微創(chuàng)介入機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與精度分析

陳世明1，嚴(yán)偉瑋1，韓世鵬，張 一

(1.華東交通大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌 330013;2.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518000)

血管介入手術(shù)是指醫(yī)生在影像學(xué)方法的引導(dǎo)下，將導(dǎo)管送到病變部位進(jìn)行診斷與治療[1-2]。血管介入手術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前最具有應(yīng)用價值的治療手段之一[3]。但是介入手術(shù)也有一些不足，例如：醫(yī)生長期在有輻射的屏蔽室工作，有損健康；手術(shù)操作難度大，醫(yī)療學(xué)習(xí)周期長等等。微創(chuàng)介入機(jī)器人可以有效地解決上述問題。

目前，血管介入手術(shù)機(jī)器人按遞送介入器械的不同方式主要可分為摩擦驅(qū)動型和平臺移動型[4]。在摩擦驅(qū)動型方面，韓國成均館大學(xué)研制了一種通過后部兩個滾輪機(jī)構(gòu)來夾持和推送導(dǎo)管的介入手術(shù)機(jī)器人[5]。美國 Hansen 醫(yī)療公司研制了基于帶摩擦的 Magellan 血管介入機(jī)器人系統(tǒng)[6]。美國Corindus公司開發(fā)了CorPath 200血管介入機(jī)器人系統(tǒng)[7-8]。在滑動平臺型方面，北京工業(yè)大學(xué)研制介入手術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)是通過夾持和滑動平臺對導(dǎo)管進(jìn)行遞送以及力檢測[9]。日本香川大學(xué)研制了帶有觸覺反饋的遙操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng),其從端通過滑動平臺的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)管的遞送[10]。中國科學(xué)院自動化研究所和北京航空航天大學(xué)分別研制了針對心血管和腦血管的介入手術(shù)機(jī)器人,進(jìn)行了相關(guān)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與導(dǎo)航控制方法研究[11-12]。

本文總結(jié)了上述設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與不足，提出了一種新介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。機(jī)構(gòu)控制采用主從控制方式，且設(shè)計(jì)了用于夾持和旋捻導(dǎo)管的仿生手指，電機(jī)的控制算法采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定其PID參數(shù)。最后對其進(jìn)行一系列精度實(shí)驗(yàn)，并對其精度進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 血管機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1為本血管機(jī)器人系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖，主要包括主端操作手、從端推進(jìn)機(jī)構(gòu)和客戶機(jī)3個部分。

圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過對醫(yī)生實(shí)際手術(shù)過程的觀察分析，可以發(fā)現(xiàn)醫(yī)生在微創(chuàng)介入手術(shù)中送導(dǎo)管/導(dǎo)絲時，主要依靠手的推送與手指的旋捻來達(dá)到導(dǎo)管/導(dǎo)絲沿血管軸向進(jìn)退，在血管分支處的周向旋捻以及遇到障礙的躲避轉(zhuǎn)彎的目的。因此本文以此為設(shè)計(jì)理念，綜合考慮導(dǎo)管的方便裝夾、機(jī)構(gòu)的拆卸與消毒等因素，設(shè)計(jì)了仿生血管機(jī)器人來代替醫(yī)生完成導(dǎo)管介入的動作。然后結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)理念，將機(jī)構(gòu)分解為軸向進(jìn)給模塊和周向旋捻模塊，設(shè)計(jì)了如圖2所示的可仿人手推進(jìn)和旋捻的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

圖2 推進(jìn)機(jī)構(gòu)原理圖

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的血管介入推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要由推送和旋捻兩大模塊組成，推送模塊主要依靠推送電機(jī)(MAXON EC32)在絲杠的作用下帶動機(jī)構(gòu)前進(jìn)或后退。圖3為旋捻模塊，旋捻電機(jī)(MAXON EC20)帶動凸輪前后運(yùn)動，同時凸輪的前后運(yùn)動通過傳動桿轉(zhuǎn)換成仿生手指的上下運(yùn)動，從而模擬人手對導(dǎo)管的旋捻效果。并且可利用夾持電機(jī)(MAXON EC18)控制仿生手指對導(dǎo)管的夾持與松開，在仿生手指的另一側(cè)也配有手動夾持器以手動調(diào)節(jié)導(dǎo)管夾持的松緊程度。

1—夾持電機(jī);2—夾持裝置;3—導(dǎo)軌;4—仿生手指;5—導(dǎo)管支撐板;6—手動夾持器;7—絲杠底座;8—傳動桿;9—凸輪;10—旋捻電機(jī)圖3 旋捻模塊剖視圖

