微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械研究進(jìn)展

孟繁森， 辛紹杰， 桑成松

(1. 上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 上海 201306； 2. 上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 201306)

微創(chuàng)外科手術(shù)(Minimally Invasive Surgeries, MIS)是通過小創(chuàng)口(約10 mm)進(jìn)行手術(shù)的方法[1]。與開放式手術(shù)相比，有創(chuàng)傷小、出血少、并發(fā)癥少、康復(fù)快和住院時(shí)間短等優(yōu)勢[2]，推動(dòng)了現(xiàn)代外科的發(fā)展并已逐步成為現(xiàn)代外科手術(shù)發(fā)展的一種趨勢。

傳統(tǒng)的腔鏡下微創(chuàng)手術(shù)也有著許多缺陷：① 持鏡方面。在手術(shù)過程中長時(shí)間持鏡會(huì)產(chǎn)生疲勞和顫抖，造成手術(shù)圖像震顫影響醫(yī)生視覺，且助手持鏡也會(huì)削弱主刀醫(yī)生的手眼協(xié)調(diào)能力。② 操作方面。MIS所使用的手術(shù)器械自由度很少，還需受到支點(diǎn)效應(yīng)的限制[3]導(dǎo)致腕部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)喪失而限制手術(shù)靈活性。尤其是在縫合任務(wù)多、解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手術(shù)中，醫(yī)生必須進(jìn)行腕部靈活的操作來補(bǔ)充自由度，這延長了手術(shù)時(shí)間也加劇了醫(yī)生疲勞。③ 工作空間方面。固定的端口和手術(shù)通道會(huì)限制有效的工作空間。④ 精度方面。手術(shù)時(shí)手部的顫動(dòng)會(huì)影響到器械尖端的精準(zhǔn)度，且人手直接操作的傳統(tǒng)微創(chuàng)器械也達(dá)不到一些高精度手術(shù)的需求。⑤ 感知方面。手術(shù)時(shí)得不到開放手術(shù)中的“手感”，力觸覺信息的缺失弱化了醫(yī)生的感知，影響手術(shù)效果。⑥ 學(xué)習(xí)方面。復(fù)雜手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線較長，不利于醫(yī)生的學(xué)習(xí)掌握[4]。

微創(chuàng)機(jī)器人的使用很好地應(yīng)對(duì)了上述傳統(tǒng)腔鏡下微創(chuàng)手術(shù)的不足、緩解了對(duì)醫(yī)生手術(shù)的限制、提升了微創(chuàng)手術(shù)的效果。此外，微創(chuàng)機(jī)器人還有遠(yuǎn)程手術(shù)、術(shù)前規(guī)劃、導(dǎo)航等功能。其中最具代表性的是美國Intuitive Surgical公司的Da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)[5]，以其靈活的多自由度手術(shù)器械、除顫與運(yùn)動(dòng)縮放、優(yōu)良人性化的坐姿主要從遙操作控制和高分辨率的3D視覺反饋等功能支持進(jìn)行高效、精準(zhǔn)、靈活的操作和視覺真實(shí)的微創(chuàng)手術(shù)[6]。雖然機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)在很大程度上解決了傳統(tǒng)腔鏡下微創(chuàng)手術(shù)的不足，但還是存在力感知缺失、消毒滅菌困難、價(jià)格昂貴等問題[7]。這些問題的改善，很大程度上在于微創(chuàng)機(jī)器人末端手術(shù)器械的設(shè)計(jì)，其直接與病灶接觸且是具體執(zhí)行的機(jī)構(gòu)，因此，展開微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械的研究對(duì)微創(chuàng)機(jī)器人性能和治療效果的提升是極為關(guān)鍵的。

本文討論的手術(shù)器械及其技術(shù)是集成或應(yīng)用在微創(chuàng)機(jī)器人上的醫(yī)療器械，按其結(jié)構(gòu)特征分成：關(guān)節(jié)鉸接式、連續(xù)體式、單孔集成式器械。討論近5年來國內(nèi)外對(duì)微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械的研究情況，并探討它們各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。按照測量方式的不同將力反饋技術(shù)分為直接測量和間接測量兩種方式，并進(jìn)行分類討論。同時(shí)還需說明的是，由于醫(yī)療器械與機(jī)器人技術(shù)的設(shè)計(jì)周期長、參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜和臨床實(shí)驗(yàn)困難等因素的特殊性，對(duì)其研究多數(shù)沒有進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，故本文將立足機(jī)構(gòu)和機(jī)器人學(xué)研究的角度進(jìn)行對(duì)比分析。

