腹腔镜视觉下微创外科手术机器人多臂系统运动方法研究（可编辑）

腹腔镜视觉下微创外科手术机器人多臂系统运动方法研究（可编辑） 腹腔镜视觉下微创外科手术机器人多臂系统运动方法 研究 分类号: 密级: U D C : 编号: 工学硕士学位论文 腹腔镜视觉下微创外科手术机器人 多臂系统运动方法研究 硕士研究生 :于 鹏 指导教师 :于凌涛 副教授 学科、专业 :机械电子工程 论文主审人 :王 岚 教 授 哈尔滨工程大学 2012 年12 月 分类号: 密级: U D C : 编号: 工学硕士学位论文 腹腔镜视觉下微创外科手术机器人 多臂系统运动方法研究 硕士研究生 :于 鹏 指 导 教 师 :于凌涛 副教授 学 位 级 别 :工学硕士 学科、专业 :机械电子工程 所 在 单 位 :机电工程学院 论文提交日期 :2012 年12 月17 日 论文答辩日期 :2013 年3 月16 日 学位授予单位 :哈尔滨工程大学 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Degree of M. Eng Movement method study on multi-arm system of minimally invasive surgical robot under laparoscope view Candidate: Yu Peng Supervisor: A.Prof. Yu Lingtao Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Mechanical & Electronic Engineering Date of Submission: December.17.2012 Date of Oral Examination: March.16.2013 University: Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。 有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者 (签字): 日期: 年 月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ，即研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进 行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的 全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一 署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文 (?在授予学位后即可 ?在授予学位 12 个月后 ?解密后)由哈尔滨工程 大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者 (签字): 导师 (签字): 日期: 年 月 日 年 月 日 腹腔镜视觉下微创外科手术机器人多臂系统运动方法研究 摘 要 机器人技术与外科手术技术的结合推进了人类医学文明的发展，相比于传统的微创 外科手术，采用微创外科手术机器人进行微创外科手术的方式极大程度的提高了手术的 安全性、减轻了患者的术后痛苦和负担。 在微创外科手术中，医生需要实时的对手术视野进行调整，医生希望获得的手术视 野要在当前腹腔镜提供的视觉的基础上进行上下、左右、前后的运动，这样才能便于医 生在常态思维下进行习惯性操作;同时在手术过程中，医生为了完成手术所进行的针对 微器械的一系列操作均是以腹腔镜提供的当前视野为基准的，而腹腔镜的不断变化也会 引起微器械移动的基准坐标系的不断变化。此时微器械的当前位姿是基于当前的腹腔镜 视觉坐标系，微器械的目标位姿是基于当前位姿和运动量 根据医生的实际需求获得 确 定的。为了在腹腔镜不断移动的前提下准确的获得微器械在当前视觉下的移动，亟需提 出一种基于腹腔镜动态视觉的器械臂多臂系统相互协调运动的运动方法。 首先介绍了该机器人系统器械臂的机械结构特点，建立了微创外科手术机器人持械 臂、持镜臂的运动学模型。根据运动学模型求解持械臂、持镜臂各自的运动学正逆解并 进行Simulink 仿真验证。 然后结合微创外科手术系统的手术流程，提出腹腔镜视觉下器械臂多臂系统协调运 动的运动方法，根据运动方法建立持械臂基座、持镜臂基座、持械臂所夹持微器械和持 镜臂所夹持腹腔镜四者所在坐标系之间的坐标变换关系，求解腹腔镜和微器械分别在腹 腔镜工具坐标系下的运动学逆解并分别进行Simulink 仿真，该运动算法解决了腹腔镜动 态视觉下器械臂多臂系统的协调运动。 最后针对多臂系统器械臂末端的轨迹提出一种可以优化实 际轨迹的轨迹规划算法， 该算法使器械臂末端的轨迹更加平滑精确。通过 Matlab/Simulink 、SimMechanics 对该轨 迹规划算法进行仿真，通过数据验证了轨迹规划算法的正确性。 关键词:手术机器人;多臂系统;运动学;轨迹规划 腹腔镜视觉下微创外科手术机器人多 臂系统运动方法研究 Abstract The combination of robotics and surgical techniques promotes the development of the medical engineering, compared with the conventional minimally invasive surgery, the robot-assisted minimally invasive surgery significantly improves the operative security and alleviates the patient’s pain and mental burden. In the minimal invasive general surgery, the doctor needs to adjust the operation field in real time. The desired operation field performs up and down, sideways and front-to-back motion based on the current vision information of the laparoscope, which facilitates the doctor to operate habitually in normal thinking; Since a series of operations with the micro instruments during the surgery are on the basis of the current view provided by the laparoscope, the moving base coordinate system of