（机械电子工程专业论文）喉部手术机器人系统从操作手的研究与开发.pdf

摘要 本文所研究与开发的喉部手术机器人系统m i c r o h a n di i 主要是面向喉部微 创外科手术。该系统能够在狭小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。喉部手术机器人系统可以有效地将专业医生 的经验和机器人技术的特点有机地结合在一起，对于减轻医生的疲劳、消除医 生操作手的颤抖、提高喉部手术质量、减轻患者痛苦以及缩短康复周期都具有 重要的价值。 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进行科学地 统计分析。并在此基础之上，对喉部手术机器人系统从手的机械构型综合、机 构设计原理、具体机械结构设计以及双臂协调操作进行了详细的阐述。并通过 d h 方法建立了机器人从手的数学模型，对机器人从手结构进行了可操作性和 灵活性优化； 然后，根据喉部手术在狭小空间内进行操作的特点，对传统器械进行改造， 采用传统的步进电机驱动方式实现由电机旋转到器械开合动作的转换，增加器 械绕自身轴线的旋转机构以及实现频繁更换器械的快换机构。并且对喉部手术 机器人的末端执行器操作工具的设计方案原理、具体的机械结构设计、相 关分析选型、动作实现进行了详细的说明； 最后，对喉部手术机器人的从操作手、操作工具以及喉部手术机器人专用器 械进行了实验研究和性能测试，确定了实验所需参数，验证了系统的稳定性和 可靠性。并在此基础之上，进行了猪的喉部声带肿物切除手术的动物实验。实 验结果表明，喉部手术机器人系统m i c r o h a n di i 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：微创手术喉部手术从操作手操作工具机构设计动物实验 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 mn a m e dm i c r o h a n d1 1w 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 es u r g e r yo fl a r y n g e a ls u r g e r y 1 1 1 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 r e n ts 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 g t ot h i sr 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 r i e n c e s a n dr o b o t i ct e c h n i q u ei nm i s n ep a t i e m s p m 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 da d 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 n si np h a s eo f t h es l a v em a n i p u l a t o rw a sd 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 b yu s i n g d e n a v i t h a r t e n b e r gm e t h o d ，am a t h e m a t i cm o d e lw a sf o u n d e d a n dt h eo p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r e so fs a l v em a n i p u l a t o rw a sc a r r i e do u t s e c o n d l y , s p e c i a l t o o l sf o rt h er o b o tw e r ea l t e r n a t e d a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i co fl a r y n g e a ls u r g e r y a no p e n c l o s e dm e c h a n i s md r i v e nb ym i c r os t e p m o t o rw a sd e s i g n e dt ot r a n s m i s s i o nt op l a c i d l yc h a n g er e v o l v et r a n s m i s s i o ni n t o l i n e a rt r a n s m i s s i o n r o t a t i o nm e c h a n i s ma n dq u i c k r e p l a c i n gi n t e r f a c ew e r ea d d e dt o s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fb e t t e rg e s t u r e sa n df r e q u e n t l yq u i c kr e p l a c i n gi n s t r u m e n t s d e t a i l e dd e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e sf o rm i c r om a n i p u l a t o rw a sd o n ea f t e rt h e a n a l y s i s o f p r o j e c tp r i n c i p l e b e s i d e s ，p r o b l e m d i s c u s s i o ni n c o m p o n e n t s m a n u f a c t u r i n gw a sa d d e dt ot h ee n d f i n a l l y , g r e a td e a lo fr e s e a r c ha n dt e s t sw e r et a k e no nb o t hs l a v ea n dm i c