1 微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械

傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)器械的自由度低、靈活性差，無法過濾手部的震顫，不能裝載在微創(chuàng)機(jī)器人上進(jìn)行手術(shù)。在這種情況下，開展多自由度、操作靈活、安裝快捷和方便消毒滅菌的微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械研究是極有必要的。同時(shí)，隨著微創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展和外科手術(shù)對(duì)更小創(chuàng)口的追求，開發(fā)單孔集成式手術(shù)器械乃至可通過自然孔道的器械越來越受研究者的重視。從微創(chuàng)機(jī)器人和手術(shù)器械歷史和發(fā)展的角度來看，關(guān)節(jié)式和連續(xù)體式器械是單孔集成式器械技術(shù)發(fā)展的積累和基礎(chǔ)。因此，這部分將按結(jié)構(gòu)特征的類型和聯(lián)系為基礎(chǔ)，以關(guān)節(jié)鉸接式、連續(xù)體式、單孔集成式的順序分別對(duì)其進(jìn)行討論。

1.1 關(guān)節(jié)鉸接式

關(guān)節(jié)鉸接式器械通常是由多個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、離散剛性連桿連接，具有高剛性、運(yùn)動(dòng)靈活直觀的特點(diǎn)。圖1所示為關(guān)節(jié)鉸接式器械，這類器械的特點(diǎn)是擁有固定的自由度和較為緊湊的尺寸，同時(shí)這也是設(shè)計(jì)的約束。例如，如何在有限尺寸和自由度的限制下高效地將軸向旋轉(zhuǎn)傳遞到末端執(zhí)行器。

Da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)的EndoWrist是一款商業(yè)化類似人手腕運(yùn)動(dòng)的手術(shù)器械組[8]，包含常用手術(shù)器械，如圖1(a)所示。EndoWrist器械直徑5～8 mm，采用鋼絲傳動(dòng)方案，有包含獨(dú)立的鉗口開合、外展腕軸和器械軸旋轉(zhuǎn)的4個(gè)自由度，安裝在從臂上后共有7個(gè)自由度。EndoWrist的優(yōu)勢在于操作靈活、與從臂快速裝拆，是目前應(yīng)用最廣泛的商用器械，但有使用次數(shù)受限和缺乏力觸覺反饋的不足。

首爾大學(xué)研制了微型鉸接腕式器械[9]，如圖1(b)、(c)所示。腕部有兩個(gè)自由度，通過兩個(gè)同心軸驅(qū)動(dòng)的斜齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橥蟛筷P(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)且沿滾動(dòng)方向可完全旋轉(zhuǎn)，其腕部可伸縮、俯仰角度范圍為±90°，其平均移動(dòng)誤差為1.31 mm，運(yùn)動(dòng)負(fù)載為250 g。不足是有奇異位置、抓鉗尺寸大，斜齒輪對(duì)制造要求高。

天津大學(xué)針對(duì)現(xiàn)有器械的機(jī)械效率低、運(yùn)動(dòng)耦合性差等問題，基于剛性厚板折紙理論開發(fā)了一種微創(chuàng)抓鉗[10]，如圖1(d)所示。器械有77.78°的張角和9 mm的直徑，利用折紙?jiān)谡酆厶幰暈樾D(zhuǎn)鉸鏈，由折痕包圍的紙張視為連桿的折紙理論[11]，把多自由度機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱巫杂啥葯C(jī)構(gòu)。其優(yōu)勢還在于得到了2.5倍于傳統(tǒng)手術(shù)鉗的機(jī)械效益，此外也有較好的夾持力、張角、靈活性。

