黃宇

（重慶金山醫(yī)療機器人有限責(zé)任公司 重慶市 400038）

隨著機器人技術(shù)（電機、材料和控制理論等）和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)（高分辨率、核磁共振成像和三維超聲波等）的不斷發(fā)展，以及近年來人們對臨床大型手術(shù)的接受度逐步提高，醫(yī)療機器人作為輔助大型手術(shù)器具也被廣泛接受。機器人是指操作各種機械工具、搬運各類材料的人工智能，可以通過專門設(shè)計的機器人系統(tǒng)來執(zhí)行不同形式的自動化任務(wù)。醫(yī)療機器人作為特殊機器人的組成部分，主要是用來實施精準(zhǔn)手術(shù)操作的人工智能設(shè)備，醫(yī)護人員可使用手術(shù)機器人做出精準(zhǔn)的醫(yī)療動作，提高手術(shù)質(zhì)量。目前，前者主要用來參與規(guī)劃并獨立完成手術(shù)，包括手術(shù)切除、縫合在內(nèi)的幾乎涉及整個常規(guī)手術(shù)的治療過程，該設(shè)備的手術(shù)參與度往往最高，由于多數(shù)醫(yī)生對于該設(shè)備的認可度較低，因而在實際手術(shù)過程中需要較長時間考慮方案；與之相比，后者參與的手術(shù)難度較低，設(shè)計周期較短，醫(yī)護人員認可度較高。

1 輔助手術(shù)醫(yī)用機器人發(fā)展概況

1.1 研究現(xiàn)狀

目前，世界上很多國家已獲準(zhǔn)開展內(nèi)鏡手術(shù)機器人系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)研究，其中美日兩國在研究規(guī)模、研究內(nèi)容廣度、學(xué)術(shù)深度上均領(lǐng)先于其他國家，我國雖然還處于發(fā)展階段，但是該項研究能夠進一步促進臨床醫(yī)療手段、現(xiàn)代社會中的基層衛(wèi)生與保健管理水平的提高，進而進一步提高社會效益和間接性經(jīng)濟效益，因此受到了衛(wèi)生部門的大力資助支持，對于深入推進研究工作起到了很大的促進、引導(dǎo)作用。目前，已有多家研究單位機構(gòu)研制開發(fā)出試驗系統(tǒng)樣機，部分產(chǎn)品已在動物臨床體外試驗項目中試用成功，并已有少量部分系統(tǒng)樣機商品化。對此，下文對主要相關(guān)的產(chǎn)品進行介紹。

1.1.1 EndoSista 系統(tǒng)

由英國Armstrong Projects 公司開發(fā)，該系統(tǒng)中設(shè)有操作內(nèi)鏡運動的機器人，在滿足正常內(nèi)鏡機械運動速度要求的情況下?lián)碛? 個自由度?？刂苾?nèi)鏡操作的方法之一是對醫(yī)生進行頭部鍛煉，通過傳感器測量到醫(yī)生頭部所佩戴的頭箍內(nèi)感應(yīng)線圈發(fā)出的電勢，并能夠以此來控制內(nèi)鏡機器人的旋轉(zhuǎn)運動，從而能夠達到精準(zhǔn)操作內(nèi)鏡的目的。這套系統(tǒng)于1993年研制成功，如今已經(jīng)實現(xiàn)商品化。

1.1.2 AESOP 系統(tǒng)

由美國Computer Motion 公司開發(fā)，該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為了市場上最為穩(wěn)定成熟的出口商品。這套機器人系統(tǒng)中早期型號AESOP1000 的驅(qū)動方式為腳踏式，通過控制踏板來輔助控制機器人；緊追其后推出的是AESOP2000 型，操控的方式改為語音指令操控，通過操作語音指令來操控機器人；其最新型號AESOP3000還在持續(xù)改進中，目前已具有7 個自由度，運動性能得到大幅提升，其以計算機視覺技術(shù)為理論基礎(chǔ)，增加了內(nèi)鏡運動的主動引導(dǎo)功能。