r o m a n i p u l a t o r sb e f o r ea n i m a le x p e r i m e n t e n o u g hc a p a b i l i t i e sp a r a m e t e r sh a db e e ng o t f o rp r e p a r a t i o n sf o rl a r y n g e a ls u r g e r y t h ee x p e r i m e n to ns u r g e r yf o rc u t t i n gk n u b t i s s u ef r o mv o c a lc o r d sw a sw e l lp e r f o r m e d t h ea n i m a le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t 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 tm i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y f 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 g hp r e c i s ea n dd e x t e r i t y k e yw o r d ：m i 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 , m i c r om a n i p u l a t o r ，m e c h a n i s m d e s i g n ，a n i m a le 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，也不包含为获得叁洼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己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者虢司矫签字嘿伊6 年，月士日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘茎有关保留、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) 一虢，司萄乔翩虢易 签字日期：弘m 占年月世日签字日期：劢年月，f 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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【l 】【2 】。 1 2 外科手术机器人的发展概述 1 2 1 显微外科机器人的发展状况 2 0 世纪9 0 时年代初期，外科机器人的研制取得了飞跃性的发展。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 ) 与美国的微型灵 巧系统公司( m i c r od e x t e r i t ys y s t e m s ) 合作，研制出了用于跟科手术的机器人 辅助显微外科手术系统。该系统的机构采用空间转动关节，丝传动形式。但是 该系统位姿不能解耦，操作控制复杂，不适合复杂的手术操作。 2 0 0 0 年，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 微血管缝合机器人的研究，如图1 - 1 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 微血管缝合实验。该显微血管缝合机器人系统的从操作手采用 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 置的变化。同时由于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，因此控制性能比较好。但是由于该系统的刚性较差，最终没有能够应用于 临床实验中。 美国j o h n s h o p k i l l s 大学研制的面向眼部手术的s t e a d y h a n d 显微外科机器人 系统，能够实现包括医生判断力、综合传感技术以及眼手协调工作在内的精细 第一章绪论 a 机器人从手 b 四联杆机构c 图像系统 图1 - i 东京大学研制的遥操作显微血管缝合机器人 手术操作，如图l 2 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 yh a n d 进行视网膜手术的示意图。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。同时，该系统的模块化设计对于外科手术机器人 系统的发展起到了重要的作用3 1 。 as t e a d yh a n d 系统操作臂 bs t e a d yh a n d 系统进行视网膜手术 图1 - 2s t e a d yh a n d 机器人系统 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1 4 】。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，在这个系统支持下的纳米级高精密微驱动机器人， 能对细胞和染色体进行“显微手术”。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 力感觉等功能于一体的比较完整的主从式机器人系统。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 第一章绪论 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【5 】旧。 图1 - 3r a m s 辅助显微手术机器人系统 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( 命名为“妙手”m i c r o h a n d ) ，如图1 4 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。妙手系统由从操作手( 左手和右手) 、主操作手( 左手 和右手) 、从手末端工具、力传感器、图像采集装置和控制系统构成【7 】1 3 】。 