圖1 關(guān)節(jié)鉸接式器械

1.2 連續(xù)體式

由于關(guān)節(jié)鉸接式手術(shù)器械和仿生學(xué)的發(fā)展，再加上對(duì)更低創(chuàng)的追求，研究人員基于蛇類和章魚等生物的生理特點(diǎn)開發(fā)了連續(xù)體式機(jī)器人，它是由連續(xù)彈性元件(碟片、蛇骨和套管等)組成的[12]，特點(diǎn)有：可在復(fù)雜環(huán)境下通過非線性路徑進(jìn)行手術(shù)、順應(yīng)性結(jié)構(gòu)、易于小型化，但剛度較低。因此，對(duì)設(shè)計(jì)提出了要求，例如，連續(xù)體機(jī)器人的剛度和工作空間必須足夠大，才能支持器械能夠達(dá)到復(fù)雜位置且能在運(yùn)動(dòng)過程中施加足夠的力。因?yàn)檫B續(xù)體式器械的骨架材料通常選擇具有較高彈性應(yīng)力極限的材料，所以常用鋼與碳纖維復(fù)合材料、有良好生物相容性的超彈性NiTi合金(更為常用)。

Da Vinci機(jī)器人的連續(xù)體器械[13]，如圖2(a)所示，通過多組碟片和穿過碟片的鋼絲繩來完成偏轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)很好地解決了工作空間的奇異現(xiàn)象，提升了靈活性和使用壽命，但這也給鋼絲傳動(dòng)的布局和碟片組的設(shè)計(jì)帶來了困難。

加拿大多倫多大學(xué)基于類Da Vinci系統(tǒng)的研究平臺(tái)(da Vinci Research Kit, dVRK)設(shè)計(jì)了同心管器械(Concentric Tube Instrument, CTI)和微型非對(duì)稱切口機(jī)器人(Miniaturized Asymme-trically Cut Robotic, MACRO)器械[14]，如圖2(b)所示。CTI由3層套管和鋼絲共同完成3自由度的鉗爪運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供了較大的工作空間和較小的軸頸(2 mm)，但對(duì)于急劇轉(zhuǎn)彎上表現(xiàn)不好；MACRO有著2 mm的軸頸，其通過缺口管和外置的纜絲和彈簧實(shí)現(xiàn)2自由度運(yùn)動(dòng)，有更小的彎曲半徑和耦合。

上海交通大學(xué)用于上頜竇手術(shù)的4自由度連續(xù)體模塊手術(shù)器械[15]，如圖2(c)所示。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(4 mm)由四孔球窩關(guān)節(jié)和鋼纜絲傳動(dòng)組成，270°彎曲能力保證可靈活繞過上頜竇內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)完成手術(shù)。

上海交通大學(xué)還開發(fā)了具有增強(qiáng)功能的模塊化手術(shù)器械(Strengthened Modularly Actuated Robotic Laparoscopic Tool, SMARLT)[16]，如圖2(d)所示。該器械軸頸為7 mm，有2個(gè)自由度。采用了雙連續(xù)體對(duì)偶機(jī)構(gòu)，近端和遠(yuǎn)端的彈性關(guān)節(jié)排列相似且近端彎曲會(huì)使遠(yuǎn)端反向彎曲，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端靈活操作和負(fù)載能力。

圖2 連續(xù)體式器械

1.3 單孔集成式

由于傳統(tǒng)MIS常需使用多個(gè)專用器械(如解剖器、抓取器、牽開器和內(nèi)窺鏡)，以及對(duì)更優(yōu)化的手術(shù)通路和更小的手術(shù)創(chuàng)傷的追求，研究人員開始設(shè)計(jì)一種可通過單通路且集成多種手術(shù)器械的工具——單孔集成式器械(見圖3)。這類器械有侵入性小、術(shù)后恢復(fù)快的優(yōu)勢，也減輕了手術(shù)暴露不良和器械碰撞等問題，但也有許多問題。例如，小尺寸上集成多種儀器和功能有許多挑戰(zhàn)，包括三角剖分不足、器械定位和運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、器械擁擠易相互干擾、人體工學(xué)設(shè)計(jì)困難和手術(shù)通道尺寸大等問題。需要指出的是，單孔集成式機(jī)器人是在關(guān)節(jié)鉸接式和連續(xù)體式器械的影響下發(fā)展而來，故集成在單孔集成器械中的某個(gè)器械的特征是與上述兩種器械密切相關(guān)的。

Da Vinci SP機(jī)器人的單孔手術(shù)器械[17](見圖3(a))由1個(gè)3D視覺模塊和3個(gè)抓鉗組成，采用類伺服驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)級(jí)電動(dòng)機(jī)控制來保障器械的運(yùn)動(dòng)精度。