1.1.3 LARS 系統(tǒng)

由IBM 公司與Jonce Hopkins 大學(xué)醫(yī)學(xué)院共同開發(fā)，這套系統(tǒng)的直線運動自由度為三維的形式，機械臂被安裝固定在了一個平臺上，平臺中央的位置是一個四輪驅(qū)動的小型汽車，可以被鎖止，機械臂末端的夾緊機構(gòu)可以使機械臂夾住內(nèi)鏡做出3 轉(zhuǎn)1 插接的4 個相互解耦動作。目前，該手術(shù)系統(tǒng)在應(yīng)用中有兩種控制引導(dǎo)方式，一種是操作者通過專門設(shè)計制造的微型控制桿直接進行視覺遙控操作，另一種是系統(tǒng)在醫(yī)生的參與下自動進行主動控制視覺引導(dǎo)，即醫(yī)生通過一根固定在手術(shù)工具表面上的特制微型手動操作桿（其作用與鼠標(biāo)器類似）在電視顯示器幕上獲取放置的手術(shù)物體影像（病灶、手術(shù)工具等）信息，系統(tǒng)則會通過圖像分析的方式主動對其信息進行視覺控制引導(dǎo)，識別出被選中位置的目標(biāo)物體，并通過移動內(nèi)鏡，使被選中目標(biāo)物體位于目標(biāo)視場中央，也可借此進行目標(biāo)追蹤定位等多種輔助功能操作（如影像縮放等）。該圖像處理系統(tǒng)同時具有圖像的操作功能、存儲功能以及快速切換功能等各種強大的輔助圖像信息功能。目前，該系統(tǒng)在國內(nèi)外均已進入到臨床試驗的階段，在膽囊、腎臟手術(shù)等膽道切除輔助手術(shù)中已初步成功開展應(yīng)用。

除上述系統(tǒng)外，還有由加拿大R.Hurteaau 團隊研發(fā)的工業(yè)機械手A460 內(nèi)鏡操作系統(tǒng)，目前已成功應(yīng)用在切除膽囊手術(shù)中。由德國B.Neisius 所在的研究小組也成功研發(fā)出具有6 自由度的內(nèi)鏡操作機器人系統(tǒng)，其操控方式為手控機械臂。此外，西班牙A.Casals、德國Guo_Qingwei 等團隊分別研究了內(nèi)鏡操作視覺指導(dǎo)技術(shù)，并在各自的輔助內(nèi)鏡操作機器人系統(tǒng)中提出了不同的視覺指導(dǎo)方法，并進行了相關(guān)的試驗測試[1]。

1.2 發(fā)展趨勢

如前文所述，在內(nèi)窺鏡手術(shù)中，醫(yī)生通常與手術(shù)患者身體分開，絕大多數(shù)醫(yī)生缺乏對患者身體各組織器官的敏感觸覺，這樣會影響內(nèi)窺鏡操作過程的高度精確性和柔軟性。因此，目前的內(nèi)窺鏡大多僅限于簡單操作的手術(shù)，復(fù)雜內(nèi)窺鏡手術(shù)的應(yīng)用較少。如果能夠研發(fā)出有觸覺、有感知手術(shù)輔助及內(nèi)鏡遠程操作的機器人系統(tǒng)技術(shù)，直接采用機器人系統(tǒng)技術(shù)代替內(nèi)鏡醫(yī)生來進行遠程手術(shù)的操作就可以大幅提高手術(shù)的精準(zhǔn)性。這樣，輔助內(nèi)鏡手術(shù)機器人系統(tǒng)的實際應(yīng)用與范圍就可以進一步得到擴展。

