張建勛 姚 斌 代 煜 夏光明

1.南開(kāi)大學(xué)人工智能學(xué)院，天津，3003502.南開(kāi)大學(xué)機(jī)器人與信息自動(dòng)化研究所，天津，300350

0 引言

20世紀(jì)末期，由于電視內(nèi)窺鏡技術(shù)的誕生，腹腔鏡手術(shù)(laparoscopic surgery，LS)進(jìn)入了前所未有的飛速發(fā)展時(shí)代。LS使用細(xì)長(zhǎng)器械，通過(guò)幾個(gè)直徑約1 cm的小切口進(jìn)入腹腔。外科醫(yī)生通過(guò)插入其中一個(gè)切口的內(nèi)窺鏡觀察正在治療的部位，監(jiān)控手術(shù)過(guò)程。LS作為開(kāi)放手術(shù)的一種有效替代方法，通過(guò)消除大切口，大幅度減小了患者身體的損傷和術(shù)后疼痛，縮短了住院時(shí)間[1-2]。然而，LS也存在弊端：一是眼手協(xié)調(diào)性低，手術(shù)器械經(jīng)皮膚表面的小切口進(jìn)入腹腔，醫(yī)生的視覺(jué)和操作不同向，造成手眼不協(xié)調(diào)，極易迷失方向感；二是可操作性低，醫(yī)生因疲勞造成的手或手腕震顫被細(xì)長(zhǎng)的器械軸放大至器械末端，影響手術(shù)質(zhì)量；三是器械靈活性低，器械大多只有4個(gè)自由度，不如人手靈活、準(zhǔn)確。隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人輔助腹腔鏡手術(shù)(robot-assisted laparoscopic surgery，RLS)系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。在臨床應(yīng)用中，許多RLS系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如最成功的商業(yè)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)——達(dá)芬奇(Da Vinci)。RLS克服了LS的上述不足，RLS系統(tǒng)一般采用主從式結(jié)構(gòu)，視覺(jué)與操作同向，眼手協(xié)調(diào)性高；醫(yī)生坐在控制臺(tái)前完成手術(shù)，不易疲勞，舒適性更高；醫(yī)生控制的主手運(yùn)動(dòng)經(jīng)比例縮小后映射到從手的手術(shù)器械，操作精度更高；RLS系統(tǒng)的手術(shù)器械一般具有7個(gè)自由度，比LS的器械具有更多的自由度，可以執(zhí)行更復(fù)雜的手術(shù)操作[3]。因此RLS正逐漸成為外科手術(shù)的首選方法。

但對(duì)于外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)，RLS系統(tǒng)仍然存在一些局限性，其中最重要的是外科醫(yī)生失去了他們自然的力感知能力[4]，迫使外科醫(yī)生僅僅依靠視覺(jué)信息估計(jì)力，帶來(lái)新的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。為了提高手術(shù)的安全性，RLS系統(tǒng)需要感知包括組織操作(例如抓取、提升過(guò)程中的輕負(fù)荷轉(zhuǎn)移)、組織移除(例如膽囊的移除)以及組織縫合時(shí)的力，以防止用力過(guò)度。國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果均表明，在RLS系統(tǒng)中引入力反饋技術(shù)，能使得手術(shù)動(dòng)作更精細(xì)，從而降低接觸力峰值和均值，減少無(wú)意損傷，提高手術(shù)操作的成功率[7-10]。此外，力感知技術(shù)也提供了在觸診中檢測(cè)病變組織的能力[7]。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)力感知對(duì)提高RLS系統(tǒng)的性能非常關(guān)鍵。本文回顧了研究人員提出的多種技術(shù)方案，綜述了力感知技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 研究進(jìn)展

在應(yīng)用于RLS的背景下，除了要求高精度、高穩(wěn)定性和高安全性外，狹小的空間、潮濕的環(huán)境、電磁干擾和多次消毒等也需要考慮進(jìn)來(lái)。從LS的大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)始，到RLS系統(tǒng)逐漸進(jìn)入手術(shù)室，出現(xiàn)了多種力感知技術(shù)。根據(jù)是否使用了傳感元件，將RLS系統(tǒng)中的力感知技術(shù)分為有力傳感器和無(wú)力傳感器兩大類(lèi)。

