领域，其中，喉部微刨外科手术机器人是目前这一 领域微创外科手术机器人的热点方向p “。 2 0 0 4 年美国j o h n sh o p k i n s 大学开发了基于支撑喉镜的多自由度喉部手术 机器人s n a k e l i k er o b o t i ”】，如图1 9 所示。该系统采用主从控制模式，可控制 三个高灵敏度、高准确性的蛇形末端执行器，从操作手共有3 4 个自由度。其中， 末端执行器由一个4 自由度分离式平行固定装置和一个7 自由度可卸换多脊柱蛇 形机构组成，采用多根高弹性管作为柔性脊柱，采用推拉工作模式来实现工具末 端任意方向9 0 。的弯曲，能够将平行固定装置的旋转转换成为蛇形机构末端手爪 的旋转。该机构外径约为4 r a m ，末端手爪能够产生l n 的夹持力，但是很难提供 缝合时所需的5 0 n 持针力2 ”，整套机构尚处于基础实验研究阶段。 曲s n a k e l i k e r o b o t 模型b ) s n a k e l i k e r o b o t 样机 图i 9s n a k e l i k er o b o t 系统 6 第一章绪论 2 0 0 5 年3 月，美国华盛顿空军医疗中心利用d av i n c i 外科手术机器人系统 实施了一例咽喉部手术，如图l l o 所示，系统的7 自由度手术器械使医生可在 有限的工作空问内灵活操作，系统具有三维图像显示、比例运动控制以及抖动过 滤功能，使手术精度得到提高。但由于其为腹腔设计，在进行喉部手术时存在诸 多问题：手术器械尺寸偏大，s m m 的器械外径使得直径2 0 r a m 左右的喉部手术 空闻十分狭小，双手协调空间不足且有干涉，臂部也存在干涉问题，不利于手术 操作：机构相对庞大，空间轨迹难于快速到位；只能实现单工具单臂与内窥镜单 臂的协调操作，不能实现两手术工具协作。因此，喉部外科手术使用d av i n c i 机器人操作的优势除了三维视觉与高精度外，并不十分明显。 | i 霹、蕾 謦1 曲手术布局坼手木对象 图1 1 0d a n v l e i 喂部手术 0 2 0 0 5 年，天津大学开发出用于喉部手术的机器人“妙手i i ”( m i c r o h a n d ) 系统，如图1 - 1 1 所示，“妙手1 1 ”具有2 + 6 + 1 个自由度，其中租调调整机构为 水平旋转与垂直升降自由度，精细操作机构为3 个位置自由度、3 个姿态自由度 与末端执行器开合自由度。“妙手i i ”系统可在可在中2 0 m m 0 2 5 m m 2 0 r a m 的 手术操作空间内，完成喉部组织精细操作的手术动作【2 s 1 。 圈1 - 1 1 。妙手”机器 系统 第一章绪论 1 4 本文的研究意义 喉部微创外科手术机器人是微创外科手术机器人一个新的研究方向，到目前 为止还没有成熟的系统投入临床应用。当前正在研究的系统往往存在着体积大、 模型复杂、控制困难、工具夹持力小等各种缺点，因此需要针对喉部特殊的手术 对象开发微创外科手术机器人。 本课题组开发的喉部微创外科手术机器人从操作手及末端工具针对喉部手 术特点进行设计，具有体积小、结构新颖、工具运动灵活等优点。本文考虑喉部 手术的环境限制，针对本套机器人的结构特点，开发了适用于喉部手术操作的主 从控制系统。充分发挥机器人运动精确，无疲劳，可靠性高、机构冗余等优点， 结合医生手术经验，使机器人既可对手术对象进行各种常规手术操作，还能完成 传统手术中无法完成的操作。提高了我国喉部微创外科医疗水平，促进了微创外 科手术机器人的发展。 1 5 本文的研究内容 第一章绪论 通过对医疗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、研究水平以及存在问题等诸多方面研究，确立了本文研究的意义，简要阐述 了本文的主要研究内容。 