| 作者楊量景博士，浙江大學(xué)

顯微外科技術(shù)和工具使外科醫(yī)生能夠以極高的精度對人體組織的神經(jīng)、血管和微小結(jié)構(gòu)執(zhí)行復(fù)雜的手術(shù)。雖然顯微外科手術(shù)在改善患者治療效果方面顯示出巨大的潛力，但在亞毫米級狹窄的工作空間內(nèi)進(jìn)行操作需要非凡的穩(wěn)定性和靈活性。熟練的外科醫(yī)生可以連接直徑在 0.3 到 0.8 毫米（mm）之間的血管。然而，外科醫(yī)生手部不可避免的生理性震顫限制了此類吻合手術(shù)的療效。此外，受限解剖結(jié)構(gòu)中的工作空間和運(yùn)動學(xué)挑戰(zhàn)可能需要多次設(shè)計(jì)迭代，這既耗時又費(fèi)錢。

微型手術(shù)機(jī)器人可以幫助外科醫(yī)生克服狹窄工作空間、手部震顫和疲勞帶來的限制。然而，這些機(jī)器人的設(shè)計(jì)帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。首先，為了減少外科醫(yī)生學(xué)習(xí)新工具的時間，機(jī)器人必須能夠協(xié)助完成不同類型的手術(shù)，而不僅僅是一種。其次，與無人車間中的工業(yè)機(jī)器人不同，微型手術(shù)機(jī)器人直接用于人體，因此在設(shè)計(jì)時必須將患者安全放在首位。最后，為了最大限度地減少組織損傷和減少恢復(fù)時間，機(jī)器人必須是微創(chuàng)的——最好是通過一個小切口進(jìn)行工作。

許多設(shè)計(jì)決策都取決于盡量減少侵入性，同時確保外科醫(yī)生擁有足夠的自由度來有效地執(zhí)行手術(shù)。對于這個權(quán)衡問題，沒有一個放之四海而皆準(zhǔn)的答案，因此，顯微手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常嚴(yán)重依賴反復(fù)試驗(yàn)的方法。他們必須指定需求、創(chuàng)建滿足這些需求的設(shè)計(jì)，然后組裝原型。然后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對原型進(jìn)行測試，以進(jìn)一步細(xì)化需求，然后重復(fù)此循環(huán)。通常需要多次進(jìn)行迭代優(yōu)化，而由于每次迭代都要搭建硬件原型，會使迭代周期變得漫長。

在浙江大學(xué)，我和我的同事采用以設(shè)計(jì)為中心、基于模型的方法來開發(fā)機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)。利用這種方法，我們最近設(shè)計(jì)了一種基于平行四邊形結(jié)構(gòu)的吻合和眼科手術(shù)機(jī)器人操作器。我們用 Simulink 進(jìn)行了計(jì)算分析和仿真測試和 Simscape Multibody 來可視化操作器的末端執(zhí)行器軌跡，并確認(rèn)設(shè)計(jì)滿足安全性和手術(shù)可操作性的要求（圖 1）。這種方法加快了開發(fā)速度，使我們能夠在投入時間和資源構(gòu)建硬件原型之前發(fā)現(xiàn)并解決許多設(shè)計(jì)問題。

圖 1. 機(jī)械手 Simscape Multibody 模型的動畫，展示了圍繞遠(yuǎn)程運(yùn)動中心 (RCM) 的運(yùn)動。

設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)

我們通過定義顯微外科手術(shù)操作器的需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)開始了我們的設(shè)計(jì)過程。例如，其中包括尖端的精度目標(biāo)小于 10 微米、運(yùn)動范圍為 20x20x20 毫米，以及系統(tǒng)末端執(zhí)行器的快速更換機(jī)制，使外科醫(yī)生能夠在手術(shù)過程中快速更換器械。

該系統(tǒng)的一個關(guān)鍵設(shè)計(jì)組件是遠(yuǎn)程運(yùn)動中心 (RCM) 機(jī)制，它將儀器的自由度 (DOF) 限制為三個旋轉(zhuǎn) DOF（ψ、φ 和 θ) 圍繞切口，并在器械插入方向上有一個平移自由度 (Z)。我們設(shè)計(jì)了一個雙平行四邊形結(jié)構(gòu)，使末端執(zhí)行器能夠在整個工作空間內(nèi)移動，運(yùn)動范圍如下：ψ：±45°；φ：±75°；θ：360°；Z：32毫米。我們首先通過基于第一性原理的數(shù)學(xué)模型分析了該結(jié)構(gòu)，然后在 SolidWorks 中為其創(chuàng)建了一個 CAD 組件（圖 2）。

