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1、医疗机器人及其应用摘要医疗机器人主要用于伤病员的救援、转运、手术和康复，是医疗卫生装备信 息化、智能化的重要发展方向之一。医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械 学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的 一个研究热点。通过对手术机器人和康复机器人等医疗机器人的研究现状及进展 介绍，表明医疗机器人在军用和民用上有着广泛的应用前景。关键词：医疗机器人，伤病员，手术，康复引言从20世纪90年代起，国际先进机器人计划（IARP）已召开过多届医疗外 科机器人研讨会，在发达国家已经出现医疗机器人市场化产品。目前，先进机器 人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损
2、伤诊断与检测、病 人安全救援、无痛转运、康复护理、功能辅助及医院服务等方面得到了广泛的应 用，这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展。医疗机器 人在战创伤救治方面也有着良好的应用前景，受到外军的广泛重视。美国国防部 高等研究计划局（DARPA ）为美国陆军未来战场伤病员救援和医疗设计了高度 集成化、机器人化和智能化的医疗系统。1.1 研究背景近年来，西方许多先进国家都进行专门立项投资。 积极开展医用机器人方 面的研究。如美国国防部开展了 Telepresence Surgery （临场感手术）技术研究。 用于战场模拟手术培训和解剖教学，NASA已经在美国加州与意大利米兰之间进
3、 行了这方面的试验，欧共体技术专家Maurice在IEEE SPECTRUM期刊中表示。 欧共体正在制定一项新的计划，其中将机器人辅助外科手术及虚拟医疗技术仿真 作为重点研究发展计划之一。日本也制定国家计划开展高技术医疗器械研究发 展。许多著名的国际会议，象 IEEE Robotics and Automation，IEEE Eng，In Medicine and biology Society ，IEEE System,Man and Cybernetics 等都将医用机器 人与计算机辅助外科单独列为一个专题，在欧洲、美国、日本等国多次召开国际 会议；1996 年，机器人工业协会将 Eagl
4、eburger 最高荣誉奖授予了 W.Barger 和 H.Paul 博士，表彰他们在医用机器人技术临床研究方面的贡献 ） 。目前，医疗机器人的研制主要集中在外科手术、康复和医院服务机器人系统 等几个方面。1.2 外科手术机器人研究现状瑞士洛桑大学研制出一种脑外科手术机器人，手术时患者的头部被固定在一 个钢制框架内，医生通过CT观察病人颅内情况，并将有关的手术数据输入到控 制机器人的计算机中。计算机自动识别脑中的病灶，并规划出通往病灶的途径， 根据医生的指令，完成病人头部的皮肤切开、在头盖骨上钻孔、刺穿脑膜等工作， 微型仪器从2 毫米粗的导管中伸入到病变部位进行手术。这台机器人系统能切除 脑肿
5、瘤、能用放射性光束杀死脑中的癌细胞，还能用导管破坏帕金森病患者脑中 的有病细胞，从而制止病人的颤抖。1986 年，美国 IBM 的 Thomas J.Watson 研究中心和加利福尼亚大学的研究 人员开始合作开发一种创新的系统，以便进行髋骨整体置换手术。在此基础上， 1992年成立了 Integrated Surgical Systems公司并推出了 ROBODOC机器人系统， 它是在传统工业机器人技术基础上开发而成的，可以完成全髋骨替换，髋骨置换 及修复和膝关节置换等手术，相应的，该公司还开发了 ORTHODOC图像处理系 统，根据CT图片进行3D建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据，帮
6、助 医生完成监控和虚拟手术。该系统已经通过美国食品与药品检验局（FDA）认证， 在美国、欧洲、中东、亚洲等地得到应用。在国内，由北京航空航天大学机器人研究所、清华大学计算机图形图像中心 和海军总医院共同开发的遥操作远程医用机器人系统，该系统主要由影像获取传 输、虚拟手术规划、智能机械臂，病人头部（病灶）固定装置等部分组成，可以 完成确定手术靶点，重建三维病灶轮廓、引导定位器械、定向手术系统等多个复 杂步骤，治疗脑部纵深病变无需开颅，这一手术突破了传统脑外科手术的定式， 病人头上不必再戴厚重的金属框架以辅助定位，病人造成的创伤面比传统手术小 得多，定位也较传统手术精确。1.3 医院服务机器人移动
7、机器人也许是解决目前医院服务上一些缺陷的方法，完成一些沉重的和 令人厌恶的工作，如抬起病人去厕所或为失禁病人更换床单等，一些医院服务机 器人近年来得到发展，一般用来辅助护士完成食物、药品、医疗器械、病志等的 传送和投递工作，如美国运输研究会（Transition Research Corporation, TRC）（现 在叫HelpMate Robotics）研制的“HelpMate”机器人，可以24小时的在医院里完 成运送食物和药品的工作，与工厂所使用的自动输送车不同的是，这种机器人不 是沿着固定的轨道网络行走，而是基于传感器和运动规划算法实现自主行走，适 合于部分结构化的环境（Struct
