廖立，閆志遠(yuǎn)，杜志江何史林，陳廣飛，周丹

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150080；2.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

0 前言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)療機(jī)器人開始不斷走進(jìn)人們的視野。醫(yī)療機(jī)器人開始應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的各個(gè)方面，在很大程度上提高了人類的醫(yī)療技術(shù)水平。與沒有機(jī)器人協(xié)助的手術(shù)相比，有機(jī)器人輔助的手術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)。首先，在手術(shù)過程中，機(jī)器人能在很大程度上消除醫(yī)生手部的顫動(dòng)，極大地提高手術(shù)操作精度，對(duì)于需要精細(xì)操作的手術(shù)，能給醫(yī)生帶來很大的幫助。其次，由于機(jī)器人的參與，承擔(dān)了手術(shù)的一部分工作，能夠減輕醫(yī)生的手術(shù)工作強(qiáng)度。同時(shí)，通過醫(yī)生與機(jī)器人的配合，能在一定程度上提高手術(shù)質(zhì)量。再次，機(jī)器人輔助手術(shù)使醫(yī)生與患者沒有距離限制，通過遠(yuǎn)程手術(shù)，大城市里的醫(yī)生能夠很方便地為醫(yī)療條件較差的偏遠(yuǎn)地區(qū)的患者提供手術(shù)。同時(shí)，在具有X射線輻射等手術(shù)環(huán)境中，通過機(jī)器人的協(xié)助，醫(yī)生不必在現(xiàn)場(chǎng)便能對(duì)患者進(jìn)行診斷，避免了醫(yī)生長(zhǎng)期待在射線環(huán)境中對(duì)身體的傷害[1-2]。

我國(guó)人口眾多，幅員遼闊，醫(yī)療資源分布不均，不同地區(qū)的醫(yī)療水平存在著較大的差異。機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)能夠很好地平衡不同地區(qū)的醫(yī)療水平差異，提高醫(yī)療資源的利用效率。在機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)中，醫(yī)生與患者的距離沒有限制，醫(yī)生在手術(shù)室中操作主端的操作器械，控制遠(yuǎn)在千里之外的從端手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)。機(jī)器人系統(tǒng)通過圖像和力反饋等信息，增加這種遙操作手術(shù)的臨場(chǎng)感。2001年，美國(guó)的Zeus主從遙操作醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)完成了著名的“林白手術(shù)”，該手術(shù)是一項(xiàng)在美國(guó)和法國(guó)之間進(jìn)行的遠(yuǎn)程膽囊切除手術(shù)?！傲职资中g(shù)”的成功，驗(yàn)證了遠(yuǎn)程手術(shù)技術(shù)的可行性[3]。

遙操作主手是醫(yī)生與遠(yuǎn)程手術(shù)端的交互接口，醫(yī)生通過操作主端的主手運(yùn)動(dòng)，控制從端裝有手術(shù)器械的從手運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)動(dòng)作進(jìn)行手術(shù)。它可以向操作系統(tǒng)傳送位姿、速度等多種信息，同時(shí)可以接收控制系統(tǒng)發(fā)來的力和力矩等環(huán)境信息，以便為操作者提供力覺臨場(chǎng)感，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的有效干預(yù)和控制。因此，遙操作主手是機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)的重要設(shè)備，對(duì)手術(shù)成功與否起著關(guān)鍵作用[4-5]。本文設(shè)計(jì)了一款遙操作主手，具有操作靈活，工作空間大等特點(diǎn)。主手采用串并聯(lián)混合形式的構(gòu)型，具有7個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)位姿解耦，其中位置部分的3個(gè)自由度具有力反饋，能較大的增加遙操作的臨場(chǎng)感。同時(shí)，本文基于Internet搭建了遠(yuǎn)程手術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中從手能夠很好地跟隨主手運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及遠(yuǎn)程手術(shù)的可行性。

