19、微创外科手术机器人：从设计到实践

微创外科手术机器人：从设计到实践

1. 主从式架构与系统集成

在外科手术机器人的设计中，主从式架构是实现直观控制的关键。通过将驱动肌腱、导向装置与控制电子设备集成，构建了一个完整的系统。外科医生在主端通过控制器输入期望的动作，这些动作被转换为电信号，再进一步转化为驱动动作，传输到执行装置，从而操纵从端工具在人体内执行手术。

1.1 主控制系统

主控制系统主要由输入设备（操纵杆）、微控制器（Arduino 控制器）和电机执行器组成。操纵杆读取外科医生的输入数据，控制器对这些数据进行处理并控制电机。每个电机连接到通道的肌腱，通过施加力使通道在固定位置周围弯曲。主控制系统更侧重于对通道操作速度的控制。
- 操纵杆输入 ：使用模拟操纵杆有效读取输入，控制器以 x、y 坐标读取操纵杆相对于其基座的位置，结合力学模型来控制电机。

1.2 电机与控制电子设备

在主控制单元中，采用肌腱缠绕技术通过电机将力传递到肌腱上。最初使用高扭矩步进电机和 H 桥电路，但存在一些缺点：
- 高电路温度 ：高电流导致 H 桥电路温度迅速升高，需要停机冷却。
- 体积和重量问题 ：步进电机占用空间大、重量重，不利于实现轻便、便携的设备。

因此，在第二代原型中，用高扭矩 360 度伺服电机取代了步进电机。伺服电机通过脉冲宽度调制（PWM）控制实现精确的速度控制，消除了 H 桥电路，解决了高电路温度问题，并且具有高扭矩、小尺寸的特点，适合轻便、便携的设备。

2. 原型测试