8、ured Environment），系统也能处理传感器噪声、 误差和定位错误，发现并避开障碍物（如人等）。这种机器人已在数家医院安装， 一些医院报告说工作效率大大提高。1.4 应用现状目前，医疗机器人的实际应用主要集中在外科手术领域，机器人做手术十分 精确，一个神经外科大夫的误差精度能达到2毫米，而机器人的精度可以很容易 的达到微米级，在追求 MIS 的今天，其好处是不言而喻的，因此得到了广泛的 研究和应用。目前已经商品化的产品包括前面提到的 TOBODOC、 AESOP、 ZEUS 和Da vinci等系统，在各种外科手术中得到了广泛的应用。如TOBODOC辅助 外科手术系统在德国、澳大利亚
9、、西班牙、法国、英国、瑞士、中东、日本、韩 国、印度等多个国家和地区都有应用，在日本大学和医院里就有 7 台， 而在世 界范围内有近500台AESOP机器人在MIS中得到应用，每年完成数万例手术， ZEUS 系统在没股票和欧洲的应用也十分广泛。2 手术机器人2.1 肝脏肿瘤的微波消融机器人用于肝脏肿瘤的微波消融机器人1是 关节式医疗机器人，其具有五个自由度。 整个机器人安装于一个具有轮子和支撑脚的操作台上（手术时支撑脚着地，手术后轮子着地可推动)，整个机器人的控制系统安装于操作台内部。机器人的5个 自由度采用伺服电机驱动，支撑脚的运动利用直线步进电机实现。2.2本身机构肝脏肿瘤的微波消融机器人
10、由操作盒单片机、PLC、工控机、PMAC运动控 制卡组成。各模块的作用如下：(1)操作盒单片机：人机交互接El；(2)主控计 算机：机器人语言编译，运动规划。PMAC卡：实现对5个电机的运动控制； (4)PLC :电源、安全、系统管理，操作台的升降控制。操作盒单片机和主控计算 机通过CAN总线通讯。PMAC运动控制卡和主控计算机之间通过PCI总线通讯， 和PLC之间利用I/O通讯。各模块之间相互监控，可以提高系统运行时的安全 性。i4V+i54 V +5V*24 V+T24 V. 24VEB-1(WO点动升降SB2$64 npSBSSTIST2ST3ST-47STSSTST7snST立柱正按陽
11、丈韓更複HilUiEfiRT-MlEteSfKFJSgfiiftf 限近屈正根厢OPJ002094005008删CIOOil100IQiLL02L03L(MIMlOflDCOM210C1COMiCOM41003CCM510041005100610071100CCM&1L01I 102ilCJCOM 7I 04tiesL1D6L107步进电机融冲歩进电机必向HI挣堪电机尴睦SB5 KIOn诜揑制亠 PLC READY IT PLC READY224VGM)J4VGND110111FMAC READY I PMAC READY! PMAC Wutoh doj 图1 PLC原理图2.3控制方法和测试
12、方法控制系统采用了分散控制方式，由操作盒单片机、PLC、工控机、PMAC运 动控制卡组成。2.3.1系统状态模块包括P LC2准备好、控制系统准备好、控制系统故障、急停按钮、限位复位 按钮等部分组成，梯形图见图2。+24 V电源加到PLC 上, PLC初始化自检正常 后，则输出到PMAC的1106和1107置ON。若控制系统未准备好，则2705置 OFF,则控制系统故障指示灯H 2亮。若PMAC输入的109和110均置ON,且 111 （PMAC看门狗信号）置ON,则H2熄灭。急停按钮有一个按下则2706置 ON。当关节限位时，SB6按钮按下，则2703置ON且自锁。110YI l i證制乐誠
13、11 I I O 6T tii2705kF舉沱JE位山怦世1L您悵别3A121701图2系统状态模块梯形图2.3.2关节限位模块图3所示为关节限位模块梯形图。正常状态时，3012置OFF。若机器人关 节运动到限位处，则对应的限位开关状态改变，3012置ON。该中间继电器状态 在系统状态模块和驱动器电源控制模块均有使用。图3关节限位模块梯形图2.3.3驱动器 电源控制模块驱动器电源控制模块程序见图4所示。驱动系统按钮为一键双用，PLC通电 后，按第一次为驱动器上电，第二次为驱动器断电，以下类推。采用移位寄存器 实现该功能。当系统均正常时，第一次按下驱动系统按钮SB3, K1置ON并自 锁，驱动器
14、通电。再次按下SB3，则K1断电。若K1置ON时，关节限位标志 3012、急停标志2706、控制系统状态2704置OFF,则K1置OFF。而对关节限位引起的f3012置ON） K1置OFF,可以按下限位复位按钮（2703置ON）,再按 下SB3两次，则K1可置ON，这时可在PMAC的控制下，机器人从限位状态退 出。退出限位状态后，2703自动置OFF。-W-SFT f ID)SB3IIIIIo驰动爲缆捺钮廊*牡駆亞區蜒电籌猊制J4I22706kF21QX27 咖-M_II廿停控制矗蜿莹动矗址标盍故常标也按钮岳鸟KI1HXIrH1图4驱动器电源控制模块梯形图2.3.4步进电机控制模块步进电机有两
15、种控制方式：长动控制（升降的速度和位移固定）、点动控制（升 降速度固定，位移由操作者决定）。下面介绍长动控制中上升控制和点动控制程 序。长动控制方式中的上升控制梯形图见图5中(a), SB1为双用按钮(带指示灯H3)， PLC 每次上电后第一次按下为操作台上升，再次按下为操作台下降，以下 交替变化。上升操作时，按下操作台升降控制按钮SB1, PLC发出频率固定的固 定脉冲数，直线步进电机按要求启动，操作台支撑脚下降，操作台上升。操作台 车轮抬起到固定位置后,步进电机停止运动,操作台转为支撑脚固定支撑。程序 中HROOO和HR001的作用：当PLC电源断电时自动记忆步进电机(操作台)的状 态。AR1114表征脉冲输出口 0的脉冲输出是否已完成。在上升或下降过程中不 再响应升降控制按钮,可以响应点动升降按钮。梯形图中扩展指令说明如下： (1) PULS设置脉冲指令：图5(a)中设定为脉冲输出口 0,相对脉冲，脉冲个数存储 在
