手術(shù)機(jī)器人主從運(yùn)行延遲時(shí)間測(cè)量裝置

孫麗杰 陳婉如 黃薛青 熊信文 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

將機(jī)器人技術(shù)引入傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)當(dāng)中，在具備微創(chuàng)手術(shù)創(chuàng)傷小、疼痛輕和恢復(fù)快的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上[1-2]，同時(shí)提高醫(yī)生操作手眼協(xié)調(diào)性、消除醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間手術(shù)操作易疲勞和增強(qiáng)醫(yī)生操作靈活性等，因此，手術(shù)機(jī)器人在外科手術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用[3]。目前，手術(shù)機(jī)器人主要采用主從映射的控制方式，醫(yī)生在主控臺(tái)控制手術(shù)機(jī)器人主手的移動(dòng)，根據(jù)主從控制原理，從手機(jī)械臂跟隨主手移動(dòng)，完成手術(shù)操作[4]。根據(jù)國(guó)家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 1712—2021《采用機(jī)器人技術(shù)的輔助手術(shù)設(shè)備和輔助手術(shù)系統(tǒng)》的術(shù)語(yǔ)3.24 的規(guī)定，主從控制延遲時(shí)間指從端設(shè)備復(fù)現(xiàn)主端設(shè)備運(yùn)動(dòng)的延遲時(shí)間。手術(shù)機(jī)器人主從控制運(yùn)動(dòng)過程如圖1 所示[5]，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程研究分析可知，主從控制延遲時(shí)間主要來(lái)源如表1 所述[6]。

圖1 主從控制延遲時(shí)間分析圖

表1 手術(shù)機(jī)器人主從控制延遲時(shí)間來(lái)源分析

依據(jù)表1 分析結(jié)果可知，手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主從控制延遲時(shí)間t=t1+t2+t3+t4。

主從控制延遲時(shí)間的大小與手術(shù)效果和手術(shù)的成功與否存在緊密關(guān)系，延時(shí)過大會(huì)延長(zhǎng)醫(yī)生手術(shù)操作的時(shí)間，加大手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并且對(duì)醫(yī)生的心理造成巨大壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)主從控制延遲時(shí)間超過500 ms 以上時(shí)，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著提高[7]。對(duì)于手術(shù)機(jī)器人設(shè)備的開發(fā)者來(lái)說(shuō)，對(duì)系統(tǒng)主從控制延遲時(shí)間詳細(xì)地定量描述有助于發(fā)現(xiàn)不足并不斷優(yōu)化，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量延遲時(shí)間是減小延時(shí)以及延時(shí)補(bǔ)償?shù)那疤?，也是評(píng)價(jià)機(jī)器人性能的重要指標(biāo)。因此，手術(shù)機(jī)器人主從控制延遲時(shí)間的測(cè)試對(duì)手術(shù)的安全性與可靠性評(píng)估具有重要意義，如何進(jìn)行延遲時(shí)間測(cè)試是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題[8]。依據(jù)醫(yī)用電器設(shè)備行業(yè)的管理規(guī)定，手術(shù)機(jī)器人的基本安全和基本性能需要經(jīng)過檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)認(rèn)證，設(shè)備在經(jīng)過防水、泄漏電流、輻射抗擾度等測(cè)試前后，工程師可以通過延遲時(shí)間這一參數(shù)快速判斷手術(shù)機(jī)器人功能是否降低或喪失，以此判斷產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

通過研究系統(tǒng)延時(shí)機(jī)理，本文依據(jù)國(guó)家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 1712-2021《采用機(jī)器人技術(shù)的輔助手術(shù)設(shè)備和輔助手術(shù)系統(tǒng)》，設(shè)計(jì)一套手術(shù)機(jī)器人主從運(yùn)行時(shí)間測(cè)量裝置，該裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)量系統(tǒng)主從控制延遲時(shí)間，協(xié)助工程師判斷系統(tǒng)的性能和功能。