第二章喉部微g j # b 科手术机器人机械结构介绍 首先介绍喉部手术的特点，然后介绍本课题组设计的微创外科手术机器人的 机构构成，按照功能模块将机器人的机械结构以医生控制台、主操作手、从操作 手被动支架、从操作手主动支架、末端工具的顺序进行介绍。 第三章喉部微创外科手术机器人运动学计算 针对喉部微创外科手术机器人系统的机械结构，按d h 方法分别建立机器 人主操作手、从操作手被动支架、主动支架及末端工具的运动学模型，应用m a t l a b 软件仿真出主操作手、从操作手工作空间，确定主从操作手之间的运动比例映射 系数。以喉部微创外科手术机器人从操作手运动学模型为基础，对主从操作手之 间的映射过程作了详细阐述，并针对喉部微创外科手术机器人末端工具的不同任 务特点，设计了末端工具的主从非冗余及冗余控制算法。 第四章喉部微创外科手术机器人控制系统设计 首先介绍了喉部微创外科手术机器人控制系统可采用的几种控制模式，并从 中选择了p c + 运动控制卡的方案，然后对机器人控制系统所采用的硬件设备及连 8 第一章绪论 接进行了介绍，针对机器人的机构特点，在机器人的运动学模型的基础上，设计 了机器人的控制软件，包括机器人从操作手的初始化程序，机器人的主从对应控 制程序，机器人末端工具的不同控制方法，该控制系统的硬件及软件均可满足微 创手术实时操作要求。 第五章喉部微创外科手术机器人实验 首先对机器人的机械性能进行测试，包括机器人末端工具控制点初始化误 差、重复定位误差、运动平面度及线性度等误差测试，并对直接影响机器人操作 能力的末端工具夹持力大小及机器入从操作手刚度进行了测量及分析，最后进行 了主从控制方式下的各项试验，包括主从操作映射误差测量、狭小腔内环境下缝 合试验、狭小腔内环境下新型打结方法的验证试验，取得了初步成功。 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，为明确下一步研究的方向打下 基础。 9 第二章喉部徽创外科手术机器人机械结构 第二章喉部微创外科手术机器人机械结构介绍 喉部微创外科手术机器人不同于传统机器人，其细长狭小的空间要求机器人 和工具有特殊的结构和运动特性，与其他机器人系统有明显区别。本课题组针对 喉部微创手术的特点和要求，设计了一套完整的喉部微刨外科手术机器人从操作 手及末端工具系统，已有的p h a n t o md e s k 【o p 可作为系统的主操手用于机器人的 主从控制。 本章首先对喉部手术进行简单介绍，然后对构成喉部微创外科手术机器人的 各个子系统进行介绍，主要介绍各部分的机械结构和动作实现。将机器人分为主 操作部分和从操作部分，对机器人主操作部分介绍医生控制台、主操作手。对机 器八从操作部分介绍从操作手被动支架、从操作手主动支架、末端工具的结构。 a ) 咽喉内部m 声带结构 图2 - l 咽喉 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 喉位于颈前正中部，上通喉咽，下接气管。喉是由软骨、肌肉、韧带、纤维 组织及粘膜等所构成的一个管腔气管，前面有皮肤、筋膜及肌肉覆盖主要具有 呼吸、发声、保护和屏气等生理机能。如图2 1 b 所示，喉腔分为声门上区、声门 区和声门下区三部分，其中，声门区室带( 亦称假声带) 、喉室和声带组成1 2 ”。 第二章喉部微创外科手术机器 机械结构 2 12 喉部微创外科手术布局 支撑喉镜下喉部手术主要是在对病人进行全身麻醉和使用肌肉松弛剂的情 况下，医生借助支撑喉镜( 如图2 2 b ，c 所示) 和手术显微镜或者内窥镜图像系统 来处理喉部各种良性癌变，如声带息肉、声带小结、声带囊肿、任克水肿、乳头 状瘤、披裂肉芽肿、声带麻痹、声带癌前病变和早期声带癌等的一类手术。 