未来骨科医工融合—文献集萃（十七）用于椎弓根固定手术中为协作机器人实时生成虚拟约束（辅助夹具）的自适应导纳控制方法

发布日期： 2024-12-17 19:10:00 阅读量： 15

尚华清（中国科学院深圳先进技术研究院）

摘要

本文提出了一种基于自适应导纳控制的控制策略，用于在经椎弓根固定手术中为协作机器人（COBOT）提供实时辅助夹具。该系统通过三模块结构，包括导纳模块、虚拟夹具生成模块和运动约束模块，使机器人在手术过程中能够动态响应外科医生的操作，同时保持高精度。虚拟夹具根据手术计划预定义的运动范围，避免工具触及周围的关键区域。实验结果验证了该系统在复杂手术任务中的稳定性和灵活性，有望减少术中辐射暴露及手术误差。

方法

系统的控制策略由导纳控制模块、虚拟夹具模块和运动约束模块组成。导纳控制模块通过安装在机器臂上的力/扭矩传感器测量用户施加的力，并将其转化为速度控制信号。虚拟夹具模块基于术前计划，将机器人操作区域划分为允许和禁止的空间，从而限制机器人的运动。运动约束模块通过投影矩阵将用户输入限制在安全区域内，避免机器人意外进入危险区域。实验中采用PA-10机器人验证系统的操作效果。

总结

研究显示，该系统可通过自适应导纳控制在经椎弓根固定手术中提高手术精度和安全性。机器人能在受控的虚拟夹具中实现平稳的运动，同时减少外科医生的负担。实验验证了该方法在动态环境下的高适应性，为协作式手术提供了一种有效的解决方案。未来的研究可以进一步优化该系统的安全性与人体工学设计。

创新点

1. **自适应导纳控制**：通过实时调节系统的粘性系数，该控制策略能适应外科医生不同的力输入，尤其在高精度定位任务中，能避免因用户输入刚度增加而导致的不稳定情况。该方法为手术操作提供了更高的稳定性和灵活性。

2. **虚拟夹具的实施**：利用虚拟夹具生成模块，系统在手术区域内创建允许和禁止的运动方向，确保机器人在复杂的手术环境中不会触及神经或血管等敏感组织。该功能增强了系统的安全性，减少了意外损伤的风险。

3. **动态运动约束模块**：此模块基于投影矩阵的运动限制技术，可将外科医生的输入限制在设定的安全范围内。通过该模块，机器人能有效地响应实时操作，确保只在预定安全路径内进行手术操作。

4. **实时力反馈和用户响应**：该系统集成了实时力反馈功能，为外科医生提供触觉反馈，使得操作更稳定、准确。通过该反馈机制，外科医生可以更轻松地完成复杂的手术路径引导任务。

5. **模块化设计与可扩展性**：与传统手术机器人不同，此系统的架构设计支持其他类型的手术，通过调整虚拟夹具的设定即可实现多种手术场景的适配。这种灵活性不仅提升了系统的适用性，还为未来拓展至其他手术领域提供了可能性。

自适应导纳控制框图

机器人原型的配置显示了 Mitsubishi PA-IO 手臂和连接到其末端执行器的 ATI mini45 力传感器

实现的架构基于 Linux-RTAI，这是一个用于控制回路执行的实时平台

文章来源：https://doi.org/10.1109/BIOROB.2012.6290853

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