李曉虎，張敏燕，茅士央

1.上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院（上海，200093）

2.上海星辰兒童醫(yī)院供應(yīng)鏈管理部（上海，201100）

0 引言

微創(chuàng)外科腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人技術(shù)已成為當(dāng)前的腹腔鏡手術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1］。與傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)相比，手術(shù)機(jī)器人具有定位準(zhǔn)確、狀態(tài)穩(wěn)定、無(wú)抖動(dòng)、工作空間范圍大等優(yōu)點(diǎn)［2］，未來(lái)手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)將更加智能、輕巧、便攜［3-5］。本研究設(shè)計(jì)了一種可穿戴數(shù)據(jù)手套，能實(shí)時(shí)控制腹腔鏡手術(shù)機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)手術(shù)抓鉗的伸縮、繞軸桿旋轉(zhuǎn)、開(kāi)合及腕部偏轉(zhuǎn)操作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括手術(shù)機(jī)械臂和數(shù)據(jù)手套2 部分，可以單手穿戴數(shù)據(jù)手套控制一臺(tái)手術(shù)機(jī)械臂，也可雙手同時(shí)穿戴2 只數(shù)據(jù)手套控制2 臺(tái)手術(shù)機(jī)械臂進(jìn)行協(xié)同操作。

1.1 手術(shù)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

手術(shù)機(jī)械臂包括主體和抓鉗兩個(gè)部分，如圖1所示。主體關(guān)節(jié)由電機(jī)0、1、2、3 驅(qū)動(dòng)，并可圍繞軸線R0、R1、R2、R3、R4轉(zhuǎn)動(dòng)；抓鉗可完成伸縮、繞軸桿旋轉(zhuǎn)、腕部偏轉(zhuǎn)、開(kāi)合4 個(gè)動(dòng)作［6］；電機(jī)4帶動(dòng)軸桿沿軸線R4旋轉(zhuǎn)±135°；電機(jī)5 轉(zhuǎn)動(dòng)拉動(dòng)剛性繩從而帶動(dòng)抓鉗腕部沿軸線R5做±80°俯仰運(yùn)動(dòng)；電機(jī)6 轉(zhuǎn)動(dòng)拉動(dòng)剛性繩從而帶動(dòng)鉗爪沿軸線R6開(kāi)合，最大張角K6為80°；電機(jī)7 通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)抓鉗沿M7方向伸縮，伸縮范圍±20 mm。

圖1 手術(shù)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)Fig.1 Surgical robotic arm structure

1.2 數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)手套與實(shí)物如圖2 所示。使用時(shí)用手掌托住數(shù)據(jù)手套主體，四指可伸入指環(huán)，每個(gè)指環(huán)各與1 個(gè)搖桿電位器4 固連，手掌部位安裝陀螺儀2 和無(wú)線模塊3，大臂和小臂上的傾角傳感器1 通過(guò)腕帶固定。

圖2 數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)Fig.2 Data glove structure

2 數(shù)據(jù)手套人機(jī)交互實(shí)時(shí)控制

2.1 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖3 所示。搖桿電位器采集手指彎曲數(shù)據(jù)，控制抓鉗驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)抓鉗的動(dòng)作控制；傾角傳感器ADXL345 采集大臂、小臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中x軸的傾角；MPU6050 六軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)采集手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)手套的主控芯片STM32 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手術(shù)機(jī)械臂；手術(shù)機(jī)械臂的STC15 單片機(jī)接收、處理數(shù)據(jù)，獲得手臂的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，控制手術(shù)機(jī)械臂電機(jī)，同時(shí)處理?yè)u桿電位器的采樣數(shù)據(jù)，控制抓鉗驅(qū)動(dòng)電機(jī)；顯示器顯示內(nèi)窺鏡下抓鉗實(shí)際的空間位置圖像，用于實(shí)時(shí)控制調(diào)整。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.3 System overall design block diagram

2.2 手指控制指令的采集與處理

人手的四指彎曲帶動(dòng)4 個(gè)搖桿電位器在±22.5°夾角范圍內(nèi)擺動(dòng)，搖桿電位器阻值隨擺動(dòng)幅度角度發(fā)生變化，數(shù)據(jù)手套主控芯片檢測(cè)到輸入模擬電壓發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換、濾波處理后得到4 個(gè)搖桿電位器（圖2 所示）的數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至手術(shù)機(jī)械臂主控單元，控制手術(shù)抓鉗的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（圖1 中電機(jī)4-7）的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抓鉗的伸縮、繞軸桿旋轉(zhuǎn)、開(kāi)合及腕部偏轉(zhuǎn)動(dòng)作。