1 主手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，遙操作主手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求主要有：① 能夠滿足需求的工作空間。針對(duì)不同的手術(shù)，手術(shù)空間大小不一，但主手的操作空間和從手的運(yùn)動(dòng)空間可以是一定的比例關(guān)系，可以放大也可以縮小。較大的主手工作空間，通過縮放更容易實(shí)現(xiàn)較精細(xì)的手術(shù)動(dòng)作。② 操作靈活。要使主手操作靈活，則必須具備一定的自由度，增加冗余的自由度能夠提高主手的靈活性。③具備足夠的剛度。如果主手剛度不足，則會(huì)降低主從控制的運(yùn)動(dòng)精度，從而給手術(shù)帶來不利的影響。

主手的結(jié)構(gòu)構(gòu)型主要分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)結(jié)構(gòu)型主手，其工作空間相對(duì)較大，操作較靈活，但剛度相對(duì)較小。并聯(lián)結(jié)構(gòu)型主手的主要優(yōu)點(diǎn)是剛度大，但操作靈活性方面沒有串聯(lián)結(jié)構(gòu)型那么好。本文綜合串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種串并聯(lián)混合形式的主手，構(gòu)型見圖1(a)所示。

如圖1a，主手由兩部分組成。前半部分是一個(gè)改進(jìn)的Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主要由靜平臺(tái)、主動(dòng)桿、被動(dòng)桿和動(dòng)平臺(tái)組成。后半部分是一個(gè)四軸匯交的串聯(lián)機(jī)構(gòu)。串聯(lián)機(jī)構(gòu)的軸線與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)固連。從運(yùn)動(dòng)的角度分析，前半部分的并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主手的位置變化，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖中主手的動(dòng)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)平動(dòng)。后半部分的串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主手末端的角度變化。由于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的軸線匯交于一點(diǎn)，位置變化和姿態(tài)變化互不干涉，從而實(shí)現(xiàn)了位姿解耦，給運(yùn)動(dòng)和控制帶來了很大的方便。此外，主手并聯(lián)部分具有3個(gè)自由度（實(shí)現(xiàn)位置變化），串聯(lián)部分具有4個(gè)自由度（實(shí)現(xiàn)角度變化）。很顯然，串聯(lián)部分具有一個(gè)冗余自由度，這在一定程度上增加了主手的操作靈活性。

圖1b為本文設(shè)計(jì)的遙操作主手結(jié)構(gòu)圖。圖中，主手并聯(lián)部分的主動(dòng)桿為扇形盤，與電機(jī)通過鋼絲繩組成繩輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，不僅能實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速，同時(shí)還能放大電機(jī)力矩。并聯(lián)部分有3個(gè)電機(jī)，在實(shí)現(xiàn)位置運(yùn)動(dòng)3個(gè)方向重力平衡的同時(shí)，還能給遙操作手術(shù)提供力反饋。串聯(lián)部分的末端具有一夾持機(jī)構(gòu)，用于手術(shù)中的夾持動(dòng)作。串聯(lián)部分的末端三個(gè)桿件中都有一個(gè)電機(jī)，通過電機(jī)和配重實(shí)現(xiàn)末端的重力平衡。整個(gè)主手具有7個(gè)自由度，另加一個(gè)夾持自由度。主手的工作空間為200 mm×200 mm×200 mm,主手操作靈活，并具有3個(gè)自由度的力反饋。

圖1 (a)主手構(gòu)型圖

圖1(b)主手結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主手的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，見圖2，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用分級(jí)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)用于進(jìn)行各種計(jì)算，如主手正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、力反饋力矩求解和重力補(bǔ)償力矩的求解等。利用C++中的MFC庫(kù)編寫人機(jī)交互界面，以顯示主手的位置和姿態(tài)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和力矩等信息。下位機(jī)采用Elmo驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，同時(shí)接收傳感器的信號(hào)，完成閉環(huán)控制。主手共有7個(gè)電機(jī)，前3個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)3個(gè)平移自由度，采用光電開關(guān)檢測(cè)零位。最后1個(gè)盤式電機(jī)對(duì)應(yīng)夾持自由度，中間3個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)姿態(tài)部分的旋轉(zhuǎn)自由度，這4個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)均采用光纖傳感器檢測(cè)零位。圖2中的7個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)一個(gè)電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)不同的ID號(hào)，上位機(jī)發(fā)送指令時(shí)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的ID號(hào)，只有ID號(hào)相同的驅(qū)動(dòng)器才能接收指令從而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過CAN總線通訊。CAN總線與上位機(jī)通過USB口連接，與驅(qū)動(dòng)器通過CAN口連接。驅(qū)動(dòng)器接收到光纖傳感器和光電開關(guān)的信息，再根據(jù)上位機(jī)的指令對(duì)相應(yīng)的編碼器進(jìn)行歸零操作。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 遙操作實(shí)驗(yàn)

