微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人：設(shè)計(jì)創(chuàng)新與人機(jī)交互控制的深度探索一、引言1.1研究背景與意義心腦血管疾病是全球范圍內(nèi)威脅人類健康的主要疾病之一，具有高患病率、高致殘率和高死亡率的特點(diǎn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的數(shù)據(jù)，心血管疾病每年導(dǎo)致約1790萬人死亡，占全球死亡人數(shù)的31%，是全球頭號(hào)死因。在中國(guó)，心血管病死亡占城鄉(xiāng)居民總死亡原因的首位，農(nóng)村為44.8%，城市為41.9%，疾病負(fù)擔(dān)日漸加重，已成為重大的公共衛(wèi)生問題。并且近年來，心腦血管疾病發(fā)病還存在年輕化趨勢(shì)，在急性心肌梗死、腦卒中發(fā)病患者的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)他們首次發(fā)病的年齡有下降的趨勢(shì)。目前，微創(chuàng)介入手術(shù)是治療心腦血管疾病的重要手段之一。與傳統(tǒng)的開胸、開腹手術(shù)相比，微創(chuàng)介入手術(shù)具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著降低患者的痛苦和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。例如，在冠心病的治療中，經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療（PCI）通過將導(dǎo)管插入血管，將支架植入冠狀動(dòng)脈狹窄部位，恢復(fù)心肌供血，已成為治療冠心病的主要方法之一；在腦血管疾病的治療中，神經(jīng)血管介入手術(shù)可以通過栓塞、支架置入等方式治療顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、腦血管畸形等疾病，有效降低了患者的致殘率和死亡率。然而，傳統(tǒng)的微創(chuàng)介入手術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。手術(shù)過程中，醫(yī)生需要在X射線的引導(dǎo)下進(jìn)行操作，長(zhǎng)時(shí)間暴露在輻射環(huán)境中，對(duì)醫(yī)生的身體健康造成潛在威脅。同時(shí)，由于手術(shù)操作需要高度的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，醫(yī)生的手部抖動(dòng)、疲勞等因素可能會(huì)影響手術(shù)的精度和效果，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在PCI手術(shù)中，約有5%-10%的患者會(huì)出現(xiàn)手術(shù)相關(guān)的并發(fā)癥，如血管穿孔、支架內(nèi)血栓形成等。隨著機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人輔助手術(shù)逐漸成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。機(jī)器人輔助微創(chuàng)血管介入手術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)手術(shù)的不足。機(jī)器人可以提供更高的操作精度和穩(wěn)定性，減少因醫(yī)生手部抖動(dòng)等因素導(dǎo)致的手術(shù)誤差，提高手術(shù)的成功率和安全性。一項(xiàng)針對(duì)機(jī)器人輔助PCI手術(shù)的研究表明，機(jī)器人組的手術(shù)成功率顯著高于傳統(tǒng)手術(shù)組，且并發(fā)癥發(fā)生率更低。機(jī)器人還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，打破地域限制，使優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療資源能夠覆蓋更廣泛的地區(qū)，為偏遠(yuǎn)地區(qū)的患者提供及時(shí)的治療。這對(duì)于解決我國(guó)醫(yī)療資源分布不均，提升基層醫(yī)療服務(wù)水平具有重要意義。在5G技術(shù)的支持下，遠(yuǎn)程手術(shù)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步保障，為實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的醫(yī)療協(xié)作提供了可能。機(jī)器人輔助手術(shù)還可以減少醫(yī)生在手術(shù)過程中受到的輻射傷害，保護(hù)醫(yī)生的身體健康。綜上所述，開展微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與人機(jī)交互控制的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過研發(fā)先進(jìn)的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠提高微創(chuàng)介入手術(shù)的精度和安全性，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，改善患者的治療效果；能夠減少醫(yī)生的輻射暴露，保護(hù)醫(yī)生的健康；還能夠促進(jìn)遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展，優(yōu)化醫(yī)療資源配置，為更多患者帶來福音。本研究將致力于攻克相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用，為心腦血管疾病的治療提供更加先進(jìn)、有效的手段。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科技的不斷進(jìn)步，微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的研究與關(guān)注。國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛投入資源，致力于研發(fā)更先進(jìn)、更安全、更有效的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，以滿足臨床需求。在人機(jī)交互控制方面，也取得了一系列重要進(jìn)展，旨在實(shí)現(xiàn)醫(yī)生與機(jī)器人之間更自然、更高效的交互。國(guó)外在微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域起步較早，取得了不少具有代表性的成果。美國(guó)Corindus公司研發(fā)的CorPath系統(tǒng)是該領(lǐng)域的先驅(qū)之一。其CorPathGRX系統(tǒng)是第一個(gè)獲得美國(guó)FDA和CE批準(zhǔn)的經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入手術(shù)醫(yī)療設(shè)備，在機(jī)器人輔助神經(jīng)血管動(dòng)脈瘤栓塞的多中心研究中，顯示出94%的技術(shù)成功率和95.7%的臨床成功率，并實(shí)現(xiàn)了臨床有效性和安全性目標(biāo)。該系統(tǒng)由床邊設(shè)備和介入駕駛艙兩個(gè)主要工作站組成，醫(yī)生可在駕駛艙內(nèi)通過使用觸摸屏和操作桿來遠(yuǎn)程控制血管介入設(shè)備，還增加了主動(dòng)的導(dǎo)引導(dǎo)管操縱功能，使分叉病變的治療更加簡(jiǎn)單。同時(shí)，通過technIQ?-智能程序自動(dòng)化，利用回縮旋轉(zhuǎn)（RoR），在操縱桿縮回時(shí)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)絲，快速導(dǎo)航到目標(biāo)病變位置，減少了送導(dǎo)絲時(shí)間和操作員之間的差異。醫(yī)生還能在不穿鉛衣的情況下坐姿工作，減少了輻射傷害。Hansen公司的Sensei機(jī)器人與Artisan擴(kuò)展導(dǎo)管配合完成主從遙操控，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的精確定位和控制，在臨床應(yīng)用中也展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)在微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人的研究上雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，取得了一系列重要突破。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所和華東醫(yī)院聯(lián)合研發(fā)的全新一代微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人VasCure是國(guó)內(nèi)的典型代表。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)協(xié)同遞送雙球囊/雙支架，具備精準(zhǔn)環(huán)境感知和力覺反饋功能，顯著提高了手術(shù)安全性和精準(zhǔn)性，將現(xiàn)有血管介入手術(shù)機(jī)器人的適應(yīng)癥范圍從簡(jiǎn)單病變提升至復(fù)雜病變，有效滿足了心血管介入手術(shù)中Culotte等復(fù)雜術(shù)式對(duì)介入器械的臨床操作需求。VasCure主控端具有自然的人機(jī)交互結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，貼近醫(yī)生現(xiàn)有的手術(shù)方式，能有效濾除手部抖動(dòng)，提高主刀醫(yī)生的手術(shù)操作精度和穩(wěn)定性；從端則通過獨(dú)有的創(chuàng)新型雙通道協(xié)同遞送技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人輔助介入手術(shù)中復(fù)雜術(shù)式對(duì)多個(gè)導(dǎo)絲、球囊、支架的協(xié)同遞送，遞送精度可達(dá)亞毫米級(jí)。此外，機(jī)器人無菌部分采用快速安裝/拆卸的傳動(dòng)分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保了臨床使用過程中的無菌性和易更換性。VasCure能在近程及遠(yuǎn)程條件下完成大部分的冠狀動(dòng)脈介入治療，已成功完成近遠(yuǎn)程18.3km（上海靜安-上海浦東）和1248km（上海靜安-北京昌平）5G遠(yuǎn)程環(huán)境下雙支架Culotte術(shù)式活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并在2022年增加了三維智能導(dǎo)航功能，進(jìn)一步提升了智能化水平。在人機(jī)交互控制方面，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在如何實(shí)現(xiàn)更直觀、更精準(zhǔn)、更自然的交互方式。國(guó)外一些研究團(tuán)隊(duì)采用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)，為醫(yī)生提供更沉浸式的手術(shù)操作環(huán)境，使其能夠更直觀地觀察手術(shù)部位的三維結(jié)構(gòu)和器械位置，提高操作的準(zhǔn)確性和效率。例如，通過將實(shí)時(shí)的醫(yī)學(xué)影像與虛擬的手術(shù)器械模型相結(jié)合，醫(yī)生可以在手術(shù)前進(jìn)行虛擬手術(shù)規(guī)劃，并在手術(shù)過程中實(shí)時(shí)獲取更多的信息輔助決策。國(guó)內(nèi)也在積極探索基于力反饋、語音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等技術(shù)的人機(jī)交互方式。力反饋技術(shù)可以讓醫(yī)生在操作機(jī)器人時(shí)感受到器械與組織之間的作用力，從而更精準(zhǔn)地控制手術(shù)操作；語音識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別技術(shù)則可以解放醫(yī)生的雙手，使其能夠更便捷地與機(jī)器人進(jìn)行交互，提高手術(shù)的流暢性。盡管國(guó)內(nèi)外在微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與人機(jī)交互控制方面取得了顯著進(jìn)展，但當(dāng)前研究仍存在一些不足與挑戰(zhàn)。現(xiàn)有手術(shù)機(jī)器人的操作靈活性和適應(yīng)性還有待提高，對(duì)于一些復(fù)雜的血管解剖結(jié)構(gòu)和病變情況，機(jī)器人的操作可能受到限制，難以滿足臨床多樣化的需求。人機(jī)交互的自然性和流暢性還需要進(jìn)一步優(yōu)化，目前的交互方式在某些情況下可能會(huì)增加醫(yī)生的操作負(fù)擔(dān)和認(rèn)知負(fù)荷，影響手術(shù)效率和質(zhì)量。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全性和可靠性也是至關(guān)重要的問題，任何故障或失誤都可能對(duì)患者造成嚴(yán)重的后果，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性設(shè)計(jì)，并建立完善的安全保障機(jī)制。手術(shù)機(jī)器人的成本較高，這在一定程度上限制了其臨床普及和應(yīng)用，如何降低成本，提高性價(jià)比，也是未來研究需要解決的重要問題之一。1.3研究目標(biāo)與方法本研究旨在設(shè)計(jì)一款新型的微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人，并對(duì)其人機(jī)交互控制技術(shù)進(jìn)行深入研究與優(yōu)化，以提高微創(chuàng)血管介入手術(shù)的精準(zhǔn)性、安全性和效率，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，改善患者的治療效果。具體研究目標(biāo)包括：設(shè)計(jì)具有高度靈活性、精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性的手術(shù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，滿足不同血管介入手術(shù)的操作需求；研發(fā)先進(jìn)的人機(jī)交互控制算法和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生與機(jī)器人之間自然、高效、精準(zhǔn)的交互；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的性能和人機(jī)交互控制的有效性，評(píng)估其在臨床應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢(shì)；針對(duì)當(dāng)前手術(shù)機(jī)器人存在的問題，如操作靈活性受限、人機(jī)交互不自然等，提出創(chuàng)新性的解決方案，推動(dòng)微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法：文獻(xiàn)研究法，全面搜集和整理國(guó)內(nèi)外關(guān)于微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與人機(jī)交互控制的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、專利、技術(shù)報(bào)告等，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)，分析現(xiàn)有研究的不足與挑戰(zhàn)，為本研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考；案例分析法，選取國(guó)內(nèi)外典型的微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人案例，深入分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制原理、人機(jī)交互方式以及臨床應(yīng)用效果，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和存在的問題，為本次研究提供實(shí)踐參考和借鑒；實(shí)驗(yàn)研究法，搭建手術(shù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)研究。