經(jīng)尿道手術(shù)由于尿道解剖結(jié)構(gòu)狹窄、內(nèi)窺鏡視野狹小,對(duì)醫(yī)生的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求較高,且術(shù)后并發(fā)癥較多,亟需融合機(jī)器人技術(shù)提高手術(shù)質(zhì)量、減少并發(fā)癥、縮短醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線時(shí)間.為促進(jìn)我國(guó)經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人的研究和發(fā)展,綜述了國(guó)內(nèi)外經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀,并分析了典型的經(jīng)尿道手術(shù)操作,對(duì)經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人所涉及的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、力反饋技術(shù)、精密運(yùn)動(dòng)控制以及手術(shù)導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳盡的分析.在總結(jié)研究成果和分析關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,指出經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人今后的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn). 

【文章來(lái)源】：機(jī)器人. 2020,42(06)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：18 頁(yè)

【部分圖文】：

連續(xù)體機(jī)構(gòu)

除基于應(yīng)變片的力傳感器外，基于光纖的光學(xué)測(cè)量方法也在機(jī)器人輔助外科手術(shù)中得到了大量應(yīng)用．光學(xué)測(cè)量方法使用光纖將力信號(hào)從待檢測(cè)區(qū)域傳遞到處理單元．魯汶大學(xué)Peirs等[107]將光纖傳感器應(yīng)用于RMIS系統(tǒng)中對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行力測(cè)量（見(jiàn)圖5(d)），通過(guò)均布的光位移傳感器檢測(cè)3個(gè)軸向力．倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院Puangmali等[108]設(shè)計(jì)了一種MRI兼容的非金屬手術(shù)器械（見(jiàn)圖5(e)),3組光纖能夠測(cè)量軸向和徑向力分量．針對(duì)經(jīng)尿道手術(shù)，圣安娜高等研究學(xué)院Russo等[21]設(shè)計(jì)了集成布拉格光柵（FBG）的同心管激光前列腺切除器（見(jiàn)圖5(f)),3束光纖布置在激光纖維的外測(cè)同心管的內(nèi)側(cè)，用于評(píng)估轉(zhuǎn)向時(shí)激光燒灼器和組織的接觸力以及線纜的驅(qū)動(dòng)能力．基于光纖的力傳感器具有重量輕、體積小、靈敏度高、可集成在器械內(nèi)部、對(duì)環(huán)境干擾不敏感以及核磁兼容等優(yōu)勢(shì)，因此將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的力檢測(cè)中．此外，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、生物材料等技術(shù)的快速發(fā)展，微型化的傳感器被集成在手術(shù)器械的末端，使得測(cè)量精確度、生物兼容性、密封性等都有很大提高．韓國(guó)成均館大學(xué)最新的研究成果提供了一種集成了4-DOF力傳感器的新型手術(shù)器械[109-110],4個(gè)電容式傳感器以及電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（CDC）嵌入在鉗爪中，圖5(g)(h)分別為傳感器安裝在鉗爪齒區(qū)和近端的手術(shù)器械．該器械成功在Raven-II手術(shù)機(jī)器人上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)．

現(xiàn)代控制方法代表性的有滑�？刂�、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等．這類方法是基于模型的控制方法，能夠提高復(fù)雜非線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度和減小彈性振動(dòng)引起的誤差，但對(duì)控制模型的準(zhǔn)確性有較高的依賴，且會(huì)增加系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間．智能控制方法是將一些智能算法加入到控制系統(tǒng)中，代表性的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制等，這類方法是基于無(wú)模型控制的，用于解決建模困難或不準(zhǔn)確問(wèn)題、控制非線性問(wèn)題以及其他復(fù)雜的問(wèn)題，但收斂時(shí)間較長(zhǎng)．因此，這類方法經(jīng)常結(jié)合閉環(huán)PID算法提高從端操作手臂的準(zhǔn)確性．文[119-121]采用基于模糊控制的PID算法實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人的位置控制．文[122]采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，提高閉環(huán)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性．此外，文[123-124]采用預(yù)測(cè)控制方法和卡爾曼濾波算法對(duì)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，減小了生理活動(dòng)對(duì)手術(shù)的影響．文中4.1節(jié)中提到目前多半經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人采用串聯(lián)機(jī)械臂方式實(shí)現(xiàn)RCM運(yùn)動(dòng)，這使得經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人對(duì)控制系統(tǒng)、控制算法的要求更加嚴(yán)格，控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性將嚴(yán)重影響RCM運(yùn)動(dòng)以及其他運(yùn)動(dòng)的精度．此外，由于在復(fù)雜的手術(shù)操作中，機(jī)器人末端執(zhí)行器始終與尿道接觸且以恥骨聯(lián)合處為支點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，與患部會(huì)有直接接觸和能量交換，從手術(shù)安全性角度來(lái)看，僅僅有位置控制是不夠的，需要在從端操作手臂的控制中引入力控制．機(jī)器人的力控制分為兩大類：直接力控制和間接力控制．前者主要包括力/位置混合控制（hybrid position and force control)[125]，后者包括被動(dòng)剛度控制[126]、阻抗控制（impedance control）和導(dǎo)納控制（admittance control)[127-129]．機(jī)器人關(guān)節(jié)的力/位置混合控制將任務(wù)空間分解為位置控制子空間和力控制子空間，分別對(duì)機(jī)器人進(jìn)行位置控制和力控制．文[113,130]分別利用力估計(jì)和力傳感器測(cè)量方式結(jié)合位置傳感器實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人的力/位置混合控制．阻抗控制器的輸入是運(yùn)動(dòng)，輸出是控制力；導(dǎo)納控制器的輸入是力，輸出是運(yùn)動(dòng)．在阻抗控制中，控制器被看作是阻抗，機(jī)器人被看作是導(dǎo)納；在導(dǎo)納控制中，控制器被看作是導(dǎo)納，機(jī)器人被看作是阻抗．文[131-132]利用增強(qiáng)混合型控制和模糊自適應(yīng)補(bǔ)償分別實(shí)現(xiàn)了連續(xù)體機(jī)器人和7自由度手術(shù)機(jī)器人的阻抗控制．文[127]提出將阻抗控制和導(dǎo)納控制統(tǒng)一起來(lái)，形成一種混合控制方案，在可變形的軟環(huán)境下進(jìn)行導(dǎo)納控制，在形變微小的硬環(huán)境下進(jìn)行阻抗控制．


本文編號(hào)：3530012