1.1 有傳感器的力感知

有傳感器的力感知通過(guò)在手術(shù)器械上設(shè)計(jì)和安裝力傳感器實(shí)現(xiàn)。常規(guī)手術(shù)器械力傳感器位置一般分布見(jiàn)圖1。對(duì)于鉗形手術(shù)工具A，傳感器一般分布在①鉗爪處、②腕關(guān)節(jié)處、③體內(nèi)的器械軸上、④穿刺器處；對(duì)于觸診工具B，僅③位置分布有傳感器。在RLS系統(tǒng)中，理想狀態(tài)是測(cè)量所有自由度的力，但這會(huì)使得傳感元件數(shù)量較多、傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜度升高，因此，前人設(shè)計(jì)的傳感器并非均實(shí)現(xiàn)了全自由度的測(cè)量。

圖1 力傳感器分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of force sensor distribution

本節(jié)將力傳感器根據(jù)原理分為基于電信號(hào)和基于光信號(hào)兩類(lèi)，分析了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、測(cè)量范圍、測(cè)量精度和電磁兼容性等多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，并討論了它們的優(yōu)勢(shì)和局限。

1.1.1基于電信號(hào)的力傳感器

基于電信號(hào)的力傳感器根據(jù)原理的不同被分為基于電阻變化、壓電效應(yīng)和電容變化三類(lèi)。

1.1.1.1 基于電阻變化的力傳感器

基于電阻變化的力傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)或者金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)制成的傳感器。材料受物理應(yīng)力會(huì)引起檢測(cè)元件的電阻率或物理尺寸的變化，而電阻的變化是其電阻率和物理尺寸的函數(shù)，因此通過(guò)測(cè)量電路就可以得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。電阻應(yīng)變計(jì)在測(cè)力領(lǐng)域具有應(yīng)用廣泛、測(cè)量技術(shù)成熟和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此最早被應(yīng)用于RLS系統(tǒng)的力感知技術(shù)中。

加拿大康考迪亞大學(xué)DARGAHI等[11]設(shè)計(jì)了一款鉗爪，位置見(jiàn)圖1中①，并在設(shè)計(jì)的鉗爪上沿軸向粘貼了兩個(gè)微應(yīng)變計(jì)，用于測(cè)量抓取力的大小和位置。靠近鉗爪自由端被分為多個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域用來(lái)描述力的位置。同時(shí)研究者設(shè)計(jì)了電子反饋系統(tǒng)，力的大小可以通過(guò)一排發(fā)光二極管反饋示出。當(dāng)夾持力在10 N的范圍內(nèi)時(shí)，與有限元模型仿真結(jié)果對(duì)比，力的大小和位置檢測(cè)的平均準(zhǔn)確率為87%和93%。

美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)PRASAD等[12]開(kāi)發(fā)了一種具有生物相容性的2自由度力套管，位置見(jiàn)圖1中③，承受力的極限為10 N，測(cè)量誤差不大于6.63%，可以模塊化應(yīng)用到多種5 mm的腹腔鏡器械上。在這之后，該大學(xué)的FISCHER等[13]開(kāi)發(fā)了一套可以進(jìn)行3個(gè)自由度力感知的腹腔鏡夾持器，位置見(jiàn)圖1中③。為了提高力感知的敏感性，應(yīng)變計(jì)布置在鉗爪經(jīng)有限元方法分析后的最大應(yīng)變處；為了不增加夾持器的尺寸，應(yīng)變計(jì)分別布置在兩個(gè)鉗爪上，一個(gè)鉗爪上布置了惠斯通全橋和半橋來(lái)檢測(cè)兩個(gè)彎曲力，另一個(gè)鉗爪上由泊松電橋來(lái)檢測(cè)軸向力。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)LI等[14]提出了用于組織觸診的微型3自由度力傳感器，位置見(jiàn)圖1中③，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2a。該傳感器以可彎曲和壓縮變形的三腳架結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，6片定制的應(yīng)變計(jì)分別被粘貼在柔性結(jié)構(gòu)的3根豎梁兩側(cè)，用來(lái)感知3個(gè)方向的力。研究者通過(guò)推導(dǎo)傳感器的線性特征矩陣，提出了一種考慮靈敏度各向同性的直接幾何參數(shù)化優(yōu)化方法，使傳感器結(jié)構(gòu)具有較高的靈敏度和足夠的剛度。該傳感器可以在軸向?qū)崿F(xiàn)0～3.0 N的力檢測(cè)，在徑向?qū)崿F(xiàn)0～1.5 N的力檢測(cè)，測(cè)量的分辨率分別是5%和1%。