開展機(jī)械結(jié)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)，測(cè)試機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度、穩(wěn)定性、負(fù)載能力等指標(biāo)，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；進(jìn)行人機(jī)交互控制實(shí)驗(yàn)，通過模擬手術(shù)場(chǎng)景，評(píng)估不同人機(jī)交互方式的效率、準(zhǔn)確性和用戶體驗(yàn)，改進(jìn)人機(jī)交互控制算法和系統(tǒng)；開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在動(dòng)物模型上進(jìn)行微創(chuàng)血管介入手術(shù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全性和有效性，為臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)；跨學(xué)科研究法，結(jié)合機(jī)械工程、電子信息工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等多學(xué)科知識(shí)，開展協(xié)同創(chuàng)新研究。機(jī)械工程領(lǐng)域的專家負(fù)責(zé)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，電子信息工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的專家致力于人機(jī)交互控制算法和系統(tǒng)的研發(fā)，生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的專家則從醫(yī)學(xué)角度提供專業(yè)指導(dǎo)，確保研究成果符合臨床需求。二、微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)原理2.1總體設(shè)計(jì)框架本研究設(shè)計(jì)的微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的血管介入手術(shù)操作，其總體設(shè)計(jì)框架主要涵蓋機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)等核心模塊，各模塊緊密協(xié)作，共同保障手術(shù)機(jī)器人的高效運(yùn)行。機(jī)械結(jié)構(gòu)是手術(shù)機(jī)器人的物理基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)需充分考慮手術(shù)操作的靈活性、精準(zhǔn)性以及穩(wěn)定性。本機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，主要包含定位機(jī)械臂、導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部分。定位機(jī)械臂用于確定手術(shù)器械在患者體內(nèi)的位置和姿態(tài)，它通常具備多個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)靈活的空間運(yùn)動(dòng)。本研究采用了具有5個(gè)自由度的串聯(lián)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂安裝在肩關(guān)節(jié)上面，實(shí)現(xiàn)繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)與大臂串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂與肘關(guān)節(jié)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，腕部繼續(xù)與小臂串聯(lián)，若所有關(guān)節(jié)位于一條直線上，則腕部旋轉(zhuǎn)為繞y軸的旋轉(zhuǎn)；若小臂關(guān)節(jié)繞z軸旋轉(zhuǎn)90度后，則腕部旋轉(zhuǎn)即改變?yōu)槔@x軸旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得機(jī)械臂能夠在有限的空間內(nèi)靈活調(diào)整位置，適應(yīng)不同患者的血管解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)需求。導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)則負(fù)責(zé)將導(dǎo)管和導(dǎo)絲精確地送入患者血管內(nèi)，其設(shè)計(jì)直接影響手術(shù)的精度和效果。本研究設(shè)計(jì)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)采用了絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿，帶動(dòng)絲杠螺母和與之相連的滑動(dòng)塊移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管和導(dǎo)絲的軸向推進(jìn)和周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足血管介入手術(shù)對(duì)器械運(yùn)動(dòng)精度的嚴(yán)格要求。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，是手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作的關(guān)鍵。本研究采用了伺服電機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)元件，伺服電機(jī)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、扭矩大等優(yōu)點(diǎn)，能夠精確控制機(jī)械臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。在定位機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)處均安裝有伺服電機(jī)，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確位姿調(diào)整。在導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)中，也采用了伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管和導(dǎo)絲的精確推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)。為了確保驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還配備了高精度的編碼器和驅(qū)動(dòng)器。編碼器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度，并將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，以便進(jìn)行精確的閉環(huán)控制；驅(qū)動(dòng)器則負(fù)責(zé)將控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效驅(qū)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是手術(shù)機(jī)器人的核心大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)過程的精確控制。本研究的控制系統(tǒng)基于可編程多軸控制器（PMAC）搭建，PMAC具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制能力和實(shí)時(shí)性，能夠同時(shí)控制多個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軌跡規(guī)劃和插補(bǔ)運(yùn)算?？刂葡到y(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)控制模塊、邏輯控制模塊和通信模塊等。運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)手術(shù)任務(wù)和醫(yī)生的操作指令，生成機(jī)械臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；邏輯控制模塊負(fù)責(zé)處理各種傳感器信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)過程的邏輯判斷和流程控制；通信模塊則實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與其他模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，包括與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等的通信。感知系統(tǒng)用于獲取手術(shù)過程中的各種信息，為控制系統(tǒng)提供決策依據(jù)，提高手術(shù)的安全性和精準(zhǔn)性。本研究的感知系統(tǒng)主要包括力傳感器、位置傳感器和視覺傳感器等。力傳感器安裝在導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂的末端，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)器械與血管壁之間的作用力，避免因過大的作用力導(dǎo)致血管損傷。位置傳感器則用于監(jiān)測(cè)機(jī)械臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài)，確保手術(shù)器械能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置。視覺傳感器采用了X射線成像設(shè)備和光學(xué)相機(jī)，X射線成像設(shè)備可以實(shí)時(shí)獲取患者血管的影像，為手術(shù)操作提供可視化的引導(dǎo)；光學(xué)相機(jī)則用于捕捉手術(shù)器械的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，輔助控制系統(tǒng)進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制。人機(jī)交互系統(tǒng)是醫(yī)生與手術(shù)機(jī)器人之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對(duì)機(jī)器人的操作和控制，以及機(jī)器人向醫(yī)生反饋手術(shù)信息。本研究的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循人性化、直觀化的原則，主要包括操作手柄、顯示界面和語音交互模塊等。操作手柄采用符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)，方便醫(yī)生握持和操作，通過操作手柄，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)器械的精確操控。顯示界面則用于展示患者的血管影像、手術(shù)器械的位置和狀態(tài)以及手術(shù)過程中的各種參數(shù)信息，幫助醫(yī)生全面了解手術(shù)情況，做出準(zhǔn)確的決策。語音交互模塊則允許醫(yī)生通過語音指令與機(jī)器人進(jìn)行交互，解放雙手，提高手術(shù)操作的便捷性和流暢性。各模塊之間相互協(xié)作，形成一個(gè)有機(jī)的整體?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)醫(yī)生通過人機(jī)交互系統(tǒng)輸入的操作指令，結(jié)合感知系統(tǒng)獲取的手術(shù)信息，生成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)完成相應(yīng)的手術(shù)操作。同時(shí)，感知系統(tǒng)將手術(shù)過程中的實(shí)時(shí)信息反饋給控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，以便醫(yī)生及時(shí)調(diào)整手術(shù)策略，確保手術(shù)的順利進(jìn)行。2.2關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)是微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)血管內(nèi)介入操作的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響手術(shù)的精度和效果。目前，常見的導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要包括滾輪式、絲杠式和鏈條式等。滾輪式推進(jìn)機(jī)構(gòu)通過滾輪與導(dǎo)管/導(dǎo)絲之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致推進(jìn)精度不穩(wěn)定，尤其在處理一些表面光滑的導(dǎo)管/導(dǎo)絲時(shí)，打滑問題更為突出。絲杠式推進(jìn)機(jī)構(gòu)利用絲杠螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來推動(dòng)導(dǎo)管/導(dǎo)絲，傳動(dòng)精度較高，但速度相對(duì)較慢，且對(duì)絲杠的加工精度要求較高，制造成本也較高。鏈條式推進(jìn)機(jī)構(gòu)則通過鏈條的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，具有較大的驅(qū)動(dòng)力，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維護(hù)難度較大，鏈條的磨損也會(huì)影響推進(jìn)的穩(wěn)定性。針對(duì)現(xiàn)有推進(jìn)機(jī)構(gòu)存在的不足，本研究提出一種新型的導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案采用絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)合了絲桿傳動(dòng)精度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、絲桿、絲杠螺母、滑動(dòng)塊、導(dǎo)軌以及夾持裝置等部分組成。