机器人文献综述

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fomeca刘勇

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医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好。近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会DARPA己经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。随着科学技术的发展, 特别是计算机技术的发展, 医用机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。外科手术辅助导航系统作为外科医生的第三只眼, 可以让手术医师看到手术部位的内部结构, 避免了因医生经验不足而造成的手术失误, 使手术更安全、更可靠、更精确、更科学, 具有极其广阔的应用前景。现在, 它已经成功地应用到神经外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝关节切除以及腹腔镜等众多领域中。由此, 依靠医学成像、微装置、传感器、计算机和机械手等的辅助, 从一个开放的、完全的人工手术到辅助医生进行最小侵入性手术。另外, 医生在选择最佳的手术路径、执行复杂的外科手术和提高手术的成功率等方面也受益匪浅。微创外科手术(MIS)技术兴起于20世纪80年代,一般也称为介入式手术。它借助于各种视觉图像设备和先进灵巧的手术器械装备,将手术器械经过小切口进入人体进行治疗或诊断。与传统开放性手术相比,微创手术具有创伤小,可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于提高手术质量和降低医疗社会成本等诸多优点。因此,受到医生和患者的普遍欢迎,是外科手术发展的必然趋势。腹腔镜微创外科手术作为微创手术的代表,是对传统开放性手术的一次重大变革。然而腹腔镜手术在手术中也存在一些问题。如由医生在手术台前操作器械进行手术时,医生的手与所操作的器械末端的距离一般有400～500mm,长时间准确把握手术器械会使医生感到非常疲劳,另外,由于医生手部的颤抖而传递到器械末端的误差也会随之增大。而利用机器人技术就可以很好的解决上述问题。因为机器人具有定位准确、大大减低工作强度等优势,而且,它还可以通过软件编程实现消颤、提高手术精度。微创外科手术机器人与传统的工业机器人在结构上相比,系统针对性更强,通常一种结构只适用于一种手术操作。对于主从式机器人,在手术中,手术医生的决策通过主手传递到从手,通过监视从手的运动情况,调整或修正控制以达到预期的结果,实现微创手术。由于从手系统直接作用于患者,它的性能高低直接影响整个系统的性能、手术的质量、以及系统的安全性等等。随着计算机技术的不断发展, 微型计算机无论从计算速度还是从内存容量上都可以满足手术导航系统的要求。在我国, 开发基于微型计算机的小型化、低成本、高精度的手术导航系统将是一个发展趋势。1、文献综述1 医疗机器人与其它机器人相比，医疗机器人具有以下几个特点：①其作业环境一般在医院、街道、家庭及非特定的多种场合，具有移动性与导航、识别及规避能力，以及智能化的人机交互界面。在需要人工控制的情况下，还要具备远程控制能力。②医疗机器人的作业对象是人、人体信息及相关医疗器械，需要综合工程、医学、生物、药物及社会学等各个学科领域的知识开展研究课题。③医疗机器人的材料选择和结构设计必须以易消毒和灭菌为前提，安全可靠且无辐射。④以人作为作业对象的医疗机器人，其性能必须满足对状况变化的适应性、对作业的柔软性，对危险的安全性以及对人体和精神的适应性等。⑤医疗机器人之间及医疗机器人和医疗器械之间具有或预留通用的对接接口，包括信息通讯接口、人机交互接口、临床辅助器材接口以及伤病员转运接口等。从技术上讲医疗机器人的发展是建立在以下几种基本技术的基础上：它们是机械设计与制造技术、传感器应用技术、自动控制技术、驱动器技术、人机交互技术。根据用途医疗机器人大致可以分为救援机器人、手术机器人、转运机器人和康复机器人。手术机器人在具备了机器人的基本特点同时，还有其自身的选位准确、动作精细、避免病人感染等特点。在血管缝合手术时，人工很难进行细于1 mm以下的血管缝合，如果使用手术机器人，血管缝合手术可以达到小于1 mm的精度；用手术机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患者的感染危险。商业化的手术机器人最早出现在1994年，由美国Computer Motion公司研制，实质上是一种声控腹腔镜自动“扶镜手”，命名为AESOP。手术机器人于1997年3月在比利时布鲁塞尔St Pierre医院完成了第一例腹腔镜手术——胆囊切除术。1998年，ComputerMotion公司研制的Zeus系统、Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系统和endoVia公司研制的Laprotek系统分别获得了成功。这三个系统均由三大部分组成：医生操纵台、机械手和内镜装置。