用于微创单端口手术的遥操作手术机器人的研制

与传统的开放手术相比，微创手术(MIS)通过小切口(或小切口)进行港口)导致更少的组织创伤，从而更快地恢复，更少的疼痛，更少的疤痕组织。单端口手术更能减少创伤。在单孔手术中，外科医生将一根薄壁管插入一个小切口，并使用位于管内的腹腔镜仪器进行手术。这些手术也可以通过自然的孔口进行，如肚脐、喉咙或肛门，完全不需要任何切口。

传统的单端口方法并非没有缺点。例如，它们迫使外科医生在一个严格限制灵活性的工作空间内使用刚性仪器进行手术。这些限制导致频繁的仪器重新定位和仪器碰撞。

为了解决这些挑战，我们在Technische Universität Darmstadt的研究小组开发了FLEXMIN，一种通过自然孔进行单端口手术的远程操作手术机器人(图1)。我们使用基于模型的设计开发了FLEXMIN的控制软件。这种方法使我们能够对机器人的运动学建模，为其20个电机设计控制系统，并为实时目标生成控制代码，所有这些都来自一个环境。

FLEXMIN硬件架构

FLEXMIN系统由两个硬件子系统组成:一个触觉接口和一个体内机器人。实时控制系统在触觉界面上解释外科医生的动作，并将其转换为运动命令，在机器人腹腔内的末端执行器(例如，一个抓取器、针架或其他仪器)上产生运动。

一个直径40毫米的管子容纳了机器人的两条手臂和一个内窥镜相机，使外科医生能够看到每条手臂末端的末端执行器。臂的驱动由我们在MATLAB中设计的连杆三脚架结构驱动^®。电机用于移动该运动学结构中的三个平行杆，以精确定位工具中心点(TCP)(图2)。每个杆由两个无刷直流电机驱动，一个用于平移运动，另一个用于旋转运动。12个电机安装在一个固定在管上的驱动单元中，并通过EtherCAT链接连接到系统的实时计算机。

FLEXMIN触觉界面由外科医生直接操作。它的结构近似于体内机器人中使用的三脚架结构(图3)。抓取和轴向扭矩的力反馈由两个无刷直流伺服电机产生，而另外三个电机提供三维移动TCP的触觉反馈。指令TCP坐标是使用电机上的旋转编码器测量的。与体内机器人的组件一样，触觉接口中的编码器和电机通过EtherCAT网络连接到实时目标计算机。

实时控制器的设计与实现

我们的第一个控制设计挑战是将三维触觉界面的运动转换为TCP的相应运动。我们使用两个MATLAB脚本完成了这一过程。第一种使用来自触觉接口中的电机编码器的数据来计算TCP在笛卡尔空间中的理想位置。第二部分使用TCP的这个位置来计算手臂中三根杆的相应位置，以及设置这些位置所需的电机命令。

我们的仿金宝app真软件^®控制器模型结合了这些MATLAB脚本，并包括EtherCAT块，通过EtherCAT总线向机器人的电机和传感器发送数据和接收数据。该模型还包括一个使用Stateflow建模的广泛的状态图^®。我们使用状态图来初始化电机控制器和管理整个FLEXMIN系统的状态。

为了实现触觉反馈，我们在驱动单元上使用六个传感器测量机器人抓手处的相互作用力。在对这些测量数据应用带通滤波器后，我们用它来计算施加在手臂上三根杆上的力。我们执行额外的运动学计算，以确定基于杆的位置的TCP力。这些计算使我们能够确定施加在抓手上的实际力——例如，当外科医生抓住组织并开始拉它时。我们开发了一个Simulink金宝app模型，该模型使用这些力测量信息来控制触觉界面的马达，并为外科医生提供高达15牛顿的力的触觉反馈，每秒更新40次(图4)。

当我们准备好进行硬件测试时，我们使用MATLAB Coder™和Simulink Coder™从我们的模型中生成C代码，并使用Simulink Real-Time™在两台实时pc上运行代码(每臂一台)，金宝app每台pc都配备3 GHz Intel^®Core™2 Duo处理器。这种设置使我们能够在实验室中测试、调试和改进体内机器人和触觉反馈接口的实时性能(图5)。

除了使用实验室设置进行开发之外，我们还以独立模式使用它，在这种模式下，计算机启动时使用我们软件的最新稳定版本，这样我们就能够向感兴趣的研究人员演示我们的系统。这是一个方便的功能，使我们能够用最少的准备时间来展示我们的工作。

动手手术测试和下一步

我们与来自大学医院的外科医生和学生进行了一些实际操作测试Tübingen。除了基本的缝合测试外，参与者还评估了FLEXMIN在猪模型中进行胆囊切除术时的灵巧性和可用性(图6)。参与者报告说，他们对该系统的响应性印象深刻，他们注意到他们的手的运动和仪器的运动之间没有滞后。他们还报告说，该系统的直观性和在腹腔内进行手术操作所提供的空间给他们留下了深刻的印象。

在FLEXMIN的未来版本中，我们计划结合预编程的动作——例如，自主地将针穿过两个标记位置的能力——以及抓取压力的触觉反馈。这些改进可以由我们的同事实施，甚至可以由新加入小组的学生实施。在我们的研究中使用MATLAB和Simulink的最大优势之一是，新的团队成员可以快速跟上项目的金宝app速度。在达姆施塔特工业大学，几乎所有的本科生和研究生都有MATLAB和Simulink的使用经验。金宝app此外，我们对模型采用的模块化方法使小组成员能够在各自的模块上独立工作，然后将这些模块组装成一个完整的系统。综上所述，这些因素使我们更容易作为一个团队进行协作，甚至将项目传递给其他人。