骨科手术机器人的协同控制方法

骨科手术机器人的协同控制方法　骨科手术机器人的协同控制方法木　Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｃｒａｎｉｏ—ｍａｘｉｌｌｏｆａｃｉａｌ　Ｓｕｒｇｉｃａｌ　Ｒｏｂｏｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　王　内　栾　楠　张诗雷　桂海军　吴锦阳　（１上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０；　２上海交通大学医学院附属第九人民医院，上海　２０００１　１）　摘要：基于力反馈设备，通过引入虚拟约束和力反馈，介绍了能满足颅颌面整复手术需求的人机协同操作　控制策略。在机器人可达工作空间内，基于模糊控制算法实现了反馈力的规划。通过对手术操作进行合理的过　程规划，在模拟手术实验中实现了所提出的骨科手术机器人的人机协同操作控制策略。最后，设计Ｊ，～组对比试　验，验证了这种协同控制策略有效性和合理性。　关键词：颅颌面手术机器人协同控制　虚拟约束　／『］反馈ＤｏＩ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００７—０８０ｘ．２０１３．０１．０１０　模糊控制　过程规划　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａ　７－ＤＯＦ　ｎａｖｉｇａｔｅｄ　ｒｏｂｏｔ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ｃｒａｎｉｏ　ｍａｘｉｌｌｏｆａｅｉａｌ　ｓｕｒｇｅｒｙ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｆｉｘｔｕｒｅｓ，ｆｏｒｃｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｔｅｌｅ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｉｎｓｉｄｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｐａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｆｏｒｃｅ　ｉｓ　ａｓｓｉｇｎｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｌｅ．ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｉｄｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．ｗｅ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍａｌｌｙ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｂｙ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｒａｎｉｏ．ｍａｘｉｌｌｏｆａｃｉａｌ　ｓｕｒｇｉｃａｌ　ｒｏｂｏｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｆｉｘｔｕｒｅｓ　ｆｏｒｃｅ—ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｆｕｚｚｙ　０　引　言　尚未有成功的机器人手术系统见诸报道。　而本文针对颅颌面骨整复手术这种相对复杂的手　骨科手术机器人主要辅助医师完成精确的锯切、　磨削、钻孔、定位等操作，与ｄａ　Ｖｉｎｃｉ　等主从式系统不　术提出了基于遥操作和力交互的人机协同操作模式。　同，其自主性较高。现有骨科机器人系统大多由工业　这种模式有利于提高医师的临场感和注意力，提高人　机器人技术发展而来，在膝、髋关节造型等较为简单的　机交互接口的操作性能，从而能有效处理这种复杂手　应用上，这种技术路线取得了成功。而对于颅颌面骨　术过程。通过操作医师对机械臂的实时控制，在利用　整复手术来说，解剖结构复杂，手术操作类型广泛，又　涉及到头部重要组织结构，危险性大，手术难度很大，　机器人的稳定性和精确度的同时，也能保证手术过程　基金项目：上海交通大学医工交叉基金（ＹＧ２０１ｌＭＳ０６）；上海交通大学医学院博士创新基金（ＢＸＪ２０１２２９）。　作者简介：王　内　１９８９年生，硕士研究生。研究方向为机器人与智能控制。　栾楠１９７３年生，副教授。主要研究方向为机器人学、机器人智能控制等。　４８机电一体化Ｉ　２０１３．１　骨科手术机器人的协同控制方法　的速度、位姿和进程。也就是说，通过术前精确的手术　规划轨迹加上过滤掉重力和颤动的实时力反馈的控　制，使得即使是不熟练的操作者，依然可能完成资深医　师才能完成的颅颔面截骨手术。　４结束语　［２］　ａｎｄ　Ｕｓｅｓ　ｏｆ　Ｓｕｒｇｉｃａｌ　Ｒｏｂｏｔｓ［Ｊ］．Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｓｕｒｇｅｒｙ，２００５，　１Ｏ（２）：１５５—１６４．　ＴＡＹＬＯＲ　Ｒ　Ｈ，ＭＩＴＴＥＬＳＴＡＤＴ　Ｂ　Ｄ，ＰＡＵＬ　Ｈ　Ａ，ｅｔ　ａ１．　Ａｎ　Ｉｍａｇｅ—Ｄｉｒｅｃｔｅｄ　Ｒｏｂｏｔｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｅ　Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃ　Ｓｕｒｇｅｒｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｒｏｂｏｔ．Ａｕｔｏｍａｔ，１９９４（１０）：　２６１—２７５．　本文主要以颅颌面截骨手术为例，设计了基于力　反馈和虚拟约束的人机协同控制策略，并基于此协同　控制策略，给出了一种比较合理的适用于颅颌面截骨　手术过程控制的总体规划方法。本文最后设计了一组　ＥＳ　Ｂ　Ｌ，ＨＡＲＲＩＳ　Ｓ　Ｊ，ＬＩＮ　Ｗ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ａｃｔｉｖｅ　［３］　ＤＡＶＩＣｏｍｐｌｉａｎｃｅ　ｉｎ　Ｒｏｂｏｔｉｃ　Ｓｕｒｇｅｒｙ———Ｔｈｅ　Ｕｓｅ　ｏｆ　Ｆｏｒｃｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｓ　ａ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ［Ｊ］．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ—Ｈ，１９９７，２１１（４）：２８５—２９２．　ＥＮＧＥＬ　Ｄ．ＲＡＣＺＫ０ＷＳＫＹ　Ｊ．ＷＷＯＲＭ　Ｈ．Ａ　Ｓａｆｅ　Ｒｏｂｏｔ　对比实验，从实验结果可以验证得出这种协同控制策　［４］　略的有效性和安全性。需要注意的是，文中设计的协　　同控制策略和手术规划方法虽然是专为颅颌面截骨手　［５］Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｃｒａｎｉｏｆａｃｉａｌ　Ｓｕｒｇｅｒｙ［ｃ］．ＩＣＲＡ，２００１．　ＨＥＩＮ　Ａ，ＬＵＥＴＨ　Ｔ　Ｃ．Ｒｏｂｏｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｍａｘｉｌｌｏｆａｃｉａｌ　术设计的，但也可以作为其他类型手术操作控制策略及　方案设计的参考。本论文验证了这种协同操作方式的可　Ｓｕｒｇｅｒｙ［Ｊ］．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，２０００（４）：１７３—１８２．　［６］　孙立宁，张剑，杜志江．一种基于图像导航的骨外科手术　行性，实际作用于真实骨质材料的探索还有待完善。　参考　文献　Ａｎ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｔａｔｅ　［１］　ＫＥＮＮＥＴＨ　Ｃ　ＣＵＲＬＥＹ．　机器人系统［Ｊ］．喻尔滨工程大学学报，２００６，２７（２）：　２８５—２８９．　ＴＥＬ　Ｊ，ＨＡＳＳＦＥＬＤ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｒｏｂｏｔ　［７］　ＢＵＲＧＨＡＲＴ　Ｃ，ＫＥＩＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｏｓｔｅｏｔｏｍｙ　ｉｎ　Ｃｒａｎｉｏｆａｃｉａｌ　Ｓｕｒｇｅｒｙ［Ｃ］．　ＩＣＲＡ．１９９９．　（上接第３３页）　大的实际情况。本文对于摆锤共振型疲劳加载控制系　统以及系统共振频率搜索提供了理论基础，对实际工　程应用提供了理论依据。　譬　《　艇　参考文献　邬湘成．风电叶片疲劳加载试验系统研究［Ｄ］．上海：同　济大学，２０１２．　［２］　ＷＡＬＴ　ＭＵＳＩＡＬ．Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｅｒｔｉｉｃａｔｉｆｏｎ．　［ＥＢ／ＯＬ］．（２００４—０２—２４）［２０１２—１１—６］．　搜索规模Ⅳ　ｈｔｔｐ：／／ｗｉｎｄｐｏｗｅｒ．ｓａｎｄｉａ．ｇｏｖ／２００４ＢｌａｄｅＷｏｒｋｓｈｏｐ／ＰＤＦｓ／　ＷａｌｔＭｕｓｉａ１．ｐｄｆ．　图５两种搜索算法对比　［３］　ＷＨＩＴＥ　Ｄ，ＭＵＳＩＡＬ　Ｗ，ＥＮＧＢＥＲＧ　Ｓ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎｅｗ　Ｂ・－ＲＥＸ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｍｕｌｔｉ—Ｍｅｇａｗａｔｔ　４结束语　对比叶片疲劳加载各种方案，提出基于激光测距　传感器位移反馈的摆锤共振疲劳加载闭环控制系统，　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｂｌａｄｅｓ．［ＥＢ／ＯＬ］．（２００４—１２—１５）　［２０１２—１　１—６］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｒｅ１．ｇｏｖ／ｄｏｃｓ／ｆｙ０５ｏｓｔｉ／　３７０７５．ｐｄｆ．　提高了控制精度。传感器实时获取叶片疲劳加载过程　ｒ　］　ＯＬＥ　ＪＥＳＰＥＲ　ＤＳＨＬ　ＫＲＩＳＴＥＮＳＥＮ，ＥＲＩＫ　Ｒ　ＪＯＧＥＮＳＥＮ．　的振幅和频率等系统状态参数，为加载过程的监测和　分析提供重要信息。此外，还提出两种共振频率搜索　策略，经过对比分析，趋势二分法更适用于搜索规模较　５２机电一体化Ｉ　２０１３．１　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ＬＭ１９．１　Ｂｌａｄｅｓ．［ＥＢ／ＯＬ］，　（２００３—０５—１２）［２０１２—１１—６］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｉｓｏｅ．ｄｔｕ．　ｄｋ／ｒｉｓｐｕｂｌ／ＶＥＡ／ｖｅａｐｄｆ／ｒｉｓ—ｒ一１３５８．ｐｄｆ．