腰椎神經微創機器人柔性進針控制技術設計

孫椰望，劉宇行，孫松濤，曹也，羅扉，蔣建虎，曹安林，劉玉柱,羅曉華

(1.中國科學院理化技術研究所；2.洛陽理工學院；3.中國人民解放軍32368部隊；4.北京理工大學，北京 100000)

腰椎間盤突出、神經粘連等患者，多見于60歲以上老年人群。針對藥物無法治療的腰椎退行性疾病患者，微創神經外科手術機器人可在狹小的空間完成復雜的手術，達到手術的創傷性最小化、微創準確性最大化，成為骨科臨床的迫切需求。但是，在國內，由于神經微創手術機器人系統的研發剛剛起步，現階段國內神經微創以剛體結構手持微創裝置治療為主，很難實現路徑變動，CT介入的人機協同一次準確微創不足40%，自動導航和變路徑精準微創的手術技術十分缺乏[1-5]。

針對周圍神經疾病以及囊腫微創、癌癥微病變體等諸多神經疾病的毫米亞毫米尺度微創及柔性變路徑精準微創治療難題[6,7]，荷蘭TUD Paul團隊引領國際技術前沿，率先實現了毫米亞毫米尺度機械柔性微創醫工技術的臨床應用，但是沒有進行智能技術的研發[8,9]。本課題組所屬中科院團隊利用優勢資源互補的方式，組建了世界領先的精密智能柔性微創醫工技術團隊，并聯合北京301醫院、國家微細制造創新中心及荷蘭TUD DEMO醫工中心，研發了國際首套腰椎神經區位微創的直徑1.6mm的超自由度毫米尺度智能微創機器人系統，并且融合了亞毫米嵌入式視覺定位系統[10,11]。本文基于團隊完成的毫米級智能柔性機器人樣機系統，進行控制系統的分析研究。

1 神經微創機器人控制邏輯

1.1 神經微創醫療機器人系統控制流程

圖1 機器人系統控制流程圖

如圖1所示，神經微創機器人術前需要相機、主機、控制柜等設備運算確定病灶靶點坐標，微創協作機器人經TCP坐標變換后，將攜帶柔性進針機器人精準運動至病灶靶點，此后即可進行后續手術。進行后續手術時，醫務人員可操作無線手柄給微控單元發送指令，指令經微控單元處理后發送給主機，主機進行最終處理運算、發送信號給控制柜和驅動器，并生成坐標信息和脈沖信號，進而實現輔助醫療機械臂與柔性進針機器人耦合控制，完成精準進針動作。

1.2 整體系統邏輯

如圖2所示，神經微創機器人系統整體可分為2層單元板塊，上層單元板塊包括主機及其顯示系統，用以接收下層微控單元發送的指令，顯示微創手術實時影像，并發送指令控制柔性進針機器人和協作機器人；下層單元板塊包括STM32F103ZET6微控單元、LM2596S直流可調降壓穩壓電源模塊、步進電機、無線手柄和無線接收器。

1.2.1 上層運算單元

如圖2所示，相機用以識別微創手術病灶靶點并獲取微創手術的實時影像上傳至主機；進針機器人驅動器通過網線與主機獲得通信；主機上裝配了技術手段非常成熟的Windows操作系統，其功能包括獲取所述相機傳輸的實時影像，運行進針機器人驅動軟件并發送指令給進針機器人驅動器，接收并處理下層控制單元發送的指令，將所述全部信息通過VGA線纜傳送給顯示器，用以更好地進行人機交互，方便醫務人員了解微創手術的進行程度，便于實時控制微創過程。

1.2.2 下層控制單元

如圖2所示，無線接收器用以接收無線手柄發送的信息并傳輸至STM32F103ZET6微控單元進行運算處理；圖中控制柜通過線纜直連方式獲取STM32F103ZET6微控單元發送的指令，進而控制協作機器人；STM32F103ZET6微控單元接收無線接收器反饋的數據進行處理后，通過串口通信方式發送指令至上層單元中的主機部分。