在機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)中，一個(gè)較大的問題就是存在時(shí)間延時(shí)，而且這種延時(shí)是一直變化的。變時(shí)延的存在給機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)帶來了很多問題。首先，當(dāng)存在變時(shí)延時(shí)，主操作端產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作，遠(yuǎn)端手術(shù)器械的動(dòng)作就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)滯后，顯然不利于手術(shù)的正常進(jìn)行；其次，變時(shí)延的存在還會(huì)使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致遠(yuǎn)端手術(shù)器械產(chǎn)生誤操作；此外，變時(shí)延會(huì)使手術(shù)過程中視頻圖像的傳輸產(chǎn)生滯后，這嚴(yán)重降低了手術(shù)操作的臨場(chǎng)感?；贗nternet的遠(yuǎn)程手術(shù)，不僅存在變時(shí)延，還存在數(shù)據(jù)丟包的問題。這就會(huì)使遠(yuǎn)端接收到的信息不完整，給手術(shù)帶來不利的影響[6-8]。

為了驗(yàn)證主手系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及遠(yuǎn)程手術(shù)的可行性，本文在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行了遙操作實(shí)驗(yàn)。

3.1 遙操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)主要由三部分組成：主操作端、通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程手術(shù)端。主操作端一般包含遙操作主手，視頻顯示設(shè)備等；通信網(wǎng)絡(luò)能夠在主從兩端進(jìn)行信息傳輸，發(fā)送主端的操作命令給從端，并接收從端返回的信息；遠(yuǎn)程手術(shù)端則為相應(yīng)的手術(shù)操作裝置，比如腦外科手術(shù)機(jī)器人、腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人等。

同樣的，本文所進(jìn)行的遙操作實(shí)驗(yàn)跟機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)類似。實(shí)驗(yàn)中，主操作端采用本文設(shè)計(jì)的遙操作主手，從操作端采用與其前3個(gè)自由度同構(gòu)的從手。通信網(wǎng)絡(luò)則采用基于ATM技術(shù)的教育網(wǎng)。ATM指的是異步數(shù)據(jù)傳輸方式，是一種以信元為基礎(chǔ)的分組交換復(fù)用技術(shù)。ATM技術(shù)不僅具有很高的帶寬，而且有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，這能夠使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延保持一定的穩(wěn)定性。同時(shí)，ATM技術(shù)還具有很高的實(shí)時(shí)性，很適合視頻和語音信息的傳輸，在機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)中有很好的應(yīng)用前景。著名的“林白手術(shù)”就是使用基于ATM技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)完成的[3]。

在本文的遙操作實(shí)驗(yàn)中，主操作端和遠(yuǎn)程手術(shù)端采用“客戶端-服務(wù)器”模型。由于受到地域的限制，本文的客戶端和服務(wù)器端均在本地（哈爾濱工業(yè)大學(xué)），分別將本地的兩臺(tái)主機(jī)設(shè)置成客戶端和服務(wù)器端。將北京航空航天大學(xué)的一臺(tái)主機(jī)作為遠(yuǎn)端信息中轉(zhuǎn)站。在實(shí)驗(yàn)過程中，將遙操作主手的位置信息，通過客戶端發(fā)送到遠(yuǎn)端信息中轉(zhuǎn)站（北京），信息中轉(zhuǎn)站接收到信息后馬上返回給本地（哈爾濱）的從端，此時(shí)從端就相當(dāng)于遠(yuǎn)程手術(shù)端。通過這樣的方式，不僅擺脫了地域的限制，而且主手的信息通過主端到從端經(jīng)過了雙向的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，更能檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，本文的實(shí)驗(yàn)采用視頻軟件對(duì)從端從手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行視頻傳輸，這樣便能在客戶端的主機(jī)屏幕上看到從手的運(yùn)動(dòng)視頻，這跟實(shí)際的遠(yuǎn)程手術(shù)是一樣的。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作流程，見圖3。