筆者[15]設(shè)計(jì)了一款適用于RLS的3自由度力傳感器，位置見(jiàn)圖1中③。該傳感器最大限度地保持了手術(shù)器械的完整性，由8片應(yīng)變計(jì)按照一定方式粘貼在體內(nèi)的器械軸上構(gòu)成。其中4片應(yīng)變計(jì)沿軸向間隔90°接入兩個(gè)惠斯通半橋電路以檢測(cè)兩個(gè)彎曲方向的力，另外4片應(yīng)變計(jì)構(gòu)成惠斯通全橋電路以檢測(cè)沿器械軸向的力。為提高傳感器檢測(cè)的靈敏度，筆者設(shè)計(jì)了專用的信號(hào)放大及采集電路，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪、濾波和解耦。傳感器的徑向力測(cè)量范圍為0～10 N，最大誤差不超過(guò)3.8%。最近，筆者[16]設(shè)計(jì)了4自由度力傳感器，用于測(cè)量3個(gè)方向上的力和軸向的扭矩，從應(yīng)變計(jì)的布局、數(shù)據(jù)采集電路到數(shù)據(jù)處理方法都較之前的研究進(jìn)行了優(yōu)化，使得傳感器力的分辨力優(yōu)于0.02 N。

1.1.1.2 基于壓電效應(yīng)的力傳感器

壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)沿一定方向受外力而變形時(shí)，在其相對(duì)的表面上產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。基于壓電效應(yīng)的力傳感器正是利用了這種性質(zhì)，通過(guò)對(duì)電壓的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)外力的測(cè)量。聚偏二氟乙烯的壓電性被發(fā)現(xiàn)之后，得益于其壓電常數(shù)大、頻帶響應(yīng)寬、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，很快被用于RLS力感知技術(shù)中。

美國(guó)麻省理工學(xué)院SOKHANVAR等[17-18]提出了一種壓電式力傳感器，位置見(jiàn)圖1中①，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2b。研究者使用壓電聚偏氟乙烯薄膜作為傳導(dǎo)元件，在鉗爪上設(shè)計(jì)了一排獨(dú)立的傳感單元，構(gòu)成傳感陣列。這款傳感器不僅可以測(cè)量夾持力的大小和位置，還可以由夾持力的大小和被夾持物體的變形來(lái)推算夾持物體的硬度。研究者使用4種具有已知硬度的材料對(duì)該傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，傳感器在材料區(qū)分和位置檢測(cè)方面均取得了良好的結(jié)果。由于壓電式傳感元件輸出的直流響應(yīng)差，因此這類(lèi)傳感器無(wú)法滿足靜態(tài)負(fù)載條件下的使用要求。

1.1.1.3 基于電容變化的力傳感器

一般來(lái)說(shuō)，電容器是由兩個(gè)相對(duì)較小間隙的導(dǎo)電板構(gòu)成的，如果在兩塊板上施加電位差，則兩個(gè)極板上會(huì)積聚等量相反的電荷。電容式力傳感器的工作原理是將被測(cè)參量的變化轉(zhuǎn)化為電容器的電容變化，再通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電量輸出。

美國(guó)加州大學(xué)DAI等[19]提出了一種電容式3自由度力傳感器，位置見(jiàn)圖1中①，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2c。電容式傳感器由3層組成，頂層和底層包含多個(gè)電極，中間層使用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)薄膜作為電介質(zhì)。當(dāng)夾持物體時(shí)，一部分電極的電介質(zhì)層厚度會(huì)減小，這部分電極用來(lái)檢測(cè)夾持力；當(dāng)執(zhí)行牽拉或縫合等動(dòng)作時(shí)，另一部分電極的重疊面積發(fā)生變化，這部分電極用來(lái)檢測(cè)兩個(gè)方向的剪切力。通過(guò)標(biāo)定，傳感器的夾持力分辨力為0.06 N，兩個(gè)方向的剪切力分辨力為0.25 N和1.45 N。研究者使用的PDMS薄膜具有良好的彈性性能，并與人體組織和活細(xì)胞具有良好的生物相容性；差分電容的配置提高了信噪比和抗擾度，減小了寄生電容和雜散電容引起的誤差。