the micro instruments changes with the changing laparoscope. The current poses of the micro instruments are based on the current laparoscope vision coordinate system, while their desired poses are based on the current poses and the kinematic parameters derived from the doctor actual requirements . In order to computer the motion of the micro instruments precisely under the current view when the laparoscope keeps moving, a method for the coordinated movement of the multi instrument arms system based on the laparoscope dynamic vision is greatly needed. Firstly, introduce the mechanical structure characteristics of the instrument arms in the robotic system, establish the kinematics model of the instrument-holding arm and the laparoscope-holding arm of the minimally invasive surgery robot. Computer the direct and inverse kinematics of the instrument-holding arm and the laparoscope-holding arm respectively, and the computation are verified by Simulink simulation. Then, with the surgery procedure of the minimally invasive surgery system, a method of multi instrument arms coordinated movement under the laparoscope view is proposed, establish the coordinate transform relationships among the coordinate systems involving the instrument-holding arm base, the laparoscope-holding arm base, the micro instrument gripped by the instrument-holding arm and the laparoscope gripped by the laparoscope-holding arm, calculate the inverse kinematics of the laparoscope and the micro instrument in the laparoscope instrument coordinate system respectively, and the corresponding calculation is simulated by Simulink, the movement algorithm solves the coordinated movement of the 腹腔镜视觉下微创外科手术机器人多臂 系统运动方法研究 multi instrument arms system under the dynamic view of the laparoscope. Finally, a trajectory planning algorithm for optimizing the actual end-effector trajectory of the instrument arm in the multi-arm system is proposed, which results in a smoother and more accurate end-effector trajectory. The proposed algorithm is simulated by the Matlab/Simulink and SimMechanics and its correctness is validated by the data results. Key words: surgical robotics; multi-arm system; kinematics; trajectory planning 腹腔镜视觉下微创外科手术机器人 多臂系统运动方法研究 目 录 第1 章 绪 论.............................................................................................................................. 1 1.1 课题的目的及意 义...................................................................................................... 1 1.2 微创外科手术技术的国内外研究现状及未来发展趋 势.......................................... 1 1.2.1 微创外科手术技术国外研究现 状.................................................................... 1 1.2.2 微创外科手术技术国内研究现 状.................................................................... 3 1.2.3 微创外科手术技术发展趋 势............................................................................ 7 1.3 国外微创外科手术机器人运动算法研究现 状.......................................................... 9 1.4 论文的主要研究内 容................................................................................................ 