图1 - 4m i c r o h a n d 显微手术机器人系统 综上所述，医疗机器入可以实施高精度的手术操作。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【9 】【1 0 1 。随着微型机电技术( 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 第一章绪论 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 2 1 。 1 2 2 微创手术机器人的发展状况 1 9 8 5 年，英国泌尿外科医生p a y n e 和w i c k h a m 首次提出了“微创外科 ( m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y ，m i s ) ”的概念【l ”。1 9 8 7 年，法国医生m o u r e t 成 功实施了世界首例腹腔镜胆囊切除术使 | 导微创外科倍受关注【1 4 1 。2 0 世纪后期， 由于机器人技术的飞速发展，虽然以腹腔镜为代表的微创外科起步较晚，但发 展非常迅猛，短短十余年间便风靡全世界，包括中国在内的许多发展中国家的 基层医院均已开展，可见其蓬勃的生命力。 1 9 9 6 年，美国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 外科手 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，大大降低了手术刨伤，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【”】。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，另外个用于位置优化，可以完成复杂的手术操作。但是其 从操作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。 2 0 0 0 年，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司成功开发出d av i n c i 外科手术机器人系统， 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品化的医 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 av i n c i 系统相对 比较完善，但是该系统从操作手存在机构庞大的问题，而且主要针对胸腹部微 创手术而设计的，加上系统没有设计力感觉装置，相对医疗安全性较差，影响 了其在更大范围内的推广应用。 图i - 5d av i n c i 外科手术机器人系统 第一章绪论 由德国机器人与嵌入式系统研究中心( c e n t e rf o rr o b o t i c sa n de m b e d d e d s y s t e m s ( c r e s ) ) 和慕尼黑理工大学心脏治疗中心( g e r m a nh e a r tc e n t e rm u n i c h t e c h n c a lu n i v e r s i t yo f m u n i c h ) 联合开发的针对心脏手术的微创机器人系统主要 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具有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 部分的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 - 6 左为机械臂的系统实物图，右为系统整体的仿真示意图，主操作手为美国 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 。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，从而有利于提高了外科手术的质量【l6 j 。 图1 - 6 德国心脏手术微创机器人 1 2 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，而且使微创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 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 公司以及德国亥姆霍兹( h e l m h o l t z ) 国家研究中心在内一些科研机构正在进行 第一章绪论 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，可以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固定装置控制器和一个7 自由度 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1 向士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。该机构外径约为4 m m ，末端手爪能 够产生大于l 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 实验阶段的要求还存在一定差距f 1 7 】。 a 辅助从手b 灵敏末梢单元( d d u ) c 可拆分平行末端 图1 7 多脊柱蛇形喉部手术机器人系统 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g j 夕b 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1 8 ( 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，该中心同l e i p 五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) 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 8 ( 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 l l 8 1 。 