曩蕊肾 曲手术布局b 1 喉镜的放置c 1 支撑喉镜 图2 - 2 喉部手术 手术过程中，患者平卧在床上，枕部垫高医生位于病人头部的正前方，助 手位于医生的右侧，替换用手术器械位于医生的右侧，内窥镜的显示器位于医生 自谊侧，+ 如图2 2 a 所示。这种布局方式使得医生和助手可以清楚地观察到手术的 进程，并且有利于医生和助手韵配合操作，提高手术效率和质量m l 。 支撑喉镜下的喉部手术基本动作有切、穿、剥、剪、拉、咬、吸七种，与之 对应的手术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。其中喉剪用来分离和切除组织：喉钳用以夹持、稳定或提起组织， 便于切开、剥离或缝合，还可以用来切除组织和病变部位，具有剪切力大、切除 动作准确，创口小等特点；喉刀用于剥离和切除病变部位，是耳鼻喉手术最简单 和常用的手术工具之一；喉吸引管用来在手术中临时清除血液、积液，从而显露 出手术区域，使得手术医生可以清晰地看到手术情况。 手术过程中，医生以右手操作为主，左手为辅。一般左手持一把喉钳，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，如图2 2 b 所示。 由于受到支撑喉镜的限制，支撑喉镜下的手术总体而言只能完成一些较为简单的 操作。 第二章喉部微创外科手术机器人机械结构 2 1 3 喉部手术空间 2 1 3 1 喉镜空间 手术过程中，支撑喉镜位于喉咽部，目的使喉部病变暴露，使手术器械直接 到达病变部位进行操作，因此支撑喉镜下的微创外科手术工作空间受到喉镜空间 的制约【3 1 | 。支撑喉镜为薄壁管筒，其近端呈扁圆形，内径为2 8 m mx1 2 r a m ；远 端呈圆形，内径为1 7 m m ，长度为1 7 5 m m 。为得出简化模型，用足够大的圆域包 围喉镜的近端内壁，此圆直径即为喉镜近端内壁所围区域的最大径向尺寸，为 3 0 m m ；以同样方法取喉镜的远端内壁所围区域的最大径向尺寸，为2 0 m m ；保 持喉镜长度不变，为a = 1 7 5 m m 。由此得到的喉镜空间的近似模型，为一台圆刽3 2 1 ， 如图2 3 所示。 图2 3 喉镜空间简化模型 2 1 3 2 喉部手术工作空间 ， 由上述分析可舸，支撑喉镜下喉部手术的工作空间由两部分组成，喉镜空间 和手术工具操作空间。其中手术工具操作空间又包括工具的基本操作空间、工具 的极限操作空间、喉镜远端与病变体近端之间的区域。具体来说，喉镜空间a ， 是工具需要频繁穿过的区域，为西2 0 m m 0 3 0 m m 1 7 5 m m 的圆台；工具的基本 操作空间b ，是病变体存在的区域，为0 2 0 m m 2 0 m m 的圆柱；工具的极限操作 空间c ，是工具在支撑喉镜的约束下的可达工作空间，为t i ) 2 0 m m x 3 0 m m 4 0 m m 的圆台；喉镜远端与病变体近端之间的区域d ，为m 2 0 m m 1 0 m m 的圆柱， 空间b 、d 包含在空间c 中1 3 2 1 ，如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 喉部手术工作空间 1 2 第二章喉部微创外科手术机器人机械结构 2 l3 3 手术工具操作空间 手术过程中，医生首先调整支撑喉镜的位置，使病变体暴露在支撑喉镜远端 附近。通常，当喉镜调整完毕后，喉镜远端与病变体近端距离l o m m 。