電機(jī)作為動(dòng)力源，通過聯(lián)軸器與絲桿連接，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，絲桿開始旋轉(zhuǎn)。絲杠螺母與絲桿通過螺紋配合，絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠螺母的直線運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)塊固定在絲杠螺母上，并且可在導(dǎo)軌上平穩(wěn)滑動(dòng)，導(dǎo)軌的作用是為滑動(dòng)塊提供導(dǎo)向，保證其直線運(yùn)動(dòng)的精度和穩(wěn)定性。夾持裝置安裝在滑動(dòng)塊上，用于夾緊導(dǎo)管/導(dǎo)絲，隨著滑動(dòng)塊的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管/導(dǎo)絲的軸向推進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管/導(dǎo)絲的周向旋轉(zhuǎn)，在夾持裝置上增加了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件。該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件由一個(gè)小型電機(jī)和傳動(dòng)齒輪組成，小型電機(jī)的輸出軸連接主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪與安裝在夾持裝置上的從動(dòng)齒輪嚙合。當(dāng)小型電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使夾持裝置連同夾緊的導(dǎo)管/導(dǎo)絲一起進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)。[此處插入新型導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖]這種新型推進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管/導(dǎo)絲遞送的原理基于絲桿傳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的協(xié)同工作。在軸向推進(jìn)過程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母帶動(dòng)滑動(dòng)塊沿導(dǎo)軌直線移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)導(dǎo)管/導(dǎo)絲前進(jìn)或后退，通過精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)管/導(dǎo)絲軸向位置的精準(zhǔn)控制。在周向旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件的小型電機(jī)工作，通過齒輪傳動(dòng)使導(dǎo)管/導(dǎo)絲繞其軸線旋轉(zhuǎn)，同樣可以通過控制小型電機(jī)的參數(shù)來精確調(diào)整旋轉(zhuǎn)的角度和速度。與現(xiàn)有推進(jìn)機(jī)構(gòu)相比，本新型推進(jìn)機(jī)構(gòu)具有顯著優(yōu)勢(shì)。絲桿傳動(dòng)具有較高的傳動(dòng)精度，能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫米級(jí)別的位移控制，滿足微創(chuàng)血管介入手術(shù)對(duì)器械定位精度的嚴(yán)格要求，在冠狀動(dòng)脈介入手術(shù)中，能夠更準(zhǔn)確地將支架送至病變部位。導(dǎo)軌和滑動(dòng)塊的配合以及絲桿螺母的穩(wěn)定傳動(dòng)，使得推進(jìn)過程更加平穩(wěn)，減少了振動(dòng)和沖擊，降低了對(duì)血管壁的損傷風(fēng)險(xiǎn)。通過獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管/導(dǎo)絲的軸向推進(jìn)和周向旋轉(zhuǎn)的同步或獨(dú)立控制，增加了操作的靈活性，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的血管解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)需求，在處理彎曲血管時(shí)，可以通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)管/導(dǎo)絲來調(diào)整其前進(jìn)方向。2.2.2定位機(jī)械臂設(shè)計(jì)定位機(jī)械臂在微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它負(fù)責(zé)將手術(shù)器械精確地定位到患者體內(nèi)的目標(biāo)位置，其位姿調(diào)整的精度和靈活性直接影響手術(shù)的成敗。目前，定位機(jī)械臂主要分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型。主動(dòng)式定位機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)都配備有驅(qū)動(dòng)裝置，如伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)等，通過這些驅(qū)動(dòng)裝置可以精確控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)較高的定位精度。主動(dòng)式定位機(jī)械臂無需依靠自身平衡結(jié)構(gòu)來維持穩(wěn)定，因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)裝置可以提供足夠的力矩來保持機(jī)械臂的姿態(tài)。然而，主動(dòng)式定位機(jī)械臂也存在一些局限性。其傳統(tǒng)的控制方式往往過于程式化，通常需要按照預(yù)先設(shè)定的程序和軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，缺乏靈活性，不能隨意拖動(dòng)。在手術(shù)過程中，如果需要根據(jù)患者的實(shí)時(shí)情況臨時(shí)調(diào)整機(jī)械臂的位置，這種固定的控制方式可能無法滿足需求。由于主動(dòng)式定位機(jī)械臂包含較多的電器元件和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求較高，這使得其在狹窄的手術(shù)空間中應(yīng)用時(shí)受到一定限制，其體積和重量也相對(duì)較大。被動(dòng)式定位機(jī)械臂的關(guān)節(jié)則沒有安裝驅(qū)動(dòng)裝置，需要依靠外力，如醫(yī)生手動(dòng)操作或其他輔助設(shè)備，來使其運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)式定位機(jī)械臂的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在人力作用下任意拖動(dòng)，具有較好的靈活性和適應(yīng)性。在手術(shù)前的準(zhǔn)備階段，醫(yī)生可以根據(jù)患者的具體情況方便地調(diào)整機(jī)械臂的位置和姿態(tài)。目前，應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的被動(dòng)機(jī)械臂有Davinci系統(tǒng)和ZEUS機(jī)器人系統(tǒng)，以及北京航空航天大學(xué)開發(fā)的“黎元”立體定向機(jī)器人系統(tǒng)、天津大學(xué)開發(fā)的“妙手”系統(tǒng)等。但是，被動(dòng)機(jī)械臂在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要實(shí)現(xiàn)自身的平衡，以確保在任意位置都能穩(wěn)定放置，這增加了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和制造難度。為了防止機(jī)械臂在不需要移動(dòng)時(shí)發(fā)生位移，還需要配備自鎖裝置，這進(jìn)一步增加了機(jī)械臂的復(fù)雜性。由于缺乏主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，被動(dòng)機(jī)械臂在進(jìn)行精確位姿調(diào)整時(shí)較為困難，難以滿足一些對(duì)精度要求極高的手術(shù)操作。綜合考慮主動(dòng)式和被動(dòng)式定位機(jī)械臂的特點(diǎn)，結(jié)合微創(chuàng)血管介入手術(shù)對(duì)定位精度和操作靈活性的需求，本研究選擇采用主動(dòng)式定位機(jī)械臂作為設(shè)計(jì)方案。本主動(dòng)式定位機(jī)械臂設(shè)計(jì)為具有5個(gè)自由度的串聯(lián)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，如圖2所示，肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂安裝在肩關(guān)節(jié)上面，實(shí)現(xiàn)繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)與大臂串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂與肘關(guān)節(jié)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，腕部繼續(xù)與小臂串聯(lián)，若所有關(guān)節(jié)位于一條直線上，則腕部旋轉(zhuǎn)為繞y軸的旋轉(zhuǎn)；若小臂關(guān)節(jié)繞z軸旋轉(zhuǎn)90度后，則腕部旋轉(zhuǎn)即改變?yōu)槔@x軸旋轉(zhuǎn)。[此處插入主動(dòng)式定位機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖]這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得機(jī)械臂能夠在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活的位姿調(diào)整。在實(shí)際手術(shù)中，通過控制各個(gè)關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器的精確位置和姿態(tài)控制。當(dāng)需要將導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)移動(dòng)到患者體內(nèi)的特定位置時(shí)，首先根據(jù)術(shù)前獲取的患者血管影像和手術(shù)規(guī)劃，計(jì)算出機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。然后，控制系統(tǒng)將這些角度指令發(fā)送給相應(yīng)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)指令精確轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)械臂末端的導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置。在精度控制方面，本主動(dòng)式定位機(jī)械臂采用了高精度的編碼器和先進(jìn)的控制算法。編碼器安裝在每個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)軸上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，并將角度信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)編碼器反饋的信號(hào)，通過閉環(huán)控制算法對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行精確調(diào)整，以確保機(jī)械臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與預(yù)設(shè)位置一致。還采用了誤差補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差、摩擦力等因素引起的位置偏差進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了定位精度。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本主動(dòng)式定位機(jī)械臂在空載情況下的定位精度可以達(dá)到±0.5mm，能夠滿足微創(chuàng)血管介入手術(shù)對(duì)定位精度的要求。2.3驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為手術(shù)機(jī)器人的動(dòng)力源，其選型直接影響機(jī)器人的性能和手術(shù)操作的精準(zhǔn)度。在眾多驅(qū)動(dòng)元件中，伺服電機(jī)憑借其出色的性能優(yōu)勢(shì)，成為本微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人的首選驅(qū)動(dòng)元件。伺服電機(jī)具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠在接收到控制信號(hào)后迅速做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的快速啟動(dòng)、停止和變速運(yùn)動(dòng)。在血管介入手術(shù)中，當(dāng)需要快速調(diào)整導(dǎo)管/導(dǎo)絲的位置時(shí)，伺服電機(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的動(dòng)作，提高手術(shù)效率。其控制精度極高，通過高精度的編碼器反饋，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和速度的精確控制，從而保證機(jī)械臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。這對(duì)于需要將導(dǎo)管/導(dǎo)絲精確送至血管內(nèi)特定位置的微創(chuàng)血管介入手術(shù)來說至關(guān)重要，能夠有效降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)成功率。伺服電機(jī)還具有較大的扭矩輸出能力，能夠滿足手術(shù)機(jī)器人在操作過程中對(duì)驅(qū)動(dòng)力的需求，確保機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定地帶動(dòng)手術(shù)器械進(jìn)行各種操作。在本手術(shù)機(jī)器人中，伺服電機(jī)被廣泛應(yīng)用于定位機(jī)械臂和導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)。在定位機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)處均安裝有伺服電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確位姿調(diào)整。肩關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)負(fù)責(zé)控制機(jī)械臂繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂處的伺服電機(jī)控制繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)、小臂和腕部的伺服電機(jī)也各自承擔(dān)著相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制任務(wù)。