本文設(shè)計(jì)的血管介入手術(shù)機(jī)器人的推進(jìn)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、消毒方便的優(yōu)點(diǎn)，便于在醫(yī)療上推廣應(yīng)用；同時能夠適應(yīng)不同直徑的導(dǎo)管，并且可以很方便地取出和放入導(dǎo)管，也能保證夾緊導(dǎo)管的可靠度。此外，該裝置通過旋捻機(jī)構(gòu)驅(qū)動兩摩擦塊上下相對運(yùn)動的方式來捻動導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)，不會出現(xiàn)彈性滑動的問題，且能夠有效避免由于采用電機(jī)直接驅(qū)動傳感器以帶動導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)帶來傳感器纏線的問題，最終有效保證了導(dǎo)管的連續(xù)、可靠轉(zhuǎn)動。

2 血管機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主從控制系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的微創(chuàng)介入機(jī)器人系統(tǒng)由主、從兩部分組成，同時為了便于該系統(tǒng)手術(shù)過程中與造影導(dǎo)航系統(tǒng)集成，設(shè)計(jì)了如圖4所示的微創(chuàng)介入機(jī)器人控制系統(tǒng)。該機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制策略采用主從遙操作控制模式。從端與客戶機(jī)端通信采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)推送裝置電機(jī)控制、力反饋數(shù)據(jù)等信息的交互。同時客戶機(jī)與主手采用RS232串口通信，負(fù)責(zé)接收與發(fā)送控制。當(dāng)醫(yī)生在操作室由主端發(fā)出控制指令后，該控制指令經(jīng)客戶機(jī)處理通過局域網(wǎng)發(fā)送至主控制器，并交由推送裝置執(zhí)行，同時將收集到的導(dǎo)管位姿、電機(jī)狀態(tài)、力反饋數(shù)據(jù)等信息通過局域網(wǎng)實(shí)時反饋給客戶機(jī)與主手。

圖4 血管機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

實(shí)際手術(shù)時，醫(yī)生只需要在屏蔽室內(nèi)建立完成血管通道后，將導(dǎo)管/導(dǎo)絲通過血管鞘送入血管之后就可以暫時離開屏蔽室，在屏蔽室外通過血管造影導(dǎo)航系統(tǒng)與定位機(jī)械臂的引導(dǎo)就可完成導(dǎo)管/導(dǎo)絲的遞送，減少醫(yī)護(hù)人員受輻射時間。

2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)

PID控制是自動控制里最早、最普遍的控制方法。PID控制器算法與結(jié)構(gòu)簡單，易于操作且可靠性高，廣泛應(yīng)用于工程控制領(lǐng)域。

隨著工業(yè)的發(fā)展，對象的復(fù)雜程度不斷加深，傳統(tǒng)PID的不足逐漸顯露出來，人們在對PID應(yīng)用的同時，也對其進(jìn)行了各種改進(jìn)。例如引入各種智能算法與傳統(tǒng)PID相結(jié)合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型，其模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，是用大量簡單的神經(jīng)元連接組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),具自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力,為控制領(lǐng)域的研究開辟了新途徑。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制器的結(jié)合能夠起到很好的控制效果，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定Kp,Ki,Kd三個參數(shù)可以有效解決PID控制參數(shù)難以確定而使控制系統(tǒng)達(dá)不到最佳效果的問題[13]。

圖5所示為 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID系統(tǒng)的原理圖，它是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)PID控制器組合成[14]。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

圖6為控制系統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輸入層3個節(jié)點(diǎn)、隱含層6個節(jié)點(diǎn)、輸出層3個節(jié)點(diǎn)。首先初始化各權(quán)重系數(shù)，使其為(-1,1)間的隨機(jī)數(shù)，并將初始學(xué)習(xí)速率設(shè)為0.25，動量因子設(shè)為0.05。最后設(shè)定輸入值分別為e(k)、e(k-1)、1，其中e(k)為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n與給定轉(zhuǎn)速n*之差，即e(k)=n*-n，并進(jìn)行歸一化處理，選定輸出分別為Kp,Ki,Kd。

圖6 控制系統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 精度實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為檢測推進(jìn)機(jī)構(gòu)的精度，在微創(chuàng)介入機(jī)器人進(jìn)行仿真體模實(shí)驗(yàn)和動物活體實(shí)驗(yàn)之前提供數(shù)據(jù)積累，需要進(jìn)行一系列的精度實(shí)驗(yàn)，同時詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖7為推進(jìn)機(jī)構(gòu)樣機(jī)實(shí)物及實(shí)驗(yàn)場景圖。本次實(shí)驗(yàn)選用介入手術(shù)中常用的強(qiáng)生5F導(dǎo)管，其直徑約為1.67 mm。