圖3 遙操作實(shí)驗(yàn)流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了掌握實(shí)驗(yàn)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀況，首先對(duì)哈爾濱與北京之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)的延時(shí)是主端遙操作主手到從端從手的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。實(shí)驗(yàn)在2013年6月20日上午8點(diǎn)到12點(diǎn)之間進(jìn)行。根據(jù)所測(cè)得的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延得到，時(shí)延均值758.32 ms，方差為260.15 ms,這表明延時(shí)值還是比較大的，并且波動(dòng)大。實(shí)驗(yàn)中主端的操作場(chǎng)景，見圖4。

圖4 主端的操作場(chǎng)景

圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)分別顯示的是主手和從手前三個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)角度跟蹤情況。這里的主手和從手前三個(gè)關(guān)節(jié)均指的是并聯(lián)部分，且主手和從手的并聯(lián)部分是同構(gòu)的。從圖中可看出，從手的電機(jī)能夠在較小的延時(shí)時(shí)間之后很好地跟蹤主手電機(jī)。當(dāng)主手運(yùn)動(dòng)較快時(shí)，時(shí)延相對(duì)較大。在主手的運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)速度發(fā)生劇烈變化時(shí)，在圖中表現(xiàn)為尖峰。此時(shí)，從手并沒有達(dá)到相應(yīng)的尖峰便開始下降，即從手沒有到達(dá)主手相應(yīng)的局部最大位置，這表明從手的位置精度有所下降。當(dāng)主手處在穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)，從手位置相對(duì)主手位置的偏差較小。

圖5 (a)1號(hào)關(guān)節(jié)角度跟蹤曲線

圖5 (b)2號(hào)關(guān)節(jié)角度跟蹤曲線

圖5(c)3號(hào)關(guān)節(jié)角度跟蹤曲線

通過本實(shí)驗(yàn)說明，本文的遙操作主手系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在時(shí)延均值758.32 ms，方差為260.15 ms的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，當(dāng)主手速度變化較大時(shí)，從手的運(yùn)動(dòng)精度有所下降，但整體來說，從手的運(yùn)動(dòng)能較好地跟隨主手的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)的可行性。

4 總結(jié)

綜合串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的串并聯(lián)混合構(gòu)型的遙操作主手，不僅操作靈活而且有足夠的剛度，工作空間有200 mm×200 mm×200 mm大小，具有7+1個(gè)自由度（1個(gè)夾持自由度），能實(shí)現(xiàn)位姿解耦，具有良好的操作性能。搭建了主手控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償并具有3個(gè)自由度的力反饋。最后，基于Internet的遙操作實(shí)驗(yàn)表明，從手能夠較好的跟隨主手的運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了遙操作主手系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)的可行性。

[1]杜志江,孫立寧,富歷新.外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(7):773-777.

[2]RussellH T,Dan S. Medical Robotics in Computer-Integrated Surgery[C].IEEE Transactions on Robotics and Automation,2003(19):765-781.

[3]Marescaux J,Leroy J,Gagner M,et al.Transatlantic robot-assisted telesurgery[J].Nature,2001,413(6854):379-380.

[4]Francois Conti,Oussama Khatib.A New Actuation Approach for Haptic Interface Design[J].The International Journal of Robotics Research,2009(28):834-848.

[5]Christopher R,Wagner Nicholas Stylopoulos Robert D.Howe.The Role of Force Feedback in Surgery:Analysis of Blunt Dissection[C].10th Symposium on Haptic Interface for Virtual Environment and Teleoperator Systems,2002:118-125.

[6]Sheridan T B.Space teleoperation through time delay: review and prognosis[J].Robotics and Automation,IEEE Transactions on,1993,9(5):592-606.

[7]Steven Martin,Nick Hillier. Characterisation of the Novint Falcon Haptic Devicefor Application as a Robot Manipulator[C]. Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA), 2009.

[8]Mellor-Crummey J M,Scott M L.Algorithms for scalable synchronization on shared-memory multiprocessors[J].ACM Transactions on Computer Systems (TOCS),1991,9(1):21-65.