12 第2 章 腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统运动方 案........................................................ 13 2.1 微创外科手术机器人操作臂多臂系统总体结 构.................................................... 13 2.2 微创外科手术系统的手术流 程................................................................................ 15 2.3 腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统运动方 案......................................................... 17 2.3.1 持镜臂基于腹腔镜视觉下运动的含 义.......................................................... 17 2.3.2 持械臂基于腹腔镜视觉下运动的含 义.......................................................... 18 2.3.3 腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统运动方 案.............................................. 19 2.4 本章小 结.................................................................................................................... 20 第3 章 多臂系统持械臂、持镜臂的运动学建模及仿 真.................................................... 21 3.1 多臂系统持械臂的正逆解运动学建模及仿 真........................................................ 21 3.1.1 多臂系统持械臂的运动学正 解...................................................................... 21 3.1.2 多臂系统持械臂的运动学逆 解...................................................................... 26 3.1.3 多臂系统持械臂的正逆解运动学仿 真.......................................................... 29 3.2 多臂系统持镜臂的正逆解运动学建模及仿 真........................................................ 32 3.2.1 多臂系统持镜臂的运动学正 解...................................................................... 32 3.2.2 多臂系统持镜臂的运动学逆 解......................................................... ............. 34 3.2.3 多臂系统持镜臂的正逆解运动学仿 真.......................................................... 35 3.3 本章小 结.................................................................................................................... 37 第4 章 腹腔镜视觉下多臂系统的运动算法及仿 真............................................................ 39 4.1 多臂系统持械臂以及持镜臂的归一 化.................................................................... 39 腹腔镜视觉下微创外科手术机 器人多臂系统运动方法研究 4.2 腹腔镜视觉下持镜臂的运动方 法............................................................................ 40 4.3 腹腔镜视觉下持械臂的运动方 法............................................................................ 41 4.4 腹腔镜视觉下持械臂以及持镜臂的运动学仿 真.................................................... 44 4.5 本章小 结.................................................................................................................... 47 第5 章 持械臂的奇异性分析和轨迹规划方 法.................................................................... 49 5.1 持械臂的奇异性分 析......................................................... ....................................... 