面向機器人輔助遠程手術(shù)的遙操作主手研究

廖立，閆志遠，杜志江何史林，陳廣飛，周丹

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150080；2.中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

0 前言

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

我國人口眾多，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。機器人輔助遠程手術(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。在機器人輔助遠程手術(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，控制遠在千里之外的從端手術(shù)器械進行手術(shù)。機器人系統(tǒng)通過圖像和力反饋等信息，增加這種遙操作手術(shù)的臨場感。2001年，美國的Zeus主從遙操作醫(yī)療機器人系統(tǒng)完成了著名的“林白手術(shù)”，該手術(shù)是一項在美國和法國之間進行的遠程膽囊切除手術(shù)。“林白手術(shù)”的成功，驗證了遠程手術(shù)技術(shù)的可行性[3]。

遙操作主手是醫(yī)生與遠程手術(shù)端的交互接口，醫(yī)生通過操作主端的主手運動，控制從端裝有手術(shù)器械的從手運動，從而實現(xiàn)手術(shù)動作進行手術(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感，實現(xiàn)對機器人的有效干預(yù)和控制。因此，遙操作主手是機器人輔助遠程手術(shù)的重要設(shè)備，對手術(shù)成功與否起著關(guān)鍵作用[4-5]。本文設(shè)計了一款遙操作主手，具有操作靈活，工作空間大等特點。主手采用串并聯(lián)混合形式的構(gòu)型，具有7個自由度，能實現(xiàn)位姿解耦，其中位置部分的3個自由度具有力反饋，能較大的增加遙操作的臨場感。同時，本文基于Internet搭建了遠程手術(shù)實驗平臺，實驗中從手能夠很好地跟隨主手運動，驗證了實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及遠程手術(shù)的可行性。

1 主手結(jié)構(gòu)設(shè)計

作為機器人輔助遠程手術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，遙操作主手結(jié)構(gòu)設(shè)計要求主要有：① 能夠滿足需求的工作空間。針對不同的手術(shù)，手術(shù)空間大小不一，但主手的操作空間和從手的運動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，通過縮放更容易實現(xiàn)較精細的手術(shù)動作。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，則會降低主從控制的運動精度，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，其工作空間相對較大，操作較靈活，但剛度相對較小。并聯(lián)結(jié)構(gòu)型主手的主要優(yōu)點是剛度大，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，設(shè)計了一種串并聯(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。前半部分是一個改進的Delta并聯(lián)機構(gòu)，主要由靜平臺、主動桿、被動桿和動平臺組成。后半部分是一個四軸匯交的串聯(lián)機構(gòu)。串聯(lián)機構(gòu)的軸線與并聯(lián)機構(gòu)的動平臺固連。從運動的角度分析，前半部分的并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)主手的位置變化，當(dāng)機構(gòu)運動時，圖中主手的動平臺能實現(xiàn)平動。后半部分的串聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)主手末端的角度變化。由于串聯(lián)機構(gòu)的軸線匯交于一點，位置變化和姿態(tài)變化互不干涉，從而實現(xiàn)了位姿解耦，給運動和控制帶來了很大的方便。此外，主手并聯(lián)部分具有3個自由度（實現(xiàn)位置變化），串聯(lián)部分具有4個自由度（實現(xiàn)角度變化）。很顯然，串聯(lián)部分具有一個冗余自由度，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)計的遙操作主手結(jié)構(gòu)圖。圖中，主手并聯(lián)部分的主動桿為扇形盤，與電機通過鋼絲繩組成繩輪驅(qū)動機構(gòu)，不僅能實現(xiàn)電機減速，同時還能放大電機力矩。并聯(lián)部分有3個電機，在實現(xiàn)位置運動3個方向重力平衡的同時，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構(gòu)，用于手術(shù)中的夾持動作。串聯(lián)部分的末端三個桿件中都有一個電機，通過電機和配重實現(xiàn)末端的重力平衡。整個主手具有7個自由度，另加一個夾持自由度。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

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)計采用分級結(jié)構(gòu)。上位機用于進行各種計算，如主手正逆運動學(xué)、力反饋力矩求解和重力補償力矩的求解等。利用C++中的MFC庫編寫人機交互界面，以顯示主手的位置和姿態(tài)，電機的轉(zhuǎn)速和力矩等信息。下位機采用Elmo驅(qū)動器驅(qū)動電機動作，同時接收傳感器的信號，完成閉環(huán)控制。主手共有7個電機，前3個電機對應(yīng)3個平移自由度，采用光電開關(guān)檢測零位。最后1個盤式電機對應(yīng)夾持自由度，中間3個電機對應(yīng)姿態(tài)部分的旋轉(zhuǎn)自由度，這4個電機對應(yīng)的關(guān)節(jié)均采用光纖傳感器檢測零位。圖2中的7個驅(qū)動器組成了一個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，每個驅(qū)動器對應(yīng)一個電機，每個驅(qū)動器都有一個不同的ID號，上位機發(fā)送指令時都有一個對應(yīng)的ID號，只有ID號相同的驅(qū)動器才能接收指令從而進行相應(yīng)的動作。上位機與下位機之間通過CAN總線通訊。CAN總線與上位機通過USB口連接，與驅(qū)動器通過CAN口連接。驅(qū)動器接收到光纖傳感器和光電開關(guān)的信息，再根據(jù)上位機的指令對相應(yīng)的編碼器進行歸零操作。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 遙操作實驗