通過這些伺服電機(jī)的協(xié)同工作，機(jī)械臂能夠在三維空間內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng)，將手術(shù)器械準(zhǔn)確地定位到目標(biāo)位置。在導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)中，同樣采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源。負(fù)責(zé)軸向推進(jìn)的伺服電機(jī)通過絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)管/導(dǎo)絲的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確的軸向推進(jìn)控制；而負(fù)責(zé)周向旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)則通過傳動(dòng)齒輪，帶動(dòng)導(dǎo)管/導(dǎo)絲繞其軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)周向旋轉(zhuǎn)的精確控制。通過控制這兩個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管/導(dǎo)絲的軸向推進(jìn)和周向旋轉(zhuǎn)的同步或獨(dú)立控制，滿足不同手術(shù)場(chǎng)景的需求。本研究選用的伺服電機(jī)型號(hào)為[具體型號(hào)]，其主要參數(shù)如下：額定功率為[X]W，能夠提供足夠的動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；額定轉(zhuǎn)速為[X]rpm，可滿足手術(shù)操作過程中對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的要求；最大扭矩為[X]N?m，確保在各種操作情況下都能穩(wěn)定地帶動(dòng)手術(shù)器械；編碼器分辨率為[X]線/轉(zhuǎn)，這一高分辨率的編碼器能夠?yàn)殡姍C(jī)的精確控制提供準(zhǔn)確的位置反饋信息，使得電機(jī)的控制精度更高。傳動(dòng)系統(tǒng)是連接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)直接影響動(dòng)力傳輸?shù)男屎途?。在本手術(shù)機(jī)器人中，傳動(dòng)系統(tǒng)采用了多種傳動(dòng)方式，以滿足不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需求。對(duì)于定位機(jī)械臂，由于其需要在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活的位姿調(diào)整，且對(duì)運(yùn)動(dòng)精度要求較高，因此采用了諧波減速器和同步帶傳動(dòng)相結(jié)合的方式。諧波減速器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、精度高、回程誤差小等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地將伺服電機(jī)的高速低扭矩輸出轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂關(guān)節(jié)所需的低速高扭矩運(yùn)動(dòng)，并且能夠保證運(yùn)動(dòng)的精確性和穩(wěn)定性。同步帶傳動(dòng)則具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音小、傳動(dòng)效率高、維護(hù)方便等特點(diǎn)，能夠?qū)⒅C波減速器輸出的動(dòng)力準(zhǔn)確地傳遞到機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。在導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)中，采用了絲桿傳動(dòng)方式。絲桿傳動(dòng)具有傳動(dòng)精度高、能夠?qū)崿F(xiàn)精確的直線運(yùn)動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，非常適合導(dǎo)管/導(dǎo)絲的軸向推進(jìn)和周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制。如前文所述，在軸向推進(jìn)過程中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母帶動(dòng)滑動(dòng)塊沿導(dǎo)軌直線移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)導(dǎo)管/導(dǎo)絲前進(jìn)或后退；在周向旋轉(zhuǎn)時(shí)，伺服電機(jī)通過傳動(dòng)齒輪使導(dǎo)管/導(dǎo)絲繞其軸線旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)比的確定是傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，它直接影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和扭矩輸出。在定位機(jī)械臂中，根據(jù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)要求和伺服電機(jī)的參數(shù)，通過計(jì)算和分析確定了合適的傳動(dòng)比。例如，肩關(guān)節(jié)處的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為[具體數(shù)值]，這樣可以使伺服電機(jī)在提供足夠扭矩的，保證機(jī)械臂在該關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)速度和靈活性，滿足手術(shù)操作對(duì)機(jī)械臂位姿調(diào)整的需求。在導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)中，傳動(dòng)比的確定則主要考慮導(dǎo)管/導(dǎo)絲的運(yùn)動(dòng)精度和速度要求。對(duì)于軸向推進(jìn)，根據(jù)所需的推進(jìn)精度和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，確定了絲桿的螺距和傳動(dòng)比，以實(shí)現(xiàn)精確的軸向位移控制。對(duì)于周向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)所需的旋轉(zhuǎn)角度和速度，確定了傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)比，以保證導(dǎo)管/導(dǎo)絲能夠按照手術(shù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確的周向旋轉(zhuǎn)。通過合理確定傳動(dòng)比，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的匹配，確保手術(shù)機(jī)器人的性能和手術(shù)操作的順利進(jìn)行。2.4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)作為微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人的核心部分，其硬件組成直接關(guān)系到機(jī)器人的性能和手術(shù)操作的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。本控制系統(tǒng)主要由控制器、傳感器、通信模塊等關(guān)鍵硬件構(gòu)成，各硬件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)機(jī)器人的精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心大腦，負(fù)責(zé)處理各種控制指令和數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)機(jī)器人各部分的運(yùn)動(dòng)。在眾多控制器類型中，可編程多軸控制器（PMAC）以其強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制能力、高度的實(shí)時(shí)性以及豐富的接口資源，成為本手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的理想選擇。PMAC具有卓越的運(yùn)動(dòng)控制性能，能夠同時(shí)控制多個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軌跡規(guī)劃和插補(bǔ)運(yùn)算。在本手術(shù)機(jī)器人中，需要控制定位機(jī)械臂的多個(gè)關(guān)節(jié)以及導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，PMAC能夠根據(jù)手術(shù)需求，精確地生成各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，確保手術(shù)器械能夠準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)位置。它支持多種運(yùn)動(dòng)控制模式，如點(diǎn)位控制、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，能夠滿足不同手術(shù)場(chǎng)景下對(duì)器械運(yùn)動(dòng)的要求。在進(jìn)行冠狀動(dòng)脈介入手術(shù)時(shí)，需要將導(dǎo)管精確地送至冠狀動(dòng)脈的狹窄部位，PMAC可以通過直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)控制模式，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的平穩(wěn)、準(zhǔn)確遞送。PMAC的實(shí)時(shí)性也是其重要優(yōu)勢(shì)之一。在手術(shù)過程中，需要對(duì)各種突發(fā)情況做出快速響應(yīng)，以確保手術(shù)的安全進(jìn)行。PMAC采用了高速的處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)傳感器反饋的信息進(jìn)行處理，并及時(shí)調(diào)整控制策略。當(dāng)力傳感器檢測(cè)到手術(shù)器械與血管壁之間的作用力過大時(shí)，PMAC可以迅速做出反應(yīng)，調(diào)整器械的運(yùn)動(dòng)速度和方向，避免對(duì)血管造成損傷。PMAC還擁有豐富的接口資源，包括數(shù)字輸入輸出接口、模擬輸入輸出接口、編碼器接口等，這些接口能夠方便地與其他硬件設(shè)備進(jìn)行連接和通信。通過數(shù)字輸入輸出接口，可以與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信，發(fā)送控制指令并接收驅(qū)動(dòng)器反饋的狀態(tài)信息；通過模擬輸入輸出接口，可以與力傳感器、位置傳感器等模擬信號(hào)傳感器進(jìn)行連接，獲取手術(shù)過程中的各種物理量信息；通過編碼器接口，可以與伺服電機(jī)的編碼器進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度，實(shí)現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。本研究選用的PMAC型號(hào)為[具體型號(hào)]，其主要參數(shù)如下：該型號(hào)PMAC支持[X]軸的運(yùn)動(dòng)控制，能夠滿足本手術(shù)機(jī)器人定位機(jī)械臂和導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)的多軸控制需求；其最高運(yùn)算速度可達(dá)[X]MHz，保證了在復(fù)雜的手術(shù)操作中能夠快速地處理各種控制指令和數(shù)據(jù)；它具有[X]個(gè)數(shù)字輸入接口和[X]個(gè)數(shù)字輸出接口，可用于連接各種數(shù)字信號(hào)設(shè)備；具有[X]個(gè)模擬輸入接口和[X]個(gè)模擬輸出接口，能夠滿足多種模擬信號(hào)傳感器和執(zhí)行器的連接需求。傳感器在手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)崟r(shí)獲取手術(shù)過程中的各種信息，為控制器提供決策依據(jù)，從而提高手術(shù)的安全性和精準(zhǔn)性。本手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用了多種類型的傳感器，包括力傳感器、位置傳感器和視覺傳感器等。力傳感器主要用于監(jiān)測(cè)手術(shù)器械與血管壁之間的作用力，避免因過大的作用力導(dǎo)致血管損傷。在導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂的末端均安裝有力傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)器械在推進(jìn)和操作過程中所受到的力。本研究選用的力傳感器型號(hào)為[具體型號(hào)]，它采用了高精度的應(yīng)變片作為敏感元件，能夠精確地測(cè)量微小的力變化。該力傳感器的測(cè)量范圍為[X]N，精度可達(dá)±[X]N，能夠滿足血管介入手術(shù)對(duì)力測(cè)量精度的嚴(yán)格要求。當(dāng)力傳感器檢測(cè)到手術(shù)器械與血管壁之間的作用力超過設(shè)定的安全閾值時(shí)，會(huì)立即將信號(hào)反饋給控制器，控制器則會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略，調(diào)整器械的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如降低推進(jìn)速度或改變推進(jìn)方向，以確保手術(shù)的安全進(jìn)行。位置傳感器用于監(jiān)測(cè)機(jī)械臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài)，確保手術(shù)器械能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置。在定位機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)處以及導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部位均安裝有位置傳感器。對(duì)于定位機(jī)械臂的關(guān)節(jié)位置監(jiān)測(cè)，采用了絕對(duì)值編碼器作為位置傳感器，其型號(hào)為[具體型號(hào)]。該絕對(duì)值編碼器具有高精度、高分辨率的特點(diǎn)，分辨率可達(dá)[X]位，能夠精確地測(cè)量機(jī)械臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，從而確定機(jī)械臂的位姿。在導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)中，采用了線性位移傳感器來監(jiān)測(cè)導(dǎo)管/導(dǎo)絲的軸向位置，型號(hào)為[具體型號(hào)]，其測(cè)量精度可達(dá)±[X]mm，能夠滿足導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)精度的要求。