2005年4月第31卷第4期北京航空航天大学学报
JournaI of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ApriI 2005VoI.31No.4
矫形外科机器人技术及应用研究
胡
摘
磊高翌飞王田苗王满宜
（北京积水潭医院创伤骨科，北京100035）
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100083）
要：从矫形外科临床手术的角度，讨论了矫形外科机器人技术及矫形
外科机器人辅助手术系统的结构组成. 结合矫形外科手术的临床特点和矫形外科机器人的功能，将矫形外科机器人系统的结构分成五个部分：计算机控制、机械本体、传感器、视觉、操作系统. 并通过对矫形外科机器人系统这几个部分的阐述，分析了矫形外科机器人系统各组成部分在临床手术过程中的功能及应用特点，从机器人的本体设计、空间布局、控制系统结构、操作方式等方面，提出了矫形外科机器人临床应用过程中的安全策略. 在总结矫形外科机器人的临床应用特点的基础上，探讨了矫形外科机器人的研究热点和应用前景，为矫形外科机器人的设计提供方法和设计依据.
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键
词：机器人；矫形外科；图像导航
文章编号：1001-5965（2005）04-0472-05
中图分类号：TP 24
文献标识码：A
Application of orthopaedic robotics
Hu Lei
Gao Yifei
Wang Tianmiao
（SchooI of MechanicaI Engineering and Automation ，Beijing University of Aeronautics and Astronautics ，Beijing 100083，China ）
Wang Manyi
（Department of TraumatoIogy and Orthopaedics ，Beijing Jishuitan HospitaI ，Beijing 100035，China ）
Abstract ：From the aspect of the appIication in cIinicaI surgery ，the orthopaedic robotics and the robot assisted orthopaedic surgery system were discussed. Considering the cIinicaI characteristics of the orthopaedic surgery and the functionaIity of orthopaedic robot system in cIinicaI surgery ，the orthopaedic robot system was divided into 5parts ：computer controI subsystem ，mechanicaI base ，sensors and the corresponding signaIs processing unit ，machine vi-sion subsystem ，and operation subsystem. Based on expIanations of these 5parts ，the performance and appIication features of each part in cIinicaI surgery were anaIyzed. The safety strategy of orthopaedic robot system in operation room was emphasized from the aspect of the design of the mechanicaI noumenon ，the dimensionaI arrangement of the robot system ，the structure of the controI system ，and the operation mode. In concIusion ，the research focus and ap-pIication trend of the system were investigated which can be as references for the design of the orthopaedic robot sys-tems.
Key words ：robotics ；orthopaedics ；image navigation
由于机器人可以通过编程和人为控制，在工作空间准确灵活地运动，代替人的手臂进行某些复杂的操作；并且，在一定的外力负载作用下，机器人可以保持原有的运动路径和空间位姿不变；
收稿日期：2004-04-26
基金项目：国家863计划资助项目（2002AA420100）作者简介：胡
所以，机器人技术在医疗外科中的应用日益广泛. 特别是在矫形外科手术中，往往是在病灶部位不可见的环境中进行手术，医生只能借助X 光图
像，在有辐射条件下确定手术器械和手术骨骼对
磊（1965-），男，湖北威宁人，工程师，huIei9971@sina. com.
第4期胡磊等：矫形外科机器人技术及应用研究
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象的位姿，实时监控和完成手术. 由于人体骨骼组织具有足够的刚性，在手术过程中宜于固定，因此，对机器人技术在矫形外科中的应用研究越来
［l ~3］
越多，已成为机器人研究领域的一大热点.
人工作在复杂的手术环境中，不能像传统的机器人一样靠编程来操作，所以需要更人性化的交互工具
.