49 5.1.1 持械臂的雅克比矩 阵...................................................................................... 49 5.1.2 持械臂的奇异性分 析...................................................................................... 53 5.2 机器人轨迹规 划........................................................................................................ 53 5.2.1 轨迹规划应考虑的问 题.................................................................................. 54 5.2.2 关节空间的插 值.............................................................................................. 55 5.2.3 器械臂路径规划轨迹算 法.............................................................................. 56 5.3 轨迹规划算法的Simulink 仿 真............................................................................... 57 5.3.1 持械臂轨迹规划算法的Simulink 仿 真......................................................... 58 5.3.2 持镜臂轨迹规划算法的Simulink 仿 真......................................................... 61 5.4 本章小 结.................................................................................................................... 65 结 论.................................................................................................................................. 66 参考文 献.................................................................................................................................. 67 攻读硕士学位期间发的论文和取得的科研成果 表.............................................................. 72 致 谢.................................................................................................................................. 73 第1 章 绪论 第1 章 绪论 1.1 课题的目的及意义 随着人类科技的文明、技术的进步，电子技术、机器人技术、生物学和物理学等多 方面的技术也都取得了令人瞩目的成果，而机器人技术做为20世纪人类最伟大的发明之 [1] 一在这其中起到了至关重要的作用 。同时，以腹腔镜技术为核心并融合机器人技术的 新一代微创外科手术机器人的出现更是填补了人类医学史上的一项空白。 微创外科手术机器人系统通过自身器械臂夹持的腹腔镜为医生提供手术视野，在视 觉图像的指引下，医生可以通过操作主手使微器械按照术前规划路径进入患者病灶，进 [2-3] 行观察和手术，这种方式可以极大的减小病人刀口的长度以及痛苦的程度 。1980年9 月12 日，德国专家Kurt Semm获得的首例腹腔镜阑尾切除手术的成功标志着微创外科技 [4] 术成功的由理论研究转化成为临床技术 。自微创外科手术技术出现以来，该技术以其 独特的优点 创伤轻，痛快少等 受到了医生和患者双方的信赖，并得到了快速的发展和 进步。在极短的时间内，微创外科手术技术犹如一股浪潮席卷了全球的外科学界，渗透 到各类临床手术中，极大程度的撼动了有着百年历史之久的传统手术方法。微创外科手 [5] 术技术正以其独特的方式改变着社会，造福着全人类，开创着机器人技术的新纪元 。 1.2 微创外科手术技术的国内外研究现状及未来发展趋势 21世纪以来，越来越多的医生和病患选择借助微创外科手术机器人系统来完成手 [6] 术，而这种趋势必然会成为未来各类腹腔手术发展的潮流 。微创外科手术技术的提出 与发展以其独特的角度和优点引发了全球医学界的又一次重要改革，也预示着第三代外 科手术时代的来临。这次重要改革引起了诸多发达国家的关注，各国投入了大量人力物 [7-8] 力进行着新一轮的 “军备竞争” 。 1.2.1 微创外科手术技术国外研究现状 1994年，全球第一台利用腹腔镜定位技术，微创手术技术与机器人技术相融合的微 [9] 创外科手术机器人系统伊索 Aesop 诞生了 。该系统由美国Computer Motion公司提出， 用以辅助医生完成微创外科手术，秉承了微创外科手术切口小、创伤轻、痛苦少、恢复 快等的诸多优点，并在实时手术视野采集方面提出了一种崭新的理念。伊索系统的从手 器械臂末端夹持腹腔镜，通过腹腔镜提供的手术视野，医生可以 更好更准确的完成手术 [10] 。该系统迈出了人类机器人手术系统研制的关键一步。 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 两年后，同样是Computer Motion公司，他们通过对伊索系统进行进一步的研究改良， [11] 提出了系统更稳定功能更强大的Zeus微创外科手术机器人系统 。Zeus系统的从手器械 臂比伊索系统更成熟，它拥有相互对称的两条器械臂，可以夹持微器械用以完成手术， 同时在这两条器械臂的对称线上有一条配备了更强大腹腔镜系统以及图像处理工具的 持镜臂。并且从手器械臂6+1个自由度可以使器械臂末端有更广阔的位置空间和更丰富 的姿态，极大程度的减小了手术后的创伤，大幅度的提高了手术的准度和精度。宙斯系 统的从手同时配备微器械和腹腔镜，医生可以通过控制台上的显示器观察患者病灶内的 具体情况从而在主从遥控技术的帮助下不用亲持手术刀就可以完成腹腔手术[12-14] 。2001 年9月，通过Zues系统完成的一例胆囊切除手术彻底颠覆了传统手术的观念，为外科手 术系统的全球化奠定了基础。 图1.1 AESOP 机器人 图1.2 ZEUS 外科手术机器人 到了21世纪初期Intuitive Srugical公司也推出了其自 主创新的da Vinci微创外科手术 机器人系统，并一举取得欧洲CE市场认证和美国FDA市场认证，成为了第一台可以真正 [15] 投入到手术室应用到临床的微创外科手术机器人系统 ，该系统的推出迈出了机器人技 术与外科手术技术相融合的重要的一步，具有里程碑的意义。 Da Vinci微创外科手术机器人系统包括三个部分:主控制台，从手操作臂和摄像及 视频处理器。手术过程中，医生在主控制台上可以先通过脚踏板调整腹腔镜视角得到最 佳的病人病灶处的影像，然后操纵主手来控制从手操作臂末端的微器械进行手术动作。 而机器人的从手器械臂与Zues系统类似，同时拥有配备腹腔镜 的持镜臂以及配备微器械 的持械臂，腹腔镜用来提供术中视野，而微器械用来完成手术操作。