密歇根大學(xué)和上海交通大學(xué)開發(fā)了一款單孔腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人SURS[18](見圖3(b))，其在折疊狀態(tài)下可通過12 mm的端口進(jìn)入腹部，有3自由度的視覺模塊和兩個(gè)6自由度的展開臂，展開臂的結(jié)構(gòu)平均彎曲誤差為0.72°～1.39°。

圖3 單孔集成器械

單端口蛇形機(jī)構(gòu)的固定剛度很難應(yīng)對(duì)高載荷和精確定位下的深入腹腔操作，基于此三星高級(jí)技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)了新型可變中性線機(jī)構(gòu)，做出了4自由度的可調(diào)剛度超冗余管狀操縱器[19](見圖3(c))。薄且空心的接頭單元通過改變鋼筋束的張力完成連續(xù)的剛度調(diào)節(jié)，得到了較好的靈活性和可調(diào)剛度，可更容易、安全地進(jìn)行單端口下的困難手術(shù)。

內(nèi)布拉斯加州林肯大學(xué)開發(fā)的微型液壓單孔操作器[20](見圖3(d))可攜帶4個(gè)手術(shù)器械，通過控制器和液壓缸的配合完成操作器械的切換，且對(duì)器械的操作力峰值進(jìn)行了限制，有安全性好、更換快、尺寸小的優(yōu)勢。

新加坡國立大學(xué)的多通道單端柔性并聯(lián)手術(shù)機(jī)器人[21](見圖3(e))由兩個(gè)5自由度的柔性操縱器通道和一個(gè)內(nèi)窺鏡通道組成。各通道均有3組超彈性鎳鈦桿和萬向節(jié)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這種并聯(lián)機(jī)構(gòu)在受約束的手術(shù)工作空間可靈活運(yùn)動(dòng)。

介紹3類器械后，對(duì)其進(jìn)行簡要直觀的整理分析，得到微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械的總結(jié)對(duì)比如表1所示。

通過上述對(duì)各類器械的討論和對(duì)比分析介紹，對(duì)3類微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械的特征的比較如表2所示。由于各類器械設(shè)計(jì)原理、目的和功能等的不同，本文將以整體特征為中心來進(jìn)行對(duì)比。

2 手術(shù)器械力檢測技術(shù)

臨床上，力覺信息的缺失會(huì)使醫(yī)生在鑒別組織的物理特性、縫合、打結(jié)操作上產(chǎn)生困難。此外，力反饋的缺失導(dǎo)致學(xué)習(xí)曲線較長，無法感受抓力的大小，可能會(huì)夾壞組織[22]。提供力反饋可提高操縱精度、縮短手術(shù)時(shí)間。

為提供真實(shí)的手術(shù)環(huán)境和還原“手感”的力反饋技術(shù)，在手術(shù)器械上安裝傳感器測量觸覺信息并通過專門的人機(jī)接口反饋給醫(yī)生。因此，力反饋問題可分為兩個(gè)問題：檢測尖端力學(xué)信息的檢測問題和將力信息傳遞給醫(yī)生的反饋補(bǔ)償問題。由于器械尺寸約束，與傳感器相關(guān)的測量范圍、靈敏度、抗干擾性和兼容性等因素的影響，以及體內(nèi)環(huán)境的不確定性等條件的共同作用，導(dǎo)致研究力檢測技術(shù)是相當(dāng)困難的?；谏鲜鲈?，本文將重點(diǎn)放在技術(shù)相對(duì)不成熟、發(fā)展較為困難的力檢測技術(shù)，討論其當(dāng)前研究的情況。

表1 微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械比較

表2 3類微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械特征比較

當(dāng)前，有兩種力檢測方式：一是將傳感器集成在器械尖端上直接進(jìn)行力檢測的直接檢測方式；二是將傳感器集成在器械遠(yuǎn)端通過測量手術(shù)器械的位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)來間接估測交互力的間接測量方式。

2.1 直接測量方案

印度韋洛爾理工大學(xué)設(shè)計(jì)的有力檢測功能的手術(shù)器械[23]，如圖4所示。力傳感器植入了鉗抓附件的萬向節(jié)旁邊，能有效檢測較小的組織作用力。剛性連桿體上使用了形狀記憶合金，有較好的精度和靈活性。