在機器人輔助遠程手術(shù)中，一個較大的問題就是存在時間延時，而且這種延時是一直變化的。變時延的存在給機器人輔助遠程手術(shù)帶來了很多問題。首先，當(dāng)存在變時延時，主操作端產(chǎn)生一個動作，遠端手術(shù)器械的動作就會產(chǎn)生一個滯后，顯然不利于手術(shù)的正常進行；其次，變時延的存在還會使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致遠端手術(shù)器械產(chǎn)生誤操作；此外，變時延會使手術(shù)過程中視頻圖像的傳輸產(chǎn)生滯后，這嚴重降低了手術(shù)操作的臨場感。基于Internet的遠程手術(shù)，不僅存在變時延，還存在數(shù)據(jù)丟包的問題。這就會使遠端接收到的信息不完整，給手術(shù)帶來不利的影響[6-8]。

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

3.1 遙操作實驗平臺搭建

機器人遠程手術(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)機器人、腹腔鏡手術(shù)機器人等。

同樣的，本文所進行的遙操作實驗跟機器人遠程手術(shù)系統(tǒng)類似。實驗中，主操作端采用本文設(shè)計的遙操作主手，從操作端采用與其前3個自由度同構(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，而且有很強的擴展性，這能夠使網(wǎng)絡(luò)時延保持一定的穩(wěn)定性。同時，ATM技術(shù)還具有很高的實時性，很適合視頻和語音信息的傳輸，在機器人輔助遠程手術(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]。

在本文的遙操作實驗中，主操作端和遠程手術(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)），分別將本地的兩臺主機設(shè)置成客戶端和服務(wù)器端。將北京航空航天大學(xué)的一臺主機作為遠端信息中轉(zhuǎn)站。在實驗過程中，將遙操作主手的位置信息，通過客戶端發(fā)送到遠端信息中轉(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，此時從端就相當(dāng)于遠程手術(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，更能檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，本文的實驗采用視頻軟件對從端從手的運動進行視頻傳輸，這樣便能在客戶端的主機屏幕上看到從手的運動視頻，這跟實際的遠程手術(shù)是一樣的。整個實驗的操作流程，見圖3。

圖3 遙操作實驗流程圖

3.2 實驗結(jié)果及分析

為了掌握實驗時的網(wǎng)絡(luò)狀況，首先對哈爾濱與北京之間的網(wǎng)絡(luò)延時時間進行測試，所測的延時是主端遙操作主手到從端從手的數(shù)據(jù)傳輸延時。實驗在2013年6月20日上午8點到12點之間進行。根據(jù)所測得的網(wǎng)絡(luò)時延得到，時延均值758.32 ms，方差為260.15 ms,這表明延時值還是比較大的，并且波動大。實驗中主端的操作場景，見圖4。

圖4 主端的操作場景

圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)分別顯示的是主手和從手前三個關(guān)節(jié)的電機角度跟蹤情況。這里的主手和從手前三個關(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，從手的電機能夠在較小的延時時間之后很好地跟蹤主手電機。當(dāng)主手運動較快時，時延相對較大。在主手的運動過程中，當(dāng)速度發(fā)生劇烈變化時，在圖中表現(xiàn)為尖峰。此時，從手并沒有達到相應(yīng)的尖峰便開始下降，即從手沒有到達主手相應(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，從手位置相對主手位置的偏差較小。

圖5 (a)1號關(guān)節(jié)角度跟蹤曲線

圖5 (b)2號關(guān)節(jié)角度跟蹤曲線

圖5(c)3號關(guān)節(jié)角度跟蹤曲線

通過本實驗說明，本文的遙操作主手系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在時延均值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，從手的運動精度有所下降，但整體來說，從手的運動能較好地跟隨主手的運動。同時，本實驗也驗證了機器人輔助遠程手術(shù)的可行性。

4 總結(jié)

綜合串聯(lián)和并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點，本文設(shè)計的串并聯(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個自由度（1個夾持自由度），能實現(xiàn)位姿解耦，具有良好的操作性能。搭建了主手控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)重力補償并具有3個自由度的力反饋。最后，基于Internet的遙操作實驗表明，從手能夠較好的跟隨主手的運動，驗證了遙操作主手系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及機器人輔助遠程手術(shù)的可行性。

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