基于力反馈的颅颌面骨科手术机器人协调控制

　　0　引言

　　因其输出稳定、精准等特点，机器人辅助技术在骨科手术中得到了广泛应用，以帮助医生实现高难度动作及微创操作，如ROBODOC[1]，ACRobot[2]，日本的关节造型机器人[3]等。现有的这些骨科手术系统，大都专门用于膝、髋关节造型方面。其中ACRobot工作在随动方式，其它为自动操作，且末端执行工具为钻，主要实现骨面磨削、钻孔等比较容易控制并自动执行的手术动作。对颅颌面骨整复手术来说，手术操作类型以切割为主钻磨为辅，手术中时刻要求锯片方向与规划轨迹切向保持一致，且解剖结构复杂，涉及头部重要组织结构，自动化的操作方式难以随时根据阻力、切割截面状况和操作干涉情况调整手术动作。而医生的经验判断和术中手眼结合可以方便的对手术策略做出指导和调整，但传统的医生主刀操作存在手术精度不够、难以实现精细手术力控制的问题。

　　对于颅-颌面骨科手术操作来说，单纯的自主式或被动式操作都不能满足要求。较好的方案是，既能实现医生对机械臂动作的实时掌控，同时又可以把末端手术器械的受力状况反馈给医生。有研究将基于力传感器的协调控制策略引入颅颌面手术中[4-5]，手术中，末端执行器上的力传感器接收医生作用力和环境反作用力，利用二者之差作为执行器的速度控制输入。但这种力-速度控制方式存在位置精度低、力反馈效果差的缺点。为此，在力反馈的基础上，设计出符合颅-颌面骨科手术操作的虚拟约束方法，实现了精度高、临床感真实的医生-机器人协调操作。

　　1　系统组成

　　1.1　硬件组成

　　手术系统主要由3部分组成：机械臂本体、双目导航仪及其三维导航软件、力反馈设备。机械臂本体具有7自由度，三维空间任意位姿的实现只需要6个自由度就能实现，多出的冗余自由度可以用于操作度优化或避障。导航仪为NDI双目红外导航仪，空间位置精度±0.25mm，导航软件采用自主研发的高精度光学导航辅助颅-颌面骨畸形整复手术软件系统(TbNavis-CMFS 软件著作登记号：2006SR16153)，可以实现病灶部位任意轨迹和姿态的术前操作路径规划。力反馈设备采用Force　Dimension公司的Omega.6，可实现三维位置空间的力反馈，其特点是操纵笔的位置与姿态变量相解耦，方便实现位置、姿态的独立控制。整个系统的硬件组成如图1所示。

　　1.2　网络通信设计

　　上位机与下位机操作系统分别为Windows　XP和WinCE　5.0。采用双工网络通信实现力反馈设备(上位机端)与末端手术器械(下位机端)之间的位姿、力信息交互，网络带宽100Mbit/s。为保证网络通信质量，获得稳定可控的通信延迟，采用ArdenceRTX的Real-time　TCP/IP模块实现同步socket设计。数据包设计为固定长度(230字节)和固定格式的报文，格式为“时间节点+控制指令+各关节角增量”。网络通信周期为10ms，位置/力信号采样频率分别为100Hz/5　000Hz。在一个通信周期内，力反馈设备把位置和姿态信息经过约束处理后打包发送给下位机，作为机器人的运动控制指令;同时，对采集到的力信号进行平滑滤波，发送给Omega.6以实现力反馈。