1 手術(shù)機(jī)器人主從控制延遲時(shí)間測(cè)量要求

針對(duì)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，從端設(shè)備復(fù)現(xiàn)主端設(shè)備運(yùn)動(dòng)的延遲時(shí)間稱為主從控制延遲時(shí)間。為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可比性和測(cè)量方法的可靠性，裝置（如圖2 所示）的設(shè)計(jì)應(yīng)符合YY/T 1712-2021 對(duì)主從控制延遲時(shí)間測(cè)試的要求，具體如下：1）手術(shù)機(jī)器人主端操作手柄與直線運(yùn)動(dòng)發(fā)生裝置剛性連接，后者帶動(dòng)主端操作手柄直線移動(dòng)。2）主從控制映射比例1 ∶1。3）通過兩個(gè)位移傳感器同時(shí)測(cè)量主端設(shè)備參考點(diǎn)和從端設(shè)備參考點(diǎn)在上述過程中位移隨時(shí)間的變化，得到手術(shù)機(jī)器人主從端設(shè)備參考點(diǎn)的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)。4）繪制主從端設(shè)備參考點(diǎn)位移和時(shí)間曲線，取主端設(shè)備參考點(diǎn)和從端設(shè)備參考點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間差作為啟動(dòng)延時(shí)。5）在主端設(shè)備80%運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)，取主端設(shè)備參考點(diǎn)和從端設(shè)備參考點(diǎn)在相同位移時(shí)的時(shí)間差的最大值作為跟隨延時(shí)。6）對(duì)X軸、Y軸、Z軸3 個(gè)方向分別測(cè)試，并重復(fù)3 次，取3 次測(cè)試結(jié)果平均值作為各方向上的啟動(dòng)延時(shí)和跟隨延時(shí)。7）取X軸、Y軸、Z軸3 個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的啟動(dòng)延時(shí)最大值作為主從控制啟動(dòng)延遲時(shí)間；8）取X軸、Y軸、Z軸3 個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的跟隨延時(shí)最大值作為主從控制跟隨延遲時(shí)間[9]。

圖2 主從運(yùn)行時(shí)間測(cè)量裝置

2 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2 所示該裝置主要由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、直線模組、位移傳感器、夾具和型材支撐架組成。工程師在計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互界面設(shè)置主端設(shè)備移動(dòng)的速度、位移、時(shí)間等參數(shù)，該參數(shù)指令通過PLC 發(fā)送脈沖信號(hào)至伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；直線模組與伺服電機(jī)裝配，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)直線模組螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)；通過夾具將手術(shù)機(jī)器人主端設(shè)備末端與直線模組剛性連接，實(shí)現(xiàn)主端設(shè)備沿直線模組的直線移動(dòng)。第一臺(tái)位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量主端設(shè)備末端參考點(diǎn)的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)主從控制原理，手術(shù)機(jī)器人從端設(shè)備跟隨主端設(shè)備直線移動(dòng)；第二臺(tái)位移傳感器測(cè)量從端設(shè)備末端參考點(diǎn)的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)。兩臺(tái)位移傳感器連接至PLC，通過PLC 將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)端。主從運(yùn)行時(shí)間測(cè)量裝置如圖3 所示。

圖3 主從運(yùn)行時(shí)間測(cè)量裝置

1）主端設(shè)備移動(dòng)裝置和測(cè)量裝置的安裝

如圖3（a）所示，伺服電機(jī)與直線模組裝配之后，通過螺釘固定在支架1 上，位移傳感器1 固定在支架1 的一側(cè)末端；夾具底端固定于直線模組，并隨螺桿直線移動(dòng)；夾具頂端的緊固螺栓夾緊主端設(shè)備末端部位，保證主端設(shè)備隨直線模組同步移動(dòng)。伺服電機(jī)、直線模組、夾具、位移傳感器1 和支架1安裝固定為一個(gè)整體，通過支架1 四個(gè)頂點(diǎn)的螺紋孔實(shí)現(xiàn)與型材支撐架1 各邊框的拆卸和安裝。