Zeus系统采用纯信号方式实现医生操纵台对机器臂的控制，在传输距离上不受视频延迟的影响。Zeus系统于2001年9月首次成功实现了跨大西洋(美国纽约-法国斯特拉斯堡)的机器人腹腔镜胆囊切除术。目前，手术机器人不仅完成了普外科，还有脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、泌尿科和整形外科等方面的手术。尽管如此，手术机器人还有许多方面需要不断的完善和改进，通过增加“人造视野”系统，可在手术过程中监视术野，辅助术者做出判断，增加手术的安全性；用软件来处理触觉和视觉图像的整合、分割和合成；提供稳定的触觉控制，识别不同的人体组织，进行关键解剖结构的图像识别和图像分割；具有良好的触觉反馈和位置觉。微型机电技术的不断深入发展为微小型机器人甚至纳米机器人提供了技术支持,它可以直接进入人体器官内部进行工作,完成组织取样、血管疏通、药物定点放置、微型手术和细胞操作等普通医疗技术和手段无法完成的工作。目前，国外正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内微细手术和体内药物直接投放微型外科手术机器人。医生用注射器将微型机器人推入人体内部,由它所携带的微生物传感器对人体组织进行检测，当发现有病变组织时,微型手术机器人对病变组织进行直接手术和药物注射治疗。哈尔滨工业大学机器人研究所成功研制出纳米级精密定位系统,在这个系统支持下的纳米级高精密微驱动机器人,能对细胞和染色体进行“显微手术”。纳米级机器人可在人体微观世界行走,随时清除人体中的一切有害物质,修复损坏的基因,激活细胞能量,使人不仅仅保持健康,而且延长寿命。医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，是现代医疗卫生装备的发展方向之一。随着科学技术的不断更新、社会的老龄化和现代战争的高技术化，以及医疗技术的发展，各疗机器人及其辅助医疗技术将得到更深入而广泛的研究和应用,促进医疗机器人技术的快速发展。2 空间定位技术在计算机辅助导航系统中, 空间定位是整个系统的关键, 直接关系到整个系统的精度和计算机辅助手术的成败。其作用就是实时测出手术器械的空间位置和姿态, 根据定位传感器的不同, 可分为机械定位、超声定位、电磁定位和光学定位法。（1）机械定位　机械定位是手术导航系统最初的定位方法, 属于无源定位。定位用机械手至少应有6 个自由度, 且每个关节均有编码器。和机械手相联的手术器械的位置和旋转, 能够通过机械手的几何模型和关节编码器的瞬时值计算出来，典型精度为: 2～3 mm。机械手定位的优点是不会被阻塞, 不会被障碍遮挡, 同时可在特定位置夹住或放置手术器械。缺点是在手术中较为笨拙, 施加在机械手上的压力可使数据发生变化, 同时存在固定装置和制动器的位移误差。机械定位常用于无臂系统的标定和检查。 (2) 超声定位通过测量超声波的传播时间来测量超声波发射器与接收器间的距离。在手术器械上放置N (至少大于3) 个发射器, 即可计算出手术器械的位置和姿态。该系统的绝对精度一般为5mm。超声波定位的主要问题在于温度对超声波的影响、空气位移、空气非均匀性以及发射器的大尺寸等。 (3) 电磁定位　在电磁定位系统中, 每个电磁产生线圈定义一个空间方向, 3 个线圈确定三个空间方向, 然后再根据已知的相对位置关系就可以对目标的空间位置进行定位。电磁定位系统的精度为2mm。电磁定位的精度较高, 又属于非接触式定位。但系统磁场对工作空间中的任何金属物体的引入都很敏感。 (4) 光学定位　光学定位是目前手术导航系统中的主流定位方法。以CCD 摄像机作为传感器,测量目标为安装在手术器械上的几个红外发光二极管, 通过红外发光二极管的空间位置, 计算出手术器械的位置和姿态。根据所用摄像机的不同, 光学定位可分为线阵CCD和面阵CCD两种。面阵CCD 测量系统由两个面阵CCD 摄像机组成, 采用标准镜头, 在图像中的每个光点定义了空间的一个投影线, 采用空间两个摄像机可计算其对应投影线的交点, 获得点的三维坐标。线阵CCD 测量系统采用柱面镜头, 利用3 个相对位置固定的线阵CCD 构成, 被测点与镜头的节点轴确定的平面与敏感元件垂直相交处为被测点所成的像, 通过3 个确定的平面相交可以确定被测点的空间位置。由于线阵CCD的分辨率可以做得很高(4096) , 其空间分辨率就很高, 典型的线阵CCD 导航系统精度在 5 mm 以内, 而面阵CCD 系统的典型精度为1mm。光学定位系统的优点是精度高, 处理灵活方便,但易受术中手的遮挡、周围光线及金属物体镜面反射的影响。2 虚拟现实技术虚拟现实,简称VR技术（英文名为Virtual Reality）这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔在20世纪80年代初提出的，我国著名科学家钱学森将它翻译为“灵境技术”它是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境链接在一起。操作者通过传感器与虚拟环境交互作用，可获得视觉、听觉、触觉等多种感知，并按照自己的意愿去改变的虚拟环境被称之虚拟现实。

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