圖 2. 雙平行四邊形結(jié)構(gòu)的 SolidWorks 裝配體。

在 Simscape Multibody 中執(zhí)行基于仿真的分析

我們的下一步是使用 Simscape Multibody Link 插件從 SolidWorks 導(dǎo)出 CAD 組件，然后將生成的 XML 多體描述文件導(dǎo)入 Simscape Multibody 以創(chuàng)建我們設(shè)計(jì)的 Simscape模型（圖 3）。我們在 ?、ψ 和 Z 關(guān)節(jié)處添加了電機(jī)以進(jìn)行運(yùn)動控制，并使用位置傳感器運(yùn)行了多次模擬以跟蹤末端執(zhí)行器的位置和運(yùn)動。

圖 3. 機(jī)械手的 Simscape Multibody 模型。

通過在 MATLAB 中分析和繪制這些模擬的結(jié)果，我們可視化了吻合手術(shù)中立方體空間內(nèi)末端執(zhí)行器的范圍以及眼科手術(shù)中球形空間內(nèi)末端執(zhí)行器的范圍（圖 4）。這是為了確?；颊叩陌踩约笆中g(shù)成功的高概率，并且在手術(shù)過程中可以觸及解剖結(jié)構(gòu)中的所有點(diǎn)。該評估需要使用機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)來開發(fā)點(diǎn)云并評估傳統(tǒng)手術(shù)干預(yù)中的軌跡。

圖 4. 眼科手術(shù)（第一）和吻合手術(shù)（第二）工作空間的多種視圖。

我們還進(jìn)行了模擬，追蹤末端執(zhí)行器的運(yùn)動和軌跡，以確認(rèn)設(shè)計(jì)滿足眼球表面弧形運(yùn)動的手術(shù)要求（圖 5）。

圖 5. Simscape Multibody模擬顯示了末端執(zhí)行器沿弧線的運(yùn)動。

基于模型的方法的主要優(yōu)勢

在我們的研究中，我們發(fā)現(xiàn)所采用的基于模型的方法有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢。其中最有價值的是能夠快速迭代設(shè)計(jì)，以確保它在轉(zhuǎn)移到物理實(shí)現(xiàn)之前在數(shù)字領(lǐng)域完全發(fā)揮作用。在紙上或 CAD 軟件中創(chuàng)建設(shè)計(jì)并知道它在理論上應(yīng)該可行是一回事，但是，當(dāng)我們通過 Simulink 和 Simscape 的模擬看到它在虛擬環(huán)境中工作時，我們會順理成章的獲得進(jìn)一步的理解，從而改進(jìn)它。

基于模型的方法可以獲得數(shù)字模型，我們可以利用 3D 打印技術(shù)結(jié)合仿真分析對機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速成型，從而進(jìn)一步縮短開發(fā)周期?；谀Ｐ偷姆椒ㄔO(shè)計(jì)的硬件測試表明，原型成功地將 RCM 點(diǎn)維持在患者眼睛上（圖 6）。

圖 6. 基于模型的方法所得到的設(shè)計(jì)的硬件測試保持了眼圖上的 RCM 點(diǎn)。

此外，使用 Simulink 和 Simscape 工作使我們團(tuán)隊(duì)中的許多學(xué)生能夠更輕松地跟上進(jìn)度并協(xié)調(diào)他們的工作。學(xué)生在畢業(yè)前會從一個項(xiàng)目轉(zhuǎn)到另一個項(xiàng)目，基于模型的方法可以幫助他們將自己所做的工作傳遞給其他人。模型更容易解釋和理解，因此當(dāng)下一組人想要擴(kuò)展或概括前一個團(tuán)隊(duì)的工作時，他們知道從哪里開始以及做什么。

最后，既然我們已經(jīng)證明了機(jī)械設(shè)計(jì)的可行性，我們就可以開始開發(fā)控制系統(tǒng)，并在開發(fā)過程中進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。使用 MATLAB 和 Simulink 進(jìn)行基于模型的設(shè)計(jì)將有助于這兩項(xiàng)工作，使我們能夠通過模擬驗(yàn)證整個系統(tǒng)的安全性并縮短整個開發(fā)周期。

關(guān)于作者

楊量景博士現(xiàn)為浙江大學(xué) ZJU-UIUC 學(xué)院助理教授。他的研究興趣包括機(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺和視覺引導(dǎo)微操作。