2）從端設(shè)備測(cè)量裝置的安裝

如圖3（b）所示，通過支架1 四個(gè)頂點(diǎn)的螺紋孔，將支架1 固定在型材支撐架1 的AA 邊框。位移傳感器2 固定在支架2 一側(cè)末端，兩者作為一個(gè)整體，通過支架2 上的螺紋孔固定在型材支撐架2 的aa 邊框，同時(shí)兩個(gè)型材支撐架的放置位置需保證AA 邊框與aa 邊框平行。

3）采集主端設(shè)備和從端設(shè)備末端參考點(diǎn)位移和時(shí)間數(shù)據(jù)

實(shí)際測(cè)試時(shí)，型材支撐架1 放置于手術(shù)機(jī)器人主控臺(tái)上方，調(diào)整手術(shù)機(jī)器人主端設(shè)備操作手柄空間位置，通過夾具剛性連接直線模組與主端設(shè)備操作手柄；伺服電機(jī)帶動(dòng)直線模組沿直線移動(dòng)，位移傳感器1 測(cè)量主端設(shè)備末端參考點(diǎn)的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)；型材支撐架2 放置于手術(shù)機(jī)器人從端設(shè)備下方，調(diào)整從端設(shè)備處于合適的空間位置，使從端設(shè)備末端處于支架2 上方。根據(jù)手術(shù)機(jī)器人主從控制原理，設(shè)置主從映射比例為1∶1。當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)主端設(shè)備操作手柄直線移動(dòng)時(shí)，從端設(shè)備跟隨主端設(shè)備直線移動(dòng)，位移傳感器2 采集從端設(shè)備末端參考點(diǎn)的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)。

4）計(jì)算系統(tǒng)延遲時(shí)間

手術(shù)機(jī)器人延遲時(shí)間計(jì)算流程如圖4 所示。依據(jù)裝置采集的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)繪制曲線，根據(jù)公式分別計(jì)算系統(tǒng)X軸、Y軸、Z軸方向的啟動(dòng)延遲時(shí)間和跟隨延遲時(shí)間，取X軸、Y軸、Z軸方向啟動(dòng)延遲時(shí)間最大值作為系統(tǒng)的啟動(dòng)延遲時(shí)間；取X軸、Y軸、Z軸方向跟隨延遲時(shí)間最大值作為系統(tǒng)的跟隨延遲時(shí)間。

圖4 延遲時(shí)間計(jì)算流程圖

如圖3（b）所示，將支架1 固定于型材支撐架1 的AA 邊框（AA 邊框平行于X軸），同時(shí)將支架2固定于型材支撐架2 的aa 邊框（aa 邊框平行于X軸），此時(shí)兩臺(tái)位移傳感器可以分別測(cè)量主從端設(shè)備末端參考點(diǎn)沿X軸向的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)。以X軸向?yàn)槔?，在同一坐?biāo)系下繪制如圖5 所示位移和時(shí)間曲線[9]，根據(jù)式（1）計(jì)算系統(tǒng)單個(gè)軸向的啟動(dòng)延遲時(shí)間：

圖5 主端設(shè)備和從端設(shè)備末端參考點(diǎn)位置變化曲線圖

式中：t0——啟動(dòng)延遲時(shí)間；

t10——主端設(shè)備運(yùn)動(dòng)起始時(shí)間；

t20——從端設(shè)備運(yùn)動(dòng)起始時(shí)間

根據(jù)式（2）計(jì)算系統(tǒng)單個(gè)軸向跟隨延遲時(shí)間：

式中：Δt——跟隨延遲時(shí)間；

t1——主端設(shè)備80%運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)任意時(shí)刻值；

t2——從端設(shè)備運(yùn)動(dòng)至與主端設(shè)備相同位移處對(duì)應(yīng)的時(shí)刻值

在相同試驗(yàn)條件下重復(fù)測(cè)量3 次，計(jì)算得到系統(tǒng)單個(gè)軸向的啟動(dòng)延遲時(shí)間的平均值和跟隨延遲時(shí)間的平均值。