第一章绪论 a 带触感装置的e n t 手术机器人原型b 乳突状带柔性组织的骨骼仿真模型 图1 8 带触感装置的e n t 手术机器人系统 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 0 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 外科手术机器人 系统在耳鼻喉手术领域的巨大潜力【1 9 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 以在有限的工作空间内进行操作。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 m m 的器械外径使得直径2 0 m 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 、手术的准各过程过分 冗长，耗时1 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， 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1 - 9d av i n c i 系统在进行喉部手术的病例 第一章绪论 由于受操作空间的限制，只应用了d av i n c i 系统的两个手臂，其中一只进行手 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工作中进行改进【2 0 1 。 1 3 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 r i ，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，由于医生对手术机械进行盲移，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【2 ”。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；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、颤抖等负效应。 因此，本文的设计任务如下所示： l 、机器人从操作手的构型分析、机械结构设计和初始布局的选择，应该满 足喉部手术的基本操作要求以及有利于手术机器人在手术过程中获得最佳操作 位姿的原则。 2 、左、右从操作手的协调布置以及左手( 辅助手) 手术器械的安装方式选 择，应该遵循有利于消除手术操作过程中的干涉问题，满足手术过程中的工作 空间以及手术器械工作区域具有最佳灵活度要求的原则 3 、喉部专用手术器械的设计，应该遵循满足耳鼻喉手术的相关医疗规范， 并且能够高效准确地完成切割、剪切、咬切、负压吸引等基本手术操作，实现 对喉部病变组织的夹持、分离、切除，手术清淤等功能。同时，还要在一定程 度上减少手术过程中双手操作时可能发生的器械干涉情况。 4 、驱动手术器械的操作工具的设计，应该满足尺寸、重量、速度等方面的 要求，适于狭长空间内的手术操作，避免不必要的干涉；满足手术操作中器械 张开角度及夹持力的要求；满足手术过程中姿态精确调整的要求；满足手术过 程中频繁更换多种手术器械的要求。 1 4 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 第一章绪论 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 决医生的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 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。 第二章机器人从手构型综合 主要阐述机器入从手的构型综合问题。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 型综合闽题；最后，从机器人从手的位置要求和姿态要求出发喉部手术机器人 系统m i c r o h a n di i 的从操作手进行构型综合分析，并在此基础上对机器人手臂和 手腕的类型进行了结构类型综合，从而得出机器人从手的构型方案。 第三章机器人从手结构设计与优化 在对机器人从手进行构型综合的基础上，对机器人从手结构进行了具体分 析和设计。其中，主要包括从手位置机构( 手臂部分) 和姿态机构( 手腕部分) 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m i c r o h a n di i 虚拟样机。然后，对机器人从手结构进行了可操作性和灵活性优化，并通过分 析确定从手的初始布局及双臂协调操作空间，并最终研制成功机器人系统样机。 第四章机器人操作工具的设计与分析 在对传统的喉部手术器械的特征分析基础上，遵循喉部手术在狭小空间内 进行操作的特点，对传统器械进行改造；采用传统的步进电机驱动方式实现由 电机旋转到器械开合动作的转换，增加器械绕自身轴线旋转及实现频繁更换器 械的快换机构。在此基础上，对整个操作工具的设计方案原理、具体的结构设 计、相关分析选型、动作实现进行了详细的说明。 第五章实验研究 对喉部手术机器人的从操作手及其操作工具以及喉部手术机器人专用器械 进行了实验研究和性能测试确定了响应的性能参数，并验证了其在长时间连续 工作状态下的稳定性和可靠性。在此基础之上，进行了猪的喉部声带肿物切除 第一章绪论 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。实验表明，喉部手术机器人m i c r o h a n di i 系统具有较好的安全性、灵活 性、稳定性和可靠性，设计理念符合喉部手术要求，能够满足喉部手术的要求。 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。 第二章机器人从手构型综合 2 i 引言 第二章机器人从手构型综合 设计出满足手术要求的从手结构是喉部机器人系统研究的首要问题。机器 人结构类型综合的任务就是根据任务要求实现的运动位置和姿态，确定组成机 器人机构的关节类型、数目和相对布置情况。对于工业机器人，许多学者对其 结构类型已经进行了详细的研究。对于喉部手术机器人的结构特点和运动性能， 与工业机器人有明显区别。工业机器人系统的可靠性、安全性及可操作性很难 满足手术的要求。