韓國(guó)成均館大學(xué)KIM等[20]提出了一種具有5自由度力感知能力的夾持器，可測(cè)量器械受到的3個(gè)方向上的力、軸向的扭矩和器械的夾持力，位置見(jiàn)圖1中①，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2d。兩個(gè)鉗爪外側(cè)均有一個(gè)微型3自由度電容式力傳感器，傳感器主要由印刷電路基板、電容器和柔性結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)鉗爪受力時(shí)，柔性結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，使得電容器的電容值發(fā)生變化。校準(zhǔn)傳感器可得每個(gè)鉗爪所受的3個(gè)方向上的力FXu、FYu、FZu、FXl、FYl和FZl。由這6個(gè)力矢量和夾持器的夾角并根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出一個(gè)變換矩陣，可實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)鉗爪受到6個(gè)力矢量到手術(shù)器械所受的5自由度力(FX、FY、FZ、TX和夾持力)的轉(zhuǎn)換。研究者根據(jù)電容與受力之間的關(guān)系建立模型標(biāo)定3自由度力傳感器，得到0～5 N范圍內(nèi)的平均誤差分別為2.6%、2.2%和1.3%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所測(cè)FX、FY、FZ和TX與標(biāo)準(zhǔn)傳感器相比，其相對(duì)誤差的平均值分別為8.6%、6.4%、3.4%和5.7%。對(duì)于夾持力，研究者對(duì)比了它與夾持器夾角的關(guān)系，沒(méi)有給出定量的誤差分析。

此外，還有許多研究者進(jìn)行了基于電信號(hào)傳感器的研究和開(kāi)發(fā)[21-31]，本文將其總結(jié)于表1。基于電信號(hào)的傳感器難以做好靜電屏蔽、抗電磁干擾等措施，是這一類(lèi)傳感器固有的缺陷。近年來(lái)，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用光纖類(lèi)傳感器則可以解決電磁兼容性等問(wèn)題。

1.1.2基于光信號(hào)的力傳感器

基于光信號(hào)的力傳感器依據(jù)調(diào)制方式的不同被分為基于強(qiáng)度調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制兩類(lèi)。

1.1.2.1 基于光強(qiáng)度調(diào)制的力傳感器

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是利用被測(cè)參量與敏感光纖相互作用而引起光纖中傳輸光功率改變的原理制作的，這類(lèi)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)且成本較低，是最早進(jìn)入實(shí)用化和商品化的光纖傳感器。

英國(guó)倫敦國(guó)王學(xué)院PUANGMALI等[32]設(shè)計(jì)了一種用于觸診的微型3自由度力傳感器，位置見(jiàn)圖1中③，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2e。該力傳感器主要由4組光纖(3組傳感光纖和1組參考光纖)和1個(gè)柔性結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)執(zhí)行觸診任務(wù)時(shí)，柔性結(jié)構(gòu)的形變導(dǎo)致傳感光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β拾l(fā)生變化，進(jìn)而確定接觸時(shí)的力。參考光纖用于補(bǔ)償不確定因素引起的光信號(hào)變化，例如光纖彎曲、光源內(nèi)阻或環(huán)境溫度變化引起的小強(qiáng)度漂移。該傳感器可以在軸向0～3 N和徑向0～1.5 N的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)力的感知，分辨力為0.02 N。該傳感器完全由非金屬部件組成，因此可以用于核磁共振掃描。

表1 基于電信號(hào)的力傳感器總結(jié)Tab.1 Summary of electrical signal-based force sensor

意大利那不勒斯大學(xué)FONTANELLI等[33]提出了一種將力傳感器置于穿刺器末端的方案，位置見(jiàn)圖1中④。這種解決方案可以在不改變儀器結(jié)構(gòu)的情況下測(cè)量手術(shù)器械與環(huán)境之間的相互作用力，對(duì)不同的機(jī)器人平臺(tái)和手術(shù)工具具有廣泛的適應(yīng)性。該傳感器使用了4個(gè)反射傳感元件，沿周向間隔90°布置在圓筒形柔性結(jié)構(gòu)上。傳感器原型由3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)彎曲方向力的檢測(cè)。與標(biāo)準(zhǔn)傳感器對(duì)比，其誤差小于12%。此外，ZEMITI等[34]也做了類(lèi)似的研究，將一個(gè)商用傳感器ATI Nano43與穿刺器進(jìn)行了集成。而實(shí)際手術(shù)過(guò)程中，集成于穿刺器處的力傳感器容易受手術(shù)器械與穿刺器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度降低。

