脊柱微創手術機械手控制策略研究

劉淑艷

摘要：本文針對遙操作型脊柱微創手術機械手控制策略，提出一種基于位姿分離的位置增量式主從控制策略， 為降低機械手系統的逆解求解難度，將手術機械手系統中的6自由度串聯機構逆解問題簡化為兩個3自由度串聯機構的逆解問題，進而提高了主從手間運動跟蹤的實時性。

關鍵詞：脊柱微創手術；位姿分離；主從控制策略

中圖分類號：TP13 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0017-02

1 引言

脊柱微創手術技術具有醫源性創傷小、病癥針對性強、術后恢復快、護理費用低等優點。目前的外科手術機器人系統均采用主從控制的方式來開展手術，本文研制的脊柱微創手術機械手系統也不例外。外科手術機器人系統中的主從控制強調主從控制算法自身的計算效率及主從間的運動映射問題，本文提出的位姿分離式主從控制策略將大大提高計算效率，實現主從間實時運動軌跡跟蹤。

2 微創手術機械手從手結構

為實現機械手在手術靈活、準確地確定椎弓根釘進入點和進入角度，且在手術過程中機械手主機遠離人體、易于移動，且手術中機械手不影響C型CT設備的成像。機械手結構設計圖如圖1所示。機械手對患者進行X移動、Y移動、Z移動、X轉動、Y轉動、Z轉動，6個自由度的組合。

（1）位置調整部分有三個自由度，使機械手臂粗略打到預定位置，A由一個步進電機控制，實現手臂的升降，B，C關節臂也由步進電機控制，調整手臂在垂直于A手臂的方向運動，BC關節手臂處在一個平面上并且相互垂直，A關節手臂垂直于BC兩個關節所在的平面。

（2）姿態調整部分是有三個自由度都是旋轉關節。同時，機械手ABC關節上配有光柵尺距離測量傳感器，能實時測量當前手臂行走的距離，DE兩個旋轉關節配有光電編碼器，用來測量DE兩個關節的旋轉角度，F關節配有光電位移傳感器，用來測量末端手術器械的進給深度。

3 控制策略

3.1 主從異構系統控制策略

本文研制的主手為遙操作桿，從手為6自由度的機械手系統，是典型的主從異構系統。只能在笛卡爾空間內進行主從間的運動軌跡跟蹤而不能在關節空間內實現主從間的運動映射。一般來講，主從異構系統在笛卡爾空間內的主從軌跡跟蹤控制策略可由圖2中的控制框圖描述。

3.2 位姿分離的位置增量式主從控制策略

本文用于實現醫生具體手術操作過程的從機械手是一個6自由度的串聯機構，其求逆運動學逆解的計算過程十分復雜，不利于實現主從手運動映射的實時控制。因此可以把從手機構看作兩個3自由度的串聯機構，前3個自由度調整位置，后3自由度調整姿態。在這種位姿分離式的主從控制算法中，可以將6自由度串聯機構的逆解求解過程簡化為兩個3自由度串聯機構的逆解求解，這樣便極大的降低了計算難度，進而提高了主從手間運動跟蹤的實時性。此外，通過分離主從映射過程中的位姿，可實現基于主手的位置增量式控制策略，增量式算法可減少手術過程中如遇意外情況下對患者造成的傷害，將大大降低手術風險。如上所述，提出一種基于位姿分離的位置增量式主從控制策略，控制框圖如圖3所示。

4 主從控制策略中的關鍵問題

（1）運動軌跡準確的實時跟蹤：為了順利完成微創手術中的操作，從機械手系統必須在其手術空間內實現對主操作手運動軌跡的跟蹤，并且保證軌跡跟蹤過程的準確性及實時性；

（2）主從間的運動一致性：為了實現醫生在手術操作過程中的手眼協調，機械手末端執行器在脊柱中的運動要與醫生的手部運動在空間運動方位上保持一致。

5 結語

微創手術機械手主從異構系統中的主從運動映射需要在笛卡爾空間計算主手的運動學正解及從手的運動學逆解，針對本文研制的遙操作型主從異構脊柱微創手術機器人系統，其從端機械手系統很難直接求其逆解。為此，本章提出了一種基于位姿分離的位置增量式主從控制策略。該策略通過將主從運動映射中的位置和姿態分離，將手術機械手系統中的6自由度串聯機構逆解問題簡化為兩個3 自由度串聯機構的逆解問題，從而降低了機械臂系統的逆解求解難度。此外，在該位姿分離的主從控制算法基礎上，本文提出了基于主手位置增量的主從軌跡跟蹤控制，可以大大的減少術中風險。

參考文獻

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[3]S.B.Niku，F.C.Sun，Introduction to Robotics—Analysis，Systems，Applications， Phei Press，2004，pp.60-68

Abstract：In this paper， aiming at the control strategy of teleoperation robot for Minimally Invasive Spinal Surgery， a position-based incremental master-slave control algorithm based on the separation of the position and posture was proposed. To reduce the difficulty of inverse kinematics problem of manipulator system， the inverse kinematics problem of 6-DOF series mechanism in surgical manipulator system was simplified as inverse kinematics problems of two 3-DOF series mechanism， thereby enhancing the master-slave motion tracking in real time.

Key Words：Minimally Invasive Spinal Surgery；the separation of the position and posture；master-slave control strategyendprint