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。并且，在此基础上对喉部手术机器人系统 m i c r o h a n d i i 的从操作手进行构型综合分析，进而对机器人手臂和手腕的类型进 行了结构类型综合，从而得出机器人从手的构型方案。 2 2 喉部手术的工作空间 喉部手术的工作空间对于机器人的末端执行器以及从手的构型起着决定性 作用。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 2 1 喉部生理空间 咽喉内部及声带结构如图2 1 所示【2 2 j 。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。 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 ( 1 5 2 3 ) c r u x 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 x ( 1 5 2 3 ) c m x 2 c m ，得到的结果和第一种方法基 第二章机器人从手构型综合 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 x 3 0 m m 2 0 m m 。 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 闰2 - 1 咽喉内部及声带结构示意图 2 2 2 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，喉镜及手术器械都是直 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间还 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 图2 - 2 喉镜 第二章机器人从手构型综合 喉镜( 见图2 2 ) 为例进行分析。 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 的最大径向尺寸，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 m 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。 甓舞送麓 2 2 3 器械操作空间 图2 - 3 近似喉镜空间 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l ，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。利用投影法分析手术器械的姿态。手术器械可以绕z 轴3 6 0 。旋转，在x o y 面上的投影必为3 6 0 。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d ，在y o z 平面内的投影角为 p ，如图2 - 4 所示。 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，a 的角度一般在o 。 5 。 第二章机器人从手构型综合 图2 4 手术器械操作空间分析 范围内，p 的角度一般在1 。5 。，如图2 5 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 。1 0 。的范围之内，手术器械的活 动空间类似于圆锥体。由于对于喉部每个手术器械的工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，n 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 - 4 所示。 百 分 比 百 分 比 7 - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 1012 3 4 5 67- 7 - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 一l0l2 34 567 口角度。口角度( o ) 图2 - 5 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0 。5 。范围内；经多 次测量计算取平均值得出，器械在支撵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由2 0 m m x 由2 5m i l l 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1 7 3 r a m ，即喉镜的总长度，其工作空间 如图2 6 所示。 第二章机器人从手构型综合 图2 - 6 器械操作空间示意图 2 3 面向喉部手术的设计要求 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 3 1 喉部手术的基本动作要求分析 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。六种器械均属于细长型，平均直径 仅约为3 m m ，主要用于手术中喉部息肉、早期喉癌的切除等手术，动作相对比 较简单。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 2 2 - - 2 4 。 由于喉都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， 第二章机器人从手构型综合 协调操作完成手术动作，并能够快速更换器械。 2 3 2 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实现专业医生所能进行的各种手 术操作。具体内容如下： l 、能够进行大范围内的调整，获得满足喉部手术要求的初始布局； 2 、能够准确到达手术操作的正确位置； 3 、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； ， 4 、能够在主从控制模式下，实现其末端执行器操作工具在支撑喉镜下 狭小范围内的精细手术操作。 