! 矫形外科机器人系统
通常所说的机器人是指计算机控制的操作
臂，一般由几根刚性杆件通过转动或移动关节串联或并联而成，并带有感应系统外部或内部信息的传感器. 一端固定在支撑基座上，另一端可携带图l 矫形外科机器人的结构图
操作工具仿照人的手臂进行某些操作. 机器人动作既可以通过计算机程序来改变，也可以通过人的外部操作来控制［4］
. 随着计算机技术、图像处理技术、现代控制技术、精密机械、传感器技术的发展，机器人技术也日臻完善，智能化水平日益提高. 人们可以通过机器人传感器获得机器人系统的各种信息，定量地判断系统内外环境的各种变化；可以通过各种操作工具方便准确地控制机器人的运动，完成各种复杂、精确的动作. 这些技术为机器人在医疗领域的应用提供了条件.
在矫形外科中，由于机器人的操作对象是人体骨骼组织，所以应用于矫形外科的机器人（矫形外科机器人）的一些结构和功能同传统的机器人存在一定的区别. 特别是在安全性、可靠性、可操作性、机械构型、控制结构、精度、材料等方面有着更高的要求，需进行特别设计和处理. 尤其是在机器人的系统结构上，需要从安全考虑，采取多级安
全措施，包括视觉反馈、力觉反馈、位置反馈［5~7］.
矫形外科机器人系统机构如图l 所示，主要
包括：机器人机械本体、传感器系统、视觉系统、操作系统、计算机智能控制系统. 机器人机械本体是机器人系统的具体执行机构，根据医生规划的信息和指令，辅助医生完成某些手术操作. 传感器系统是机器人系统的信息收集部分，它收集系统的内、外界环境信息，如空间位置、力、视野等信息，为计算机控制系统决策提供依据. 特别是力觉信号可以让大夫清晰、真实地感觉手术动作，并定量地保证手术动作的安全. 机器人系统的视觉，主要处理视觉传感器收集的手术环境的视野信息，形成机器人视觉伺服控制. 计算机控制系统是机器人系统的关键部分，负责对系统的信息、任务进行处理，并做出决策，同时将决策信号用指令方式传给矫形外科机器人进行手术操作. 在矫形外科机器人中，操作系统是关系到机器人临床应用的关键，是医生和系统的交互装置. 由于矫形外科机器
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结构功能分析及研究状况
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机械本体
机械本体是矫形外科机器人系统的具体执行
机构，直接和手术对象接触. 所以它的结构需要适应手术室的环境，在材料上、构型上要考虑手术任务和安全的需要. 在矫形外科手术中，机器人机械
本体的功能一般包括：路径导航和操作［8，9］
. 路径
导航的任务可以概括为：根据医生的规划指令，辅助医生将手术器械的运动路径在手术空间中固定下来，避免由于人为因素引起偏离手术路径的误操作，比如髓内钉手术中辅助医生进行髓内钉远端锁孔的操作. 机器人机械本体结构的操作功能可以概括为：根据医生的规划指令，直接在手术对象上进行某些手术操作. 如在关节置换手术中，根据医生的规划，机器人将关节磨削成既定的曲面. ROBODOC 机器人系统拥有5个自由度，采用典型的平面关节机器人构型，机器人的末端安装手术器械. 在手术过程中，机器人的本体操作手术器械，在规划好的平面上运动，磨去人体关节中需要去除的部分. 机器人手臂的工作空间在手术空间的上方，在手术过程中始终只有一个上下自由度同人体手术部位接触. 从机器人的构型来分析，机器人系统在手术中只使用了3个位置自由度，冗余了2个姿态的自由度，很好地完成了人体关节平面的磨削动作. 机器人的手臂水平布局，既满足了刚度条件，又不影响机器人的运动平稳性. PARK/RCM脊柱外科机器人系统分成3个部分：7个决定位置的被动关节、2个决定姿态的主动关节、l 个驱动手术器械进入人体的关节. 手术过程中，医生在X 光实时图像的引导下，调节机器人各个关节，将手术器械调整到合理的路径上，再控制驱动手术器械的关节，将手术器械驱动到人体内. 机器人的工作空间在手术空间的上方，只有最后l 个驱动手术器械的关节在手术过程中同人体
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接触. 该机器人系统最大的特点是采用实时医学图像，纠正手术路径，对机器人的运动学和动力学问题基本上不考虑.
