孫椰望，劉宇行，孫松濤，曹也，羅扉，蔣建虎，曹安林，劉玉柱,羅曉華

(1.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所；2.洛陽(yáng)理工學(xué)院；3.中國(guó)人民解放軍32368部隊(duì)；4.北京理工大學(xué)，北京 100000)

腰椎間盤(pán)突出、神經(jīng)粘連等患者，多見(jiàn)于60歲以上老年人群。針對(duì)藥物無(wú)法治療的腰椎退行性疾病患者，微創(chuàng)神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人可在狹小的空間完成復(fù)雜的手術(shù)，達(dá)到手術(shù)的創(chuàng)傷性最小化、微創(chuàng)準(zhǔn)確性最大化，成為骨科臨床的迫切需求。但是，在國(guó)內(nèi)，由于神經(jīng)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)剛剛起步，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)神經(jīng)微創(chuàng)以剛體結(jié)構(gòu)手持微創(chuàng)裝置治療為主，很難實(shí)現(xiàn)路徑變動(dòng)，CT介入的人機(jī)協(xié)同一次準(zhǔn)確微創(chuàng)不足40%，自動(dòng)導(dǎo)航和變路徑精準(zhǔn)微創(chuàng)的手術(shù)技術(shù)十分缺乏[1-5]。

針對(duì)周?chē)窠?jīng)疾病以及囊腫微創(chuàng)、癌癥微病變體等諸多神經(jīng)疾病的毫米亞毫米尺度微創(chuàng)及柔性變路徑精準(zhǔn)微創(chuàng)治療難題[6,7]，荷蘭TUD Paul團(tuán)隊(duì)引領(lǐng)國(guó)際技術(shù)前沿，率先實(shí)現(xiàn)了毫米亞毫米尺度機(jī)械柔性微創(chuàng)醫(yī)工技術(shù)的臨床應(yīng)用，但是沒(méi)有進(jìn)行智能技術(shù)的研發(fā)[8,9]。本課題組所屬中科院團(tuán)隊(duì)利用優(yōu)勢(shì)資源互補(bǔ)的方式，組建了世界領(lǐng)先的精密智能柔性微創(chuàng)醫(yī)工技術(shù)團(tuán)隊(duì)，并聯(lián)合北京301醫(yī)院、國(guó)家微細(xì)制造創(chuàng)新中心及荷蘭TUD DEMO醫(yī)工中心，研發(fā)了國(guó)際首套腰椎神經(jīng)區(qū)位微創(chuàng)的直徑1.6mm的超自由度毫米尺度智能微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)，并且融合了亞毫米嵌入式視覺(jué)定位系統(tǒng)[10,11]。本文基于團(tuán)隊(duì)完成的毫米級(jí)智能柔性機(jī)器人樣機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析研究。

1 神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人控制邏輯

1.1 神經(jīng)微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)控制流程

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)控制流程圖

如圖1所示，神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人術(shù)前需要相機(jī)、主機(jī)、控制柜等設(shè)備運(yùn)算確定病灶靶點(diǎn)坐標(biāo)，微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人經(jīng)TCP坐標(biāo)變換后，將攜帶柔性進(jìn)針機(jī)器人精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)至病灶靶點(diǎn)，此后即可進(jìn)行后續(xù)手術(shù)。進(jìn)行后續(xù)手術(shù)時(shí)，醫(yī)務(wù)人員可操作無(wú)線(xiàn)手柄給微控單元發(fā)送指令，指令經(jīng)微控單元處理后發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)進(jìn)行最終處理運(yùn)算、發(fā)送信號(hào)給控制柜和驅(qū)動(dòng)器，并生成坐標(biāo)信息和脈沖信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輔助醫(yī)療機(jī)械臂與柔性進(jìn)針機(jī)器人耦合控制，完成精準(zhǔn)進(jìn)針動(dòng)作。

