金淼，金敏敏，羅婷婷，劉光麗，楊潤(rùn)懷

安徽醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230032

引言

隨著手術(shù)器械的變革，為了提高微創(chuàng)手術(shù)的創(chuàng)傷性、精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性，制造出更小、更加靈活的手術(shù)器械[1-2]，經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery，NOTES） 的 概 念 也 隨 之 產(chǎn) 生[3]。NOTES為不需要經(jīng)過(guò)皮膚切口對(duì)患者進(jìn)行治療的全新的外科手術(shù)方法，其通過(guò)自然腔道（例如口腔、陰道和尿道等）將柔性?xún)?nèi)鏡置入體內(nèi)達(dá)到對(duì)疾病進(jìn)行診療的目的[4]；利用光纖將激光能量從激光源轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置有望實(shí)現(xiàn)體內(nèi)狹窄空間的光熱治療或光動(dòng)力治療[5]。激光輔助手術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛使用[6]，但目前先進(jìn)的外科激光系統(tǒng)并不適用于彎曲、復(fù)雜、狹窄空間環(huán)境下的內(nèi)鏡手術(shù)中[5]，而連續(xù)體機(jī)器人可以到達(dá)人體的迂回區(qū)域，進(jìn)行精確的手術(shù)[7]。另一方面手動(dòng)操作柔性光纖是較為困難的，這就促使了光纖與外科手術(shù)操作手相結(jié)合[8]。

連續(xù)體機(jī)器人是目前主流的外科手術(shù)操作手，但是，目前廣泛應(yīng)用的軟體機(jī)器人多是基于氣動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人[9-11]。這些機(jī)器人可以提供較大的驅(qū)動(dòng)力，普遍的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)設(shè)備較為龐大，而且不能擺脫繁瑣笨重的有線驅(qū)動(dòng)裝置，這就限制了這些機(jī)器人在醫(yī)療中的實(shí)際應(yīng)用，所以擺脫龐大的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是必要的[12-17]。為了滿(mǎn)足復(fù)雜約束的狹窄空間內(nèi)的手術(shù)需求，擺脫復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一款尺寸小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、基于線控的連續(xù)體結(jié)構(gòu)、可以用于NOTES的軟機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)模塊、激光模塊、內(nèi)窺鏡和觸覺(jué)反饋設(shè)備幾部分，為縮小尺寸，驅(qū)動(dòng)模塊和激光模塊均內(nèi)置于直徑為7 mm的線控連續(xù)體機(jī)械臂中。

1 系統(tǒng)組成

本文提出的軟機(jī)器人系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)模塊、激光模塊、內(nèi)窺鏡和觸覺(jué)反饋設(shè)備，見(jiàn)圖1。驅(qū)動(dòng)模塊是由基于線控連續(xù)體結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂和電滑軌組成的機(jī)械臂系統(tǒng)，電滑軌驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的整體運(yùn)動(dòng)，連續(xù)體結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)控制內(nèi)置于機(jī)械臂中的光纖。激光模塊是由激光器和激光光纖組成，激光器作為光纖的激光源，光纖負(fù)責(zé)將激光傳輸?shù)饺梭w中的目標(biāo)位置。內(nèi)窺鏡是由可以傳輸圖像的光纖、相機(jī)以及可以處理圖像信息的主機(jī)設(shè)備組成。內(nèi)窺鏡負(fù)責(zé)監(jiān)控激光在體內(nèi)的行為，實(shí)時(shí)地將手術(shù)畫(huà)面?zhèn)鬏斀o操作者。Geomagic Touch操作手是一款具有觸覺(jué)反饋的設(shè)備，操作手的集成使得機(jī)器人系統(tǒng)擁有真實(shí)的觸覺(jué)感知。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖

操作者通過(guò)握持并移動(dòng)操作手手柄向操作手傳達(dá)運(yùn)動(dòng)指令，主機(jī)將指令解析完成傳輸給機(jī)械臂，從而控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)將帶有激光能量的光纖運(yùn)送到目標(biāo)位置并在該位置發(fā)揮作用。在此過(guò)程中，內(nèi)窺鏡始終監(jiān)控激光的行為，將拍攝到的手術(shù)畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)街鳈C(jī)設(shè)備上顯示，設(shè)備將從手術(shù)畫(huà)面中讀取觸覺(jué)信息，并且與操作手通訊將觸覺(jué)反饋給操作者。Geomagic Touch操作手的二次開(kāi)發(fā)和圖像處理部分是將視覺(jué)轉(zhuǎn)化為觸覺(jué)反饋的內(nèi)容，該內(nèi)容是另一個(gè)獨(dú)立的、完整的工作體系，見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 連續(xù)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊是基于線控的連續(xù)體結(jié)構(gòu)[18-22]，線控連續(xù)體結(jié)構(gòu)相比于液壓氣壓驅(qū)動(dòng)的連續(xù)體結(jié)構(gòu)，可以擺脫復(fù)雜的液壓和氣壓控制系統(tǒng)使結(jié)構(gòu)更加緊湊[23]。線控結(jié)構(gòu)更加精確，具有更高的負(fù)載能力和可控性[24]。本文中連續(xù)體結(jié)構(gòu)利用的是繩索的柔性和中空套管的彈性，兩者的拮抗作用固定結(jié)構(gòu)的位姿，其由帶孔的圓盤(pán)、牽引絲和中空套管組成，見(jiàn)圖3。

圖3 連續(xù)體結(jié)構(gòu)模型圖

中空套管為結(jié)構(gòu)的主干，套管在長(zhǎng)度方向上分布著八個(gè)圓盤(pán)，圓盤(pán)在套管上的位置固定。前四個(gè)圓盤(pán)由兩對(duì)長(zhǎng)牽引絲控制，后四個(gè)圓盤(pán)由兩對(duì)短牽引絲控制。每對(duì)牽引絲對(duì)應(yīng)一對(duì)電機(jī)，每對(duì)電機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)自由度，電機(jī)在驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)向著相反方向運(yùn)動(dòng)。類(lèi)似于等臂杠桿兩端的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位移相同，但是方向相反。

連續(xù)體結(jié)構(gòu)的一些參數(shù)影響著結(jié)構(gòu)的變形能力。對(duì)于NOTES來(lái)說(shuō)，要求機(jī)械臂的尺寸越小越好，而機(jī)械臂的整體尺寸由圓盤(pán)控制，圓盤(pán)的直徑需要盡可能地縮小。但是，圓盤(pán)的空間會(huì)影響到中間的套管和邊緣的牽引絲的距離，這個(gè)距離通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)會(huì)影響機(jī)械臂的形變量。所以在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)上，要在盡可能小的尺寸下達(dá)到較大的工作空間。考慮到多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，需要多組數(shù)據(jù)，驗(yàn)證需要大量時(shí)間和材料，所以對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，圖4是不同直徑的牽引絲和不同直徑圓盤(pán)在相同牽引條件下圓心距對(duì)變形量的影響，可以看出：① 變形量與圓盤(pán)直徑?jīng)]有直接相關(guān)；牽引絲的直徑和圓心距是影響變形量的參數(shù)。在保證了大變形量下的牽引絲直徑和圓心距，最小的圓盤(pán)直徑6 mm；② 牽引絲的直徑也影響著變形量，對(duì)比0.2 mm和0.5 mm的牽引絲，0.2 mm牽引絲在相同的條件下整體的變形量大于0.5 mm的牽引絲；另一方面牽引絲直徑越小，越利于結(jié)構(gòu)小型化；③ 是圓心距與變形量的關(guān)系，相同條件下圓心距越大，變形量越大。但是仿真的最優(yōu)參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在一定的偏差，圓心距不能無(wú)限大，在對(duì)連續(xù)體尺寸、變形量以及制造難度的權(quán)衡之下，最終制作圓盤(pán)過(guò)程中使用的參數(shù)分別是：圓盤(pán)直徑7 mm，牽引絲直徑0.5 mm，圓心距2.7 mm。這個(gè)尺寸下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)可以降低制作和加工的難度，同時(shí)也不損失變形量。

