收稿日期:2021-02-22；修订日期:2021-02-25
基金项目：国家自然科学基金(编号:518050535)；国家智能机器人重大专项(编号:2019YFB1310900)
作者简介：孙椰望(1985-)，男，河南籍，高级工程师，博士,TUD医工访问学者，国防科技进步一等奖获得者
研究方向：精密智能制造技术与微创医工
通信作者：刘宇行
:sun_yewang@163 ㊃技术创新㊃
孙椰望1，刘宇行2，孙松涛3，曹也4，罗扉2，蒋建虎2，曹安林1，刘玉柱1，罗晓华1
(1.中国科学院理化技术研究所;2.洛阳理工学院;3.中国人民解放军32368部队;4.北京理工大学，北京100000)
摘要：目的㊀针对周围神经微创医疗机器人存在的手术前端毫米级柔性精准微创的关键问题，重点针对
腰椎神经区位微创技术要求，突破毫米级柔性精准微创机器人的控制技术，实现高精度的毫米亚毫米尺度微创手术㊂采用一种协作机器人+毫米级线控机器人耦合的柔性变路径进针控制技术，主要包括柔性变路径进针机器人控制系统㊁多自由度微创医疗协作机器人与柔性变路径进针机器人耦合联动的关键控制技术，通过上位机发布指令至协作机器人和线控机器人的驱动电机，激发精准脉冲控制，实现了柔性进针的精准控制，实验验证了微创医疗机器人系统的多位姿适应性微创的灵活稳定精准控制㊂关键词：腰椎；微创机器人；多自由度；精准穿刺；柔性变路径进针
中图分类号:TH12㊀㊀文献标识码:B㊀㊀文章编号:1005-7234(2021)02-0274-03
DOI:10.3969/j.issn.1005-7234.2021.02.038
㊀㊀腰椎间盘突出㊁神经粘连等患者，多见于60岁以上老年人㊂针对药物无法的腰椎退行性疾病患者，微创神经外科手术机器人可在狭小的空间完成复杂的手术，达到手术的创伤性最小化㊁微创准确性最大化，成为骨科临床的迫切需求㊂但是，在国内，由于神经微创手术机器人系统的研发刚刚起步，现阶段国内神经微创以刚体结构手持微创装置为主，很难实现路径变动,CT介入的人机协同一次准确微创不足40%，自动导航和变路径精准微创的手术技术十分缺乏[1-5]㊂
针对周围神经疾病以及囊肿微创㊁癌症微病变体等诸多神经疾病的毫米亚毫米尺度微创及柔性变路径精准微创难题[6,7]，荷兰TUD Paul团队引领国际技术前沿，率先实现了毫米亚毫米尺度机械柔性微创
医工技术的临床应用，但是没有进行智能技术的研发[8,9]㊂本课题组所属中科院团队利用优势资源互补的方式，组建了世界领先的精密智能柔性微创医工技术团队，并联合北京301医院㊁国家微细制造创新中心及荷兰TUD DEMO医工中心，研发了国际首套腰椎神经区位微创的直径1.6mm的超自由度毫米尺度智能微创机器人系统，并且融合了亚毫米嵌入式视觉定位系统[10,11]㊂本文基于团队完成的毫米级智能柔性机器人样机系统，进行控制系统的分析研究㊂
1 神经微创机器人控制逻辑
图1㊀机器人系统控制流程图
1.1㊀神经微创医疗机器人系统控制流程
如图1所示，神经微创机器人术前需要相机㊁主机㊁控制柜等设备运算确定病灶靶点坐标，微创协作机器人经TCP坐标变换后，将携带柔性进针机器人精准运动至病灶靶点，此后即可进行后续手术㊂进行后续手术时，医务人员可操作无线手柄给微控单元发送指令，指令经微控单元处理后发送给主机，主机进行最终处理运算㊁发送信号给控制柜和驱动器,
并生成坐标信息和脉冲信号，进而实现辅助医疗机械臂与柔性进针机器人耦合控制，完成精准进针动作㊂
1.2㊀整体系统逻辑如图2所示，神经微创机器人系统整体可分为2
层单元板块，上层单元板块包括主机及其显示系统，用以接收下层微控单元发送的指令，显示微创手术实时影像，并发送指令控制柔性进针机器人和协作机器人；下层单元板块包括STM32F103ZET6微控单元㊁LM2596S 直流可调降压稳压电源模块㊁步进电机㊁无线手柄和无线接收器㊂
1.2.1㊀上层运算单元如图2所示，相机用以识别微创手术病灶靶点
并获取微创手术的实时影像上传至主机；进针机器人驱动器通过网线与主机获得通信；主机上装配了技术手段非常成熟的Windows 操作系统，其功能包括获取所述相机传输的实时影像，运行进针机器人驱动软件并发送指令给进针机器人驱动器，接收并处理下层控制单元发送的指令，将所述全部信息通过VGA 线缆传送给显示器，用以更好地进行人机交互，方便医务人员了解微创手术的进行程度，便于实时控制微创过程㊂