圖7 推進(jìn)機(jī)構(gòu)樣機(jī)實(shí)物及實(shí)驗(yàn)場景

推進(jìn)機(jī)構(gòu)推進(jìn)導(dǎo)管的軸向進(jìn)給誤差εa是推進(jìn)機(jī)構(gòu)在已知的工作環(huán)境下，操作導(dǎo)管運(yùn)行某一給定的距離，其中導(dǎo)管運(yùn)行的測量值la與導(dǎo)管運(yùn)行的理論值lb間的差值，即

εa=la-lb

(1)

推進(jìn)機(jī)構(gòu)軸向重復(fù)定位精度是推進(jìn)機(jī)構(gòu)在已知的工作環(huán)境下，重復(fù)推進(jìn)導(dǎo)管到達(dá)某一給定點(diǎn)的誤差范圍，即

εb=(εa)max-(εa)min

(2)

3.1 推進(jìn)機(jī)構(gòu)軸向進(jìn)給精度實(shí)驗(yàn)

推進(jìn)機(jī)構(gòu)的軸向進(jìn)給精度實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證其軸向進(jìn)給距離的精度。由于導(dǎo)管是加持在仿生手指之間的，可通過給推送電機(jī)一個進(jìn)給的脈沖量來控制導(dǎo)管前進(jìn)與后退，脈沖量的值可以由式(3)計(jì)算：

P=128·s·d

(3)

式中，P為電機(jī)運(yùn)動的脈沖量(cnt)；s為設(shè)定的導(dǎo)管運(yùn)行的理論值(mm)；d為電機(jī)減速器的減速比。從MAXON電機(jī)手冊中可以查出電機(jī)減速箱的減速比為53∶1。

實(shí)驗(yàn)步驟：在導(dǎo)管軸向進(jìn)給的理論值分別為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm、100 mm情況下做5組實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)都是首先將推進(jìn)機(jī)器人置于初始狀態(tài)，使用游標(biāo)卡尺記錄導(dǎo)管初始狀態(tài)坐標(biāo)位置。然后通過位置模式設(shè)置推進(jìn)距離，同時控制電機(jī)推進(jìn)該設(shè)置距離，并記錄導(dǎo)管當(dāng)前坐標(biāo)位置。計(jì)算出兩個坐標(biāo)位置之差，即為其實(shí)際進(jìn)給距離。然后再退回初始位置，并重復(fù)10次上述操作，同時記錄每次坐標(biāo)位置，并計(jì)算實(shí)際距離與設(shè)置距離誤差，最后整理數(shù)據(jù)并計(jì)算軸向進(jìn)給精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 軸向進(jìn)給精度誤差圖

由圖8可知這5組實(shí)驗(yàn)的軸向進(jìn)給誤差最大為0.23 mm，最小幾乎為零，這說明所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)滿足精度要求。

3.2 推進(jìn)機(jī)構(gòu)軸向重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)

為完成推進(jìn)機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)，本文采用工業(yè)機(jī)器人重復(fù)定位精度的測試方法進(jìn)行測量，即設(shè)定相同的脈沖量，使推進(jìn)機(jī)構(gòu)來回重復(fù)推進(jìn)該距離，軸向重復(fù)定位精度并繪制誤差曲線。

實(shí)驗(yàn)步驟：在導(dǎo)管軸向運(yùn)行距離分別為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm、100 mm的情況下做了5組實(shí)驗(yàn)，每組重復(fù)做10次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)均記錄導(dǎo)管的軸向進(jìn)給距離，得出軸向進(jìn)給誤差，進(jìn)而算出重復(fù)定位誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

從圖9中能夠看出重復(fù)定位誤差都在±0.2 mm之間，說明所設(shè)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度滿足精度要求。

3.3 不同旋捻時長下的推進(jìn)機(jī)構(gòu)軸向進(jìn)給精度實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證推進(jìn)機(jī)構(gòu)在軸向進(jìn)給

圖9 構(gòu)軸向重復(fù)定位誤差圖

的過程中，仿生手指旋捻導(dǎo)管時的軸向推進(jìn)精度測試。由于仿生手指的上下旋捻運(yùn)動是由旋捻電機(jī)帶動凸輪前后運(yùn)動而成，故仿生手指的旋捻時長是由旋捻電機(jī)的運(yùn)動距離決定。

實(shí)驗(yàn)步驟：分別以0.5 mm、1.5 mm、3 mm三種不同的旋捻電機(jī)運(yùn)行距離進(jìn)行推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次，每次實(shí)驗(yàn)均記錄推進(jìn)機(jī)構(gòu)在上述這3種不同的旋捻時長下的軸向推進(jìn)精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 加入仿生手指旋捻后對軸向推進(jìn)誤差圖