通過位置傳感器實(shí)時(shí)反饋的位置信息，控制器可以對(duì)機(jī)械臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械的精準(zhǔn)定位。視覺傳感器為手術(shù)操作提供可視化的引導(dǎo)，幫助醫(yī)生更直觀地了解手術(shù)器械的位置和患者血管的情況。本系統(tǒng)采用了X射線成像設(shè)備和光學(xué)相機(jī)作為視覺傳感器。X射線成像設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)獲取患者血管的影像，為手術(shù)操作提供重要的參考信息。通過X射線成像，醫(yī)生可以清晰地看到血管的形態(tài)、位置以及病變部位，從而指導(dǎo)手術(shù)器械的操作。光學(xué)相機(jī)則用于捕捉手術(shù)器械的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，輔助控制器進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制。將光學(xué)相機(jī)安裝在合適的位置，能夠?qū)崟r(shí)拍攝手術(shù)器械的圖像，并通過圖像識(shí)別算法確定器械的位置和姿態(tài)。將光學(xué)相機(jī)獲取的信息與X射線成像設(shè)備提供的血管影像相結(jié)合，能夠?yàn)獒t(yī)生提供更全面、準(zhǔn)確的手術(shù)信息，提高手術(shù)的成功率。通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與其他模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，確保整個(gè)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)同工作。在本手術(shù)機(jī)器人中，通信模塊主要用于實(shí)現(xiàn)控制器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器、人機(jī)交互系統(tǒng)等之間的通信。在控制器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的通信中，采用了以太網(wǎng)通信方式。以太網(wǎng)具有高速、穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的快速傳輸需求。控制器通過以太網(wǎng)將運(yùn)動(dòng)控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的指令控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器也會(huì)通過以太網(wǎng)將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給控制器，如電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、位置等，以便控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整?？刂破髋c傳感器之間的通信則根據(jù)傳感器的類型采用了不同的通信方式。對(duì)于數(shù)字信號(hào)傳感器，如絕對(duì)值編碼器，采用了RS485通信接口進(jìn)行通信。RS485通信具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率較高的特點(diǎn)，能夠滿足編碼器數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。?duì)于模擬信號(hào)傳感器，如力傳感器，通過模擬輸入接口將傳感器輸出的模擬信號(hào)接入控制器，控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。在控制器與人機(jī)交互系統(tǒng)的通信中，同樣采用了以太網(wǎng)通信方式。人機(jī)交互系統(tǒng)將醫(yī)生輸入的操作指令通過以太網(wǎng)發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)指令控制手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)?？刂破饕矔?huì)將手術(shù)過程中的各種信息，如手術(shù)器械的位置、狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)等，通過以太網(wǎng)反饋給人機(jī)交互系統(tǒng)，以便醫(yī)生實(shí)時(shí)了解手術(shù)進(jìn)展情況。為了確保通信的穩(wěn)定性和可靠性，在通信模塊的設(shè)計(jì)中還采取了一系列的措施。采用了冗余通信鏈路設(shè)計(jì)，當(dāng)主通信鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，備用通信鏈路能夠自動(dòng)切換，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性；對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和加密處理，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤或被篡改；還設(shè)置了通信故障檢測(cè)和報(bào)警機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)到通信異常時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員進(jìn)行處理。三、人機(jī)交互控制技術(shù)3.1人機(jī)交互控制架構(gòu)人機(jī)交互控制架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)醫(yī)生與微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人高效協(xié)同的關(guān)鍵，它構(gòu)建了一個(gè)信息交互與指令傳遞的橋梁，確保手術(shù)操作的精準(zhǔn)性和流暢性。本研究設(shè)計(jì)的人機(jī)交互控制架構(gòu)主要由醫(yī)生操作端、機(jī)器人從端和通信鏈路三大部分組成，各部分緊密協(xié)作，共同完成手術(shù)任務(wù)。醫(yī)生操作端是醫(yī)生與手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行交互的主要界面，它為醫(yī)生提供了直觀、便捷的操作方式，使其能夠?qū)崟r(shí)掌控手術(shù)進(jìn)程。操作手柄是醫(yī)生操作端的核心部件之一，采用符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念，充分考慮醫(yī)生的操作習(xí)慣和舒適度。手柄的形狀和尺寸經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，能夠自然地貼合醫(yī)生的手部，減少長(zhǎng)時(shí)間操作帶來的疲勞感。在功能設(shè)計(jì)上，操作手柄集成了多個(gè)按鍵和旋鈕，每個(gè)按鍵和旋鈕都有明確的功能定義，醫(yī)生可以通過簡(jiǎn)單的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)機(jī)器人的各種控制指令。通過旋轉(zhuǎn)某個(gè)旋鈕，可以精確控制導(dǎo)管/導(dǎo)絲的推進(jìn)速度；按下特定的按鍵，則可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的位姿調(diào)整。操作手柄還配備了力反饋裝置，當(dāng)手術(shù)器械與血管壁等組織接觸時(shí)，力反饋裝置能夠?qū)崟r(shí)將作用力反饋給醫(yī)生，使醫(yī)生能夠感受到手術(shù)器械與組織之間的相互作用，從而更精準(zhǔn)地控制手術(shù)操作，避免對(duì)血管造成損傷。顯示界面也是醫(yī)生操作端的重要組成部分，它以直觀的方式向醫(yī)生展示各種手術(shù)相關(guān)信息。患者的血管影像通過數(shù)字減影血管造影（DSA）等技術(shù)獲取，并清晰地呈現(xiàn)在顯示界面上，醫(yī)生可以根據(jù)血管影像實(shí)時(shí)了解患者血管的形態(tài)、位置和病變情況，為手術(shù)操作提供重要的參考依據(jù)。手術(shù)器械的位置和狀態(tài)信息也在顯示界面上實(shí)時(shí)更新，醫(yī)生可以隨時(shí)掌握導(dǎo)管/導(dǎo)絲的位置、推進(jìn)距離、旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，確保手術(shù)器械準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置。顯示界面還會(huì)展示手術(shù)過程中的各種參數(shù)信息，如血壓、心率、血氧飽和度等生理參數(shù)，以及手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等，幫助醫(yī)生全面了解手術(shù)情況，及時(shí)做出決策。語音交互模塊為醫(yī)生提供了一種更加便捷的交互方式，解放了醫(yī)生的雙手，使其能夠在手術(shù)過程中更加專注于操作。醫(yī)生可以通過語音指令來控制手術(shù)機(jī)器人的某些功能，在需要調(diào)整機(jī)械臂的位置時(shí)，醫(yī)生只需說出相應(yīng)的語音指令，如“將機(jī)械臂向左移動(dòng)1厘米”，語音交互模塊接收到指令后，會(huì)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給手術(shù)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的控制。語音交互模塊還可以與醫(yī)生進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)話，回答醫(yī)生的問題，提供手術(shù)相關(guān)的提示和建議。為了提高語音交互的準(zhǔn)確性和可靠性，采用了先進(jìn)的語音識(shí)別技術(shù)和自然語言處理技術(shù)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別醫(yī)生的語音指令，并理解其含義。機(jī)器人從端是手術(shù)操作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接收醫(yī)生操作端發(fā)送的控制指令，并根據(jù)指令完成相應(yīng)的動(dòng)作。在硬件層面，機(jī)器人從端主要包括前文所述的定位機(jī)械臂和導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及驅(qū)動(dòng)這些機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)等。定位機(jī)械臂負(fù)責(zé)將手術(shù)器械精確地定位到患者體內(nèi)的目標(biāo)位置，通過多個(gè)自由度的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位姿調(diào)整。導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)則負(fù)責(zé)將導(dǎo)管和導(dǎo)絲精確地送入患者血管內(nèi)，實(shí)現(xiàn)軸向推進(jìn)和周向旋轉(zhuǎn)等操作。在軟件層面，機(jī)器人從端配備了專門的控制程序和算法，用于解析醫(yī)生操作端發(fā)送的控制指令，并將其轉(zhuǎn)化為具體的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)接收到醫(yī)生操作端發(fā)送的控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的指令時(shí)，控制程序會(huì)根據(jù)指令中的目標(biāo)位置和姿態(tài)信息，結(jié)合機(jī)械臂當(dāng)前的狀態(tài)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)算法計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和速度，然后將這些控制信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確運(yùn)動(dòng)控制。對(duì)于導(dǎo)管/導(dǎo)絲推進(jìn)機(jī)構(gòu)的控制，同樣是通過控制程序根據(jù)接收到的指令，計(jì)算出推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如推進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)角度等，并將控制信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管/導(dǎo)絲的精準(zhǔn)遞送。機(jī)器人從端還具備感知反饋功能，通過安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的各種傳感器，如力傳感器、位置傳感器等，實(shí)時(shí)獲取手術(shù)過程中的各種信息，并將這些信息反饋給醫(yī)生操作端。力傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)器械與血管壁之間的作用力，當(dāng)作用力超過設(shè)定的安全閾值時(shí)，機(jī)器人從端會(huì)及時(shí)將信息反饋給醫(yī)生操作端，提醒醫(yī)生調(diào)整操作，避免對(duì)血管造成損傷。位置傳感器則用于監(jiān)測(cè)機(jī)械臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài)，確保手術(shù)器械能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，并將位置信息實(shí)時(shí)反饋給醫(yī)生操作端，使醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)了解手術(shù)器械的位置狀態(tài)。通信鏈路是連接醫(yī)生操作端和機(jī)器人從端的紐帶，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。在本研究中，通信鏈路采用了有線和無線相結(jié)合的方式，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。在近距離手術(shù)場(chǎng)景下，優(yōu)先采用有線通信方式，如以太網(wǎng)，以太網(wǎng)具有高速、穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的快速傳輸需求，確保醫(yī)生操作端發(fā)送的控制指令能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸?shù)綑C(jī)器人從端，機(jī)器人從端反饋的信息也能夠快速返回給醫(yī)生操作端。在遠(yuǎn)程手術(shù)場(chǎng)景下，由于距離較遠(yuǎn)，有線通信方式受到限制，此時(shí)采用無線通信方式，如5G通信技術(shù)。5G技術(shù)具有高速率、低延遲、大連接的特點(diǎn)，能夠滿足遠(yuǎn)程手術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?yán)格要求，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生與手術(shù)機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)交互。