1.2 整體系統(tǒng)邏輯

如圖2所示，神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)整體可分為2層單元板塊，上層單元板塊包括主機(jī)及其顯示系統(tǒng)，用以接收下層微控單元發(fā)送的指令，顯示微創(chuàng)手術(shù)實(shí)時(shí)影像，并發(fā)送指令控制柔性進(jìn)針機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人；下層單元板塊包括STM32F103ZET6微控單元、LM2596S直流可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源模塊、步進(jìn)電機(jī)、無(wú)線(xiàn)手柄和無(wú)線(xiàn)接收器。

1.2.1 上層運(yùn)算單元

如圖2所示，相機(jī)用以識(shí)別微創(chuàng)手術(shù)病灶靶點(diǎn)并獲取微創(chuàng)手術(shù)的實(shí)時(shí)影像上傳至主機(jī)；進(jìn)針機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與主機(jī)獲得通信；主機(jī)上裝配了技術(shù)手段非常成熟的Windows操作系統(tǒng)，其功能包括獲取所述相機(jī)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)影像，運(yùn)行進(jìn)針機(jī)器人驅(qū)動(dòng)軟件并發(fā)送指令給進(jìn)針機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，接收并處理下層控制單元發(fā)送的指令，將所述全部信息通過(guò)VGA線(xiàn)纜傳送給顯示器，用以更好地進(jìn)行人機(jī)交互，方便醫(yī)務(wù)人員了解微創(chuàng)手術(shù)的進(jìn)行程度，便于實(shí)時(shí)控制微創(chuàng)過(guò)程。

1.2.2 下層控制單元

如圖2所示，無(wú)線(xiàn)接收器用以接收無(wú)線(xiàn)手柄發(fā)送的信息并傳輸至STM32F103ZET6微控單元進(jìn)行運(yùn)算處理；圖中控制柜通過(guò)線(xiàn)纜直連方式獲取STM32F103ZET6微控單元發(fā)送的指令，進(jìn)而控制協(xié)作機(jī)器人；STM32F103ZET6微控單元接收無(wú)線(xiàn)接收器反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)串口通信方式發(fā)送指令至上層單元中的主機(jī)部分。

圖2 醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)邏輯圖

2 神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人控制方案設(shè)計(jì)

針對(duì)神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人的手術(shù)前端毫米級(jí)柔性精準(zhǔn)微創(chuàng)的技術(shù)難題，根據(jù)神經(jīng)微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人術(shù)中靈活性、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和可靠性的需求，基于上述邏輯思路，課題組設(shè)計(jì)了協(xié)作機(jī)器人與毫米級(jí)線(xiàn)控機(jī)器人耦合控制進(jìn)行柔性變路徑精準(zhǔn)進(jìn)針的控制方案。

如圖3，柔性變路徑智能微創(chuàng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制示意圖中，機(jī)器人主要由柔性針(11)、第一步進(jìn)電機(jī)(6)、第二步進(jìn)電機(jī)(7)和第三步進(jìn)電機(jī)(13)組成。該裝置通過(guò)對(duì)第一步進(jìn)電機(jī)與第二步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)脈沖控制，實(shí)現(xiàn)柔性針彎曲過(guò)程；通過(guò)對(duì)第三步進(jìn)電機(jī)與多自由度機(jī)械臂耦合控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)進(jìn)針過(guò)程?？刂七^(guò)程簡(jiǎn)述如下：如圖所示，第一步進(jìn)電機(jī)(6)與第二步進(jìn)電機(jī)(7)經(jīng)繞線(xiàn)輪(8)、導(dǎo)向輪(9)通過(guò)傳動(dòng)線(xiàn)相連接，由此，可通過(guò)精準(zhǔn)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)而控制柔性針彎曲；上述執(zhí)行機(jī)構(gòu)均安裝在主箱體(4)，主箱體(4)經(jīng)導(dǎo)軌滑臺(tái)與第三步進(jìn)電機(jī)(13)連接，由此可通過(guò)控制多自由度醫(yī)療協(xié)作機(jī)器人和第三步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)進(jìn)針過(guò)程。綜上，通過(guò)多自由度輔助醫(yī)療機(jī)械臂與柔性進(jìn)針機(jī)器人的耦合控制，可實(shí)現(xiàn)全方位多姿態(tài)自由運(yùn)動(dòng)多角度進(jìn)針的柔性變路徑精準(zhǔn)進(jìn)針。