北京航空航天大学从模块化设计出2000年，发，研究了正骨遥操作机器人系统. 该系统根据矫形外科手术环境，将机器人分解成多个手术模块，包括l 个自由度的牵引模块、5个自由度的手术器械定位模块、调整医学l 个手术器械进给模块、图像设备的3自由度模块、2自由度的手术床模块. 机器人的各个模块根据手术需要，分布在手术图2
矫形外科机器人工作空间示意图
本体的刚性. 有的机器人系统采用了并联机器人机构. 这种结构控制精度高、刚性大. 由于在手术台的不同部位. 在手术过程中，只有l 个自由度的手术器械进给模块同人体接触. 医生采用实时图像，实时纠正手术路径和手术器械进给操作. 2003年，北京航空航天大学和积水潭医院、洛阳正骨医院、友谊医院联合研制的矫形外科导航机器人. 系统采用PPRRR 结构，在机器人的末端留有接口，以便在辅助医生进行手术操作的时候，添加必要的手术模块. 机器人工作的时候，放在医生的一侧，在医生的操作空间的下面，机器人不占用医生的操作空间（图2）. 医生通过语音、操作杆等操作设备控制机器人运动，完成医生希望它完成的操作运动. 机器人的末端可以安装手术器械或手术器械运动模块组件. 机器人带动手术器械或手术器械运动模块进行手术导航或手术操作. 由于机器人的末端只可以安装一个手术器械，故机器人末端的接口是快捷方式的接口，便于在手术过程中更换手术器械. 机器人可以完成这样一些运动，将手术器械按照最佳的运动路径移动到医生规划好的手术路径上，医生按照手术器械固定的路径进行诸如钻孔，拧螺钉，打入器械等直线运动动作. 如在髓内钉手术中，机器人可以移动定位套筒将髓内钉的远端锁定孔的轴线固定下来，医生根据定位套筒固定的路径进行锁定手术. 也可以携带钻孔手术模块，在医生的操作下，穿过髓内钉的远端锁孔，在患者的骨骼上钻一个孔. 由于机器人和手术环境是非结构性的系统，所以为了保证安全，该机器人的负载不要太大. 机器人在手术过程中，不同人体接触.
从矫形外科机器人本体研究现状来看，矫形外科机器人的本体设计大多考虑矫形外科手术的复杂性，将机器人各功能模块化，将定位功能、姿态调节功能、操作功能分开考虑. 完成手术动作的自由度都有足够的冗余，以便在临床的时候，机器人可以用不同的方式完成同一个动作. 为了适应矫形外科手术负载大的要求，
有必要增加机器人
过程中，机器人的工作以辅助为主，更多的工作需要人来完成，所以，机器人的占有空间要避开医生
的站立空间和手术的工作空间［l0］
. 因此，
机器人机械本体设计需要考虑以下要求：
l ）从机器人的安全性考虑，在机器人的操作过程中，要求接触到病人和医生的自由度数量越少越好，这样发生错误的概率就会减少；2）机器人的材料要求适合手术室的环境，应该便于消毒处理；
3）工作空间、
占用空间要避开医生的手术活动空间；
4）刚性要好；
5）绝对精度要高；6）方便手术器械的更换；7）有一定的冗余自由度；
8）能灵活精确地完成如直线运动等操作. !"! 传感器
在矫形外科手术机器人中，根据手术环境的需要，采用了一些先进的传感器技术，包括力传感器、位置传感器、光电传感器、视觉传感器. 矫形外科机器人采用位置传感器和光电传感器来精确测量机器人在空间的位置和姿态. 在机器人的结构设计上，一般是采取半闭环的控制结构，即由传感器和电机组成一个控制闭环，认为传动机构和机械臂是刚性机构. 通过控制电机的转动角度来间接控制机器人的末端位姿. 为了保证机器人的绝对定位精度，大多采用高精度的编码器和分频技术. 在操作上，由于医生是操作机器人同患者接触，医生无法感觉手术器械的受力状况，这同医生手术的习惯和经验产生矛盾. 所以在矫形外科机器人中，应用力传感器来对机器人的操作进行控制，模仿医生手术过程中的感觉，使医生的手术操作更加精细，更加安全. 视觉是手术的重要组成部分，医生需要根据视觉来调整和控制手术的过程，所以一些视觉传感器得到了采用，包括高精度的