目前，內(nèi)窺鏡手術(shù)機器人系統(tǒng)應(yīng)用以及機器人輔助內(nèi)鏡手術(shù)應(yīng)用是醫(yī)療器械發(fā)展的新趨勢。許多醫(yī)療技術(shù)研究機構(gòu)陸續(xù)開始在這方面研究，開發(fā)出一系列具有觸覺控制等感知控制功能的機器人系統(tǒng)（Teleoperative Robot）或人工操作機械手，用于內(nèi)窺鏡遠程及人工手術(shù)操作過程中，這些系統(tǒng)能夠遠距離自動操作復(fù)雜精密的內(nèi)鏡手術(shù)[2]。如美國M.C.Cavusoglu 等三人共同研發(fā)設(shè)計成功的遙控腹腔鏡手術(shù)機器人系統(tǒng)帶有電力反饋功能操縱桿，以及由韓國Dong_SooKwon 等六人聯(lián)合研發(fā)設(shè)計成功的遙控腹腔鏡手術(shù)機器人系統(tǒng)帶有觸覺反饋控制功能界面等等。在現(xiàn)有內(nèi)鏡手術(shù)機器人系統(tǒng)中，可進行實時自動遙傳操作的新技術(shù)若能夠得到進一步發(fā)展，那么未來便有望將其廣泛應(yīng)用于臨床，進而實現(xiàn)遠程控制手術(shù)機器人（Telesurgery）實施手術(shù)。內(nèi)鏡醫(yī)生可以通過遠程實時控制內(nèi)鏡手術(shù)機器人的操作手術(shù)方式來實現(xiàn)遠程內(nèi)鏡手術(shù)操作，遠離內(nèi)鏡手術(shù)現(xiàn)場。遠程手術(shù)治療跨越了普通手術(shù)存在的地理空間限制，使術(shù)后病人可以隨時隨地在異地中心接受手術(shù)醫(yī)生提供的遠程手術(shù)與治療，還可以實現(xiàn)許多特殊工作場合（如戰(zhàn)場、太空等）疾病的安全、及時、專業(yè)救護。此外，利用該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)醫(yī)療資源、技術(shù)和信息在全社會的共享[3]。

2 手術(shù)醫(yī)用機器人的優(yōu)勢

（1）能改善操作質(zhì)量。因為外科醫(yī)療機器人能夠確保手術(shù)操作達到極高精準(zhǔn)度，可以完全消除醫(yī)生手肘的微小抖動，因此能夠更準(zhǔn)確、更安全、更快捷地將手術(shù)精準(zhǔn)度提升至亞毫米級（Amm 級），從而改善手術(shù)操作質(zhì)量。

（2）彌補傳統(tǒng)的微創(chuàng)傷修復(fù)手術(shù)帶來的缺陷。在微創(chuàng)手術(shù)中醫(yī)生只需在每位患者體表切開約2～3 個直徑為0.5～1 厘米的圓形切口，各種手術(shù)器械可以通過該切口直接深入至患者腔體內(nèi)并實施各種手術(shù)，減輕每位患者的痛苦，降低每位患者的手術(shù)創(chuàng)傷次數(shù)和細菌感染致病幾率，縮短患者術(shù)后康復(fù)護理周期，減少患者住院期間的費用支出。在機器人手術(shù)領(lǐng)域中，3D 視界技術(shù)可以通過監(jiān)視器傳回的可視區(qū)域進行手術(shù)，克服了以往傳統(tǒng)微創(chuàng)機器人手術(shù)2D 視界給醫(yī)生帶來的操作不便，讓醫(yī)生們能夠如臨其境地開展手術(shù)。

（3）促進微創(chuàng)手術(shù)拓展范圍。應(yīng)用醫(yī)療機器人后，許多原本難度較高的手術(shù)能夠以微創(chuàng)手術(shù)的方式，在新設(shè)備的支持下進行[4]。

（4）操作模擬進行。應(yīng)用三維3D 重構(gòu)系統(tǒng)技術(shù)可以直接重建手術(shù)患者病灶區(qū)的三維3D 結(jié)構(gòu)，利用三維虛擬醫(yī)療系統(tǒng)技術(shù)和三維外科醫(yī)療機器人技術(shù)來自動制定和執(zhí)行患者的手術(shù)操作方案，以供患者醫(yī)師隨時使用，極大程度上減少患者的手術(shù)時間和費用開支。

（5）遠程手術(shù)采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。醫(yī)療外科機器人多為主從式操作機器人，由醫(yī)生操作主手，通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)將所產(chǎn)生的控制信號傳遞給從手，從手跟隨主手的動作進行手術(shù)，這樣就可以實現(xiàn)異地遠程手術(shù)。

3 手術(shù)醫(yī)用機器人的基本性能

我國的登記審查制度要求醫(yī)療器械產(chǎn)品注冊必須按規(guī)定完成相應(yīng)規(guī)格的法定型式和檢驗才能獲得產(chǎn)品上市許可登記證書。檢驗工作內(nèi)容包括材料性能理化檢測、電氣機械安全試驗檢測、電磁材料兼容性能檢測鑒定等。廠家應(yīng)首先通過風(fēng)險分析表的各種相關(guān)檢測明確產(chǎn)品功能、其他基本性能以及相關(guān)服務(wù)內(nèi)容，并能夠及時對使用該產(chǎn)品時的相應(yīng)風(fēng)險進行補充說明。