意大利理工學(xué)院基于Da Vinci系統(tǒng)研發(fā)了皮膚反饋系統(tǒng)[24]，如圖5所示。系統(tǒng)由安裝在手術(shù)器械尖端上的BioTac觸覺傳感器和皮膚反饋裝置組成，BioTac傳感器將感應(yīng)到的接觸變形和振動(dòng)直接映射到皮膚反饋設(shè)備電動(dòng)機(jī)的輸入來實(shí)現(xiàn)力反饋。

斯坦福大學(xué)針對(duì)臨床中抓握滑動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了基于滑移感應(yīng)的抓鉗[25]，如圖6所示。采用基于熱傳感器的感測方法，在滑移時(shí)測量與滑動(dòng)相關(guān)的溫度變化從而監(jiān)視滑移情況。雖然可檢測到微小滑動(dòng)，但受組織類型、水分、熱條件的干擾，測量差異較大。

成均館大學(xué)的力感知抓鉗[26]，如圖7所示，鉗口近端集成了兩個(gè)微型三軸力電容傳感器，通過在上下鉗口呈三角結(jié)構(gòu)布置的電容傳感器排列實(shí)現(xiàn)5自由度的力/扭矩感知，成本低廉適用于一次性器械。

約翰·霍普金斯大學(xué)研制了用于玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)的3自由度微型力感知鉗(28 mm×13.2 mm×7 mm)[27]，如圖8所示。在微型管中央內(nèi)置1個(gè)軸向光纖(Fiber Bragg Grating, FBG)傳感器，與在微管中的3個(gè)橫向FBG傳感器檢測抓鉗所受橫向和軸向力。直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管開/閉鉗口，無需機(jī)械連接即可實(shí)現(xiàn)抓鉗制動(dòng)，同時(shí)也保證了制動(dòng)時(shí)傳感器輸出的高度可重復(fù)性。

為了解決目前力檢測中包含大量導(dǎo)線、不耐消毒滅菌和高成本的缺陷，韋仕敦大學(xué)設(shè)計(jì)了低成本的一次性觸覺傳感器[28]，如圖9所示，傳感器包含板載模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，僅需兩個(gè)電源端和兩個(gè)數(shù)字信號(hào)端連接。

哈爾濱工程大學(xué)的具有三維力感知能力的手術(shù)抓鉗[29]，如圖10所示，基于解耦特性將二維力傳感器與抓鉗集成為一個(gè)零件，通過兩個(gè)傳感器在抓鉗上90°互相垂直異置和三維力解耦算法實(shí)現(xiàn)力傳感功能。

2.2 間接測量方案

韓國科學(xué)技術(shù)院設(shè)計(jì)了基于間接測量驅(qū)動(dòng)力方法來模擬力感知的微創(chuàng)手術(shù)器械[30]，如圖11(a)所示。浮子差動(dòng)扭矩傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行扭矩測量，其結(jié)構(gòu)避免了傳輸線的扭曲，且可重復(fù)性和滯后性表現(xiàn)較好，但精度較低。

慶應(yīng)大學(xué)開發(fā)了基于電動(dòng)液壓傳動(dòng)的力感知手術(shù)鉗[31]，如圖11(b)所示，用流體實(shí)現(xiàn)抓握運(yùn)動(dòng)。器械集成了基于狀態(tài)檢測器的反作用力檢測器(速度狀態(tài)檢測器可通過位置編碼器測量位移估得信息，干擾狀態(tài)檢測器由電流和位置反饋估得干擾信息)實(shí)現(xiàn)了無力傳感器的作用力檢測。

天津大學(xué)基于“妙手S”機(jī)器人的4自由度手術(shù)器械提出了夾持力預(yù)補(bǔ)償方法，如圖11(c)所示。其中，α、β、γ為器械腕部關(guān)節(jié)角度值；φ1、φ2、φ3為對(duì)應(yīng)的接口轉(zhuǎn)角值。通過將主從運(yùn)動(dòng)映射得到的器械姿態(tài)信息與夾持力之間建立映射關(guān)系模型預(yù)估理想夾持力的輸出值，該模型的優(yōu)點(diǎn)是無需考慮傳動(dòng)環(huán)節(jié)中各因素對(duì)夾持力的影響[32]。