加拿大康考迪亞大學(xué)BANDARI等[35]提出一種簡(jiǎn)單、小型化具有夾持力感知功能的鉗爪，位置見(jiàn)圖1中①，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2f。鉗爪主要由柔性外殼、基板和光纖構(gòu)成。用來(lái)抓取的柔性外殼固定在基板上，殼體的底面中跨處有一個(gè)底面半徑為0.5 mm的半圓柱形壓頭。單模光纖經(jīng)過(guò)壓頭下方，兩端固定在基板上。施加在外殼上的力會(huì)通過(guò)壓頭使光纖發(fā)生微小的彎曲變形，從而降低光纖傳輸效率。研究者利用支持向量回歸算法對(duì)傳感器受到的力和光功率關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定，其平均絕對(duì)誤差的范圍為(0.12±0.08) N。但是該傳感器有死區(qū)，力小于0.14 N時(shí)不能被檢測(cè)。

1.1.2.2 基于光波長(zhǎng)調(diào)制的力傳感器

波長(zhǎng)調(diào)制型光學(xué)傳感器是利用被測(cè)參量與敏感光纖相互作用而引起光纖中傳輸光波長(zhǎng)改變的原理制作的。在這類(lèi)傳感器中，具有代表性的是光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)。與基于光強(qiáng)度調(diào)制的傳感器相比，這類(lèi)傳感器具有更高的靈敏度，且不受光源強(qiáng)度波動(dòng)的影響。

德國(guó)宇航中心HASLINGER等[36]提出了一種具有6自由度的光纖力/力矩傳感器，位置見(jiàn)圖1中②，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2g。6個(gè)傳感FBG和1個(gè)溫度補(bǔ)償FBG被完全密封在類(lèi)似于Stewart平臺(tái)的柔性結(jié)構(gòu)中構(gòu)成傳感器。負(fù)載測(cè)試表明，傳感器可以承受20 N和15 N·cm的載荷。研究者從噪聲、串?dāng)_和遲滯方面分析了傳感器準(zhǔn)確度。此外，該團(tuán)隊(duì)曾提出過(guò)具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的力傳感器[22]，但傳感元件使用的是電阻應(yīng)變計(jì)。相比于舊的方案，該傳感器具有更好的生物相容性、可消毒性和抗電磁干擾性。

韓國(guó)現(xiàn)代重工醫(yī)療系統(tǒng)研究部HOSEOK等[37]開(kāi)發(fā)了一種基于FBG的3自由度力傳感器，位置見(jiàn)圖1中②，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2h。在腕關(guān)節(jié)處，4根均勻分布的梁構(gòu)成柔性結(jié)構(gòu)，F(xiàn)BG粘貼在梁表面以感知器械末端的受力。另有4個(gè)FBG放置在距傳感FBG稍遠(yuǎn)的位置，與傳感FBG一一對(duì)應(yīng)刻在4條光纖中，用來(lái)補(bǔ)償FBG的溫度效應(yīng)。傳感器可以在10 N以上工作，分辨力為0.05 N，最大誤差是0.1 N，但是由于軸向剛度遠(yuǎn)大于徑向剛度，因此傳感器軸向力的測(cè)量精度低于徑向力的測(cè)量精度。

天津大學(xué)LYU等[38]設(shè)計(jì)了基于FBG的觸診力傳感器，可以感知器械軸向力的大小，位置見(jiàn)圖1中③，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2i。傳感器主要由1個(gè)柔性體、1根刻有FBG的光纖以及相關(guān)的連接器和固定裝置組成。柔性結(jié)構(gòu)是一種微型的、改進(jìn)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，沿其圓周方向以90°的均勻間隔布置4個(gè)柔性支鏈。光纖的兩端被固定裝置固定在中性軸上，中部處于拉緊懸空狀態(tài)。通過(guò)仿真優(yōu)化，傳感器具有了良好的力-變形的線性關(guān)系和較大的測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)了0～5 N范圍內(nèi)2.55 mN的分辨力。

圖2 用于機(jī)器人輔助腹腔鏡手術(shù)系統(tǒng)中的力傳感器Fig.2 Force sensors for robot-assisted laparoscopic surgery system

筆者[16,39]設(shè)計(jì)了一種3自由度力傳感器。該傳感器由3條間隔120°的刻有FBG的光纖構(gòu)成，沿軸向粘貼于手術(shù)器械位于體內(nèi)的器械軸上，位置見(jiàn)圖1中③。筆者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解耦方法補(bǔ)償測(cè)量系統(tǒng)中存在的非線性成分，使得傳感器在兩個(gè)彎曲方向和軸向力的平均誤差低至0.05 N、0.07 N和0.18 N。此外，考慮到實(shí)際手術(shù)時(shí)手術(shù)器械在穿刺器內(nèi)的移動(dòng)，筆者對(duì)這種移動(dòng)可能帶來(lái)的影響進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析。