在腹腔镜视觉的辅 助下，医生可以从容在病灶区域进行切割、缝线等操作，极大程度上避免了手术器械划 [16] 伤皮肤组织或者碰到血管神经 。 2 第1 章 绪论 图1.3 da Vinci 外科手术机器人系统 达芬奇系统在为医生提供视觉控制、运动范围和组织处理能力等各方面的能力都丝 毫不逊色于传统手术，更突出的是医生可以不在手术室甚至不在当地就可以通过远程控 制来完成多种精密手术，同时该系统会自动调节避免误操作以及医生颤抖产生的误操 作。 图1.4 da Vinci 机器人手臂 图1.5 da Vinci 从手系统 图1.6 da Vinci 主手系统 近几年，随着科学技术的进一步发展，各种新式的微创外科手术机器人系统被相继 的研发了出来。 DLR MIRO手术系统是一种新型的轻量级的微创手术机器人系统。依靠微分耦合的 关节连接和高度集成的电子产品，该系统结构紧凑功能多样，在 十分狭小的工作内仍然 可以实现微器械路径规划和医生实际操作路径的紧密结合。同时由于整个机械系统只有 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 10kg 的重量，器械在加速性能相对于传统的工业机器人有明显的增强，大大的提高了医 生和病人双方的手术安全性。尽管只有10kg ，该手术系统仍然能够提供30N的最大载荷 并能达到类似于人手的工作范围区间。鉴于以上优点，该系统可广泛应用于各类微创外 科手术。并且基于DLR MIRO系统，研究人员正在开发一种配备摄像头的内窥镜心脏手 [17] 术机器人系统，该设备将在不久后公布于众 。 为了满足工作空间和刚性的需求，当前的外科手术机器人设备通常都比较笨重。但 过大过繁重的设备会在人机交互、手术干扰和碰撞的问题上产生许多障碍。于是Jose Sabater Navarro等人就提出开发一种新型的球形腹腔镜腕关节。该设备是一个3UPS-1S 平行架构，运用螺旋理论研究了3UPS-1S球形腕关节的运动学分析，用于核实最优化设 计。同时，Jose Sabater Navarro等人提出人机工程学作为一个 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 准则应该广泛引入到 微创外科手术机器人的设计要求当中，他们通过研究发现并联机器人的结构可以更好的 [18] 实现人机工程学和微创手术机器人的互相融入 。 S.J. Phee等人在内窥镜外科手术机器人系统发展多年的基础上提出一套“MASTER ” 系统，该系统可以有效提高工具夹持灵活性并能为手术提供能广阔的内窥镜视野，该系 统反应敏捷灵活并配备同样可以灵活操作的腹腔镜。配合该机器人系统，多例动物体内、 体外ESD 内窥镜黏膜解剖 和NOTES 自然管壁的内镜手术 实验都获得了良好的成效。 目前他们正致力于将各类反馈系统加入到系统设计中，使医生在主手操作端可以更好更 [19] 及时的获得手术过程中微器械处的各项反馈参数 。 此外还有许多国外的科研机构对外科手术机器人进行了广泛的研究。比较突出的几 套系统有:被用于进行神经外科手术的由法国的格勒诺布尔大学研制的NeuroMate和由 瑞士洛桑大学研制的Minerva ;用于整形外科手术的由德国赫尔姆兹大学研制的 CRIGOS ;用于放射性外科手术的由斯坦福大学研制成功的CyberKnife和AcuBot ;日本， 美国以及欧盟的许多国家也都在外科手术机器人方面分别作出了突出的贡献[20-22] 。 1.2.2 微创外科手术技术国内研究现状 反观国内，我国的外科手术机器人技术虽起步较晚，但是仍得到了许多研究所及各 级政府的重视，到如今也取得了一些令人瞩目的成果。 国内微创外科手术机器人技术发展的初期，在北京航天航空大学机器人研究所和海 军总医院大量人力物力的投入下，我国自主研发的用于脑外科手术的机器人系统“黎元” 问世了，给国内的微创外科手术机器人技术的发展打了一针兴奋剂。图1.7所示为脑外科 机器人穿刺试验，图1.8所示为 “黎元”脑外科机器人实验现场。 4 第1 章 绪论 图1.7 脑外科机器人穿刺试验 图1.8 “黎元”脑外科机器人 随后，天津大学成功研制了“MicroHand ”机器人系统，在结构上与国外Zues和da Vinci 系统相似，该系统从手器械臂部分分为夹持腹腔镜的持镜臂和夹持微器械的持械臂，实 [23] 现了在腹腔镜视野控制下完成复杂缝合手术的手术实验，进一步缩小与国外的差距 。 实物图如图1.9所示。 a 妙手系统的从手和主手 b 妙手系统总体图 图1.9 天津大学妙手系统 该系统主要有主从手、病人病灶固定装置、影像获取传输系统等几个部分构成，突 破了传统脑外科手术的模式，医生将不再需要借助套在病人头部的厚重的金属框架来进 行定位。同时利用该系统进行手术更为精确，医生和病人也较为放心。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1.10 医用机器人进行手术 [24] 此后，哈尔滨工业大学机器人研究所不甘落后，成功开发出正骨机器人 如图1.11 所示 。该系统以其三种独特的作业模式很好的结合了传统外科手术和现代机器人手术 系统。该三种方式分别是:遥操作手术模式、半自主手术模式和自主手术模式。与此同 时，哈工大在国内首次提出了术前手术规划和术中实时监控概 念，通过虚拟仿真系统， 医生可以在手术前对手术路径进行规划。而在手术过程中，通过更好的图像处理技术， 医生可以实时的获得病灶区视野，该方法提高了手术操作的准确性和安全性。给手术的 [25] 成功奠定了结实的基础 。 图1.11 正骨机器人 2010年7月份，沈阳自动化研究所在国内外脊柱外科手术机器人技术方面推出创举， [26] 该研究所联合第三军医大学新桥医院共同研发了世界首台微创脊柱手术机器人 。该系 统可以在很短的时间内完成定位、瞄准和钻孔工作，误差几乎为零。该技术填补了国内 外在脊柱手术机器人方面的空白。 该微创脊柱机器人分为两个部分:主手和从手，从手六个自由度使得器械臂末端的 6 第1 章 绪论 手术器械可以到达脊柱椎体和骨骼的任意位置。跟其他微创外科手术机器人系统相类似 的是，该系统手术过程中由持镜臂末端夹持的腹腔镜提供视野，并由持械臂末端的微器 械完成手术。如图1.12所示。 图1.12 微创脊柱机器人系统 传统的微创脊柱手术由于其需要作业的病灶关系到人体的重要神经，一旦出现偏差 就会给病人带来不可逆转的后果，这要求微创手术的精确和精准的操作，给手术过程以 及医生操作都造成了困难。而微创脊柱机器人的出现通过机械特有的稳定性和精确性， 提高了手术的精确性，该系统在脊柱微创手术领域实现了一个创举。 除上述介绍之外，由其他机构提出的许多机器人系统一样可圈可点:南开大学提出 的机器人辅助显微外科手术系统;由北京航天航空大学为角膜移植设计的显微外科手术 系统;清华大学研制的神经康复机器人等，全国各地的许多科研机构都在为微创外科手 术机器人技术做着不懈的努力[27-28] 。 1.2.3 微创外科手术技术发展趋势 目前的机器人手术系统虽然很大程度的获得了一些进步，但仍处在一个长期的发展 过程中，未来外科手术机器人会向着更小、更安全、更经济、更智能等多方向一起发展。 