3.1 導(dǎo)航定位手術(shù)機器人的基本性能

輔助手術(shù)醫(yī)用機器人的典型基本性能項目如圖1所示。

圖1：輔助手術(shù)醫(yī)用機器人的典型基本性能項目

導(dǎo)航定位及導(dǎo)航定位輔助手術(shù)機器人系統(tǒng)具有的性能應(yīng)從定位精確度、顯示患者在手術(shù)操作過程中所發(fā)生變化的重要醫(yī)學(xué)信息、機械臂的精確運動以及軌跡的控制、實現(xiàn)手術(shù)末端指令執(zhí)行的輔助工具功能等方面的綜合應(yīng)用來進行分析與考量。保證定位裝置的精確度可以同時實現(xiàn)導(dǎo)航跟蹤與目標(biāo)引導(dǎo)定位等多重功能，具體地可以分解為機械臂的位置準(zhǔn)確度、位置重復(fù)性、跟蹤定位裝置準(zhǔn)確度以及系統(tǒng)準(zhǔn)確度等。采集機械臂的末端位置姿態(tài)信息準(zhǔn)確度，需要同時在實際測試操作過程中引入多種第三方三維坐標(biāo)姿態(tài)精度跟蹤測量輔助設(shè)備系統(tǒng)（如激光追蹤儀或三坐標(biāo)測量儀）[5]；精確測量位置重復(fù)性數(shù)據(jù)的各項參數(shù)量化精度指標(biāo)，必須通過精確計算方法得出；主要是采用測量系統(tǒng)的系統(tǒng)準(zhǔn)確度和重復(fù)性的激光追蹤儀。系統(tǒng)精度的準(zhǔn)確測量，需要廠家事先將各種相應(yīng)系統(tǒng)測試樣機上的各個臨床診斷功能部位進行相應(yīng)準(zhǔn)備。

3.2 內(nèi)鏡手術(shù)機器人的基本性能

內(nèi)窺鏡手術(shù)機器人操作的基本安全性能，應(yīng)從操作距離的精確度和工作的重復(fù)性、操作時姿態(tài)位置的相對精確度和動作姿態(tài)位置的絕對重復(fù)性、操作過程中隱藏的最重要技術(shù)信息的顯示、主從延遲時間等幾個方面進行考量。在跟蹤測量設(shè)備主從終端進行操作的過程中，點移動距離精確度的計算測量和重復(fù)性分析測量的跟蹤測試工作，可以通過引導(dǎo)測量設(shè)備儀器完成。在測量主端設(shè)備參考點精度距離的測試過程中，根據(jù)觀察平面監(jiān)視器的視線方向確定為主端設(shè)備基準(zhǔn)坐標(biāo)系，保持主端設(shè)備參考點在主端設(shè)備基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的操作點移動點距離；根據(jù)平面監(jiān)視器確定被采集端設(shè)備為主從端設(shè)備基準(zhǔn)坐標(biāo)系，保持終端參考點在主從端設(shè)備基準(zhǔn)坐標(biāo)系下保持精度的終端執(zhí)行器參考點的移動點距離，并對此距離進行測量精確度的計算。

在設(shè)備主從兩端操作姿態(tài)和固定姿態(tài)準(zhǔn)確度的檢測方法、固定姿態(tài)重復(fù)性測試等研究項目中，引導(dǎo)設(shè)備主端設(shè)備分別向其兩端或某一相對端的特定設(shè)備參考點進行一次運動姿態(tài)測量，并依要求始終保持于某一端的固定動作姿態(tài)，通過運動姿態(tài)測量儀器便可以用來分別測量主端設(shè)備參考點在主端設(shè)備基準(zhǔn)坐標(biāo)系下端的固定操作姿態(tài)準(zhǔn)確度和主從端設(shè)備在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的末端執(zhí)行器參考點的固定姿態(tài)，并能夠?qū)ο到y(tǒng)姿態(tài)進行了精確地計算。