1.2.2㊀下层控制单元如图2所示，无线接收器用以接收无线手柄发
送的信息并传输至STM32F103ZET6微控单元进行运算处理；图中控制柜通过线缆直连方式获取STM32F103ZET6微控单元发送的指令，进而控制协作机器人;STM32F103ZET6微控单元接收无线接收器反馈的数据进行处理后，通过串口通信方式发送指令至上层单元中的主机部分
张少华㊂
图2㊀医疗机器人系统逻辑图
2 神经微创机器人控制方案设计
针对神经微创机器人的手术前端毫米级柔性精准微创的技术难题，根据神经微创医疗机器人术中
灵活性㊁稳定性㊁精准性和可靠性的需求，基于上述逻辑思路，课题组设计了协作机器人与毫米级线控机器人耦合控制进行柔性变路径精准进针的控制方案㊂
如图3，柔性变路径智能微创机器人结构及控制示意图中，机器人主要由柔性针(11)㊁第一步进电机(6)㊁第二步进电机(7)和第三步进电机(13)组成㊂该装置通过对第一步进电机与第二步进电机的精准脉冲控制，实现柔性针弯曲过程；通过对第三步进电机与多自由度机械臂耦合控制，实现精准进针过程㊂控制过程简述如下：如图所示，第一步进电机(6)与第二步进电机(7)经绕线轮(8)㊁导向轮(9)通过传动线相连接，由此，可通过精准脉冲控制步进电机进而控制柔性针弯曲；上述执行机构均安装在主箱体(4)，主箱体(4)经导轨滑台与第三步进电机(13)连接，由此可通过控制多自由度医疗协作机器人和第三步进电机实现精准进针过程㊂综上，通过多自由度辅助医疗机械臂与柔性进针机器人的耦合控制，可实现全方位多姿态自由运动多角度进针的柔性变路径精准进针
㊂
图3㊀柔性微创线控机器人示意图
为实现微创机器人核心技术的自主可控化要求，研发团队自主设计了如图4所示的神经微创机器人控制系统的集成电路模块：模块①为直流可调
降压稳压电源模块，用于稳定输入微控芯片和电机驱动器的电压；模块②为微控芯片，主要用于计算无线接收器传送的数据，并输出机器人运行的准确指令；模块③为外部设备供电部分，其主要功能是为下层控制单元其他外接设备提供电源；模块④为微控芯片程序下载入口和串行数据通信接口；模块⑤为微控单元的预留IO 接口和无线接收器接口；模块⑥为手柄有线接口，控制模块同时设置了所述手柄无线接收器接口与有线接口，显著提高了设备调试的效率；模块⑦为协作机器人控制柜的IO 接口，微控芯片接收到无线接收器发送的指令后，经过内部运算可直接通过所述接口控制UR 辅助医疗机械臂运动，进而实现机器人的精准进针
㊂
图4㊀控制系统集成电路
3㊀实验验证
为了检验医疗机器人是否符合精准微创的临床应用工艺技术和系列化结构技术设计规范，研发团队进行了如图5所示的样机试验
㊂
图5㊀神经柔性微创机器人样机实验
如图5所示，神经微创机器人系统控制过程：外部相机进行病灶靶点识别(1)，多自由度协作机器人携带柔性进针机器人精准运动至病灶靶点(2)，无线手柄控制协作机器人与进针机器人耦合运动开始进针(3)，无线手柄实时调整医疗机器人位姿开始弯曲进针进行手术(4)㊂实验表明，神经微创医疗机器人样机系统已经具备了病灶靶点精准识别控制㊁坐标标定控制㊁柔性进针控制等功能，为下一步进行微创
手术的活体实验及临床应用奠定了良好的技术基础㊂4㊀结论
(1)研发团队研制出协作机器人与线控机器人
耦合控制的柔性变路径神经微创机器人系统，具备了神经微创手术中需要的多位姿精准手术定位技术要求，包含多旋转角度㊁多弯曲角度的精准进针过程，实现了稳定性㊁可靠性㊁精准性和灵活性的功能㊂
(2)采用步进电机线控进针的技术方案，解决了
柔性变路径进针机器人多角度精准进针的问题，实现了细分驱动步进电机结合PID 电机运动控制算法，防止了步进电机出现失步丢步的问题，达到了步进电机脉冲精准控制的效果，控制精度达到
0.01mm㊂
(3)神经微创机器人系统设计了TCP 坐标变换
控制方案，达到了神经微创医疗机器人术中多位姿精准定位运动要求，并且研制的机器人系统能够完成360ʎ旋转和90ʎ弯曲的功能㊂
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孙椰望，张之敬.一种智能微创手术装置[P ].
CN201911098665.X,2020-01-10.
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