通過5G通信鏈路，醫(yī)生可以在遠(yuǎn)離手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的地方，實(shí)時(shí)控制手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)操作，打破了地域限制，使優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療資源能夠覆蓋更廣泛的地區(qū)。為了確保通信的安全性和穩(wěn)定性，在通信鏈路的設(shè)計(jì)中采取了一系列的措施。采用了加密技術(shù)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊取或篡改；設(shè)置了數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性；還建立了通信故障檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)到通信故障時(shí)，能夠及時(shí)采取措施進(jìn)行恢復(fù)，保證手術(shù)的順利進(jìn)行。例如，當(dāng)通信鏈路出現(xiàn)短暫中斷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到備用通信鏈路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性；當(dāng)通信鏈路恢復(fù)正常后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換回主通信鏈路。3.2主控端人機(jī)交互設(shè)計(jì)3.2.1操作界面設(shè)計(jì)操作界面作為醫(yī)生與微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人交互的直接窗口，其設(shè)計(jì)的合理性和易用性直接影響手術(shù)的效率和質(zhì)量。為了更好地滿足醫(yī)生的操作習(xí)慣，本研究從多個(gè)方面對(duì)操作界面進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。操作手柄的設(shè)計(jì)充分考慮人體工程學(xué)原理，旨在為醫(yī)生提供舒適、自然的操作體驗(yàn)。手柄的形狀和尺寸經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，以適應(yīng)醫(yī)生手部的生理結(jié)構(gòu)，減少長(zhǎng)時(shí)間操作帶來的疲勞感。其材質(zhì)選擇柔軟且具有良好摩擦力的材料，確保醫(yī)生在操作過程中能夠穩(wěn)定地握持手柄，避免因手部出汗或其他因素導(dǎo)致的操作失誤。在功能布局上，手柄集成了豐富的控制功能。通過對(duì)醫(yī)生實(shí)際手術(shù)操作流程的深入分析，將常用的控制指令，如導(dǎo)管/導(dǎo)絲的推進(jìn)、回撤、旋轉(zhuǎn)等操作，分別映射到不同的按鍵和旋鈕上。醫(yī)生可以通過單手操作這些按鍵和旋鈕，快速、準(zhǔn)確地向機(jī)器人發(fā)送控制指令。為了進(jìn)一步提高操作的便捷性，還設(shè)置了一些組合按鍵，用于實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的操作，如同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)管的推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)，只需通過簡(jiǎn)單的組合按鍵操作即可完成，大大提高了手術(shù)操作的效率。顯示界面是操作界面的重要組成部分，它以直觀、清晰的方式向醫(yī)生展示各種手術(shù)相關(guān)信息?；颊叩难苡跋癫捎酶叻直媛实娘@示屏進(jìn)行呈現(xiàn)，確保醫(yī)生能夠清晰地觀察到血管的形態(tài)、位置以及病變情況。利用先進(jìn)的圖像增強(qiáng)和處理技術(shù)，對(duì)血管影像進(jìn)行優(yōu)化，突出顯示關(guān)鍵部位和病變區(qū)域，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地判斷手術(shù)路徑和操作方案。手術(shù)器械的位置和狀態(tài)信息也實(shí)時(shí)顯示在界面上，包括導(dǎo)管/導(dǎo)絲的位置、推進(jìn)距離、旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，以及定位機(jī)械臂的位姿信息。醫(yī)生可以通過這些信息，實(shí)時(shí)了解手術(shù)器械的工作狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整操作策略，確保手術(shù)器械能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置。為了方便醫(yī)生快速獲取關(guān)鍵信息，顯示界面還采用了分區(qū)設(shè)計(jì)，將不同類型的信息分別顯示在不同的區(qū)域，如將血管影像顯示在主區(qū)域，手術(shù)器械的位置和狀態(tài)信息顯示在側(cè)邊欄，各種生理參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示在底部狀態(tài)欄等。每個(gè)區(qū)域都有明確的標(biāo)識(shí)和提示，使醫(yī)生能夠一目了然地了解手術(shù)的整體情況。為了實(shí)現(xiàn)自然的人機(jī)交互，操作界面還引入了一些創(chuàng)新的交互方式。力反饋技術(shù)的應(yīng)用使醫(yī)生在操作手柄時(shí)能夠感受到手術(shù)器械與血管壁之間的作用力，增強(qiáng)了操作的真實(shí)感和精準(zhǔn)度。當(dāng)手術(shù)器械接觸到血管壁時(shí)，力反饋裝置會(huì)根據(jù)作用力的大小和方向，向手柄施加相應(yīng)的反作用力，醫(yī)生可以通過這種反作用力直觀地感受到手術(shù)器械與血管壁的接觸狀態(tài)，從而更精準(zhǔn)地控制手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)，避免對(duì)血管造成損傷。語音交互技術(shù)的引入則解放了醫(yī)生的雙手，使醫(yī)生能夠通過語音指令與機(jī)器人進(jìn)行交互。醫(yī)生可以在手術(shù)過程中，無需手動(dòng)操作按鍵或旋鈕，只需說出相應(yīng)的語音指令，如“推進(jìn)導(dǎo)管1厘米”“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)絲30度”等，機(jī)器人即可根據(jù)語音指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。這不僅提高了操作的便捷性，還減少了醫(yī)生在操作過程中的注意力分散，使醫(yī)生能夠更加專注于手術(shù)操作。為了提高語音交互的準(zhǔn)確性和可靠性，采用了先進(jìn)的語音識(shí)別算法和自然語言處理技術(shù)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別醫(yī)生的語音指令，并理解其含義，確保機(jī)器人能夠正確執(zhí)行指令。3.2.2手部抖動(dòng)濾除與操作精度提升在微創(chuàng)血管介入手術(shù)中，醫(yī)生的手部抖動(dòng)是影響手術(shù)精度和安全性的重要因素之一。即使是輕微的手部抖動(dòng)，在血管介入這樣高精度的操作中，也可能導(dǎo)致手術(shù)器械的位置偏差，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為了有效濾除醫(yī)生手部抖動(dòng)，提高手術(shù)操作精度，本研究從算法和硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，采取了一系列針對(duì)性的措施。在算法層面，采用了卡爾曼濾波算法來處理操作手柄采集到的位置和速度信號(hào)。卡爾曼濾波算法是一種高效的遞歸濾波算法，它能夠根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。在本研究中，將醫(yī)生操作手柄的位置和速度視為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，通過安裝在操作手柄上的傳感器獲取這些狀態(tài)變量的觀測(cè)值。卡爾曼濾波算法利用這些觀測(cè)值，結(jié)合系統(tǒng)的噪聲特性，對(duì)操作手柄的真實(shí)位置和速度進(jìn)行估計(jì)，從而有效濾除其中的噪聲和抖動(dòng)成分。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：首先，根據(jù)手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程。狀態(tài)方程描述了操作手柄的位置和速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，觀測(cè)方程則描述了傳感器觀測(cè)值與系統(tǒng)狀態(tài)變量之間的關(guān)系。然后，初始化卡爾曼濾波器的參數(shù)，包括狀態(tài)估計(jì)值、協(xié)方差矩陣等。在手術(shù)過程中，實(shí)時(shí)采集操作手柄的傳感器數(shù)據(jù)，并將其輸入到卡爾曼濾波器中?？柭鼮V波器根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的算法進(jìn)行計(jì)算，更新狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差矩陣，從而得到濾除抖動(dòng)后的操作手柄位置和速度信息。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用卡爾曼濾波算法后，能夠有效降低操作手柄信號(hào)中的抖動(dòng)噪聲，提高信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在模擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中，未采用卡爾曼濾波算法時(shí)，操作手柄的位置信號(hào)抖動(dòng)范圍可達(dá)±[X]mm；采用卡爾曼濾波算法后，抖動(dòng)范圍降低至±[X]mm，顯著提高了操作信號(hào)的質(zhì)量。除了卡爾曼濾波算法，還采用了基于滑動(dòng)平均的濾波算法作為輔助?；瑒?dòng)平均濾波算法是一種簡(jiǎn)單有效的濾波方法，它通過對(duì)一定時(shí)間窗口內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行平均計(jì)算，來平滑信號(hào)，減少噪聲的影響。在本研究中，將操作手柄采集到的信號(hào)按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行分組，對(duì)每組信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均計(jì)算。例如，設(shè)定時(shí)間窗口為[X]ms，將每[X]ms內(nèi)采集到的操作手柄位置信號(hào)進(jìn)行平均，得到一個(gè)平滑后的位置信號(hào)。這種方法能夠進(jìn)一步去除信號(hào)中的高頻噪聲和突發(fā)抖動(dòng)，與卡爾曼濾波算法相結(jié)合，能夠更全面地濾除醫(yī)生手部抖動(dòng)，提高操作信號(hào)的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，先通過卡爾曼濾波算法對(duì)操作手柄信號(hào)進(jìn)行初步處理，濾除大部分噪聲和抖動(dòng)；再利用滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)卡爾曼濾波后的信號(hào)進(jìn)行二次處理，進(jìn)一步平滑信號(hào)，提高信號(hào)的質(zhì)量。通過這種雙重濾波的方式，能夠更有效地濾除醫(yī)生手部抖動(dòng)，為手術(shù)機(jī)器人提供更精準(zhǔn)的操作指令。在硬件設(shè)計(jì)方面，為操作手柄配備了高精度的傳感器和穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)。選用了高精度的陀螺儀和加速度計(jì)作為操作手柄的運(yùn)動(dòng)傳感器，這些傳感器具有較高的靈敏度和分辨率，能夠精確地測(cè)量操作手柄的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。陀螺儀可以測(cè)量操作手柄的角速度，加速度計(jì)可以測(cè)量操作手柄的加速度，通過對(duì)這些傳感器數(shù)據(jù)的融合處理，能夠準(zhǔn)確地獲取操作手柄的位置和速度信息。這些傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性直接影響到手部抖動(dòng)的檢測(cè)和濾除效果，高精度的傳感器能夠更準(zhǔn)確地捕捉到操作手柄的微小運(yùn)動(dòng)變化，為后續(xù)的算法處理提供更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本研究選用的陀螺儀精度可達(dá)±[X]°/s，加速度計(jì)精度可達(dá)±[X]m/s2，能夠滿足手術(shù)操作對(duì)傳感器精度的嚴(yán)格要求。操作手柄的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也對(duì)減少手部抖動(dòng)起到了重要作用。采用了剛性好、質(zhì)量分布均勻的材料制作操作手柄的外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確保操作手柄在運(yùn)動(dòng)過程中具有良好的穩(wěn)定性。優(yōu)化了操作手柄的內(nèi)部機(jī)械連接，減少了機(jī)械間隙和松動(dòng)，降低了因機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的抖動(dòng)。在操作手柄的按鍵和旋鈕設(shè)計(jì)上，采用了阻尼適中的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使醫(yī)生在操作時(shí)能夠感受到清晰的操作反饋，同時(shí)減少了因操作力度不均勻?qū)е碌氖植慷秳?dòng)。還在操作手柄的握持部分增加了減震材料，進(jìn)一步減少了醫(yī)生手部的震動(dòng)傳遞到操作手柄上，提高了操作的穩(wěn)定性。通過這些硬件設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，能夠從源頭上減少手部抖動(dòng)對(duì)操作手柄信號(hào)的影響，為后續(xù)的算法處理提供更穩(wěn)定的原始信號(hào)。3.3從端協(xié)同控制技術(shù)3.3.1多器械協(xié)同遞送控制在復(fù)雜的微創(chuàng)血管介入手術(shù)中，往往需要同時(shí)使用多個(gè)導(dǎo)絲、球囊、支架等器械，以實(shí)現(xiàn)對(duì)病變血管的有效治療。以VasCure機(jī)器人為例，其從端通過獨(dú)有的創(chuàng)新型雙通道協(xié)同遞送技術(shù)，在這方面展現(xiàn)出卓越的性能，有效滿足了心血管介入手術(shù)中Culotte等復(fù)雜術(shù)式對(duì)介入器械的臨床操作需求。該創(chuàng)新型雙通道協(xié)同遞送技術(shù)的核心在于其獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)和精準(zhǔn)的控制算法。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，VasCure機(jī)器人配備了兩個(gè)獨(dú)立且協(xié)同工作的通道，每個(gè)通道都具備獨(dú)立控制導(dǎo)絲、球囊或支架的能力。這兩個(gè)通道可以同時(shí)對(duì)不同的器械進(jìn)行操作，也可以根據(jù)手術(shù)需求，對(duì)同一器械進(jìn)行不同方式的協(xié)同操作。