考虑支撑 喉镜内壁对手术工具位置的约束、工具自身的长度以及喉部生理结构，以喉镜远 端为端面，取4 0 r a m 高的圆台包围上述两区域，得出工具操作空间为a ) 2 0 m m m 3 0 m m 1 7 5 r a m 的圆台 3 2 1 由此可得出，医生在进行支撑喉镜下喉部手术操 作时，支撑喉镜细长狭小的内腔限制了手术工具的运动范围包括工具在喉镜两 个径向方向的姿态调整、径向位置调整等动作这要求机器人在运动控制过程中 在上述两个方向的姿态和位置调整时限制其运动范围。 2 2 喉部徽创外科手术机器人机构介绍 如图2 5 所示，喉部微刨外科手术机器人系统包括两太部分：主操作部分和 从操作部分。主操作部分主要由医生控制台、主操作手、图像显示器以及一些附 加开关等组成；从操作部分主要由被动支架、主动支架和末端工具组成。 图2 - 5 喉部微刨外科手术机器人系统 1 主操作部分2 从操作部分 2 21 微刨外科手术机器人主操作部分 机器人主操作部分提供医生与机器人系统的交互界面。图像显示器和主操作 手安置在医生控制台的内部医生坐在医生控制台处，通过主操作手向机器人从 第二章喉部微刨外科手术机器 机械结构 操作部分发送动作指令控制从操作部分的主动支架和末端工具进行相应的动 作。图像显示器实时显示手术部位的图像为医生提供操作动作的视觉反馈，其他 辅助开关作为系统控制的补充环节参与控制过程。 22l l 微刨外科手术机器人医生控制台 舅”一一1 马 计实物照片b ) 坐标对应关系 圈2 6 6 医生控制台 l 医生控制台2 观察框3 显示器4 主操作手5 脚踏开关 为了排除医生工作时外界对其视觉干扰，为医生提供真实的图像显示，使主 手和图像中从操作手之间有确定的运动对应关系，改善医生使用时对机器人控制 效果的适应性以及系统的标准性，同时也为了降低医生使用机器人系统时的劳动 强度，增加机器人系统的操作舒适性，本论文开发了医生控制台如图2 - 6 a 所示。 微创外科手术机器人医生控制台将图像显示器、主操作手固定到同一个空 间。医生工作时，头部靠近控制台上部观察框，眼睛通过医生控制台上的观察框 观看图像显示器，同时手抓住主操作手进行主从控制。如图2 6 b 所示，观察框 相对于控制台基座坐标为r x ，图像显示器相对于控制台基座坐标为墨、主操作手 相对于控制台基座坐标为不，设主操作手动作变化为鼻医生在观察框感知此 动作为t ，假设从操作手部分的响应为s ，医生在观察框处通过图像显示感知 此动作为，则可得到如下关系式： 晶。= 丁1 ( 五毛) ( 2 1 ) = 彳1 ( 正只) ( 2 - 2 ) v = ( ) ( e 晶) 。、 = ( e e ) “ 其中k 为从操作手与主操作手之间的运动比例系数，为设定定值，散y 最+ 为定值。由式2 - 3 可知，医生眼睛处感知到的从操作手和主操作手运动之间的对 第二章喉部微甜外科手术机器人机械结构 应关系是确定不变的，不同的医生在操作这套系统时，主、从操作手之间的协调 关系对于医生是相同的，这增加了系统的标准性和临床通用性。 21l2 微创外科手术机器人主操作手介绍 喉部微创外科手术机器人主操作手采用s e n s a b l e 公司p h a n t o md e s k t o p ，如图 2 7 a 所示，它是应用于计算机虚拟现实技术的成熟系统，该系统具有6 个运动自 由度和一个按钮开关。 j l _ 曲实物照片 扣， ，i r ：3 ，。! t 、， 图2 7 p h a n t o m d h o d b ) 运动示意图 p h a n t o mm s k l o p 的结构属于空间关节串联式如图2 7 b 所示，6 个自由度 全部为转动关节，每个关节上装有码盘可实时向控制器发送各关节角度值。