【内窥镜持镜机器人发展的国内外研究现状文献综述2100字】

内窥镜持镜机器人发展的国内外研究现状文献综述1.1国外研究现状及发展趋势世界上第一款内窥镜持镜机器人名为AESOP(automatedendoscopicsystemforoptimalpositioning)，如图1.2。该项目由美国国家航空航天局拨款，起初是设计用于美国太空计划的机器人，后进行改装，可以夹持腹腔镜进行操作。第一代可通过脚踏开关或手动控制的SCARA结构腹腔镜持镜机器人AESOP1000应运而生。后经升级，AESOP2000于1992年投放市场，该系统增加了语音控制腹腔镜的功能。AESOP有4个自由度，其中包括围绕套管针套管插入点的3个旋转自由度和沿着插入方向的1个平动自由度。俯仰的可移动范围是从-3°到47°，其中0°定义为腹腔镜变为水平的点。偏航角的可移动范围为±90°，放大和缩小为±100mm。但因为其使用的是SCARA结构，因此并不能从机械结构上保证套管插入部位的不变运动点。此外，如果无法识别语音，此系统没有内置的机制来停止内窥镜移动，无法很好的保障手术安全。1998年，该系统升级到AESOP3000，其上增加了一个关节，第四代系统AESOPHR增加了语音控制手术台、房间照明等功能。截止到2002年底，全球已有六百多家医院购置了8000余套AESOP设备，并使用该设备实施了175,000多台手术。[3]图1.2AESOP机器人Fig.1.2AESOProbot EndoAssist机器人，如图1.3，用装有红外发射装置的头带实现了对外科医生头部的运动捕捉与追踪，医生可以通过转动头部来实现内窥镜回传图像的平移，为了保障其可靠性，该设备加装了脚踏开关，只有在医生踩下使能开关后机器人才可以按照头部的指令进行动作。[4]同时，为了提高机器人的安全性，该系统增加了碰撞检测功能，当内窥镜触碰到患者体内器官时会立刻停止运动，并缓慢消除与器官之间的作用力。[3]图1.3EndoAssist机器人Fig.1.3EndoAssistrobot法国开发了一种紧凑型内窥镜操纵器，如图1.4，后来被命名为ViKY机器人内窥镜支架。ViKY系统由外科医生使用踏板或声音命令控制，从而允许以大/小幅度进行基本位移并自动返回到已记忆的位置。该系统于2007年获得CE认证，并于2008年获得了美国食药监督管理局（FDA）的批复。与其他内窥镜操作臂不同，ViKY系统的一个显着特征是其安装在患者身体上，非常紧凑。然而，但由于部分空间被制动单元占据，增加了对穿刺套管的干扰。[5,6]图1.4ViKY机器人Fig.1.4ViKYrobot由位于德国巴宾的AKTORmedGmbH针对于头颈部手术开发的SOLOASSIST可安装在手术台或手推车上，该机械臂可以通过声控或操纵杆两种方式控制。[7]其采用被动式远程运动中心（RCM），术前需要手动确定RCM位置。在耳鼻喉科使用时必须手动释驱动轴和手臂远端两个额外的可锁定关节。[8]目前，该机器人已在市场上销售，如图1.5。图1.5SOLOASSIST机器人Fig.1.5SOLOASSISTrobot由澳大利亚MedicalSurgicalTechnologies(MST)开发的AutoLap使用图像引导系统控制内窥镜，如图1.6。该系统有着更加智能的引导系统，外科医生可以使用手术工具的尖端标记所需查看的位置，然后机械臂沿最佳轨迹将内窥镜引导至标记点。与此同时AutoLap还可以使用操纵杆或直接手动控制。[9]图1.6AutoLap机器人Fig.1.6AutoLaprobot初创企业JohnWiley&

Sons推出的持镜机器人EMARO使用了气动的驱动方案，如图1.7。气动执行器具有许多安全优势，如产柔性强，热量小，可通过调节调节气压来控制对内窥镜的最大抓持力，易于通过释放执行器中的压缩空气来释放作用力等能力。控制方面，它并没有采用红外传感器，而是使用陀螺仪采集医生头部运动信息，从而控制持镜臂的运动。[10]图1.7EMARO机器人Fig.1.7EMAROrobot此外还有仿生机械臂MIRO，其关节1和2构成一个类胡克铰结构，如图1.8a，1.8b所示，关节3和4构成一个类胡克铰，总计7个自由度。同时关节2与关节3还灵活的使用了Cardanicdifferentialbevelgear(BG)结构，如图1.8c，使得当两个电机相同方向转动时关节绕关节2转动，电机方向相反时关节绕关机3转动。这款机械臂主打的是优秀的自重负载比,但由于机器人的结构弹性比较大，这样对机器人位置控制挑战很大，工程师采用状态反馈控制器来解决这个问题，其中状态来自电机位置和速度、关节力矩、关节力矩的微分。另外机器人关节柔和也很严重，包括弹性和阻尼矩阵，因此关节控制器也无法单独设计，只能设计成多输入多输出方案。[11]abc图3.7MIRO机器人Fig.3.7MIROrobot原Endoassist团队开发的更精简紧凑的内窥镜机器人产品FreeHand，其体积与质量都做到了便携性的要求，但其在运动范围上略有欠缺，如图1.9。