式中：——啟動(dòng)延遲時(shí)間的平均值；

t0i——第i次啟動(dòng)延遲時(shí)間（i=1，2，3）；

Δti——第i次跟隨延遲時(shí)間

如圖3（c）所示，將支架1 固定于型材支撐架1 的BB 邊框（BB 邊框平行于Y軸），同時(shí)支架2 固定于型材支撐架2 的bb 邊框（bb 邊框平行于Y軸）。同理可以得到主、從端設(shè)備末端參考點(diǎn)沿Y軸向的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)，依據(jù)式（1）～（4）計(jì)算得到系統(tǒng)在Y軸向的啟動(dòng)延遲時(shí)間和跟隨延遲時(shí)間。

如圖3（d）所示，將支架1 固定于型材支撐架1 的CC 邊框（CC 邊框平行于Z軸），同時(shí)支架2 固定于型材支撐架2 的cc 邊框（cc 邊框平行于Z軸）。同理可以得到主、從端設(shè)備末端參考點(diǎn)沿Z軸向的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)，依據(jù)式（1）～（4）計(jì)算得到系統(tǒng)在Y軸向的啟動(dòng)延遲時(shí)間和跟隨延遲時(shí)間。

取X軸、Y軸、Z軸方向啟動(dòng)延遲時(shí)間平均值的最大值作為手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主從控制啟動(dòng)延遲時(shí)間；取X軸、Y軸、Z軸方向跟隨延遲時(shí)間平均值的最大值作為手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主從控制跟隨延遲時(shí)間：

式中：T0——X、Y、Z軸向啟動(dòng)延遲時(shí)間平均值的最大值；

ΔT——X、Y、Z軸向跟隨延遲時(shí)間平均值的最大值；

5）延遲時(shí)間測(cè)量

預(yù)設(shè)某手術(shù)機(jī)器人主從控制映射比例為1 ∶1，手術(shù)機(jī)器人額定速度200 mm/s，伺服電機(jī)帶動(dòng)主端設(shè)備末端沿直線模組直線移動(dòng)，在200 ms 內(nèi)從靜止加速到160 mm/s，并在此速度下勻速運(yùn)動(dòng)1.5 s，最后在200 ms 內(nèi)減速至靜止?fàn)顟B(tài)。圖6 所示為兩臺(tái)位移傳感器分別測(cè)量的主從端設(shè)備末端參考點(diǎn)單次運(yùn)動(dòng)位移和時(shí)間曲線。

圖6 主從端設(shè)備位移和時(shí)間曲線

位移和時(shí)間數(shù)據(jù)代入式（1）～（6），得到系統(tǒng)單次運(yùn)動(dòng)后X軸、Y軸、Z軸方向的啟動(dòng)延遲時(shí)間和跟隨延遲時(shí)間數(shù)值。相同試驗(yàn)條件下重復(fù)測(cè)量3 次，得到系統(tǒng)主從控制延遲時(shí)間，如表2 所示。

表2 主從控制啟動(dòng)延遲和跟隨延遲時(shí)間

由表2 數(shù)據(jù)可知，因機(jī)械臂受重力的作用，系統(tǒng)在Z軸向的啟動(dòng)延遲時(shí)間和跟隨延遲時(shí)間略大于X軸、Y軸方向?qū)?yīng)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)啟動(dòng)延遲時(shí)間和跟隨延遲時(shí)間均小于330 ms，因此，系統(tǒng)延遲時(shí)間的存在不會(huì)影響醫(yī)生使用舒適性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的手術(shù)機(jī)器人主從運(yùn)行時(shí)間測(cè)量裝置，可以定量檢測(cè)主從控制延遲時(shí)間值，為驗(yàn)證手術(shù)機(jī)器人性能指標(biāo)提供了技術(shù)支撐，幫助技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)不足并不斷優(yōu)化。同時(shí)，主從控制延遲時(shí)間可以為檢測(cè)結(jié)果的判定提供依據(jù)，對(duì)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)施加電磁干擾之后，通過延遲時(shí)間可以判定系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。最后，根據(jù)延遲時(shí)間評(píng)估手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度，確保機(jī)器人臨床應(yīng)用安全性，為提升國(guó)產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人質(zhì)量提供技術(shù)支撐。