其中 前3 个转动关节异l ，月2 ，月3 为位置自由度，串联式组合布置可提供最大的空间范 围，后3 个自由度胄4 ，r 5 ，矗6 为姿态自由度3 个姿态自由度轴线相交于一个虚 拟点，此虚拟点即可视为p h a n t o m d e s k t o p 的控制点p h a n t o m d e s k t o p 前3 个自 由度确定其控制点空间位置，后3 个自由度决定其控制点姿态，位置自由度和姿 态自由度之间有耦合关系，p h a n t o md e s k t o p 的末杆上设有一个按钮开关，可为 后续开发应用时提供开关控制量。 p h a n t o md e s k t o p 前3 个位置自由度关节内部设置有力矩电机及封闭的丝传 动回路机构，力矩电机通过封闭的丝回路与关节一同转动，电机可通过丝回路为 各个关节提供力矩补偿，在计算机里通过相应的程序配置这3 个关节的力矩补偿 大小，可实现p h a n t o m d e s k t o p 末端控制点在三维方向的虚拟力效果，使操作者 感受到各种虚拟力效果，如接触力、摩擦力、惯性力等效果，在本机器人控制系 统中，利用p h a n t o m d e s k t o p 的位置和姿态的变化量作为运动控制器的输入量。 第二章喉部微创外科手术机器人机械结构 2 2 2 喉部微创外科手术机器人从操作部分 鏊- r 一盎 一 一i1 t 。、匠 翟。萄一、，叠 圈28 机器人从主；蒜分 被动支架2 主动支架3 末端工具 喉部微创外科手术机器人从操作手包括三部分，如图2 8 所示，分剐为被动 支架、主动支架、末端工具。其中，被动支架为整个从操作部分的支撑底座，主 动支架安装于被动支架连接杆上，末端工具安装于主动支架连接件上。机器人工 作时，被动支架置于病人头部附近，调整完被动支架与病人的初始位姿并锁定后， 将所需的末端工具安装在主动支架上，即可开始手术操作。 2 2 21 微创外科手术机器人从操作手被动支架 机器人工作时，将机器人坐标系与操作对象的坐标系对应是机器人工作的基 础，如果机器人的坐标系与操作对象的坐标系对应不佳，将增加机器人使用难度。 喉部微创外科手术机器人采用被动支架可直接将机器人的坐标系与手术操作对 象坐标系对应，使复杂耗时的坐标系对应过程变得简单准确畔) ，同时可提高机 器人断电安全性，当发生断电情况时将机器人从操作手主动支架部分从手术操 作对象上直接撤下来，而在以往的机器人系统上，很难在发生断电情况时将机器 人从手术对象上快速撤出。 微刨外科手术机器人从操作手被动支架为机器人肌操作手主动支架及末端 工具提供空间定位及保持。被动支架有6 个自由度，包括3 个位置自由度和3 个 姿态自由度，由医生直接操作被动支架使安装在支架末端的从操作手主动支架以 合适的姿态到达所需位置，然后手动驱动锁紧扳手和锁紧手轮将整个被动支架及 第二章喉部微创外科手术机器人机械结构 所连接的主动支架锁定在空间某一位置l ，如图2 - 9 a 所示。 曲实物照片运动示意图 囝2 - 1 0 从操作手主动支架 p l 直线关节2p 2 直线关节3 1 1 3 转动关节4 r 4 转动关节5 r 5 转动关节6 r 6 转动关节 从操作手主动支架是机器人从操作手关键部分，如图2 1 0 所示，为机器人 末端工具提供5 个运动自由度，使机器人末端工具可阻在支撑喉镜内完成位姿调 第二章喉部微创井科手术机器人机械结构 整。独特的设计使手术机器人的体积大大减小，更符合外科手术环境的要求。 关节l ( p i ) 提供z 方向位置自由度，直线关节2 ( p 2 ) 提供y 方向位置自 由度，转动关节( r 4 ) 提供x 方向位置自由度，上述3 个关节协调运动，即可 调整主动支架三个方向位置，进而可调整末端工具位置。转动关节( r 3 ) 提供z 方向转动自由度，转动关节( r 5 ) 提供y 方向转动自由度，上述2 个关节协调 运动，可调整主动支架两个方向的姿态，即调整末端工具的两个姿态。 