[12]图1.9FreeHand机器人Fig1.9FreeHandrobot1.2国内研究现状及发展趋势目前我国的手术机器人产业刚刚起步，虽然有诸如天津大学妙手机器人、上海微创图迈机器人等微创手术机器人系统，但独立的持镜机器人少之又少。台湾上银公司（HIWIN）的内窥镜持镜外科手术机器人MTG-H1000，如图3.9。尺寸1212x269x812mm，重量20千克，最大抓持重量1.5千克，采用弧形关节，有固定的不动点，医生通过脚部控制机器人的运动。[13]其结构导致系统重量与体积较大，不便于收纳外出携带。图1.10MTG-H1000机器人Fig.1.10MTG-H1000robot参考文献[1] LingardL,ReznickR,EspinS,RegehrG,DeVitoI.Teamcommunicationsintheoperatingroom:talkpatterns,sitesoftension,andimplicationsfornovices[J].AcadMed.2002Mar,77(3):232-7.[2] OmoteK,FeussnerH,UngeheuerA,ArbterK,WeiGQ,SiewertJR,HirzingerG.Self-guidedroboticcameracontrolforlaparoscopicsurgerycomparedwithhumancameracontrol[J].TheAmericanJournalofSurgery.1999Apr,177(4):321-4.[3] BallantyneGH,etal.Primerofroboticandteleroboticsurgery[M].LippincottWilliamsandWilkins2004,35[4] GilbertJM.TheEndoAssistroboticcameraholderasanaidtotheintroductionoflaparoscopiccolorectalsurgery[J].AnnRCollSurgEnglJuly2009;91(5),389-93.[5] BerkelmanP,CinquinP,BoidardE,etal.Developmentandtestingofacompactendoscopemanipulatorforminimallyinvasivesurgery[J].ComputAidedSurg2005,10:1-13.[6] VorosS,HaberG-P,MenudetJ-F,etal:ViKYroboticscopeholder:initialclinicalexperienceandpreliminaryresultsusinginstrumenttracking[J].IEEEASMETransMechatron2010,15:879-886.[7] KristinJ,KolmerA,KrausP,etal:Developmentofanewendoscopeholderforheadandnecksurgery-fromthetechnicaldesignconcepttoimplementation[J].EurArchOtorhinolaryngol2015,272:1239-1244.[8] KristinJ,GeigerR,KrausPandKlenzner,T.AssessmentoftheendoscopicrangeofmotionforheadandnecksurgeryusingtheSOLOASSISTendoscopeholder[J].IntJMedRoboticsComputAssistSurg,2015,8–423.[9] MSTLtd:AutoLap,Dec2017./autolap/how-it-works/.[10] TadanoK,KawashimaK.Apneumaticlaparoscopeholdercontrolledbyheadmovement[J].IntJMedRobComputAssistedSurg.2015,11:331–40.[11] HagnU,NicklM,JörgS,PassigG,BahlsT,Nothhelfer,A,HackerF,TienLL,Albu-SchäfferA,KonietschkeR,GrebensteinM,WarpupR,HaslingerR,FrommbergerM,&HirzingerG.TheDLRMIRO:aversatilelightweightrobotforsurgicalapplications[J].Ind.Robot,2015,35,324-336.[12] FreeHandsLtd:FreeHands[EB/OL]./ImplementationProcess[13] HIWINLtd:MTG-H1000[EB/OL