從圖10中能夠看出加入仿生手指旋捻后對軸向推進(jìn)誤差的影響十分微小，說明所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)滿足精度要求。

3.4 不同直徑導(dǎo)管下的推進(jìn)機(jī)構(gòu)軸向進(jìn)給精度實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際中，需使用多種不同型號的導(dǎo)管來參與完成介入手術(shù)。因此，為驗(yàn)證本推進(jìn)機(jī)構(gòu)對不同直徑導(dǎo)管的適用性，設(shè)計(jì)了推進(jìn)機(jī)構(gòu)夾持不同直徑導(dǎo)管下的軸向進(jìn)給精度實(shí)驗(yàn)。除上述實(shí)驗(yàn)中的5F型導(dǎo)管外，本次實(shí)驗(yàn)還使用直徑約為2 mm的6F型以及直徑約為0.36 mm的導(dǎo)絲以證明所設(shè)計(jì)的介入機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性。

實(shí)驗(yàn)步驟：使推進(jìn)機(jī)構(gòu)分別夾持導(dǎo)絲以及5F，6F兩種不同直徑的導(dǎo)管進(jìn)行推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次，并記錄推進(jìn)機(jī)構(gòu)的軸向推進(jìn)精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同直徑導(dǎo)管下的推進(jìn)機(jī)構(gòu)軸向進(jìn)給誤差圖

由圖11可知，夾持不同直徑的導(dǎo)管/導(dǎo)絲對軸向進(jìn)給誤差差別甚微，說明本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)適用于不同直徑導(dǎo)管，同時滿足設(shè)計(jì)的精度要求。

根據(jù)上述4個實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及分析，可以得出該推進(jìn)機(jī)構(gòu)的精度滿足設(shè)計(jì)要求，并且可通過研究改進(jìn)以使其性能進(jìn)一步提高。因此，對該推進(jìn)機(jī)構(gòu)的精度分析，有助于提高整體系統(tǒng)的精度，若對此推進(jìn)機(jī)構(gòu)的精度做更深入的研究，能夠更進(jìn)一步提高并穩(wěn)定推進(jìn)機(jī)構(gòu)的精度，這對實(shí)際的手術(shù)是非常有研究價值的。通過對以上精度實(shí)驗(yàn)，分析影響推進(jìn)機(jī)構(gòu)精度的原因，提出了3條提高精度的可行舉措：

(1) 導(dǎo)管的軸向進(jìn)給是通過仿生手指夾持導(dǎo)管，電機(jī)通過滾珠絲杠帶動仿生手指模塊推進(jìn)與后退。其中滾珠絲杠具有很小的摩擦阻力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)，所以軸向運(yùn)動精度較好。導(dǎo)管的旋捻運(yùn)動完全依靠旋捻電機(jī)前后運(yùn)動帶動凸輪使仿生手指成上下捻動，可能會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，這類現(xiàn)象能夠通過下一步的改良仿生手指設(shè)計(jì)來得到改善；

(2) 目前導(dǎo)管電機(jī)的控制算法是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID算法，可通過下一步來進(jìn)行優(yōu)化該算法，使其整定出更優(yōu)化的PID參數(shù)，從而提高機(jī)構(gòu)的推進(jìn)精度和穩(wěn)定性；

(3) 介入機(jī)器人的零件加工以及裝配同樣會對其運(yùn)動精度產(chǎn)生影響；可以設(shè)法提高工廠加工精度以及零件裝配水平來減少誤差，從而改進(jìn)推進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動精度。

4 結(jié)束語

本文針對微創(chuàng)介入手術(shù)對醫(yī)生的身體危害性及難操作性等問題，通過設(shè)計(jì)基于仿生學(xué)模擬醫(yī)生實(shí)際夾持和旋捻導(dǎo)管動作的仿生手指機(jī)構(gòu)與基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的控制系統(tǒng)，研發(fā)出一種輔助醫(yī)生手術(shù)操作的新型介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。利用所研制出的血管介入機(jī)器人樣機(jī)，開展了推進(jìn)機(jī)構(gòu)的精度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測試的各項(xiàng)精度結(jié)果證明所開發(fā)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)符合精度的各項(xiàng)指標(biāo)，滿足精度的設(shè)計(jì)要求。通過對機(jī)構(gòu)精度和誤差來源的分析，給出提高精度的3條可行措施。本介入手術(shù)機(jī)器人滿足設(shè)計(jì)要求，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考依據(jù)。目前介入機(jī)器人樣機(jī)仍處于實(shí)驗(yàn)測試階段，下一步的研究工作是進(jìn)行仿真體模實(shí)驗(yàn)以及開展動物活體實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步改進(jìn)樣機(jī)。