a. 单孔腹腔镜手术机器人系统 单孔腹腔镜技术是一次开创先河的技术开展，由于视野从三维视野变为二维平面视 野，传统的腹腔镜手术需要面对器械干涉，医生对深度判断困难和手术视野差等诸多难 [29] 题 。针对这些难题，美国克里夫兰医院泌尿外科提出了一一种针对da Vinci外科手术 机器人系统采用的单孔腹腔镜的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，并已完成动物实验。 单孔腹腔镜手术机器人技术的研究是下一代微创外科手术机器人的主导技术，该技 术利用单个孔道，单一杆件作为操作平台，前端具有多个蛇形柔性臂，Oleynikov等人将 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 自然腔道手术与机器人技术相结合。其采用高度纤维建立通道以及结构的灵巧微型使其 腔内手术机器人技术在微创外科手术机器人领域较为成熟。但该技术目前仍不能投入到 临床手术。 图1.13 da Vinci 外科手术机器人系统的单 孔腹腔镜解决方案 b. 结构紧凑的微型手术机器人 机器人结构的紧凑化在很多方面有着大型机器人不可比拟的优势，操作更方便，受 结构环境限制更少等。美国华盛顿大学研究小组提出的一套“乌鸦”机器人系统可以固 [30] 定在病人体表进行主从遥控手术 。 图1.14 “乌鸦”手术机器人 c. 可视化触觉传感技术 中医讲究“望闻问切”，可见触觉对于医生获得病灶信息来说是一种非常重要的方式。 而与视觉不同的是，触觉可以直接感受到病灶周围组织的生物特 性，更好的了解病理情 况。 Okamura等人提出一种可视化触觉系统，该系统在手术过程中通过微器械前置的彩 [31] 色显示条来提示医生力度大小，例如红色表示力量过大，绿色表示适中等 。目前现有 的微创外科手术机器人都不包含触觉反馈系统。而触觉又是十分重要的一种反馈信息， 这就需要生物学学家、医学家、物理学家和工程师等联合起来，创新出主动触觉反馈系 8 第1 章 绪论 统，填补这一方面的空白。 d. 影像引导与机器人技术的结合 过去的手术过程中，医生只能凭借自己的经验识别组织、判断手术病灶处工作空间 以及手术路径。当前，随着影像处理技术和机器人技术的高速发展，将两者融入一体应 用到微创外科手术机器人后的系统更加方便、安全。类似系统可以完成术前术中的影像 获取，辅助医生完成病情的诊断和手术规划。例如，应用术中血管超声图像与手术实时 图像的联合处理来完成缝扎止血和减少出血等手术操作;将MR/CT影像的整合技术应用 到肿瘤手术中，降低切缘阳性率，更好的控制肿瘤;在手术操作中实时提供图像，为医 生更好的掌控整个手术过程提供技术保证[32-33] 。此外通过图像处理，还可以建立自然坐 标系和人体坐标系之间的映射关系，在手术前实现病灶处的标记和手术的进刀路线规 划，避开大血管和神经，真正的实现微创。 图1.15 术中实时超生监测 图1.16 术中影像引导 e. 远程外科手术机器人 [34] 主从遥控技术和网络通信技术的快速发展使异地远程手术变为可能 。远程外科手 术可以节约病人和医生大量的时间和金钱，使手术不再受地理位置的局限。但是目前， 该技术成本太高，并且受网络延迟和高清图像传输速度慢的影像，很难实现突破变成现 实。 f. 手术机器人的智能化 智能性是机器人技术的核心，微创外科手术机器人目前只是实现了对外科医生双手 的延伸，并不能完全替代医生完成手术。随着各技术领域的整合发展，在不久的将来， [35] 微创外科手术机器人很可能会完全替代医生进行手术操作 。 1.3 国外微创外科手术机器人运动算法研究现状 手术机器人的发展不仅在于其结构和控制系统本身，还在于建立更完善的机器人操 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作臂的运动学方法，以适应医生的实际操作需求和操作习惯，从而更好的完成手术操作。 机器人运动学算法研究分为运动学正解和运动学逆解。1955年，Denavit和Hartenberg 两人就机器人的表示和建模的问题提出了自己的看法，导出了运动学方程。自那以后他 [36] 们创立的“D-H ”法便成为了人们对机器人运动坐标系进行建模的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 方法 。该方法 通过计算下一关节到当前关节的坐标变换矩阵，并在规定基座参考坐标系的情况下可以 写出机器人末端工具坐标系到基座的总变换矩阵，从而确定机器人运动学的正解。 而对于逆解来说，解析法和迭代法是解决运动学逆解问题的两个最常用的方法。解 析法在面对庞大机构，多自由度问题的时候显得十分乏力，不可解。而迭代法虽然可以 [37] 解决复杂自由度问题，但是却不能实现实时性的效果 。在迭代法中，比较典型的CCD 算法求解精度高、实时性好，但是相比动力学求解仍缺少真实感。 在上述算法的基础上，国外很多学者针对微创外科手术机器人系统中的各类运动学 问题都提出了自己的看法。 O. Weede等人建立了一种基于Markov模型的运动和干涉预测算法的智能视觉导航 [38] 系统 ，可以提高腹腔镜的位置精度，在持镜臂自主运动研究中具有较高的价值。O. Weede等人将两台装有执行器械的KUKA LWR IV机器人和一台配有腹腔镜的St?ubli RX90机器人组成手术机器人的从手系统，使用一台omega.7作为主手系统，在此基础上 [39] 建立了一种基于Markov模型的运动和干涉预测算法的智能视觉导航系统 ，能够根据先 前的运动干涉状况预测腹腔镜下次的运动轨迹。 图1.17 基于Markov 模型的智能视觉导航系统 他们针对该手术器械进行了长期的预测试验，实验证明该预测算法可以提高腹腔镜 的位置精度。但是在腹腔镜干涉复杂轨迹中，在对于有着持续干涉的情况下，下一次的 位置预测就会出现一些不稳定以及不准确的情况。通过仿真实验中得出碰撞干涉预测准 10 第1 章 绪论 确率在 89.1%到 92.3%之间，具有较高的价值。但是实际手术中不能在关键操作时出现 任何的干涉状况，否则会极大降低手术的安全性和稳定性。 Stephen.Tully等人提出了一种新颖的滤波估计方法用来估 测高度铰接外科蛇形机器 人的实时形状和位姿。他们的算法结合了一种针对磁跟踪传感器信号在自定义算法框架 里的测量和一种机器人运动的新的运动学模型。并且通过各种实验已经证明了该算法可 [40] 以实现手术系统在既定路线运动时的完全可视化 。通过这种算法可以借助现有的磁跟 踪技术估算出外科手术机器人的姿态阈值同时确定蛇形机器人完整的结构形态。在一个 实验中，HARP机器人系统就是利用从卡尔曼滤波器中得到实时路径反馈从而实现器械 在半自动驱动下沿着预定路径行进。通过这个实验，既演示了手术机器人完成手术的能 力又证明了通过该滤波估计算法实时准确估算机器人姿态的正确性。但在一例面向心脏 手术的实验中，发现可变形或运动的组织器官会对此形状预估算法产生不利的影响。