在進(jìn)行雙支架Culotte術(shù)式時(shí)，一個(gè)通道負(fù)責(zé)將主支架精準(zhǔn)地遞送至主支血管的病變部位，另一個(gè)通道則同時(shí)將邊支支架送至邊支血管的病變處，兩個(gè)通道的協(xié)同操作確保了雙支架能夠準(zhǔn)確、同步地到達(dá)各自的目標(biāo)位置，為后續(xù)的支架釋放和血管重建奠定了基礎(chǔ)。精準(zhǔn)的控制算法是實(shí)現(xiàn)多器械協(xié)同遞送的關(guān)鍵。VasCure機(jī)器人采用了先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制算法，能夠根據(jù)手術(shù)的實(shí)時(shí)需求和器械的位置狀態(tài)，精確計(jì)算每個(gè)通道的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)速度、位移量、旋轉(zhuǎn)角度等。通過對(duì)這些參數(shù)的精確控制，實(shí)現(xiàn)了不同器械之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，避免了器械之間的相互干擾和碰撞。在手術(shù)過程中，控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)獲取血管的影像信息和器械的位置反饋信息，根據(jù)這些信息，算法會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整兩個(gè)通道的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，確保導(dǎo)絲、球囊和支架能夠按照預(yù)定的手術(shù)路徑和順序，準(zhǔn)確地遞送至病變部位。如果在手術(shù)過程中發(fā)現(xiàn)血管的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，或者器械的位置出現(xiàn)偏差，控制系統(tǒng)會(huì)立即根據(jù)新的信息，重新計(jì)算運(yùn)動(dòng)參數(shù)，調(diào)整器械的運(yùn)動(dòng)軌跡，保證手術(shù)的順利進(jìn)行。這種創(chuàng)新型雙通道協(xié)同遞送技術(shù)在實(shí)際手術(shù)應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。它大大提高了手術(shù)的效率和成功率。傳統(tǒng)的手術(shù)方式在進(jìn)行復(fù)雜術(shù)式時(shí)，需要醫(yī)生手動(dòng)依次操作多個(gè)器械，操作過程繁瑣且容易出現(xiàn)誤差，而VasCure機(jī)器人的雙通道協(xié)同遞送技術(shù)可以同時(shí)操作多個(gè)器械，減少了手術(shù)時(shí)間，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在一項(xiàng)對(duì)比研究中，使用傳統(tǒng)手術(shù)方式進(jìn)行雙支架Culotte術(shù)式的平均手術(shù)時(shí)間為[X]分鐘，而使用VasCure機(jī)器人的手術(shù)時(shí)間縮短至[X]分鐘，手術(shù)成功率也從[X]%提高到了[X]%。該技術(shù)還提高了手術(shù)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。機(jī)器人的精確控制算法和穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠確保器械在遞送過程中的位置精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，減少了因器械位置偏差或運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定導(dǎo)致的手術(shù)失敗風(fēng)險(xiǎn)。其遞送精度可達(dá)亞毫米級(jí)，能夠更準(zhǔn)確地將器械放置在病變部位，提高了手術(shù)的治療效果。3.3.2力覺反饋與精準(zhǔn)環(huán)境感知在微創(chuàng)血管介入手術(shù)中，力覺反饋與精準(zhǔn)環(huán)境感知對(duì)于確保手術(shù)的安全性和精準(zhǔn)性起著至關(guān)重要的作用。通過實(shí)現(xiàn)力覺反饋功能，醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)感知手術(shù)過程中的力信息，如同親身體驗(yàn)手術(shù)器械與組織之間的相互作用，從而更精準(zhǔn)地控制手術(shù)操作，避免對(duì)血管造成損傷。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)環(huán)境感知?jiǎng)t使醫(yī)生能夠全面了解手術(shù)部位的情況，為手術(shù)決策提供有力支持，進(jìn)一步提高手術(shù)的安全性。力覺反饋功能的實(shí)現(xiàn)依賴于先進(jìn)的傳感器技術(shù)和精確的力反饋算法。在手術(shù)機(jī)器人的從端，力傳感器被巧妙地集成在關(guān)鍵部位，如導(dǎo)管/導(dǎo)絲的末端以及機(jī)械臂的接觸點(diǎn)等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)器械與血管壁、組織等之間的作用力。這些力傳感器通常采用高精度的應(yīng)變片或壓電材料制成，能夠敏銳地感知微小的力變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)手術(shù)器械與血管壁接觸時(shí)，力傳感器會(huì)立即檢測(cè)到接觸力的大小和方向，并將這些信息傳輸給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)接收到力傳感器的信號(hào)后，會(huì)通過精確的力反饋算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析。該算法會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的力閾值和手術(shù)操作的要求，計(jì)算出需要反饋給醫(yī)生的力信息，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)或機(jī)械信號(hào)。這些信號(hào)會(huì)通過力反饋裝置，如操作手柄上的振動(dòng)電機(jī)、力反饋旋鈕等，反饋給醫(yī)生。當(dāng)手術(shù)器械與血管壁之間的作用力超過預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)，力反饋裝置會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)或阻力，提醒醫(yī)生減小操作力度或調(diào)整操作方向，從而避免對(duì)血管造成過度的壓力和損傷。精準(zhǔn)環(huán)境感知主要通過多種傳感器的融合以及先進(jìn)的圖像處理和分析技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。視覺傳感器，如X射線成像設(shè)備和光學(xué)相機(jī)，在精準(zhǔn)環(huán)境感知中發(fā)揮著重要作用。X射線成像設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)獲取患者血管的二維或三維影像，醫(yī)生可以通過這些影像清晰地觀察到血管的形態(tài)、位置、病變部位以及手術(shù)器械的位置等信息。利用數(shù)字減影血管造影（DSA）技術(shù)，可以突出顯示血管的輪廓和病變細(xì)節(jié)，為手術(shù)操作提供準(zhǔn)確的視覺引導(dǎo)。光學(xué)相機(jī)則可以從不同角度捕捉手術(shù)器械和周圍組織的圖像，通過圖像識(shí)別和分析技術(shù)，能夠獲取手術(shù)器械的姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡以及周圍組織的狀態(tài)等信息。將這些信息與X射線影像相結(jié)合，能夠?yàn)獒t(yī)生提供更全面、立體的手術(shù)視野。除了視覺傳感器，位置傳感器和壓力傳感器等也為精準(zhǔn)環(huán)境感知提供了重要的數(shù)據(jù)支持。位置傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)器械和機(jī)械臂的位置和姿態(tài)，確保手術(shù)器械能夠準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)位置，并及時(shí)反饋器械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。壓力傳感器則可以測(cè)量血管內(nèi)的壓力變化，幫助醫(yī)生了解血管的生理狀態(tài)和手術(shù)操作對(duì)血管的影響。通過將這些不同類型傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，利用數(shù)據(jù)融合算法和多模態(tài)信息處理技術(shù)，能夠構(gòu)建出一個(gè)全面、準(zhǔn)確的手術(shù)環(huán)境模型。醫(yī)生可以通過這個(gè)模型實(shí)時(shí)了解手術(shù)部位的各種信息，做出更科學(xué)、合理的手術(shù)決策。在進(jìn)行血管支架植入手術(shù)時(shí)，醫(yī)生可以根據(jù)精準(zhǔn)環(huán)境感知系統(tǒng)提供的信息，準(zhǔn)確判斷支架的釋放位置和角度，確保支架能夠準(zhǔn)確地覆蓋病變部位，同時(shí)避免對(duì)周圍正常血管組織造成損傷。3.4通信與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，通信與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，它是實(shí)現(xiàn)醫(yī)生與機(jī)器人之間實(shí)時(shí)交互以及手術(shù)過程中各種信息準(zhǔn)確傳遞的關(guān)鍵支撐。隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，其在遠(yuǎn)程手術(shù)中的應(yīng)用為微創(chuàng)血管介入手術(shù)帶來了新的突破和機(jī)遇。5G技術(shù)作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，具有高速率、低延遲和大連接的顯著優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使其成為遠(yuǎn)程手術(shù)通信的理想選擇。5G的高速率特性能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速傳輸。在遠(yuǎn)程微創(chuàng)血管介入手術(shù)中，需要實(shí)時(shí)傳輸高分辨率的醫(yī)學(xué)影像，如數(shù)字減影血管造影（DSA）圖像、血管內(nèi)超聲（IVUS）圖像等，這些影像數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)傳輸速率要求極高。5G技術(shù)的高速率可以確保這些影像能夠快速、穩(wěn)定地傳輸?shù)结t(yī)生操作端，使醫(yī)生能夠清晰、實(shí)時(shí)地觀察患者血管的狀況，為手術(shù)決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。5G的低延遲特性對(duì)于遠(yuǎn)程手術(shù)的安全性和精準(zhǔn)性至關(guān)重要。手術(shù)過程中，醫(yī)生的操作指令需要及時(shí)傳輸?shù)绞中g(shù)機(jī)器人從端，機(jī)器人的反饋信息也需要快速返回給醫(yī)生。5G技術(shù)的低延遲能夠有效減少信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間，使得醫(yī)生的操作指令能夠迅速被機(jī)器人執(zhí)行，機(jī)器人的反饋信息也能及時(shí)被醫(yī)生接收，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)生與機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)交互，避免因延遲導(dǎo)致的手術(shù)誤差和風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行血管支架植入手術(shù)時(shí)，醫(yī)生通過操作手柄發(fā)出釋放支架的指令，5G通信的低延遲能夠保證指令快速傳輸?shù)綑C(jī)器人從端，使支架能夠準(zhǔn)確地在預(yù)定位置釋放，提高手術(shù)的成功率。5G的大連接特性則可以滿足手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中多個(gè)設(shè)備同時(shí)連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中不僅包括醫(yī)生操作端和機(jī)器人從端，還涉及各種傳感器、影像設(shè)備等多個(gè)設(shè)備，這些設(shè)備都需要實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。5G技術(shù)的大連接能力能夠確保所有設(shè)備都能穩(wěn)定地連接到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸和共享，保證手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)同工作。為了保障5G技術(shù)在遠(yuǎn)程手術(shù)中的穩(wěn)定應(yīng)用，還采取了一系列關(guān)鍵技術(shù)和措施。采用了邊緣計(jì)算技術(shù)，將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)從云端轉(zhuǎn)移到靠近手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的邊緣服務(wù)器上。這樣可以減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離和時(shí)間，進(jìn)一步降低延遲，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)部署邊緣服務(wù)器，對(duì)手術(shù)過程中產(chǎn)生的大量醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和分析，只將關(guān)鍵信息傳輸?shù)皆贫撕歪t(yī)生操作端，大大減輕了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫?，提高了?shù)據(jù)處理的效率。利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為遠(yuǎn)程手術(shù)建立專用的虛擬網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)遠(yuǎn)程手術(shù)的需求，靈活分配網(wǎng)絡(luò)資源，確保手術(shù)通信的帶寬、延遲和可靠性等性能指標(biāo)得到滿足。通過網(wǎng)絡(luò)切片，將遠(yuǎn)程手術(shù)的通信數(shù)據(jù)與其他普通數(shù)據(jù)隔離開來，避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞對(duì)手術(shù)通信的影響，保障了手術(shù)通信的穩(wěn)定性和安全性。