圖4 連續(xù)體結(jié)構(gòu)各參數(shù)與變形量的關(guān)系

2.2 機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)控制

機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)分為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)和外部驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)控連續(xù)體結(jié)構(gòu)的構(gòu)型。機(jī)械臂固定在外部用于驅(qū)動(dòng)的電滑軌上，控制機(jī)械臂的整體運(yùn)動(dòng)。圖5a展示機(jī)械臂系統(tǒng)各部分的組成，基于連續(xù)體結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂的構(gòu)型如圖5b和5c所示。

圖5 機(jī)械臂系統(tǒng)圖

機(jī)械臂的控制采用電機(jī)進(jìn)行，選擇Arduino Mega2560作為開(kāi)源主板，適合于管腳較多的DIY項(xiàng)目中，采用ramps接口板作為擴(kuò)展板，提供了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可滿(mǎn)足機(jī)械臂多自由度的電機(jī)控制。Mega2560 和 ramps單板相接，有電機(jī)驅(qū)動(dòng)且整體高度較高，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有要求。MKS GEN主板相當(dāng)于把Mega2560和ramps單板整合在一起，但價(jià)格比較高。MKS GEN_L主板相對(duì)于MKS GEN降低了成本，整體布局優(yōu)化，尺寸也更小。綜合考慮，選擇MKS GEN_L主板作為機(jī)械臂的控制芯片。燒錄marlin固件，發(fā)送G代碼指令即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)集成

3.1 光纖的選型

完成了驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，解決了系統(tǒng)主要的硬件部分。其他部分都與機(jī)械臂相關(guān)聯(lián)，激光模塊和內(nèi)窺鏡集成在機(jī)械臂中。系統(tǒng)采用紅外激光作為激光源，紅外光源能量較高，對(duì)人體來(lái)說(shuō)也是一種較為安全的光源。激光光纖一端與激光器連接，一端從中空套管中伸出將紅外激光能量傳輸?shù)饺梭w內(nèi)，直接或間接作用于人體組織上。成像光纖一端與相機(jī)相連，另一端與套管口齊平，無(wú)須伸出套管外。成像光纖不直接暴露在人體組織中，防止光纖端面受到污染視野不清。

本研究使用的激光光纖外徑為0.5 mm，成像光纖外徑為0.7 mm。兩者集成在內(nèi)徑為2 mm、外徑為3 mm的中空套管中，套管使用的是具有一定彈性且不易發(fā)生塑性形變的尼龍6材質(zhì)。在實(shí)際手術(shù)操作中對(duì)內(nèi)窺鏡的分辨率有要求，要求視野越大越好，但在內(nèi)窺鏡較小的尺寸下，過(guò)高的視場(chǎng)角將導(dǎo)致較大的畸變，所以在選取內(nèi)窺鏡時(shí)需要平衡視野與鏡頭畸變。考慮以上因素，本系統(tǒng)選取的成像光纖顯示分辨率為32000像素，視場(chǎng)角為50°，景深＞5 mm。激光光纖和成像光纖在套管中需要有一定的約束，將光纖在套管中的位置固定，避免光纖在套管中位置不固定導(dǎo)致的視野不穩(wěn)定。在套管中增加帶有相應(yīng)孔隙的小圓片，圓片固定在套管口，將光纖分別穿入對(duì)應(yīng)的孔隙，可以使兩個(gè)光纖固定。

3.2 觸覺(jué)反饋設(shè)備的選型

觸覺(jué)反饋設(shè)備的選型需要考慮機(jī)械臂系統(tǒng)的自由度和力反饋的維度。為了完成與連續(xù)體機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)，需要考慮二次開(kāi)發(fā)的難度，選擇具有配備齊全的開(kāi)源工具包的硬件設(shè)備，降低開(kāi)發(fā)難度。選取了Geomagic Touch（原Sensable PhantomOmni）操作手，它是業(yè)界最廣泛配置的專(zhuān)業(yè)力反饋裝置。該設(shè)備具有六個(gè)自由度的位置感知和三個(gè)自由度的力反饋，并提供OpenHaptics工具包，可編寫(xiě)基于力反饋觸覺(jué)設(shè)備的應(yīng)用程序，達(dá)到二次開(kāi)發(fā)的目的。使用C++作為主要編程語(yǔ)言，可調(diào)用所需API編寫(xiě)基于力反饋觸覺(jué)設(shè)備的應(yīng)用程序，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)果