此外，還有許多基于光信號(hào)傳感器的研發(fā)工作[40-48]，如表2所示。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器易受光源強(qiáng)度的波動(dòng)和光傳輸損耗變化的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度較低。波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器克服了強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的缺點(diǎn)，有很強(qiáng)的抗干擾能力，且適合埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，便于集成設(shè)計(jì)。

表2 基于光信號(hào)的力傳感器總結(jié)Tab.2 Summary of optical signal-based force sensor

針對(duì)有傳感器的力感知，根據(jù)前文描述，將不同類(lèi)型的傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、測(cè)量范圍、測(cè)量精度和電磁兼容性方面的表現(xiàn)總結(jié)于表3。

表3 不同類(lèi)型力傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.3 Advantages and disadvantages of different types of force sensors

1.2 無(wú)傳感器的力感知

RLS系統(tǒng)中力傳感器設(shè)計(jì)受到苛刻環(huán)境的影響和狹小空間的限制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了一些不用傳感元件實(shí)現(xiàn)力感知的方法。本文將無(wú)傳感器的力感知分為基于視覺(jué)和基于動(dòng)力學(xué)模型兩類(lèi)。

1.2.1基于視覺(jué)的力感知

要實(shí)現(xiàn)基于視覺(jué)的力感知，一般首先需要利用圖像在二維或三維的空間上重建組織或器官的變形，然后根據(jù)其生物力學(xué)特性計(jì)算接觸力；或者利用視覺(jué)信息訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接輸出力矢量。

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)NOOHI等[49]提出使用單目?jī)?nèi)窺鏡圖像來(lái)估計(jì)力的方法，該方法包括器官的變形重建算法和力的估計(jì)兩步。研究者提出了一個(gè)虛擬模板的算法，該算法的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器械末端的跟蹤，得到形變中心的近似位置。然后根據(jù)由生物力學(xué)特性得到的力與形變中心深度的關(guān)系，估計(jì)出交互力。在器官表面光滑時(shí)，該方法可以估計(jì)變形方向上力的大小，均方誤差為0.07 N。

德國(guó)漢堡工業(yè)大學(xué)GESSERT等[50]研究了一種直接從光學(xué)相干斷層掃描(optical coherence tomography，OCT)圖像中估計(jì)力的新方法。OCT掃描頭用于捕獲感興趣區(qū)域的圖像體積。首先獲取組織沒(méi)有發(fā)生形變的體積作為參考體積，然后獲取組織發(fā)生形變的體積作為當(dāng)前體積。參考體積和當(dāng)前的體積樣本量都被輸入一個(gè)被訓(xùn)練過(guò)的三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(three dimensional convolution neural network，3D CNN)，它預(yù)測(cè)作用在組織上的力矢量。力的估計(jì)完全基于圖像，與執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)無(wú)關(guān)。使用該方法的平均誤差為(7.70±4.3) mN，單次3D CNN的處理時(shí)間為(16.9±1.3) ms。對(duì)比前期依賴于從表面重建或表面提取獲得形變的方法，該方法具有更高的精度。這表明用OCT捕捉皮下組織體積可以被學(xué)習(xí)到更豐富的特征，但是需要針對(duì)特定的手術(shù)工具和組織類(lèi)型進(jìn)行3D CNN的訓(xùn)練。

在早期，基于視覺(jué)的力感知是分步進(jìn)行的，首先是利用目標(biāo)區(qū)域的視覺(jué)信息重建其變形的大小和深度，然后根據(jù)目標(biāo)組織或器官的彈性特性將變形的大小和深度與作用力結(jié)合起來(lái)。這種方式中變形重建策略的設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)最終結(jié)果有至關(guān)重要的影響。而目前，基于視覺(jué)的力感知大都采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)和標(biāo)定，輸入為連續(xù)的圖像序列，輸出的結(jié)果為最終的力。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般包含卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層及其變種或循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層(recurrent neural network，RNN)及其變種，它們分別用來(lái)提取變形特征和記憶變形的變化趨勢(shì)。為提高力感知的精度和實(shí)時(shí)性，樣本的數(shù)量和有效性以及網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方式都需要合理設(shè)計(jì)。人體內(nèi)環(huán)境中視野的清晰度和目標(biāo)與非目標(biāo)組織或器官的粘連程度都會(huì)對(duì)基于視覺(jué)的力感知產(chǎn)生重要影響。由于基于視覺(jué)的方法所建立的模型普遍可解釋性差，因此模型的魯棒性是決定這類(lèi)方法能否從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用的關(guān)鍵。