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医学图像设备等. 特别是X 光医学图像设CCD ，
备，在矫形外科机器人系统中得到广泛的应用. 2.3
视觉系统
矫形外科机器人系统的视觉模块包括两个部分的内容，一是系统将CCD 、X 光设备等视觉传感器所采集的手术现场信息进行处理，提取手术所需要的信息，观察和监控机器人的运动和操作. 另一部分的内容是处理X 光等医学图像，3D 重构虚拟的手术环境，这一部分是借助计算机虚拟现实技术，将原来不可见的手术环境，在计算机上显示性，有必要改善系统的控制结构，通过人性化的人机对话装置，改善操作程序. 在目前的研究中，控制机器人的运动除了编程外，还可以通过键盘、鼠标、操作杆、语音等方法来控制. 在手术环境中，最实用的是语音控制，还有操作杆控制. 医生通过语音控制机器人. 该技术在著名的宙斯机器人系统中已经成功运用. 由于语音控制只认一位操作者的声音，所以系统在使用前需要进行确认. 在语音控制研究上，安全可靠性问题是系统推广应用的难题. 操作杆控制同大夫的操作习惯相近，操作杆出来，便于医生进行手术规划和模拟手术操作. 矫形外科机器人的视觉系统的功能就是在临床手术过程中为医生提供详细、全面的手术视野，在手术前辅助医生进行手术规划、在手术中监控手术的操作，在手术后进行手术评估. 目前在矫形外科手术中，仿真系统大多是通过对CT 或MRI 图像的
3D 重构，
构成机器人系统的虚拟手术环境，为医生提供信息. 如美国加利佛尼亚大学TayIOI RH 小
组研制的机器人系统，它是在重建的CT 模型上进行手术规划，获得人工关节的制造参数，机器人通过在仿真环境中规划的数据，完成手术. 美国西北大学的Wu Chi HauI 等人研制的CKS 系统，能够帮助骨科医生进行膝关节的置换手术，它是通过CT 的重构，获得虚拟场景的数据，医生在该环境中进行规划和仿真，获得的数据传给机器人进行相应的手术操作. 最著名的是1993年NASA 在美国的加州和意大利的米兰之间进行的基于两个IBM SCARA7565机器人的虚拟临床机器人辅助外
科手术系统的实验［10］
.
视觉系统在矫形外科机器人中是导航的主要工具，也是机器人安全的关键技术. 视觉伺服控制可以保证手术安全精确地进行. 由于CT 图像设备昂贵，它的成本较高，在国内的手术室没有办法提供现场实时的导航图像，所以对它的应用有一定的限制. 由于C 型臂可以实时提供手术环境的图像信息，建立精确的虚拟环境，它的这些机动性以及低价位，在国内的手术室有广阔的应用前景，基于它的三维重构技术和虚拟环境显示出强大的生命力.
随着计算机技术的发展，虚拟现实和增强现实技术的应用将为矫形外科机器人的应用提供广阔的应用前景. 2.4
操作系统
机器人由于涉及到很多的技术领域，操作者是没有工程经验的医生，所以，考虑到系统的使用
将医生的动作转换成机器人的控制信号，控制机器人根据医生的动作运动. 当机器人的力觉传感器反馈手术过程中手术器械的受力信号的时候. 操作杆将该信号反馈给操作医生，使医生感受到临床手术过程中的手术状况信息.