4 手術(shù)醫(yī)用機器人的關(guān)鍵技術(shù)分析

微創(chuàng)手術(shù)是指在患者體內(nèi)植入一塊細長的內(nèi)窺鏡和微小的手術(shù)器械，通過一個小切口進行的外科手術(shù)。外科醫(yī)生可以在手術(shù)進行的同時，借助視覺探測裝置，觀察手術(shù)器械4 的位置和手術(shù)的進程。它具有創(chuàng)口小，可減輕患者痛苦，術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)的開放性外科手術(shù)。微創(chuàng)手術(shù)機器人能夠在手術(shù)過程中減輕醫(yī)生的體力勞動，同時達到精準(zhǔn)手術(shù)的目的，使患者在手術(shù)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)微創(chuàng)傷，少失血，少感染，快速恢復(fù)。微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)通常采用的是主從控制模式：當(dāng)操作者操作主手時，手部運動會帶動主手隨之運動，主手關(guān)節(jié)處的傳感器可以測量運動信息，通過主從控制算法將主手的運動映射到從手，從手的各個關(guān)節(jié)被動運動，帶動手術(shù)器械實現(xiàn)相應(yīng)的運動，通過主從控制算法，使主手用于操作手術(shù)器械的是手術(shù)機器人的末端，它的位置和姿勢決定了手術(shù)的精確程度。

如圖2所示為機器人末端位置和姿態(tài)的控制方法流程圖，通過建立遠心點使得手術(shù)器械在患者體內(nèi)動作時圍繞一虛擬不動點，通過控制手術(shù)器械繞遠心點伸縮、旋轉(zhuǎn)的速度即可控制手術(shù)器械末端的位置，通過控制靠近手術(shù)器械末端的運動軸即可控制手術(shù)器械末端的姿態(tài)。在遠心點建立后，將手術(shù)器械與手術(shù)機器人的器械座連接，控制手術(shù)器械穿過遠心點伸入患者體內(nèi)，由需要完成的手術(shù)動作獲取手術(shù)器械末端的期望笛卡爾速度，通過期望笛卡爾速度的逆運動學(xué)求解手術(shù)機器人各運動軸的目標(biāo)速度，然后控制手術(shù)機器人的各軸按目標(biāo)速度運動，實現(xiàn)手術(shù)機器人末端也即手術(shù)器械末端的位姿的精確控制，提高手術(shù)的精確性和安全性。具體步驟包括：

圖2：末端位置和姿態(tài)的控制方法流程圖

步驟S1：建立遠心點，拖動手術(shù)機器人使其末端移動至所述遠心點的上方；所述遠心點為供手術(shù)器械的末端穿過目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動時所圍繞的虛擬不動點；

步驟S2：將所述手術(shù)器械連接于所述手術(shù)機器人的器械座；

步驟S3：控制所述手術(shù)器械穿過遠心點；

步驟S4：獲取所述手術(shù)器械的末端的期望笛卡爾速度，計算所述手術(shù)機器人的各軸的目標(biāo)速度，根據(jù)所述目標(biāo)速度控制所述手術(shù)機器人的各軸運動。

這種手術(shù)機器人控制方法，不僅適用于目標(biāo)物為假人時的教學(xué)形式的模擬手術(shù)，還適用于目標(biāo)物為真人時的真實手術(shù)。當(dāng)進行真實手術(shù)時，目標(biāo)物為人體，目標(biāo)位置對應(yīng)于患者創(chuàng)口。所使用的手術(shù)機器人包括至少五個運動軸的第一機械臂、連接所述第一機械臂的直線引導(dǎo)部，所述直線引導(dǎo)部用以帶動所述器械座做直線運動，還包括連接所述直線引導(dǎo)部用以驅(qū)動所述手術(shù)器械動作的第二機械臂。