2 3 3 机器人从手的运动分析 喉部手术机器人是通过其末端执行器来进行手术操作的，根据喉部手术机 器人的任务要求，确定了其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，而且还需要有从手初态调整与器械快速 更换的要求，即调整空间的动作要求。 根据喉部手术机器人从手的任务分析，可以对机器人从手的基本运动进行 分类，从而为机器人结构设计做好准备。其中，手术器械末端的动作将在以下 章节进行详细讨论。因此，从手的动作主要涉及位置和姿态的调整。 位置调整：喉部手术要求机器人从手应该具有大范围的位置粗调和小范围 内的位置精调。其中，粗调主要是指喉部手术过程中的快速就位。也就是说， 从手初始情况下保持一定的可调节空间，保证在手术准备过程中快速、准确地 到达操作初始位置；而精调则是指当从手到达指定的初始操作位置后所进行的 精确定位以及相应的手术精细操作。其中的精确定位是指从手能够实现手术器 械沿喉镜中心轴向做大范围( 约为1 7 3 r a m ) 的直线往复运动，来满足手术操作 以及器械频繁更换所需的大范围轨迹调整的要求。 姿态调整：从手在寻找初始操作位置以及进行精细操作过程中所进行的操 作姿态的调整。姿态调整的目的是为了获得手术操作的最佳姿态，从而减少双 手协调操作情况由于狭小空间所引发的干涉问题，提高手术质量与安全性。 2 4 机器人从手的结构类型综合 第二章机器人从手构型综合 机器人从手的结构类型综合就是根据机器人末端器械所要完成的运动条件 以及给定的几何约束确定组成机器人的关节型式和相应的关节数目，各个关节 在机构中的排列次序和布置方式。在此基础上，可以进一步确定机器人的结构 参数，运动参数和运动范围。 为了实现操作任务，对机器人末端一般既有位置要求，又有姿态要求，相 对应机器人结构类型综合也可分为位置结构和姿态结构来讨论。通常将位置结 构部分称为机器人的臂部( 手臂) ，而将姿态结构部分称为机器人的腕部( 手腕) 。 前者主要用以实现末端器械的位置，后者则用以实现末端器械的姿态。当然手 臂在实现末端器械位置的同时也可能影响到末端器械的姿态，而手腕在实现末 端器械姿态的同时也可能影响到末端器械的位置，即末端器械的位置和姿态两 者之间存在耦合关系。 因此，一个合理的机器人从手结构设计不仅能完成这些任务，而且能减小 或消除手臂关节和手腕关节在运动中的相互依赖。为了达到这一目的，位置结 构( 手臂) 和姿态结构( 手腕) 应采用分离结构，尽量使其在运动上独立。不仅如此 对于手臂和手腕本身各个自由度的移动或转动，其运动也最好独立，这样可以 简化控制和提高手术安全性。 下面将分别对喉部手术机器人手臂和手腕的类型综合问题进行分析。 2 4 1 机器人从手臂部类型综合分析f 2 5 】 2 7 1 针对喉部手术机器人从手的手臂进行研究，可以总结出设计以下要求； l 、必须是一个重心平衡机构，有较高的刚度； 2 、易于实现高的定位精度，可以被锁死在任意位置； 3 、在相同的结构尺寸下，工作空间尽量大，不与医生或护士手术操作发生 干涉； 4 、在达到相同工作空间的条件下，手臂本体占据空间尽量小，不与操作区 内的其他仪器设备干涉； 5 、运动直观性强，易于医生进行人机交互。 为了达到空间一定范围内的任意位置，机器人手臂一般要求有三个自由度。 根据转动关节r 和移动关节p 的不同组合，以及手术对机器人结构特点，可以 从工作范围、占据空间、定位精度、运动直观性、运动时对姿态影响这几个指 标对机器人手臂的各种结构类型进行综合比较如表2 1 和表2 2 所示。 表2 - 1 机器人的不同结构类型的对比 。o _ _ _ _ _ - o o _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一m i # i _ _ _ - _ o _ _ _ 一 第二章机器人从手构型综合 关节配置 p p pp p rr r pp r rr r r r p r 工作范围小较大大较大大小 占据空问大较小小较小小大 定位精度 高 较高 低 较高低较高 运动 强较强差较强最差强 直观性 对姿态 影响 无小 中 小大小 表2 2 机器人手臂各种结构类型的优缺点 类型优点缺点 直1 ，总体系统的结构刚度大；1 、系统结构占用空间大： 角2 、关节运动独立，没有耦台；2 、操作工作空间小； 坐 3 、运动学求解简单，无奇异状态；3 ，不能绕到目标物体下方进行操作 标4 ，设计加工简易，易于实现；4 、摄作灵活性差，操作时存在较大摩擦力 型5 、可以采用常规的驱动和惯性力。 圆柱1 、具有简易的运动学模型：1 、工作空间有限； 坐标 2 、设计加工简易，易于实现； 2 、工作区域有重叠现象： 型3 、操作灵活方便，功能强大。3 、移动关节不易保护 极坐 1 ，工作空间大；i 、具有复杂的运动学模型； 2 、系统占用空间小；2 、设计和加工复杂，难于实现。 标型 3 、操作灵活、方便。3 、移动关节不易保护。 i 、结构轻便，体积小，重量轻；i ，设计和加工复杂，难于实现； $ c a r a 塑2 ，简易的动力学模型；2 、结构剐性差： 3 、响应快。 3 、运动关系复杂，控制计算量较大。 多 1 ，具有很高的灵活性；i 、具有复杂的运动学模型，运动关系复杂， 关 2 ，操作空同很大，结构紧凑占空闰小；控制计算量大i 节 3 ，全部采用转动关节，可以到达工件任2 ，设计和加工复杂，难于实现； 意部位，干涉小；3 、确定末端件的位姿不直观； 型 4 、适于采用电机驱动。4 、结构剐性差。 并 l 、剐度重量比大； 1 、工作空问小； 联 2 相应速度快2 、腿，平台、机座在空间互相干涉： 3 、便于模块化设计，制造成本较低：3 具有奇异位置，也称死点机构到达此 型 4 、安装方便，适于频繁搬迁，易维修。位置后，无法通过电机推动平台。 由上述分析可知，多关节型在结构功能上具有更大优势，可以非常充分地 满足其设计的一般要求前四条，但是其设计制造难度大，运动关系复杂。因此， 我们在设计机器人从手操作臂部时，综合考虑多方面因素，选用2 d o f 平面转 动关节+ 1 d o f 斜直线运动副。这样，就可以使其更加便于与医生进行人机交互， 易于实现较高的定位精度。 机器人从手臂部2 d o f 平面转动关节的选择，使我们用尽可能小的机械系 统来实现大范围的工作空间，满足设计五项要求的同时，使其尽量符合人类和 第二章机器人从手构型综合 动物关节特性的自然规律，具有避障和深入狭小区域工作的特点，适合喉部手 术操作的特点。 机器人从手臂部1 d o f 斜直线运动副的选择，满足手术操作垂直运动的需 要，代替空间关节结构，使得控制算法大大简化。 综上所述，2 d o f 平面转动关节+ 1 d o f