由 于在实际手术中器官是时刻运动的，形状预估模型需要进一步的提高其适应能力，才能 具有实用意义。 C. Staub等人采用CCD算法研制出一款腹腔手术机器人，通过寻找沿模型轮廓统计 获得局部颜色的最大分离部分，以获得末端手术工具更为精度的位姿信息。他们综合利 用了关节处编码器和器械臂末端的视觉反馈信息，从而在图像空间中进行稳定的镜头推 进。但在比较暗黑的背景下，器械的浅灰色管不能被准确的辨别，CCD算法的追踪将会 [41] 失效，具有一定的局限性 。 图1.18 ccd 颜色区分最大化算法 Yo Kobayashi等人针对SPS提出一种含有动态视觉控制的医疗机器人，通过主手控制 器实现对腹腔镜视野的操控。通过可以手动控制更改视野的方式减少了手术操作的难 度，提高了手术操作的安全性和稳定性。他们实验的对象是一条具有六自由度持镜臂以 [42] 及配备微器械的双持械臂模型的机器人 。配合该控制系统分别进行腹腔镜是否即时控 11 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制的体外实验，在实验中，首先采取单一位置完成切割任务后重新调整腹腔镜位置进行 余下切割任务，实验证明该工具机械手可以完成大范围的组织切割，总切割长度约 20mm 。单次任务的切割长度大约为7mm，切割任务完成时间大约200s ，单次任务完成 时间大约70s 。然后进行的实验是在腹腔镜即时控制调整位置的前提下进行的，实验证 明通过这种控制方法进行切割任务，同样是切割20mm长度的任务总共耗时40s 。两个实 验对比得出，第一种方法适合高风险小范围内切割，而第二种方法适合大范围低风险区 的切割。如何在高风险地区快速安全的进行切割任务是接下来需要研究的主要难点。 鉴于微创外科手术机器人的功能和结构的差异，不同的医疗机器人有其各具特点的 运动方法。而针对含有腹腔镜的微创外科手术机器人，如何建立腹腔镜视觉下的运动方 法是一项十分有意义的课题[43-45] 。本文针对腹腔外科手术机器人的多臂系统，在符合医 生自身视觉控制习惯和操作习惯的基础上，提出的一种解决动态腹腔镜视觉下腹腔镜和 微器械的运动方法，可作为此类腹腔手术机器人的专用运动方法。 1.4 论文的主要研究内容 本课题的研究对象是一种微创外科手术多臂机器人系统。手术过程中，医生需要不 断调整由持镜臂提供的手术视野，进而在腹腔镜视觉下操控持械臂末端微器械完成手 术。这一过程需要解决该手术机器人系统的多臂系统如何在腹腔镜视觉下相互关联运动 的问题。针对这一问题，本文提出了腹腔镜视觉下多臂系统的运动方法研究。论文的主 要内容如下: 1、针对系统结构特点和微创手术的手术过程提出腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统 的运动方案。 2 、根据该机器人持械臂和持镜臂的机械结构，完成该手术机器人持械臂以及持镜臂 的运动学建模和Matlab/Simulink仿真。 3、为了解决三条臂在腹腔镜视觉下的相互关联运动问题，提出腹腔镜视觉下持械臂、 持镜臂关联运动的运动算法并完成Matlab/Simulink 、SimMechanics混合仿真研究。 4 、提出该机器人系统的奇异性分析和轨迹规划算法，并根据奇异性分析的结果在轨 迹规划时避开相关区域。通过Matlab/Simulink工具箱对持械臂以及持镜臂的轨迹规划算 法进行仿真验证 12 第2 章 腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统运动方案 第2 章 腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统运动方案 微创外科手术中，医生通过控制并观察腹腔镜来获取病灶图 像进而操作微器械进行 手术。为了实现以上操作过程，需要得到微器械在腹腔镜工具坐标系下的运动学逆解。 本章对微创手术机器人从手持镜臂及持械臂的总体结构和利用微创外科手术机器人进 行手术的基本流程进行了介绍，在此基础上提出了腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统的 运动方案。 2.1 微创外科手术机器人操作臂多臂系统总体结构 本课题研究的微创外科手术机器人的多臂系统采用模块化设计，主要包括三条器械 臂，分为持械臂和持镜臂: 1:持械臂:对应于医生的左右手，与持镜臂配合完成大多数微创腹腔手术; 2 :持镜臂:夹持腹腔镜，在手术过程中为医生提供三维的手术视野; 持械臂1 持镜臂 持械臂2 移动自由度 微器械2 微器械1 3D腹腔镜 手术床 图2.1 多臂系统三条臂机械结构 在最开始的多臂系统的设计方案中，持镜臂是独立于持械臂单独存在并由小推车推 动，属于单独的一个个体，这样能够简化多臂系统的设计。但是这样的设计方案导致的 在进行腹腔镜与微器械相对坐标关系的运动学研究时持镜臂位置的不确定性，使持械臂 持镜臂的相对关系太混乱不便于计算。为了解决这个问题，在最终的多臂系统设计方案 中把持镜臂安放在了两个持械臂的中间，也就是现在的结构 如图2.1 。 那么整个微创外科手术机器人的多臂系统就由上述的三条机械臂构成，位于三条器 械臂中轴线上的器械臂用于夹持腹腔镜，定义为持镜臂;另外两条对于持镜臂互相对称 的器械臂用来夹持微器械进行手术操作，定义为持械臂。这三条机械臂的结构基本相同， 13 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由于持械臂需要夹持微器械进行手术，所以持械臂比持镜臂多三个自由度。 持械臂的串联式的关节配置结构如图2.2所示，共有11个关节自由度，其中四个被动 关节，7个主动关节。关节1为直线运动关节，通过关节1在垂直方向上的移动，可以完 成器械臂总体在垂直高度的上升和下降;关节2到关节4是旋转关节，前四个关节的关节 处都没有装置电机，属于被动关节。这几个关节的作用是在手术开始之前便于医护人员 调整器械臂的整体臂型，防止在手术过程中三个机械臂发生相互之间的干涉，调整之后 安置在被动关节处的电磁离合器会将四个关节电磁锁死，保证了手术过程中持械臂的稳 定;关节5为小范围转动关节，关节6为平行四边形摆动关节，这里关节6处的平行四边 形结构可以保证手术微器械在手术过程中可以进行远心点的定点运动;关节7为360度回 转关节，鉴于机器人的结构特征，该关节不影响持械臂末端微器械的位置;关节8为直 线运动关节，主要实现器械臂末端微器械进入病灶点的直线进给运动;关节5，6，7三 个自由度的相互配合可以实现手术微器械末端在手术区域可以自由的移动。回转关节5 与摆动关节6 内部装置电磁离合器，使关节6可以在主动和被动两种控制方式间切换。手 术开始前采用被动方式，便于医生可以按照手术要求调整微器械 插入腹腔时的位姿;手 术进行中，这两个关节会切换到主动关节，接受主手发来的控制信号实现主动控制。 图2.2 器械臂的机械结构 上图中，持械臂与持镜臂相同的是1、2 、3与升降机构组成了四个被动关节。不同的 是，持械臂的7处连接了用于手术的微器械;持镜臂的7处夹持了用于提供手术视野的腹 腔镜。