1.2.2基于動(dòng)力學(xué)模型的力感知

基于動(dòng)力學(xué)模型的力感知一般利用機(jī)器人上驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流、電機(jī)的位置、電機(jī)的速度和電機(jī)的加速度中的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，并結(jié)合具體的操作機(jī)械臂建模分析。

美國(guó)華盛頓大學(xué)ROSEN等[51]開(kāi)發(fā)了一種根據(jù)位置測(cè)量力的技術(shù)，可以測(cè)量遙操作中的夾持力。在從手端驅(qū)動(dòng)夾持器的扁平線圈驅(qū)動(dòng)器、編碼器和比例微分控制器形成一套伺服系統(tǒng)，主手端配置相似的控制結(jié)構(gòu)。在操作過(guò)程中，夾持器尖端位置將與主手控制產(chǎn)生的參考輸入進(jìn)行比較。如果在抓取組織時(shí)檢測(cè)到位置誤差，則將其標(biāo)定為抓取力并反饋給主手。由于力是根據(jù)兩個(gè)位移測(cè)量值的差來(lái)估計(jì)的，因此誤差較大。

天津工業(yè)大學(xué)SANG等[52]提出一種基于動(dòng)力學(xué)模型的外力估計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。研究者通過(guò)對(duì)病人側(cè)操作臂機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的深入分析，建立了線性參數(shù)化的動(dòng)力學(xué)模型，并推導(dǎo)了外力的估算公式。在具體實(shí)現(xiàn)上，利用達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)工具包接口函數(shù)中的關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度和關(guān)節(jié)力矩完成了動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)和外力估計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的離線分析，3個(gè)方向上力的均方根誤差分別為2.29%、3.19%和3.35%。

在基于動(dòng)力學(xué)模型的力感知中，早期有一些基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法僅利用位移和力的關(guān)系建立簡(jiǎn)單的模型。這種方式在感知靜態(tài)力時(shí)因其計(jì)算復(fù)雜度低和穩(wěn)定性高而優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定律可知，由持續(xù)性的手術(shù)操作所造成的動(dòng)態(tài)接觸力使這種簡(jiǎn)單的基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法不再適用。要實(shí)現(xiàn)基于完整的動(dòng)力學(xué)模型的力感知相對(duì)復(fù)雜，需要解決的問(wèn)題包括機(jī)構(gòu)描述、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)建模和動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)等。機(jī)構(gòu)描述和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以根據(jù)歐拉角、四元數(shù)、Denavit-Hartenberg(DH)矩陣、旋量法、李群和李代數(shù)等理論完成。機(jī)器人操作臂動(dòng)力學(xué)方程的非線性和強(qiáng)耦合性使得對(duì)它的動(dòng)力學(xué)建模較為復(fù)雜和困難，目前以牛頓-歐拉及拉格朗日或以這兩種方法為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)建模方法應(yīng)用最為普遍。動(dòng)力學(xué)參數(shù)的辨識(shí)流程涉及參數(shù)的獨(dú)立性處理、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃以及辨識(shí)算法的選區(qū)等過(guò)程。在實(shí)際的力感知需求中，加持力的感知只有一個(gè)自由度，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，接觸力的反饋涉及多個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為復(fù)雜。

此外還有許多無(wú)傳感器力感知技術(shù)的研究[53-63]，本文將其總結(jié)于表4。無(wú)傳感器力感知能解決手術(shù)器械的消毒、尺寸和電磁兼容性等有傳感器力感知存在的問(wèn)題?；谝曈X(jué)的力感知利用了組織的生物力學(xué)特性和組織變形，一般僅能感知一個(gè)方向的力，且精度受環(huán)境影響較大。對(duì)于基于動(dòng)力學(xué)模型的力感知，一些因素(如關(guān)節(jié)處的摩擦、傳動(dòng)絲中的摩擦和機(jī)構(gòu)間隙)會(huì)對(duì)其精度產(chǎn)生不利的影響。

表4 無(wú)傳感器力感知總結(jié)Tab.4 Summary of sensorless force sensing

2 現(xiàn)狀分析與發(fā)展趨勢(shì)

