微創(chuàng)手術(shù)在世界范圍內(nèi)已經(jīng)被廣大患者和醫(yī)療行業(yè)廣泛認(rèn)可，成為了在很多領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)外科手術(shù)的良好選擇。相對(duì)于傳統(tǒng)外科手術(shù)微創(chuàng)手術(shù)帶來(lái)的局部創(chuàng)傷更小，損傷輕，術(shù)后并發(fā)癥如感染發(fā)炎等風(fēng)險(xiǎn)更小，也帶來(lái)更短的恢復(fù)周期，術(shù)后美容效果更好。但相應(yīng)的代價(jià)是醫(yī)生操作空間受到嚴(yán)重限制，手術(shù)視野需借助其他設(shè)備提供。這也就形成了微創(chuàng)手術(shù)好處多、操作難的兩難局面。因此大批科研工作者，設(shè)備廠商為解決微創(chuàng)手術(shù)操作難的問(wèn)題開(kāi)發(fā)了豐富的輔助微創(chuàng)手術(shù)的先進(jìn)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備。ATI是其中具有代表性的設(shè)備供應(yīng)商。

　　ATI 工業(yè)自動(dòng)化是世界領(lǐng)先的機(jī)器人附屬產(chǎn)品和機(jī)械手臂工具的工程研發(fā)公司，關(guān)于六軸力/力矩傳感器，早在上世紀(jì)80年代中期ATI就創(chuàng)造性地發(fā)明了可以測(cè)量六維力和力矩的傳感器。經(jīng)過(guò)不斷的研發(fā)和創(chuàng)新，ATI六維力/力矩傳感器已經(jīng)發(fā)展出Nano、Mini、Omega、Delta、Gamma及Axia80等型號(hào)豐富、經(jīng)久耐用的傳感器系列產(chǎn)品線。

                                      美國(guó)ATI多維力傳感器

今天我們就來(lái)介紹一下，關(guān)于六軸力/力矩傳感器的一個(gè)很重要應(yīng)用領(lǐng)域--微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人。

微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的高要求

       出于醫(yī)療行業(yè)的敏感性和高要求，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人在滿(mǎn)足基本的末端執(zhí)行器功能基礎(chǔ)上要盡可能多地為醫(yī)生提供輔助。因此也對(duì)手術(shù)機(jī)器人的功能提出了更高的要求。

       因?yàn)槲?chuàng)手術(shù)只在病人病灶處打一個(gè)或若干小切口，所有手術(shù)器械和手術(shù)內(nèi)窺鏡都要從小切口內(nèi)插入，所以手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)范圍受到了極大的限制。為保證手術(shù)效果，先進(jìn)的手術(shù)器械或手術(shù)機(jī)器人都選擇在手術(shù)器械的末端加入更多的自由度以補(bǔ)足小創(chuàng)口引入的運(yùn)動(dòng)限制。典型的例子就包括Da Vinci和Zeus等手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)配備的靈活性末端執(zhí)行器。這使得手動(dòng)操作變得更加困難，為了補(bǔ)足靈活性手術(shù)器械的操作難問(wèn)題，手術(shù)機(jī)器人都具有主從控制的結(jié)構(gòu)，即操作者通過(guò)不與末端執(zhí)行器連在一起的主控制器對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行遙操作。這樣就解決了靈活型手術(shù)器械的操作問(wèn)題。

力反饋的重要性

       由于醫(yī)療類(lèi)應(yīng)用多半運(yùn)用于病人及其身上的敏感器官，所以在手術(shù)中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)無(wú)法起到保護(hù)病人的作用，再加上遙控操作使得醫(yī)生與機(jī)械隔開(kāi)，切斷了力的反饋，可能還會(huì)加重對(duì)病人的傷害，為機(jī)器人侵入式診斷增加了困難。ATI以其卓越的產(chǎn)品可靠性和高品質(zhì)首先進(jìn)入了研究者的視野。2012年，來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)的學(xué)者和醫(yī)生就為解決手術(shù)機(jī)器人缺乏力傳導(dǎo)的問(wèn)題發(fā)明了一款可以精確感知和反饋力的手術(shù)機(jī)器人主端控制器。它能夠精確地感知醫(yī)生在主端控制器使用的力和力矩，從而使主端控制器按照醫(yī)生所使用的力和力矩進(jìn)行反應(yīng)，以達(dá)到減少手部抖動(dòng)，穩(wěn)定控制機(jī)構(gòu)的目的，給醫(yī)生以最直觀的反饋，就好像醫(yī)生是在拿著手術(shù)器械進(jìn)行操作一樣。這樣做的好處在于醫(yī)生的操作更為直觀，減少長(zhǎng)時(shí)間手術(shù)的疲勞，提升手術(shù)安全性。也使將來(lái)把醫(yī)生施加的力精確傳到手術(shù)執(zhí)行器端成為可能。

ATI Nano17加入完美實(shí)現(xiàn)力反饋

       該手術(shù)機(jī)器人包括一個(gè)三自由度位移平臺(tái)，一個(gè)一自由度旋轉(zhuǎn)RCM(Remote Center of Motion)和一個(gè)兩自由度位移加旋轉(zhuǎn)連臂。由此構(gòu)成六自由度機(jī)器人，該機(jī)器人將ATI Nano17 裝在醫(yī)生抓取的手術(shù)機(jī)器人手柄末端，以便發(fā)揮傳感器最大精度性能。該設(shè)計(jì)要求施力范圍在到3N之間，并且要求精度在以上，控制系統(tǒng)頻率需在1000Hz以上以滿(mǎn)足力反饋的實(shí)時(shí)性。ATI傳感器滿(mǎn)足以上所有條件，甚至更好。ATI Nano17 傳感器在滿(mǎn)足精度要求的前提下提供7800Hz的采樣頻率，并在Z軸方向提供800N的過(guò)載保護(hù)。

       ATI的六軸力/力矩傳感器采用硅應(yīng)變?cè)恚畲蟪潭葴p小信號(hào)噪聲，并具有卓越的穩(wěn)定性。因?yàn)獒t(yī)療應(yīng)用對(duì)于器械衛(wèi)生有特殊要求，ATI可提供IP68防護(hù)版本，使傳感器本體可以經(jīng)受常規(guī)的醫(yī)療消毒，是醫(yī)療領(lǐng)域力傳感器的理想首選。同時(shí)ATI的六軸力/力矩傳感器提供了各種編程語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)和源代碼，以輔助科研工作者進(jìn)行創(chuàng)新。

　　目前，該手術(shù)機(jī)器人原型機(jī)已完成并且經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在手術(shù)機(jī)器人穿針實(shí)驗(yàn)中十組實(shí)驗(yàn)全部成功，作為對(duì)照試驗(yàn)的其他無(wú)傳感器輔助的穿針實(shí)驗(yàn)則失敗大半(51%)。這首先證明了該手術(shù)機(jī)器人的力反饋輔助在手術(shù)機(jī)器人當(dāng)中的極其重要性，其次也印證了ATI六維力和力矩傳感器優(yōu)異的性能，精度，采樣速度，穩(wěn)定性缺一不可。

Nano17  是目前ATI所有傳感器中較小的一款六軸力/力矩傳感器，非常適用于研究應(yīng)用領(lǐng)域，典型的應(yīng)用包括，牙齒研究、外科機(jī)器人、機(jī)器人手研究、手指力研究等。