圖2 醫療機器人系統邏輯圖

2 神經微創機器人控制方案設計

針對神經微創機器人的手術前端毫米級柔性精準微創的技術難題，根據神經微創醫療機器人術中靈活性、穩定性、精準性和可靠性的需求，基于上述邏輯思路，課題組設計了協作機器人與毫米級線控機器人耦合控制進行柔性變路徑精準進針的控制方案。

如圖3，柔性變路徑智能微創機器人結構及控制示意圖中，機器人主要由柔性針(11)、第一步進電機(6)、第二步進電機(7)和第三步進電機(13)組成。該裝置通過對第一步進電機與第二步進電機的精準脈沖控制，實現柔性針彎曲過程；通過對第三步進電機與多自由度機械臂耦合控制，實現精準進針過程?？刂七^程簡述如下：如圖所示，第一步進電機(6)與第二步進電機(7)經繞線輪(8)、導向輪(9)通過傳動線相連接，由此，可通過精準脈沖控制步進電機進而控制柔性針彎曲；上述執行機構均安裝在主箱體(4)，主箱體(4)經導軌滑臺與第三步進電機(13)連接，由此可通過控制多自由度醫療協作機器人和第三步進電機實現精準進針過程。綜上，通過多自由度輔助醫療機械臂與柔性進針機器人的耦合控制，可實現全方位多姿態自由運動多角度進針的柔性變路徑精準進針。

圖3 柔性微創線控機器人示意圖

為實現微創機器人核心技術的自主可控化要求，研發團隊自主設計了如圖4所示的神經微創機器人控制系統的集成電路模塊：模塊①為直流可調降壓穩壓電源模塊，用于穩定輸入微控芯片和電機驅動器的電壓；模塊②為微控芯片，主要用于計算無線接收器傳送的數據，并輸出機器人運行的準確指令；模塊③為外部設備供電部分，其主要功能是為下層控制單元其他外接設備提供電源；模塊④為微控芯片程序下載入口和串行數據通信接口；模塊⑤為微控單元的預留IO接口和無線接收器接口；模塊⑥為手柄有線接口，控制模塊同時設置了所述手柄無線接收器接口與有線接口，顯著提高了設備調試的效率；模塊⑦為協作機器人控制柜的IO接口，微控芯片接收到無線接收器發送的指令后，經過內部運算可直接通過所述接口控制UR輔助醫療機械臂運動，進而實現機器人的精準進針。

圖4 控制系統集成電路

3 實驗驗證

為了檢驗醫療機器人是否符合精準微創的臨床應用工藝技術和系列化結構技術設計規范，研發團隊進行了如圖5所示的樣機試驗。

圖5 神經柔性微創機器人樣機實驗

如圖5所示，神經微創機器人系統控制過程：外部相機進行病灶靶點識別(1)，多自由度協作機器人攜帶柔性進針機器人精準運動至病灶靶點(2)，無線手柄控制協作機器人與進針機器人耦合運動開始進針(3)，無線手柄實時調整醫療機器人位姿開始彎曲進針進行手術(4)。實驗表明，神經微創醫療機器人樣機系統已經具備了病灶靶點精準識別控制、坐標標定控制、柔性進針控制等功能，為下一步進行微創手術的活體實驗及臨床應用奠定了良好的技術基礎。

4 結論

(1)研發團隊研制出協作機器人與線控機器人耦合控制的柔性變路徑神經微創機器人系統，具備了神經微創手術中需要的多位姿精準手術定位技術要求，包含多旋轉角度、多彎曲角度的精準進針過程，實現了穩定性、可靠性、精準性和靈活性的功能。

(2)采用步進電機線控進針的技術方案，解決了柔性變路徑進針機器人多角度精準進針的問題，實現了細分驅動步進電機結合PID電機運動控制算法，防止了步進電機出現失步丟步的問題，達到了步進電機脈沖精準控制的效果，控制精度達到0.01mm。

(3)神經微創機器人系統設計了TCP坐標變換控制方案，達到了神經微創醫療機器人術中多位姿精準定位運動要求，并且研制的機器人系統能夠完成360°旋轉和90°彎曲的功能。