經(jīng)尿道手術由于尿道解剖結(jié)構狹窄、內(nèi)窺鏡視野狹小,對醫(yī)生的技術和經(jīng)驗要求較高,且術后并發(fā)癥較多,亟需融合機器人技術提高手術質(zhì)量、減少并發(fā)癥、縮短醫(yī)生學習曲線時間.為促進我國經(jīng)尿道手術機器人的研究和發(fā)展,綜述了國內(nèi)外經(jīng)尿道手術機器人研究現(xiàn)狀,并分析了典型的經(jīng)尿道手術操作,對經(jīng)尿道手術機器人所涉及的機器人機構設計、力反饋技術、精密運動控制以及手術導航等關鍵技術進行了詳盡的分析.在總結(jié)研究成果和分析關鍵技術的基礎上,指出經(jīng)尿道手術機器人今后的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn). 

【文章來源】：機器人. 2020,42(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：18 頁

【部分圖文】：

連續(xù)體機構

除基于應變片的力傳感器外，基于光纖的光學測量方法也在機器人輔助外科手術中得到了大量應用．光學測量方法使用光纖將力信號從待檢測區(qū)域傳遞到處理單元．魯汶大學Peirs等[107]將光纖傳感器應用于RMIS系統(tǒng)中對手術器械進行力測量（見圖5(d)），通過均布的光位移傳感器檢測3個軸向力．倫敦大學國王學院Puangmali等[108]設計了一種MRI兼容的非金屬手術器械（見圖5(e)),3組光纖能夠測量軸向和徑向力分量．針對經(jīng)尿道手術，圣安娜高等研究學院Russo等[21]設計了集成布拉格光柵（FBG）的同心管激光前列腺切除器（見圖5(f)),3束光纖布置在激光纖維的外測同心管的內(nèi)側(cè)，用于評估轉(zhuǎn)向時激光燒灼器和組織的接觸力以及線纜的驅(qū)動能力．基于光纖的力傳感器具有重量輕、體積小、靈敏度高、可集成在器械內(nèi)部、對環(huán)境干擾不敏感以及核磁兼容等優(yōu)勢，因此將會越來越多地應用于微創(chuàng)手術的力檢測中．此外，隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）、生物材料等技術的快速發(fā)展，微型化的傳感器被集成在手術器械的末端，使得測量精確度、生物兼容性、密封性等都有很大提高．韓國成均館大學最新的研究成果提供了一種集成了4-DOF力傳感器的新型手術器械[109-110],4個電容式傳感器以及電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（CDC）嵌入在鉗爪中，圖5(g)(h)分別為傳感器安裝在鉗爪齒區(qū)和近端的手術器械．該器械成功在Raven-II手術機器人上進行了實驗．

現(xiàn)代控制方法代表性的有滑�？刂�、自適應控制、最優(yōu)控制等．這類方法是基于模型的控制方法，能夠提高復雜非線性系統(tǒng)的運動精度和減小彈性振動引起的誤差，但對控制模型的準確性有較高的依賴，且會增加系統(tǒng)的響應時間．智能控制方法是將一些智能算法加入到控制系統(tǒng)中，代表性的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、學習控制等，這類方法是基于無模型控制的，用于解決建模困難或不準確問題、控制非線性問題以及其他復雜的問題，但收斂時間較長．因此，這類方法經(jīng)常結(jié)合閉環(huán)PID算法提高從端操作手臂的準確性．文[119-121]采用基于模糊控制的PID算法實現(xiàn)手術機器人的位置控制．文[122]采用多目標粒子群優(yōu)化算法對PID參數(shù)進行整定，提高閉環(huán)系統(tǒng)的準確性．此外，文[123-124]采用預測控制方法和卡爾曼濾波算法對手術機器人進行運動補償，減小了生理活動對手術的影響．文中4.1節(jié)中提到目前多半經(jīng)尿道手術機器人采用串聯(lián)機械臂方式實現(xiàn)RCM運動，這使得經(jīng)尿道手術機器人對控制系統(tǒng)、控制算法的要求更加嚴格，控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性將嚴重影響RCM運動以及其他運動的精度．此外，由于在復雜的手術操作中，機器人末端執(zhí)行器始終與尿道接觸且以恥骨聯(lián)合處為支點進行旋轉(zhuǎn)，與患部會有直接接觸和能量交換，從手術安全性角度來看，僅僅有位置控制是不夠的，需要在從端操作手臂的控制中引入力控制．機器人的力控制分為兩大類：直接力控制和間接力控制．前者主要包括力/位置混合控制（hybrid position and force control)[125]，后者包括被動剛度控制[126]、阻抗控制（impedance control）和導納控制（admittance control)[127-129]．機器人關節(jié)的力/位置混合控制將任務空間分解為位置控制子空間和力控制子空間，分別對機器人進行位置控制和力控制．文[113,130]分別利用力估計和力傳感器測量方式結(jié)合位置傳感器實現(xiàn)手術機器人的力/位置混合控制．阻抗控制器的輸入是運動，輸出是控制力；導納控制器的輸入是力，輸出是運動．在阻抗控制中，控制器被看作是阻抗，機器人被看作是導納；在導納控制中，控制器被看作是導納，機器人被看作是阻抗．文[131-132]利用增強混合型控制和模糊自適應補償分別實現(xiàn)了連續(xù)體機器人和7自由度手術機器人的阻抗控制．文[127]提出將阻抗控制和導納控制統(tǒng)一起來，形成一種混合控制方案，在可變形的軟環(huán)境下進行導納控制，在形變微小的硬環(huán)境下進行阻抗控制．


本文編號：3530012