2 223 微刨外科手术机器人从操作手末端工具 末端工具是喉部微刨外科手术机器人手术动作实施者，如图2 - 1 l a ，不仅可 进行喉部手术的各种常规动作，而且与常规的喉部外科手术工具( 如图2 1 i b 所 示) 相比，在小手常规开合动作基础上增加了小手的俯仰自由度，如图2 1 1 c 所 示，故可完成常规手术无法完成得复杂动作。其后续开发的系列工具可扩展为手 术剪、手术钳、镊子、手术刀等。 ，一一寸- - 、 7 1 。，+ 、 ， k a ) 实物照片b 1 常规类型工具 8 、一b c 1 新型工具 图 1 1 末端工具 电机组2 主动支架连接件3 传动盒4 传动杆5 拉紧环a 小手( 上) b 小手( 下 末端工具的径向尺寸较小( 直径4 m m ) ，可在支撑喉镜下进行多个工具的协 调操作。如图2 - 1 1 所示。末端工具的电机组安装在主动支架的连接件上。工具 的传动盒通过拉紧环固结在电机组上。如图2 1 l b ，c 所示工具可绕自身轴线运 第二章喉部微创外科手术机器人机械结构 动，调整工具的姿态( r 6 ) 。常规类型手术工具只有一个小手可开闭，一个电机 转动通过传动杆传递到末端工具小手a ，驱动小手a 动作，如图2 1 l b 所示。新型 手术工具中两个电机作为驱动，分别通过传动杆传递到末端工具小手a 、b ，工具 末端的小手a 、b 可以相对自身转动轴线独立转动，两个小手协调运动可完成开闭 与俯仰动作( r 7 ) 。末端工具系列具有与电机组连接的标准接口，在手术应用时， 可以通过连接环实现与电机组的连接与分离，因此末端工具可进行快速更换1 37 1 。 2 3 本章小结 本章首先对喉部手术的基本布局、手术操作空间、手术操作的基本动作介绍， 然后按照喉部微创外科手术机器人的系统构成，分两部分先后介绍机器人主操作 部分的医生控制台、主操作手，以及从操作部分的被动支架、主动支架、末端工 具等模块结构和动作实现情况。 1 9 第三章喉部微刨外科手术机器人工作空间分析 第三章喉部微创外科手术机器人运动学计算 针对喉部微创外科手术机器人系统的机械结构，按照d h 方法分别建立机 器人主操作手、从操作手被动支架、主动支架及末端工具的运动学模型，并应用 m a t l a b 软件仿真出主操作手、从操作手的工作空间，确定了主从操作手之间的运 动比例系数。以喉部微创外科手术机器人从操作手运动学模型为基础，对主从操 作手之间的映射实现作了详细介绍，并针对喉部微创外科手术机器人末端工具的 不同任务类型，设计了机器入主从非冗余及冗余控制算法。 3 1 微创外科手术机器人主操作部分运动模型及工作空间 3 1 1 d h 方法简介 机器人数学模型建立的方法有多种，其q b d e n a v i t h a r t e n b e r g 方法的直观性和 通用性使其得到了广泛应用【3 8 1 。机器人操作手模型化方法主要是运动链方法， 运动链是刚体的集合，通过运动副连接，运动副连接两个刚体并限制它们的相对 运动。两种最基本的运动副是转动副r 和移动副p 。 d h 方法按照一定的规则在每个刚体( 杆件) 上建立坐标系，然后，在每个 坐标系中引入四个参数( 即d h 参数) 来描述杆件本身以及相邻杆件之间的连 接关系，由此可确定任意相邻两个关节间的坐标变换矩阵，最后，将这些变换矩 阵连乘式( 3 1 ) ，就可以得出末端杆件坐标系相对于基座坐标系的变换矩阵，从 而得到末端杆件的位姿。 o r = o r 罗椤 ( 3 - 1 ) 3 1 2 数学模型 在每个刚体( 杆件) 上建立坐标系原则如下： 以关节轴i 和i + 1 的交点或公垂线与关节轴i 的交点作为连杆坐标系f 原点； z i 轴沿关节轴i 的方向； x t 沿上述公垂线的方向并指向关节轴i + 1 ，若关节轴f 和i + 1 相