在三条器械臂的每个关节处都安装了编码器，用以获得各关节的转动 或移动 信 息。 前文提到，本文介绍的此类微创外科手术机器人系统的持械臂有11个自由度，包括 前四个被动关节和后7个主动关节。前四个被动关节分为一个升 降和三个旋转。而后7个 14 第2 章 腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统运动方案 主动关节 包含最后一个关节指尖的开合 可以通过控制各个关节处的电机来达到控制器 械臂末端微器械位姿的目的，从而完成手术。持镜臂位于两条持械臂的轴对称线上。持 镜臂的机械结构与持械臂大体类似，不同的是持镜臂只含有四个被动关节和三个主动关 节。在手术过程中，医生通常只需要调整腹腔镜的位置而不需要调整腹腔镜的姿态，所 以持镜臂的末端只拥有三个主动关节，提供三个自由度用以调整腹腔镜位置。 2.2 微创外科手术系统的手术流程 利用微创外科手术机器人系统进行手术，主要包括了术前的手术病灶三维可视化模 型分析、术前规划以及术中定位。医生首先会对患者病灶进行影像采集，得到确切的三 维可视化模型以便进行更准确的诊断，并为手术顺利完成提供最科学的手术路径规划; 手术进行过程当中，医生根据病人的体表或体内特征点将病灶的三维术前模型映射到病 人体内，形成统一的坐标系。然后在腹腔镜提供的视野控制下，医生可以控制机器人双 [46] 器械臂使手术可以在指定位置并以指定的姿态进行手术操作 。 微创外科手术机器人系统虽然是一类智能机器人，但是其首先必须满足完成外科手 [47] 术的各项要求从而保证手术的安全和顺利 。那么在外科手术机器人的设计过程中就需 要满足许多硬性的要求，这样才能在临床使用的时候保证手术过程的安全性和稳定性。 [48] 下面介绍一些微创外科手术机器人设计的关键技术 : a (主从遥控技术 首先主从遥控技术避免了医生长时间处在CT室环境下对身体造成的伤害，主从控制 可以使医生处在更安全更安静的环境下，从容的进行手术操作;其次，病人病灶区存在 很多腹腔软组织，这样之前规划的路线就会由于这些软组织发生一些不可避免的变形。 那么在主从遥控技术条件下，医生就可以根据实时的腹腔镜传来的视野图像选择临时准 确的进针路线。 b (快速准确的配准方法 传统的手术配准方法是体外标记配准法，医生先把能够被医学影像技术识别的特征 点标记在患者体表，这些标记点会在手术进行之前模拟出术前模型和与病人两者之间的 相对位置，也就是坐标变换。但是实际操作过程中，皮肤、肌肉都有可能移动或者变形， 这就造成了手术过程中可能会产生一定的误差，给手术操作带来不可逆的影响。那么就 需要新的配准方法:目前比较常用的是通过体内一些比较稳定的特征进行配准。如 Aylward人利用肝脏内部的血管完成超声图像和MRI 图像配准，Porter等人利用前列腺的 表面特征完成超声图像和器官组织数据的配准和融合。 15 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c (远心运动机构 在微创外科手术过程中，微器械通常绕一点在一个比较大的锥形空间内旋转。远心 机构的特点就是利用很小的机构实现较大范围的运动，并使驱动机构和减速机构的尺寸 设计更灵活。常用的远心机构有圆弧机构、平行四边形机构、链 传动和带传动机构等。 d (即时图像及坐标系更新技术 上面介绍过由于体表皮肤或者肌肉在手术过程中可能发生位移或者变形，从而造成 配准出现误差。那么即时图像以及坐标系模型的更新速度也成为了微创外科手术机器人 的技术难点。传统的技术主要依靠术中的X射线透视或者传统的超生影像，大大降低了 工作手术效率。解决这个问题的主要工作包括:开发利用术前3D模型和术中的跟踪信息 快速更新3D模型的方法;即时监控手术器械以及病灶内部脏器的运动等。 e (末端微器械 在微创外科手术进行过程中，微器械需要在人体内部穿梭才 能到达靶点。这里需要 解决主要的技术问题是:微器械在穿梭过程中接触到不同组织后由于细微变形还产生的 结构误差;手术中为了躲开神经、血管，需要微器械可以完成一个非直线的路径;将比 较大的器械置入骨骼内部获从骨骼内部取出。针对以上问题，研究人员对生物力学、材 料力学、手术中摩擦力、剪切力等各项指标进行综合建模分析从而可以直观的模拟手术 过程中的细微变形和进针轨迹。 以上五个问题和难点制约了微创外科手术机器人的发展以及应用。除此之外微创外 科手术机器人作为机器人，在机械操作精度、灵活性、快速性等许多方面同样有着跟其 他类型机器人一样严格的要求。本文的研究对象是一类微创外科手术机器人系统。该机 器人系统在实际应用时的操作流程大概分为以下几个步骤:手术前，医护人员先对系统 的前几个被动关节进行位置和姿态调整，使器械别末端的微器械可以顺利的进出病灶处 的微创口，在三条臂都达到最佳手术位姿的前提下将这几个关节锁定;手术过程中，主 刀医生在腹腔镜采集到的实时的图像信息的辅助下完成当前视野下的手术操作;然后为 了获得下一手术区域的视野，医生需要及时通过调整持镜臂的方式来控制持镜臂末端腹 腔镜的位置，再根据调整后腹腔镜提供的病灶处视野来控制持械臂操纵微器械完成手术 操作。如此延续就实现了利用该微创外科手术机器人系统完成外 科手术的整个过程。为 了达到上述手术过程中，机器人的持械臂和持镜臂可以在腹腔镜视觉下相互协调运动的 目的，需要提出腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统的运动方案。 16 第2 章 腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统运动方案 2.3 腹腔镜视觉下手术机器人多臂系统运动方案 机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考系的运动作为时间的函数进行分析研 究，而不考虑运动的力和力矩的问题，也就是说把机器人的末端位姿解析成时间的函数， [49] 特别是研究机器人关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系 。 上一章介绍过，机器人运动学主要研究的两方面问题是运动学的正逆解。机器人运 动学的正解就是在已知机器人各关节转角、位移的前提下求解末端微器械相对于基座坐 标系的位置姿态;而机器人运动学的逆解就是在已知机器人末端执行器相对于基座的位 [50] 置与姿态的情况下 ，求解机器人各关节的转动或者移动变量。 在借助微创外科手术机器人的主从操作系统进行手术时，机器人的主从操作手需要 在第一时间建立相互之间在绝对坐标系下的映射关系，然后具备控制功能的计算机也要 迅速完成两个持械臂以及一个持镜臂的正逆运动学求解以实现器械臂末端的运动轨迹 规划，那么在这个过程中就需要提出一种快速有效的运动学求解方法。 2.3.1 持镜臂基于腹腔镜视觉下运动的含义 在手术操作中，首先需要解决的就是视野问题。上文提到，手术中的视野是由腹腔 镜提供，而手术过程中，随着作业区域的变化，医生需要调整视野的移动。同时医生希 望获得的手术视野是在当前腹腔镜提供的视觉的基础上进行上下、左右、前后的