4.1 機(jī)器人的工作空間

通過(guò)驅(qū)動(dòng)圖5中的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試出連續(xù)體結(jié)構(gòu)各個(gè)方向最大的彎曲角度，可以測(cè)得連續(xù)體結(jié)構(gòu)具有較大的變形能力，彎曲角度約90°。根據(jù)彎曲角度結(jié)合機(jī)器人的尺寸在matlab中簡(jiǎn)化相應(yīng)的連續(xù)體結(jié)構(gòu)模型，繪制出連續(xù)體結(jié)構(gòu)的工作空間。由于內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電機(jī)和連續(xù)體結(jié)構(gòu)都為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以通過(guò)圖6中繪制出的機(jī)器人的工作空間中心截面圖可以反映出機(jī)器人的工作空間。

圖6 機(jī)器人工作空間中心截面圖

4.2 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑

針對(duì)本研究中所提出的連續(xù)體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否可以按照所規(guī)劃的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性預(yù)設(shè)出正方形、長(zhǎng)方形、平行四邊形、“V”形四種路徑，觀察系統(tǒng)是否能按照預(yù)設(shè)的路徑完成運(yùn)動(dòng)。圖7中紅色虛線部分代表預(yù)設(shè)的路徑，藍(lán)色實(shí)線表示實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑，由圖7可以看出系統(tǒng)基本可以完成所規(guī)劃的封閉路徑和不封閉的路徑。

圖7 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑圖

5 討論

利用手術(shù)器械直接到達(dá)病灶處診斷和治療是非常必要的[25]，但是因?yàn)槭中g(shù)器械本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)就較為復(fù)雜，功能也常常局限于復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和較大的規(guī)模，導(dǎo)致疾病很難采用直接檢測(cè)的方法來(lái)進(jìn)行診斷和治療。由于復(fù)雜和受限非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的手術(shù)需求，小型的連續(xù)體機(jī)器人優(yōu)勢(shì)更加明顯。傳統(tǒng)的肌腱機(jī)器人往往難以達(dá)到毫米或者亞毫米級(jí)別[22,26]。例如依靠肌腱拉動(dòng)牽引多根肌腱線和一根中央骨干線驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人，為了避免接頭和滑輪的出現(xiàn)，這些機(jī)器人的制造更加偏向于在執(zhí)行器中嵌入柔性元件以豐富執(zhí)行器的功能，提高自由度[27-28]。但是，這種制造過(guò)程的復(fù)雜性就決定了這類(lèi)機(jī)器人難以做到微型化[29-32]。

本研究設(shè)計(jì)的這款基于連續(xù)體結(jié)構(gòu)的軟機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用于經(jīng)自然腔道，深入人體中難以到達(dá)的部位進(jìn)行操作，解決間接檢測(cè)的不準(zhǔn)確性。在目前研究的基礎(chǔ)上，相較于傳統(tǒng)的肌腱機(jī)器人，縮小了連續(xù)體結(jié)構(gòu)的尺寸；相較于基于氣動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，簡(jiǎn)化了連續(xù)體結(jié)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高度集成了光纖，后續(xù)還可以與各種微型的手術(shù)縫合針、手術(shù)鉗等結(jié)合，解決更全面的手術(shù)問(wèn)題。

但是本研究在連續(xù)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上還有待進(jìn)一步的優(yōu)化，需要解決連續(xù)體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在的抖動(dòng)問(wèn)題，考慮可能是牽引絲的牽引力不穩(wěn)定導(dǎo)致。所以之后需要進(jìn)一步的解決牽引絲對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)的空間位置和姿態(tài)的影響以及連續(xù)體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

6 結(jié)論

本文主要是針對(duì)人體內(nèi)難以到達(dá)的彎曲、復(fù)雜、狹窄的空間設(shè)計(jì)了一款小型連續(xù)體軟機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用了一款具有中空套管的線控連續(xù)體結(jié)構(gòu)，套管為結(jié)構(gòu)中必不可少的一部分，既是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的主干，同時(shí)為系統(tǒng)集成預(yù)留了空間，因此對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性做出了重大貢獻(xiàn)。