目前，对矫形外科手术机器人操作系统的研究还比较少，上述操作技术虽然在其它外科机器人上得到了应用，但在矫形外科手术机器人上还没有实施. 这和矫形外科手术特点有关. 有必要对以上的机器人的操作系统进行改进，应用于矫形外科机器人系统. 2.5
计算机控制系统
计算机控制系统是机器人系统的主要组成，它由计算机硬件和控制软件组成. 它对采集的信号数据进行分析和计算，对系统的内外环境的变换做出反应. 它是人机对话的主要接口. 医生通过对话接口，进行手术前的方案规划、模拟，在手术中对手术的操作进行监控，在手术后对手术的结果进行评估. 这部分的功能是接受操作者、传感器系统、视觉系统、操作杆的信息，通过控制系统的处理和运算，获得最佳的控制策略，并将控制信号传给机器人对环境做出反应. 它的控制结构和流程对系统的安全产生影响，它的人机对话结构也影响机器人系统的应用和推广.
目前，对矫形外科机器人的计算机控制系统的研究，很多集中在对机器人本体的精度和操作控制上. 有必要根据矫形外科手术特点，综合研究矫形外科手术机器人的手术全程规划性、安全性、可操作性、稳定性、以及控制策略. 提高机器人的利用效率（即提高操作时间和准备时间的比值）、安全性、手术精度等技术指标. 并且，随着模块化机器人技术在矫形外科中的应用推广，也有必要研究控制系统的模块化. 2.6
安全策略
矫形外科机器人的最主要的问题之一就是安
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全问题，由于机器人面向患者和医生，所以要求系需要多重的安全统有很高的安全性. 在安全方面，
［11］措施，可以从以下几个方面考虑：
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Xiong Youlun. Robotics ［M ］. Beijing ：Mechanic Industry Press ，1993. 1~78（in Chinese ）［5］贾
一. 机器人外科手术的必要技术条件［J ］. 机器人技术与1）采用视觉闭环控制系统的操作；
2）采用力觉闭环系统控制机器人的操作；将不同安全级别3）采用安全分级控制方式，
的操作分开控制，如将安全级别高的手术进给运动控制，同安全级别较低的机器人定位控制分开；
4）操作前的模拟；
5）操作中采用软硬件的急停保护装置；6）硬件断电急停装置；
7）机器人结构上的安全保障（同人的接触自由度少、避撞算法、工作空间的配合）.
3结束语
机器人技术在矫形外科中的应用是科技发展
的结果，也是推动矫形外科微创手术发展的关键技术之一，这方面的研究刚刚起步，在矫形外科机器人的结构、传感器技术、虚拟现实技术、临床应用技术上形成了研究热点. 随着技术的不断发展，机器人在矫形外科中的应用会更加成熟，矫形外科机器人的发展前景会更加广阔，会产生更多的符合时代要求的新概念和新的手术方案.
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［［［［［［［［
矫形外科机器人技术及应用研究
作者：作者单位：
胡磊， 高翌飞， 王田苗， 王满宜， Hu Lei， Gao Yifei， Wang Tianmiao， Wang Manyi
胡磊,高翌飞,王田苗,Hu Lei,Gao Yifei,Wang Tianmiao(北京航空航天大学,机械工程及自动化学院,北京,100083)， 王满宜,Wang Manyi(北京积水潭医院,创伤骨科,北京,100035)
北京航空航天大学学报
JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS2005,31(4)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
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引用本文格式：胡磊. 高翌飞. 王田苗. 王满宜. Hu Lei. Gao Yifei. Wang Tianmiao. Wang Manyi 矫形外科机器人技术及应用研究[期刊论文]-北京航空航天大学学报 2005(4)