圖3 柔性微創(chuàng)線(xiàn)控機(jī)器人示意圖

為實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)機(jī)器人核心技術(shù)的自主可控化要求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了如圖4所示的神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的集成電路模塊：模塊①為直流可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源模塊，用于穩(wěn)定輸入微控芯片和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電壓；模塊②為微控芯片，主要用于計(jì)算無(wú)線(xiàn)接收器傳送的數(shù)據(jù)，并輸出機(jī)器人運(yùn)行的準(zhǔn)確指令；模塊③為外部設(shè)備供電部分，其主要功能是為下層控制單元其他外接設(shè)備提供電源；模塊④為微控芯片程序下載入口和串行數(shù)據(jù)通信接口；模塊⑤為微控單元的預(yù)留IO接口和無(wú)線(xiàn)接收器接口；模塊⑥為手柄有線(xiàn)接口，控制模塊同時(shí)設(shè)置了所述手柄無(wú)線(xiàn)接收器接口與有線(xiàn)接口，顯著提高了設(shè)備調(diào)試的效率；模塊⑦為協(xié)作機(jī)器人控制柜的IO接口，微控芯片接收到無(wú)線(xiàn)接收器發(fā)送的指令后，經(jīng)過(guò)內(nèi)部運(yùn)算可直接通過(guò)所述接口控制UR輔助醫(yī)療機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)進(jìn)針。

圖4 控制系統(tǒng)集成電路

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)醫(yī)療機(jī)器人是否符合精準(zhǔn)微創(chuàng)的臨床應(yīng)用工藝技術(shù)和系列化結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范，研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了如圖5所示的樣機(jī)試驗(yàn)。

圖5 神經(jīng)柔性微創(chuàng)機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

如圖5所示，神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)控制過(guò)程：外部相機(jī)進(jìn)行病灶靶點(diǎn)識(shí)別(1)，多自由度協(xié)作機(jī)器人攜帶柔性進(jìn)針機(jī)器人精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)至病灶靶點(diǎn)(2)，無(wú)線(xiàn)手柄控制協(xié)作機(jī)器人與進(jìn)針機(jī)器人耦合運(yùn)動(dòng)開(kāi)始進(jìn)針(3)，無(wú)線(xiàn)手柄實(shí)時(shí)調(diào)整醫(yī)療機(jī)器人位姿開(kāi)始彎曲進(jìn)針進(jìn)行手術(shù)(4)。實(shí)驗(yàn)表明，神經(jīng)微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人樣機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)具備了病灶靶點(diǎn)精準(zhǔn)識(shí)別控制、坐標(biāo)標(biāo)定控制、柔性進(jìn)針控制等功能，為下一步進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)的活體實(shí)驗(yàn)及臨床應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制出協(xié)作機(jī)器人與線(xiàn)控機(jī)器人耦合控制的柔性變路徑神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)，具備了神經(jīng)微創(chuàng)手術(shù)中需要的多位姿精準(zhǔn)手術(shù)定位技術(shù)要求，包含多旋轉(zhuǎn)角度、多彎曲角度的精準(zhǔn)進(jìn)針過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性、可靠性、精準(zhǔn)性和靈活性的功能。

(2)采用步進(jìn)電機(jī)線(xiàn)控進(jìn)針的技術(shù)方案，解決了柔性變路徑進(jìn)針機(jī)器人多角度精準(zhǔn)進(jìn)針的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了細(xì)分驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)結(jié)合PID電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制算法，防止了步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)失步丟步的問(wèn)題，達(dá)到了步進(jìn)電機(jī)脈沖精準(zhǔn)控制的效果，控制精度達(dá)到0.01mm。

(3)神經(jīng)微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)了TCP坐標(biāo)變換控制方案，達(dá)到了神經(jīng)微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人術(shù)中多位姿精準(zhǔn)定位運(yùn)動(dòng)要求，并且研制的機(jī)器人系統(tǒng)能夠完成360°旋轉(zhuǎn)和90°彎曲的功能。