41、用于微创手术的球形机器人控制架构

用于微创手术的球形机器人控制架构

1. 引言

微创手术（MIS）具有感染风险低、恢复快和效果好等优势，有望成为未来更多手术的选择。为了推动其发展，人们开发了许多创新解决方案，如专用器械、平台、接入设备、成像技术和机器人辅助系统等。其中，机器人辅助的微创手术备受关注，它能提高手术的精度和灵活性，改善人体工程学，减轻外科医生的疲劳，同时遵循以患者为中心的护理原则，减少患者的创伤、疼痛和恢复时间。

机器人在手术中的应用始于20世纪末的达芬奇手术系统，该系统彻底改变了微创手术，提供360度的内窥镜腕部、增强的灵活性和符合人体工程学的设计。此外，还有Senhance手术机器人系统和Versius等。这些系统的关键组成部分是控制架构，它确保了整个系统的功能、准确性和安全性。

本文介绍了一种专为微创手术设计的球形机器人的控制架构。该控制和命令结构具有适应性和模块化特点，适用于腹部和胸部等不同的微创手术。其目标是通过西门子NX仿真和实验模型的实验验证系统的功能。

2. 材料和方法

2.1 所提出系统的运动学方案

远程中心运动（RCM）是微创手术中手术器械或机器人设备围绕的固定点，可实现体内精确稳定的运动。对于所提出的系统，采用了一种通过机器人架构对进入人体的点进行运动学约束的方法来实现RCM。这种方法不仅能确保手术器械插入前机器人与患者的精确对齐，还能在整个手术过程中保持安全操作，且不影响控制系统（无需额外执行器来保持RCM在固定点）。

机器人系统是一个具有3自由度的球形机器人，RCM位于球体中心（XRCM, YRCM, ZRCM），由半径为R的圆形导轨定义。该系统由一个旋转关节M1（q1）和两个棱柱关节M2