RLS的出現(xiàn)和迅速發(fā)展體現(xiàn)了外科手術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)——精確和微創(chuàng)。力感知作為一種重要的反饋機(jī)制，對(duì)手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。力感知能力的缺失，使得RLS、機(jī)器人輔助骨科手術(shù)，機(jī)器人輔助心臟外科手術(shù)和機(jī)器人輔助眼科手術(shù)等不足以勝任復(fù)雜的動(dòng)作和操作。目前，其他類(lèi)型的機(jī)器人輔助手術(shù)中仍以有傳感器的力感知為主要研究方向。機(jī)器人輔助骨科手術(shù)力傳感器一般安裝在機(jī)械臂與持鉆工具之間，該位置空間較大，對(duì)傳感器的尺寸設(shè)計(jì)要求較低。而在機(jī)器人輔助眼科和心臟外科手術(shù)中由于末端器械較為細(xì)小，對(duì)傳感器尺寸要求高，因此查閱到的文獻(xiàn)中均采用基于光信號(hào)的傳感器。在機(jī)器人輔助手術(shù)中，由于末端工具的不同和所要測(cè)量力信息的差別，力傳感器的尺寸、形狀和量程都有明顯的區(qū)別，但實(shí)現(xiàn)的原理與設(shè)計(jì)所用的方法在多種機(jī)器人輔助手術(shù)中類(lèi)似。目前，力感知技術(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)階段，要想應(yīng)用于臨床仍需進(jìn)一步研究。

對(duì)于有傳感器的力感知，光纖傳感器的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。光纖傳感技術(shù)的發(fā)展使傳感器不僅尺寸減小，而且具有靈敏度高、電絕緣性高和生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。FBG傳感器是最具影響力的光纖傳感器之一，單條光纖刻入多個(gè)FBG節(jié)點(diǎn)解決了測(cè)量力的維數(shù)和引線復(fù)雜度之間的矛盾，有利于傳感器的小型化和減少傳感器引線數(shù)量，有效地促進(jìn)了RLS系統(tǒng)中力感知技術(shù)的臨床應(yīng)用。目前，光傳輸效率受光纖彎曲影響較大，使得在尺寸較小的柔性結(jié)構(gòu)布置單條光纖的多個(gè)FBG節(jié)點(diǎn)存在一定的技術(shù)障礙。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，生產(chǎn)工藝水平的提高，光纖傳感器的可彎曲半徑會(huì)不斷減小。

對(duì)于無(wú)傳感器的力感知，精度問(wèn)題是其應(yīng)用的主要障礙。基于視覺(jué)的力感知一般使用深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，這意味著需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并且無(wú)法很好地感知沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)的環(huán)境，但硬件計(jì)算能力的提高和深度學(xué)習(xí)的發(fā)展使得使用機(jī)器提取特征來(lái)表示數(shù)據(jù)成為可能，這將進(jìn)一步增強(qiáng)基于視覺(jué)的力感知的魯棒性和準(zhǔn)確性。對(duì)于基于動(dòng)力學(xué)模型的力感知，從手主動(dòng)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)均會(huì)帶來(lái)誤差。但隨著機(jī)械加工工藝的提升，機(jī)器人關(guān)節(jié)加工精度會(huì)更高，機(jī)構(gòu)間隙對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的影響也會(huì)更小。對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)時(shí)，可通過(guò)選取更優(yōu)異的辨識(shí)激勵(lì)軌跡并考慮系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，設(shè)計(jì)并采用更合適的參數(shù)辨識(shí)方法來(lái)提高精度。

目前，人工智能的發(fā)展賦予了無(wú)傳感器尤其是基于視覺(jué)的力感知巨大的潛力。如前文所述，有傳感器和無(wú)傳感器兩類(lèi)感知方式均有優(yōu)勢(shì)和局限。解決好數(shù)據(jù)融合問(wèn)題，同時(shí)利用這兩類(lèi)感知方式冗余和互補(bǔ)的特性來(lái)提高力的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，也可能會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)的研究中。

3 結(jié)論

本文回顧了現(xiàn)有的有傳感器和無(wú)傳感器力感知技術(shù)。通過(guò)分析其各自的實(shí)現(xiàn)方式、優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)障礙，在歸納和總結(jié)這兩類(lèi)技術(shù)的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著機(jī)器人輔助腹腔鏡手術(shù)系統(tǒng)中力感知技術(shù)的發(fā)展，外科手術(shù)的安全性和效率將會(huì)越來(lái)越高。