介紹了一部分力檢測器械后，可對(duì)這些器械技術(shù)進(jìn)行簡要直觀的對(duì)比分析。本文討論的力檢測器械的總結(jié)對(duì)比如表3所示。

圖4 有力檢測的手術(shù)器械

圖5 液壓單孔操作器

圖6 基于滑移感應(yīng)的手術(shù)抓鉗

圖7 力感知抓鉗

圖8 用于玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)的力感知手術(shù)鉗

圖9 一次性觸覺傳感器

圖10 三維力感知手術(shù)抓鉗

圖11 間接測量

表3 力檢測器械比較

綜上，無論是直接或間接測量，多數(shù)的力檢測技術(shù)需用類傳感器實(shí)現(xiàn)檢測，將傳感器集成到小尺寸器械中。為此，應(yīng)先解決傳感器安裝、電線扭曲、不確定因素(電動(dòng)機(jī)反沖、摩擦)干擾和消毒條件影響的問題。此外，檢測技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化也是研究的重點(diǎn)。兩種測量方式的簡要對(duì)比如表4所示。

表4 兩種檢測方式比較

3 結(jié) 論

本文基于微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，討論了關(guān)節(jié)鉸接式、連續(xù)體式、單孔集成式手術(shù)器械以及各自的特點(diǎn)和發(fā)展情況，并對(duì)直接、間接檢測兩種力檢測技術(shù)方式進(jìn)行了介紹，得到了以下結(jié)論：

(1) Da Vinci系統(tǒng)和手術(shù)器械的設(shè)計(jì)理念和商業(yè)化水平在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平，但還沒有實(shí)現(xiàn)力感知觸覺反饋功能。我國對(duì)微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)器械的研究發(fā)展迅速，但還很不足。

(2) 關(guān)節(jié)鉸接式器械剛度高、運(yùn)動(dòng)靈活，但尺寸限制大、關(guān)節(jié)傳動(dòng)復(fù)雜。同時(shí)，這類集成力檢測和反饋技術(shù)的器械相對(duì)較多，具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)和尺寸以及集成力檢測功能的關(guān)節(jié)鉸接式器械是今后的發(fā)展方向。

(3) 連續(xù)體式器械尺寸小、遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)靈活、順應(yīng)性強(qiáng)，但有剛度限制、運(yùn)動(dòng)檢測和定位困難。其發(fā)展要解決器械形狀和運(yùn)動(dòng)檢測定位、人機(jī)交互接口、剛度限制等問題，此外，新材料的應(yīng)用也是發(fā)展方向。

(4) 單孔集成式器械集成多種手術(shù)器械和內(nèi)窺鏡，通過單通路進(jìn)行手術(shù)，有少創(chuàng)傷的特點(diǎn)。其發(fā)展要解決三角剖分不足、器械定位和運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、器械擁擠易相互干擾、手術(shù)通道尺寸大和人體工學(xué)設(shè)計(jì)困難等問題。

(5) 由于對(duì)更低創(chuàng)傷的追求，微創(chuàng)手術(shù)器械整體向尺寸更小、靈活更高、精度更高、操作更便捷的方向發(fā)展，單孔集成式器械和自然孔道技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。同時(shí)，受小體積、高靈活、高精度、運(yùn)動(dòng)解耦、易消毒和優(yōu)良生物相容性等設(shè)計(jì)要求的影響，不兼容的微創(chuàng)機(jī)器人平臺(tái)和手術(shù)類型的限制，以及各種醫(yī)療相關(guān)的法律法規(guī)的約束和其他因素的影響，導(dǎo)致了開發(fā)研究的束縛和產(chǎn)品化的困難。

(6) 直接檢測是用傳感器在器械尖端直接對(duì)測量信息進(jìn)行收集，減小傳感器位置、電線扭曲、消毒方法和安裝等因素帶來的誤差是未來研究的方向。另外，新型高性價(jià)比的微傳感器的設(shè)計(jì)也是其發(fā)展的重點(diǎn)。

(7) 間接檢測對(duì)于傳感器的要求較低，其研究的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)更優(yōu)化的預(yù)估模型，解決不確定效應(yīng)的影響、提高建模精度、降低計(jì)算量?；谂R床條件的多檢測方式、微傳感器、精確感知信息模型和優(yōu)良人機(jī)交互設(shè)計(jì)等問題是力檢測技術(shù)深入發(fā)展的關(guān)鍵。