如圖3所示為六軸手術(shù)機器人示意圖，其中1 為運動軸、2 為直線引導(dǎo)部、3 為器械座、4 為手術(shù)器械、5為遠心點。該手術(shù)機器人包括第一機械臂和第二機械臂，第一機械臂采用具有至少5 個運動軸1 的機器人，本文將以此機器人的第一個運動軸1 處建立的坐標(biāo)系稱為基坐標(biāo)系，如圖4所示為此手術(shù)機器人機械坐標(biāo)系下六個映射軸的示意圖，圖5所示為此機器人坐標(biāo)系下運動軸的示意圖。第一機械臂的末端連接直線引導(dǎo)部2，第二機械臂能夠沿直線引導(dǎo)部2 直線運動且第二機械臂用來控制手術(shù)器械4 動作，如第二機械臂包括兩個控制手術(shù)器械4 開合的電機（相當(dāng)于一個自由度）。將由第一機械臂動作產(chǎn)生的手術(shù)器械4 在遠心點5 轉(zhuǎn)動的兩個虛擬軸、直線引導(dǎo)部2 的直線軸和第二機械臂用來控制手術(shù)器械4 動作的三個運動軸1 看作一個擁有六個自由度的器械機器人，手術(shù)器械4 坐標(biāo)系是以遠心點5 為基點建立的坐標(biāo)系。具體步驟如下：

圖3：六軸手術(shù)機器人示意圖

圖4：機械坐標(biāo)系下六個映射軸的示意圖

圖5：坐標(biāo)系下運動軸的示意圖

步驟S1：建立遠心點5，拖動手術(shù)機器人使其末端移動至所述遠心點的上方；所述遠心點5 為供手術(shù)器械4 的末端穿過目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動時所圍繞的虛擬不動點；

步驟S2：將所述手術(shù)器械4 連接于所述手術(shù)機器人的器械座3；

步驟S3：控制所述手術(shù)器械4 穿過遠心點5；

步驟S4：獲取所述手術(shù)器械4 的末端的期望笛卡爾速度，計算所述手術(shù)機器人的各軸的目標(biāo)速度，根據(jù)所述目標(biāo)速度控制所述手術(shù)機器人的各軸運動。

其中，步驟S1 的作用是建立遠心點5，確定手術(shù)器械4 圍繞旋轉(zhuǎn)過程中與遠心點5 重合的重合點，也即與病人創(chuàng)口重合，使得手術(shù)器械4 的末端繞該重合點做伸縮旋轉(zhuǎn)動作，提高控制精度。具體操作為，對患者手術(shù)部位進行微創(chuàng)開口，開口后將腹腔鏡插入微創(chuàng)開口處，拖動手術(shù)機器人的運動軸1，使得通用機器人末端的直線引導(dǎo)部2 平行于戳卡、用來安裝手術(shù)器械4 的器械座3 位于戳卡的正上方。

之后將戳卡與戳卡座連接，當(dāng)傳感器檢測到戳卡與戳卡器連接之后，傳感器將戳卡和戳卡座連接到位信息發(fā)送給手術(shù)機器人的控制系統(tǒng)，通過控制器對全部運動軸1 設(shè)置的驅(qū)動電機的運動范圍進行約束。

然后將手術(shù)器械4 安裝在手術(shù)機器人的器械座3，器械座3 與直線引導(dǎo)部2 的直線滑塊的固接，當(dāng)直線滑塊運動時，帶動器械座3 及手術(shù)器械4 作直線運動，用來控制器械俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航和開合動作的電機能夠與器械座3 一起隨同直線滑塊運動。

上述將戳卡和戳卡座連接的具體操作可以為：拖動各運動軸1 運動時，由設(shè)置在各運動軸1 處編碼器測得的全部運動軸1 的實際角度或位移，拖動器械根據(jù)手術(shù)機器人的構(gòu)型參數(shù)計算器械座3 的位置。

在戳卡座和戳卡連接時，通過戳卡座的位置和戳卡相對戳卡座的固定偏移距離計算遠心點5 的位置，一般來說，遠心點5 設(shè)置在戳卡的正中央，通過戳卡座的位置偏移戳卡半徑的距離，下沉預(yù)設(shè)深度后即可獲取遠心點5 的位置。

步驟S3：獲取遠心點5 的位置后，通過直線引導(dǎo)部2 的直線滑塊帶動器械座3 和手術(shù)器械4 下放，從而使手術(shù)器械4穿過遠心點5。下放長度可由器械座3位置、器械座3 與戳卡或遠心點5 之間間距和手術(shù)器械4 的長度以及手術(shù)器械4 越過遠心點5 伸入患者體內(nèi)的長度確定。由手術(shù)器械4 越過遠心點5 伸入患者體內(nèi)的長度作為手術(shù)器械4 末端的旋轉(zhuǎn)半徑，手術(shù)器械4 與遠心點5重合的點作為手術(shù)器械4 的重合點，重合點在手術(shù)器械4 的末端旋轉(zhuǎn)過程中保持不動，根據(jù)患者的手術(shù)位置，手術(shù)器械4 伸入患者體內(nèi)的長度不同，遠心點5 為虛擬的不動點。

