脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械手控制策略研究

劉淑艷

摘要：本文針對(duì)遙操作型脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械手控制策略，提出一種基于位姿分離的位置增量式主從控制策略， 為降低機(jī)械手系統(tǒng)的逆解求解難度，將手術(shù)機(jī)械手系統(tǒng)中的6自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)逆解問題簡化為兩個(gè)3自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解問題，進(jìn)而提高了主從手間運(yùn)動(dòng)跟蹤的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：脊柱微創(chuàng)手術(shù)；位姿分離；主從控制策略

中圖分類號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0017-02

1 引言

脊柱微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)具有醫(yī)源性創(chuàng)傷小、病癥針對(duì)性強(qiáng)、術(shù)后恢復(fù)快、護(hù)理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)均采用主從控制的方式來開展手術(shù)，本文研制的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械手系統(tǒng)也不例外。外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中的主從控制強(qiáng)調(diào)主從控制算法自身的計(jì)算效率及主從間的運(yùn)動(dòng)映射問題，本文提出的位姿分離式主從控制策略將大大提高計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)主從間實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。

2 微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械手從手結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在手術(shù)靈活、準(zhǔn)確地確定椎弓根釘進(jìn)入點(diǎn)和進(jìn)入角度，且在手術(shù)過程中機(jī)械手主機(jī)遠(yuǎn)離人體、易于移動(dòng)，且手術(shù)中機(jī)械手不影響C型CT設(shè)備的成像。機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。機(jī)械手對(duì)患者進(jìn)行X移動(dòng)、Y移動(dòng)、Z移動(dòng)、X轉(zhuǎn)動(dòng)、Y轉(zhuǎn)動(dòng)、Z轉(zhuǎn)動(dòng)，6個(gè)自由度的組合。

（1）位置調(diào)整部分有三個(gè)自由度，使機(jī)械手臂粗略打到預(yù)定位置，A由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)手臂的升降，B，C關(guān)節(jié)臂也由步進(jìn)電機(jī)控制，調(diào)整手臂在垂直于A手臂的方向運(yùn)動(dòng)，BC關(guān)節(jié)手臂處在一個(gè)平面上并且相互垂直，A關(guān)節(jié)手臂垂直于BC兩個(gè)關(guān)節(jié)所在的平面。

（2）姿態(tài)調(diào)整部分是有三個(gè)自由度都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。同時(shí)，機(jī)械手ABC關(guān)節(jié)上配有光柵尺距離測(cè)量傳感器，能實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前手臂行走的距離，DE兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)配有光電編碼器，用來測(cè)量DE兩個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，F(xiàn)關(guān)節(jié)配有光電位移傳感器，用來測(cè)量末端手術(shù)器械的進(jìn)給深度。

3 控制策略

3.1 主從異構(gòu)系統(tǒng)控制策略

本文研制的主手為遙操作桿，從手為6自由度的機(jī)械手系統(tǒng)，是典型的主從異構(gòu)系統(tǒng)。只能在笛卡爾空間內(nèi)進(jìn)行主從間的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤而不能在關(guān)節(jié)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)主從間的運(yùn)動(dòng)映射。一般來講，主從異構(gòu)系統(tǒng)在笛卡爾空間內(nèi)的主從軌跡跟蹤控制策略可由圖2中的控制框圖描述。

3.2 位姿分離的位置增量式主從控制策略

本文用于實(shí)現(xiàn)醫(yī)生具體手術(shù)操作過程的從機(jī)械手是一個(gè)6自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，其求逆運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的計(jì)算過程十分復(fù)雜，不利于實(shí)現(xiàn)主從手運(yùn)動(dòng)映射的實(shí)時(shí)控制。因此可以把從手機(jī)構(gòu)看作兩個(gè)3自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，前3個(gè)自由度調(diào)整位置，后3自由度調(diào)整姿態(tài)。在這種位姿分離式的主從控制算法中，可以將6自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解求解過程簡化為兩個(gè)3自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解求解，這樣便極大的降低了計(jì)算難度，進(jìn)而提高了主從手間運(yùn)動(dòng)跟蹤的實(shí)時(shí)性。此外，通過分離主從映射過程中的位姿，可實(shí)現(xiàn)基于主手的位置增量式控制策略，增量式算法可減少手術(shù)過程中如遇意外情況下對(duì)患者造成的傷害，將大大降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。如上所述，提出一種基于位姿分離的位置增量式主從控制策略，控制框圖如圖3所示。

4 主從控制策略中的關(guān)鍵問題

（1）運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)跟蹤：為了順利完成微創(chuàng)手術(shù)中的操作，從機(jī)械手系統(tǒng)必須在其手術(shù)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)主操作手運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤，并且保證軌跡跟蹤過程的準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性；

（2）主從間的運(yùn)動(dòng)一致性：為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)生在手術(shù)操作過程中的手眼協(xié)調(diào)，機(jī)械手末端執(zhí)行器在脊柱中的運(yùn)動(dòng)要與醫(yī)生的手部運(yùn)動(dòng)在空間運(yùn)動(dòng)方位上保持一致。

5 結(jié)語

微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械手主從異構(gòu)系統(tǒng)中的主從運(yùn)動(dòng)映射需要在笛卡爾空間計(jì)算主手的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解及從手的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，針對(duì)本文研制的遙操作型主從異構(gòu)脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其從端機(jī)械手系統(tǒng)很難直接求其逆解。為此，本章提出了一種基于位姿分離的位置增量式主從控制策略。該策略通過將主從運(yùn)動(dòng)映射中的位置和姿態(tài)分離，將手術(shù)機(jī)械手系統(tǒng)中的6自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)逆解問題簡化為兩個(gè)3 自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解問題，從而降低了機(jī)械臂系統(tǒng)的逆解求解難度。此外，在該位姿分離的主從控制算法基礎(chǔ)上，本文提出了基于主手位置增量的主從軌跡跟蹤控制，可以大大的減少術(shù)中風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[3]S.B.Niku，F(xiàn).C.Sun，Introduction to Robotics—Analysis，Systems，Applications， Phei Press，2004，pp.60-68

Abstract：In this paper， aiming at the control strategy of teleoperation robot for Minimally Invasive Spinal Surgery， a position-based incremental master-slave control algorithm based on the separation of the position and posture was proposed. To reduce the difficulty of inverse kinematics problem of manipulator system， the inverse kinematics problem of 6-DOF series mechanism in surgical manipulator system was simplified as inverse kinematics problems of two 3-DOF series mechanism， thereby enhancing the master-slave motion tracking in real time.

Key Words：Minimally Invasive Spinal Surgery；the separation of the position and posture；master-slave control strategyendprint