2.3 人手到手術(shù)機(jī)械臂主體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)映射

建立手臂各關(guān)節(jié)直角坐標(biāo)系（見(jiàn)圖4），大臂到小臂、小臂到手腕、手腕到手掌中心M關(guān)節(jié)間的距離分別對(duì)應(yīng)手術(shù)機(jī)械臂相應(yīng)關(guān)節(jié)間的實(shí)際距離l0、l1、l2。由式（1）幾何關(guān)系得x0y0世界坐標(biāo)系下M點(diǎn)空間位置（x,y），姿態(tài)角α。

圖4 手臂與機(jī)械臂的直角坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Correspondence between arm and robotic arm

對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行簡(jiǎn)化［7］，如圖5 所示。圖中P為抓鉗頂端位置，采用幾何法的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法來(lái)完成對(duì)手術(shù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的控制。

圖5 手術(shù)機(jī)械臂簡(jiǎn)化幾何表示Fig.5 Simplified geometric representation of surgical manipulator

根據(jù)模型幾何關(guān)系得出P點(diǎn)坐標(biāo)位置滿足如下關(guān)系式：

為了便于計(jì)算，令

由式(2)、(3)化簡(jiǎn)得：

經(jīng)式(4)求解得：

其中：

θ1、θ2結(jié)果取值各有兩種情況，如圖5 中實(shí)線和虛線，為提高動(dòng)力性能，選擇力臂小的實(shí)線位置。解析數(shù)據(jù)手套發(fā)送的M（x,y）坐標(biāo)、姿態(tài)角α、航向角數(shù)據(jù)，通過(guò)上述計(jì)算可以得到圖4（b）中手術(shù)機(jī)械臂Z1、Z2、Z3關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ1、θ2、θ3，手術(shù)機(jī)械臂Z0關(guān)節(jié)水平轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)航向角，建立起人手到手術(shù)機(jī)械臂主體關(guān)節(jié)的映射關(guān)系［8］。

3 操控實(shí)時(shí)性測(cè)試

數(shù)據(jù)手套主控單元的定時(shí)器記錄手部單組控制指令的采集和處理時(shí)間，當(dāng)8 個(gè)電機(jī)運(yùn)行到各目標(biāo)角度后結(jié)束計(jì)時(shí)，向PC 串口發(fā)送計(jì)時(shí)和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間變化的角度信息。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。通過(guò)10 次測(cè)試取均值，經(jīng)數(shù)據(jù)手套采集處理手部單組控制指令、手術(shù)機(jī)械臂解析處理數(shù)據(jù)，過(guò)程耗時(shí)約70 ms。8 個(gè)電機(jī)從初始角度轉(zhuǎn)動(dòng)到各目標(biāo)角度平均響應(yīng)時(shí)間460 ms，總平均響應(yīng)時(shí)間530 ms。由此驗(yàn)證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，且8 個(gè)電機(jī)控制運(yùn)行過(guò)程中同步勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、動(dòng)作連貫、平穩(wěn)性好。

圖6 電機(jī)位置隨時(shí)間變化的情況Fig.6 Motor position changes over time

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種靈巧、低成本實(shí)時(shí)控制腹腔鏡手術(shù)機(jī)械臂數(shù)據(jù)手套，提供數(shù)據(jù)手套對(duì)手術(shù)機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，手術(shù)機(jī)械臂抓鉗可以快速響應(yīng)數(shù)據(jù)手套發(fā)送的控制指令，具有實(shí)時(shí)性、靈活性，對(duì)數(shù)據(jù)手套控制手術(shù)機(jī)械臂的方法研究有一定的參考價(jià)值。

本研究尚處于初步探索階段，控制精度需進(jìn)一步提高，可增加切換控制多臺(tái)適配不同手術(shù)器械的手術(shù)機(jī)械臂，增加顯示屏顯示操控信息、力反饋［9-10］等功能，更好地提升人機(jī)交互體驗(yàn)。