经尿道手术机器人研究进展及关键技术分析
发布时间：2021-12-09 05:28
经尿道手术由于尿道解剖结构狭窄、内窥镜视野狭小,对医生的技术和经验要求较高,且术后并发症较多,亟需融合机器人技术提高手术质量、减少并发症、缩短医生学习曲线时间.为促进我国经尿道手术机器人的研究和发展,综述了国内外经尿道手术机器人研究现状,并分析了典型的经尿道手术操作,对经尿道手术机器人所涉及的机器人机构设计、力反馈技术、精密运动控制以及手术导航等关键技术进行了详尽的分析.在总结研究成果和分析关键技术的基础上,指出经尿道手术机器人今后的发展趋势和面临的挑战.
【文章来源】：机器人. 2020,42(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
连续体机构
除基于应变片的力传感器外，基于光纤的光学测量方法也在机器人辅助外科手术中得到了大量应用．光学测量方法使用光纤将力信号从待检测区域传递到处理单元．鲁汶大学Peirs等[107]将光纤传感器应用于RMIS系统中对手术器械进行力测量（见图5(d)），通过均布的光位移传感器检测3个轴向力．伦敦大学国王学院Puangmali等[108]设计了一种MRI兼容的非金属手术器械（见图5(e)),3组光纤能够测量轴向和径向力分量．针对经尿道手术，圣安娜高等研究学院Russo等[21]设计了集成布拉格光栅（FBG）的同心管激光前列腺切除器（见图5(f)),3束光纤布置在激光纤维的外测同心管的内侧，用于评估转向时激光烧灼器和组织的接触力以及线缆的驱动能力．基于光纤的力传感器具有重量轻、体积小、灵敏度高、可集成在器械内部、对环境干扰不敏感以及核磁兼容等优势，因此将会越来越多地应用于微创手术的力检测中．此外，随着微机电系统（MEMS）、生物材料等技术的快速发展，微型化的传感器被集成在手术器械的末端，使得测量精确度、生物兼容性、密封性等都有很大提高．韩国成均馆大学最新的研究成果提供了一种集成了4-DOF力传感器的新型手术器械[109-110],4个电容式传感器以及电容数字转换芯片（CDC）嵌入在钳爪中，图5(g)(h)分别为传感器安装在钳爪齿区和近端的手术器械．该器械成功在Raven-II手术机器人上进行了实验．
现代控制方法代表性的有滑模控制、自适应控制、最优控制等．这类方法是基于模型的控制方法，能够提高复杂非线性系统的运动精度和减小弹性振动引起的误差，但对控制模型的准确性有较高的依赖，且会增加系统的响应时间．智能控制方法是将一些智能算法加入到控制系统中，代表性的有模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制等，这类方法是基于无模型控制的，用于解决建模困难或不准确问题、控制非线性问题以及其他复杂的问题，但收敛时间较长．因此，这类方法经常结合闭环PID算法提高从端操作手臂的准确性．文[119-121]采用基于模糊控制的PID算法实现手术机器人的位置控制．文[122]采用多目标粒子群优化算法对PID参数进行整定，提高闭环系统的准确性．此外，文[123-124]采用预测控制方法和卡尔曼滤波算法对手术机器人进行运动补偿，减小了生理活动对手术的影响．文中4.1节中提到目前多半经尿道手术机器人采用串联机械臂方式实现RCM运动，这使得经尿道手术机器人对控制系统、控制算法的要求更加严格，控制系统的精度和稳定性将严重影响RCM运动以及其他运动的精度．此外，由于在复杂的手术操作中，机器人末端执行器始终与尿道接触且以耻骨联合处为支点进行旋转，与患部会有直接接触和能量交换，从手术安全性角度来看，仅仅有位置控制是不够的，需要在从端操作手臂的控制中引入力控制．机器人的力控制分为两大类：直接力控制和间接力控制．前者主要包括力/位置混合控制（hybrid position and force control)[125]，后者包括被动刚度控制[126]、阻抗控制（impedance control）和导纳控制（admittance control)[127-129]．机器人关节的力/位置混合控制将任务空间分解为位置控制子空间和力控制子空间，分别对机器人进行位置控制和力控制．文[113,130]分别利用力估计和力传感器测量方式结合位置传感器实现手术机器人的力/位置混合控制．阻抗控制器的输入是运动，输出是控制力；导纳控制器的输入是力，输出是运动．在阻抗控制中，控制器被看作是阻抗，机器人被看作是导纳；在导纳控制中，控制器被看作是导纳，机器人被看作是阻抗．文[131-132]利用增强混合型控制和模糊自适应补偿分别实现了连续体机器人和7自由度手术机器人的阻抗控制．文[127]提出将阻抗控制和导纳控制统一起来，形成一种混合控制方案，在可变形的软环境下进行导纳控制，在形变微小的硬环境下进行阻抗控制．