步驟S4：在手術(shù)操作中，需要保持重合點不動，通過如上所述的六軸機器人的六個運動軸1 轉(zhuǎn)動保持重合點不動而手術(shù)器械4 的末端運動。此時全部運動軸1需要輸入一定約束條件來約束運動軸1 的運動。

上述約束條件的獲取具體采用：保持重合點不動，按照重合點不動的約束條件計算全部運動軸1 的驅(qū)動電機第一約束角范圍；然后根據(jù)手術(shù)器械4 末端的手術(shù)空間范圍，通過逆向運動學(xué)運算得到全部運動軸1 的驅(qū)動電機第二約束角范圍（此時無需保持重合點不動），然后比對獲取第一約束角范圍和第二約束角范圍的對應(yīng)重合范圍，上述對應(yīng)重合范圍同時滿足手術(shù)器械4 的重合點不動和手術(shù)器械4 末端按照目標(biāo)速度運動。通過向控制系統(tǒng)輸入對應(yīng)重合范圍，控制全部運動軸1 的驅(qū)動電機按照對應(yīng)重合范圍轉(zhuǎn)動，滿足對手術(shù)器械4 末端的位置和姿態(tài)的精確控制。

具體來說，計算獲取對應(yīng)重合范圍下各驅(qū)動電機的目標(biāo)速度的步驟具體如下：

第一步，在手術(shù)器械4 坐標(biāo)系下運算；

獲取手術(shù)器械4 末端的期望笛卡爾速度v，此期望笛卡爾速度包括笛卡爾平移速度和笛卡爾旋轉(zhuǎn)速度，換句話說v為一個六維向量；然后獲取器械機器人構(gòu)型也即六個映射軸的構(gòu)型對應(yīng)的雅克比矩陣的逆矩陣j-1，j-1與器械機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，在器械機器人的相關(guān)參數(shù)確認時，j-1在運算時為已知。六個映射軸包括重合點處的兩個虛擬軸、直線引導(dǎo)部2 的直線軸和第二機械臂控制手術(shù)器械4 運動的三個運動軸1；

第二步，在基坐標(biāo)系下運算；

vx表示重合點的x 方向速度，vy表示重合點y 方向速度，vz表示重合點z 方向速度，ωx表示重合點的繞x 方向旋轉(zhuǎn)速度，ωy表示重合點的繞y 方向旋轉(zhuǎn)速度，ωz表示重合點的繞z 方向旋轉(zhuǎn)速度，分別表示兩個虛擬軸的第一關(guān)節(jié)輸出速度，在第一步計算中已經(jīng)求得，且由于重合點不動，僅發(fā)生手術(shù)器械4 末端轉(zhuǎn)動，故vx、vy、vz以及ωx均取零。

通過上述運算得到第一機械臂的各運動軸1 在基坐標(biāo)系下各運動軸1 的第二關(guān)節(jié)輸入速度，控制系統(tǒng)按照第二關(guān)節(jié)輸入速度控制在對應(yīng)重合范圍內(nèi)控制各驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速即可。

當(dāng)完成手術(shù)或者其它原因造成手術(shù)中止時，通過直線引導(dǎo)部2 將手術(shù)器械4 從戳卡拔出即可，分離戳卡和戳卡座，進而控制系統(tǒng)解除對各運動軸的限制。

5 結(jié)論

隨著人工智能理念在臨床醫(yī)學(xué)中的深入應(yīng)用，醫(yī)療機器人的概念已經(jīng)突破傳統(tǒng)手術(shù)模式，從急診救治到診斷治療、護理及術(shù)后康復(fù)都是醫(yī)療機器人可能拓展的領(lǐng)域。對此，需要加強醫(yī)工合作研究、醫(yī)生間的便捷交流、臨床數(shù)據(jù)的匯總與分享，才能不斷攻克技術(shù)難點，優(yōu)化臨床適應(yīng)證，規(guī)范臨床操作，切實地將醫(yī)療機器人的技術(shù)服務(wù)于患者。