开发用于微创单端口手术的远程手术机器人

与传统的开放手术相比，微创手术(MIS)通过小切口(或小切口)进行港口)导致更少的组织创伤，从而更快地恢复，更少的疼痛，更少的疤痕组织。单孔手术更能减少创伤。在单孔手术中，外科医生将一根薄壁管子插入一个小切口，并使用管子内的腹腔镜器械进行手术。这些手术也可以通过自然孔进行，如肚脐、喉咙或肛门，完全不需要任何切口。

传统的单端口方法并非没有缺点。例如，它们迫使外科医生在一个狭窄的工作空间内使用僵硬的器械进行手术，限制了灵活性。这些限制导致仪器的频繁重新定位和仪器碰撞。

为了应对这些挑战，我们在Technische Universität Darmstadt的研究小组开发了FLEXMIN，这是一种远程手术机器人，可以通过自然孔进行单孔手术(图1)。我们使用基于模型的设计开发了FLEXMIN的控制软件。这种方法使我们能够模拟机器人的运动学，为其20个电机设计控制系统，并为实时目标生成控制代码，所有这些都来自一个环境。

FLEXMIN硬件架构

FLEXMIN系统由两个硬件子系统组成:触觉接口和体内机器人。实时控制系统在触觉界面上解读外科医生的动作，并将其转化为运动命令，从而在机器人的末端执行器上产生运动，例如，在腹腔内的抓取器、针夹或其他仪器。

一个直径40毫米的管子容纳了体内机器人的两条手臂和一个内窥镜摄像机，使外科医生能够看到每条手臂末端的末端执行器。采用MATLAB设计的连接三脚架结构驱动机械臂^®。电机用于移动该运动学结构中的三个平行杆，以精确定位工具中心点(TCP)(图2)。每个杆由两个无刷直流电机驱动，一个用于平移运动，另一个用于旋转运动。12个电机安装在固定在管道上的驱动单元中，并通过EtherCAT连接到系统的实时计算机。

FLEXMIN触觉界面由外科医生直接操作。其结构近似于体内机器人中使用的三脚架结构(图3)。使用两个无刷直流伺服电机产生抓取力反馈和轴向扭矩，而另外三个电机提供触觉反馈，用于在三维空间中移动TCP。命令TCP坐标是使用电机上的旋转编码器测量的。与体内机器人的部件一样，触觉接口中的编码器和电机通过EtherCAT网络与实时目标计算机相连。

实时控制器的设计与实现

我们的第一个控制设计挑战是将触觉界面的三维运动转化为TCP的相应运动。我们使用两个MATLAB脚本完成了这个任务。第一种方法使用来自触觉界面中的电机编码器的数据来计算TCP在笛卡尔空间中的理想位置。第二个使用这个位置的TCP来计算手臂中三个杆的相应位置，以及设置这些位置所需的电机命令。

我们的仿真软件^®控制器模型结合了这些MATLAB脚本，并包括EtherCAT模块，通过EtherCAT总线向机器人的电机和传感器发送数据和接收数据。该模型还包括一个使用statflow建模的扩展状态图^®。我们使用状态图来初始化电机控制器并管理整个FLEXMIN系统的状态。

为了实现触觉反馈，我们使用驱动单元上的六个传感器测量机器人抓取器的相互作用力。在对这些测量数据应用带通滤波器后，我们用它来计算施加在手臂上的三根杆上的力。我们执行额外的运动学计算，以确定基于杆的位置的TCP力。这些计算使我们能够确定实际施加在抓握器上的力——例如，当外科医生抓住组织并开始拉它时。我们开发了一个Simulink模型，该模型使用该力测量信息来控制触觉界面的马达，并为外科医生提供高达15牛顿的力的触觉反馈，每秒更新40次(图4)。

当我们准备好进行硬件测试时，我们使用MATLAB Coder™和Simulink Coder™从我们的模型生成C代码，并使用Simulink Real-Time™在两台实时pc上运行代码(每只手臂一台)，每台配备3 GHz英特尔^®Core™2双核处理器。这种设置使我们能够在实验室中测试、调试和改进体内机器人和触觉反馈接口的实时性能(图5)。

除了使用实验室设置进行开发之外，我们还在独立模式下使用它，其中计算机启动时使用我们软件的最新稳定版本，以便我们能够向感兴趣的研究人员演示我们的系统。这是一个方便的功能，使我们能够以最少的准备时间展示我们的工作。

动手手术测试和下一步

我们对宾根大学医院的外科医生和学生进行了一些实际操作的测试。除了基本的缝合测试外，参与者还评估了FLEXMIN在猪模型中进行胆囊切除术时的灵活性和可用性(图6)。参与者报告说，他们对系统的响应性印象深刻，并且他们注意到他们的手的运动和器械的运动之间没有延迟。他们还报告说，该系统的直观性以及它为在腹腔内进行手术操作提供的空间给他们留下了深刻的印象。

在FLEXMIN的未来版本中，我们计划加入预先编程的动作，例如，自动将针穿过两个标记位置的能力，以及对抓取压力的触觉反馈。这些改进可以由我们的同事甚至是新加入小组的学生来实施。在我们的研究中使用MATLAB和Simulink的一个巨大优势是，新的团队成员可以很快地跟上项目的速度。几乎所有达姆施塔特工业大学的本科生和研究生都有MATLAB和Simulink的使用经验。此外，我们对模型采用的模块化方法使小组成员能够在各自的模块上独立工作，然后将模块组装成一个完整的系统。综上所述，这些因素使我们更容易作为一个团队进行合作，甚至将项目传递给其他人。