本文编号：3530012
【文章来源】：机器人. 2020,42(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
连续体机构
除基于应变片的力传感器外，基于光纤的光学测量方法也在机器人辅助外科手术中得到了大量应用．光学测量方法使用光纤将力信号从待检测区域传递到处理单元．鲁汶大学Peirs等[107]将光纤传感器应用于RMIS系统中对手术器械进行力测量（见图5(d)），通过均布的光位移传感器检测3个轴向力．伦敦大学国王学院Puangmali等[108]设计了一种MRI兼容的非金属手术器械（见图5(e)),3组光纤能够测量轴向和径向力分量．针对经尿道手术，圣安娜高等研究学院Russo等[21]设计了集成布拉格光栅（FBG）的同心管激光前列腺切除器（见图5(f)),3束光纤布置在激光纤维的外测同心管的内侧，用于评估转向时激光烧灼器和组织的接触力以及线缆的驱动能力．基于光纤的力传感器具有重量轻、体积小、灵敏度高、可集成在器械内部、对环境干扰不敏感以及核磁兼容等优势，因此将会越来越多地应用于微创手术的力检测中．此外，随着微机电系统（MEMS）、生物材料等技术的快速发展，微型化的传感器被集成在手术器械的末端，使得测量精确度、生物兼容性、密封性等都有很大提高．韩国成均馆大学最新的研究成果提供了一种集成了4-DOF力传感器的新型手术器械[109-110],4个电容式传感器以及电容数字转换芯片（CDC）嵌入在钳爪中，图5(g)(h)分别为传感器安装在钳爪齿区和近端的手术器械．该器械成功在Raven-II手术机器人上进行了实验．
现代控制方法代表性的有滑模控制、自适应控制、最优控制等．这类方法是基于模型的控制方法，能够提高复杂非线性系统的运动精度和减小弹性振动引起的误差，但对控制模型的准确性有较高的依赖，且会增加系统的响应时间．智能控制方法是将一些智能算法加入到控制系统中，代表性的有模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制等，这类方法是基于无模型控制的，用于解决建模困难或不准确问题、控制非线性问题以及其他复杂的问题，但收敛时间较长．因此，这类方法经常结合闭环PID算法提高从端操作手臂的准确性．文[119-121]采用基于模糊控制的PID算法实现手术机器人的位置控制．文[122]采用多目标粒子群优化算法对PID参数进行整定，提高闭环系统的准确性．此外，文[123-124]采用预测控制方法和卡尔曼滤波算法对手术机器人进行运动补偿，减小了生理活动对手术的影响．文中4.1节中提到目前多半经尿道手术机器人采用串联机械臂方式实现RCM运动，这使得经尿道手术机器人对控制系统、控制算法的要求更加严格，控制系统的精度和稳定性将严重影响RCM运动以及其他运动的精度．此外，由于在复杂的手术操作中，机器人末端执行器始终与尿道接触且以耻骨联合处为支点进行旋转，与患部会有直接接触和能量交换，从手术安全性角度来看，仅仅有位置控制是不够的，需要在从端操作手臂的控制中引入力控制．机器人的力控制分为两大类：直接力控制和间接力控制．前者主要包括力/位置混合控制（hybrid position and force control)[125]，后者包括被动刚度控制[126]、阻抗控制（impedance control）和导纳控制（admittance control)[127-129]．机器人关节的力/位置混合控制将任务空间分解为位置控制子空间和力控制子空间，分别对机器人进行位置控制和力控制．文[113,130]分别利用力估计和力传感器测量方式结合位置传感器实现手术机器人的力/位置混合控制．阻抗控制器的输入是运动，输出是控制力；导纳控制器的输入是力，输出是运动．在阻抗控制中，控制器被看作是阻抗，机器人被看作是导纳；在导纳控制中，控制器被看作是导纳，机器人被看作是阻抗．文[131-132]利用增强混合型控制和模糊自适应补偿分别实现了连续体机器人和7自由度手术机器人的阻抗控制．文[127]提出将阻抗控制和导纳控制统一起来，形成一种混合控制方案，在可变形的软环境下进行导纳控制，在形变微小的硬环境下进行阻抗控制．
本文编号：3530012
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