數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性是微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障，任何數(shù)據(jù)的丟失、錯(cuò)誤或泄露都可能導(dǎo)致手術(shù)的失敗和患者的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，采用了多種加密技術(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，對(duì)手術(shù)相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，包括患者的個(gè)人信息、醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)、手術(shù)操作指令等，都進(jìn)行了加密處理。采用了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，AES算法具有高強(qiáng)度的加密能力，能夠有效地防止數(shù)據(jù)被竊取和篡改。在醫(yī)生操作端和機(jī)器人從端之間建立了安全的通信通道，采用了SSL/TLS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芎驼J(rèn)證。SSL/TLS協(xié)議通過數(shù)字證書對(duì)通信雙方進(jìn)行身份認(rèn)證，確保通信的雙方是合法的，防止中間人攻擊。它還對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的保密性和完整性。通過這些加密技術(shù)和安全協(xié)議的應(yīng)用，有效保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，保護(hù)了患者的隱私和手術(shù)的安全。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，采取了一系列的冗余和容錯(cuò)措施。在通信網(wǎng)絡(luò)方面，采用了雙鏈路備份技術(shù)，即同時(shí)使用兩條不同的通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在5G通信的基礎(chǔ)上，增加了一條有線通信鏈路作為備份。當(dāng)5G鏈路出現(xiàn)故障或信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換到有線通信鏈路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。還采用了數(shù)據(jù)校驗(yàn)和重傳機(jī)制。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包都添加了校驗(yàn)碼，接收端在收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)根據(jù)校驗(yàn)碼對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)是否完整和正確。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤，接收端會(huì)向發(fā)送端發(fā)送重傳請(qǐng)求，發(fā)送端會(huì)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包，直到接收端正確接收為止。通過這些冗余和容錯(cuò)措施，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，保證了手術(shù)過程中數(shù)據(jù)的可靠傳輸。四、設(shè)計(jì)與控制難點(diǎn)及解決方案4.1設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析4.1.1無菌耗材與機(jī)電結(jié)構(gòu)隔離在微創(chuàng)血管介入手術(shù)中，確保手術(shù)器械與機(jī)器人機(jī)電結(jié)構(gòu)的有效隔離是保障手術(shù)無菌環(huán)境的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)過程中面臨的重大挑戰(zhàn)。介入器械通常較長(zhǎng)，與機(jī)器人的接觸面積較大，這增加了血液等液體滲入機(jī)器人機(jī)電結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。一旦液體滲入，不僅會(huì)影響機(jī)電結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備故障，還可能造成手術(shù)區(qū)域的污染，引發(fā)術(shù)后感染等嚴(yán)重并發(fā)癥，威脅患者的生命健康。目前，多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)采用大塊的塑料無菌盒來隔絕介入器械和機(jī)器人的機(jī)電結(jié)構(gòu)，如Corpath系統(tǒng)就是這種方式的典型代表。這種方法雖然在一定程度上能夠阻擋液體的滲入，但也存在一些局限性。塑料無菌盒的設(shè)計(jì)和制造需要考慮與機(jī)器人機(jī)電結(jié)構(gòu)的適配性，確保安裝和拆卸的便捷性，同時(shí)還要保證密封性能，這增加了設(shè)計(jì)和制造的難度和成本。塑料無菌盒的使用可能會(huì)占用一定的空間，對(duì)手術(shù)操作的靈活性產(chǎn)生一定影響，在一些空間有限的手術(shù)場(chǎng)景中，可能會(huì)限制機(jī)器人的操作范圍。還有一些系統(tǒng)，如奧朋和魯班，可能只在與器械接觸的夾爪上使用一次性耗材，而機(jī)器人本體則被無菌布包裹。這種方式相對(duì)較為靈活，成本也相對(duì)較低，但無菌布在使用過程中容易移位或破損，從而影響隔離效果，增加了手術(shù)感染的風(fēng)險(xiǎn)。無菌布的固定和更換也需要一定的技巧和時(shí)間，可能會(huì)影響手術(shù)的效率。為了解決這些問題，研究人員一直在探索新的隔離技術(shù)和方法。一種可行的思路是研發(fā)新型的隔離材料和結(jié)構(gòu)，既能夠保證良好的隔離性能，又具有較高的柔韌性和耐用性?？梢圆捎镁哂凶悦芊庑阅艿牟牧希?dāng)介入器械與隔離材料接觸時(shí)，材料能夠自動(dòng)密封，防止液體滲入。還可以設(shè)計(jì)一種可快速更換的隔離模塊，當(dāng)隔離模塊受到污染時(shí)，能夠方便、快捷地進(jìn)行更換，減少手術(shù)中斷的時(shí)間。另一種思路是優(yōu)化機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將機(jī)電結(jié)構(gòu)與手術(shù)操作區(qū)域進(jìn)行物理隔離，減少介入器械與機(jī)電結(jié)構(gòu)的接觸面積。通過合理布局機(jī)器人的各個(gè)部件，使液體難以接觸到機(jī)電結(jié)構(gòu)，從而降低污染的風(fēng)險(xiǎn)。還可以在機(jī)電結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置防護(hù)裝置，如防水罩、防塵罩等，進(jìn)一步提高機(jī)電結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。4.1.2夾持系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題介入器械的夾持系統(tǒng)主要由摩擦輪和夾爪兩種方式構(gòu)成，但在夾持細(xì)小器械，如直徑約400微米左右的導(dǎo)絲時(shí)，面臨著諸多挑戰(zhàn)。脫滑問題是較為常見的難點(diǎn)之一，由于導(dǎo)絲直徑細(xì)小，表面光滑，摩擦輪或夾爪與導(dǎo)絲之間的摩擦力難以有效維持，在推進(jìn)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)絲的過程中，容易出現(xiàn)導(dǎo)絲從夾持裝置中滑脫的情況，這會(huì)導(dǎo)致手術(shù)操作的中斷，影響手術(shù)的順利進(jìn)行。在冠狀動(dòng)脈介入手術(shù)中，如果導(dǎo)絲脫滑，可能無法準(zhǔn)確將支架送至病變部位，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。彎折問題也是夾持系統(tǒng)需要克服的難題。細(xì)小的導(dǎo)絲在受到夾持力不均勻或過大的外力作用時(shí)，容易發(fā)生彎折，這不僅會(huì)損壞導(dǎo)絲本身，還可能影響手術(shù)的精度和安全性。如果導(dǎo)絲在血管內(nèi)發(fā)生彎折，可能會(huì)刺破血管壁，導(dǎo)致出血等嚴(yán)重并發(fā)癥。多數(shù)介入器械表面都有脆弱的涂層，這些涂層對(duì)于器械的性能和功能起著重要作用，如親水性涂層可以減少器械與血管壁之間的摩擦，降低血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)。然而，過大的夾持力很容易破壞這些涂層，使器械的性能下降，甚至引發(fā)不良反應(yīng)。FDA曾警告說血管內(nèi)醫(yī)療器械的親水性或疏水性涂層可能脫落，可能導(dǎo)致患者嚴(yán)重?fù)p傷，自2010年初以來，一些制造商已經(jīng)發(fā)起11次與血管內(nèi)醫(yī)療器械涂層剝落有關(guān)的召回事件。脫滑、彎折和涂層破壞等問題的產(chǎn)生，主要是由于夾持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)未能充分考慮細(xì)小器械的特殊物理特性和手術(shù)操作的實(shí)際需求。夾持裝置的材料選擇不當(dāng)，無法提供足夠的摩擦力和穩(wěn)定性；夾持力的控制不夠精準(zhǔn)，難以在保證不損壞器械的前提下實(shí)現(xiàn)可靠的夾持；夾持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)致夾持力分布不均勻，從而引發(fā)器械的彎折和涂層破壞。4.1.3器械頻繁更換的挑戰(zhàn)在微創(chuàng)血管介入手術(shù)中，根據(jù)手術(shù)的進(jìn)展和病變的具體情況，需要頻繁更換不同尺寸、形狀和功能的導(dǎo)管導(dǎo)絲，這一過程操作復(fù)雜，目前主要依靠人工完成，是機(jī)器人完全覆蓋介入手術(shù)的一大難點(diǎn)。在冠狀動(dòng)脈介入手術(shù)中，可能需要先使用導(dǎo)絲引導(dǎo)導(dǎo)管到達(dá)病變部位，然后根據(jù)病變的形態(tài)和大小，更換不同類型的球囊進(jìn)行擴(kuò)張，再更換支架進(jìn)行植入，整個(gè)過程需要多次更換手術(shù)器械。在保證體內(nèi)器械位置不變的情況下更換器械是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。體內(nèi)的器械通常處于血管等復(fù)雜的生理環(huán)境中，其位置和姿態(tài)對(duì)于手術(shù)的成功至關(guān)重要。如果在更換器械的過程中，體內(nèi)器械的位置發(fā)生移動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致手術(shù)失敗，增加患者的風(fēng)險(xiǎn)。在更換導(dǎo)絲時(shí)，如果不小心使已放置好的導(dǎo)管發(fā)生移位，可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管無法準(zhǔn)確到達(dá)病變部位，影響后續(xù)的手術(shù)操作。更換器械需要運(yùn)用合適的力道和技巧，以確保器械的順利更換和手術(shù)的安全進(jìn)行。不同的器械具有不同的物理特性和操作要求，需要操作人員具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和熟練的技巧。目前的機(jī)器人技術(shù)在模擬人類的操作力道和技巧方面還存在一定的差距，難以準(zhǔn)確地完成器械更換的任務(wù)。機(jī)器人在識(shí)別器械的類型和狀態(tài)、判斷器械與周圍組織的關(guān)系以及精確控制更換動(dòng)作等方面，還面臨著諸多技術(shù)難題。由于介入器械在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)復(fù)雜，存在遲滯現(xiàn)象，機(jī)器人很難準(zhǔn)確預(yù)判和補(bǔ)償這種現(xiàn)象，這也增加了器械更換的難度。4.2人機(jī)交互控制難點(diǎn)分析4.2.1觸覺和力反饋技術(shù)難題在微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人的人機(jī)交互控制中，實(shí)現(xiàn)精確的觸覺和力反饋面臨著諸多技術(shù)難題。觸覺和力反饋對(duì)于醫(yī)生準(zhǔn)確感知手術(shù)器械與組織之間的相互作用至關(guān)重要，它能夠幫助醫(yī)生更好地控制手術(shù)操作，避免對(duì)血管等組織造成損傷。目前，在器械上放置力傳感器存在很大挑戰(zhàn)。血管介入手術(shù)中使用的器械通常較為細(xì)小和柔軟，如直徑僅約400微米左右的導(dǎo)絲，在如此細(xì)小的器械上安裝力傳感器，需要傳感器具備極小的尺寸和高度的微型化，同時(shí)還要保證傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性不受影響?，F(xiàn)有的力傳感器技術(shù)在滿足這些要求方面還存在一定的困難，很難在不影響器械原有性能和操作靈活性的前提下，實(shí)現(xiàn)力傳感器的有效集成。即使成功在器械上放置了力傳感器，如何準(zhǔn)確處理器械在人體中復(fù)雜的力信息也是一個(gè)關(guān)鍵問題。人體血管內(nèi)的力學(xué)環(huán)境非常復(fù)雜，器械在推進(jìn)、旋轉(zhuǎn)等操作過程中，會(huì)受到來自血管壁的摩擦力、血管的彈性力、血液的流動(dòng)阻力等多種力的作用，這些力的大小和方向不斷變化，且相互耦合。要準(zhǔn)確測(cè)量和解析這些復(fù)雜的力信息，需要高精度的傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法。目前的數(shù)據(jù)處理算法在處理如此復(fù)雜的力信息時(shí)，還難以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種力的精確解耦和實(shí)時(shí)分析，導(dǎo)致反饋給醫(yī)生的力信息不夠準(zhǔn)確和全面，影響醫(yī)生對(duì)手術(shù)操作的判斷和控制。在血管介入手術(shù)中，當(dāng)器械接觸到血管壁時(shí)，需要準(zhǔn)確感知接觸力的大小和方向，以避免過度用力導(dǎo)致血管破裂。然而，由于血管壁的彈性和非線性力學(xué)特性，以及手術(shù)過程中血管的動(dòng)態(tài)變化，力傳感器測(cè)量到的力信號(hào)往往包含噪聲和干擾，難以準(zhǔn)確反映真實(shí)的接觸力?，F(xiàn)有的濾波和信號(hào)處理算法雖然能夠在一定程度上減少噪聲的影響，但對(duì)于復(fù)雜的力信號(hào)，仍然無法實(shí)現(xiàn)精確的處理，導(dǎo)致力反饋的準(zhǔn)確性和可靠性受到限制。4.2.2自動(dòng)化與人工智能應(yīng)用挑戰(zhàn)在微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人中，自動(dòng)化與人工智能的應(yīng)用為提高手術(shù)效率和質(zhì)量帶來了新的機(jī)遇，但同時(shí)也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。在自動(dòng)化手術(shù)中，智能分析手術(shù)狀況是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作的前提。目前，手術(shù)狀況的分析主要依賴于醫(yī)學(xué)影像等信息，但現(xiàn)有的圖像分割和識(shí)別技術(shù)在處理介入手術(shù)中成像不那么穩(wěn)定清晰的器械時(shí)，仍然存在困難，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的分割和識(shí)別。在X射線影像中，由于血管和器械的對(duì)比度較低，以及影像中存在噪聲和偽影等干擾因素，使得準(zhǔn)確分割出器械的位置和形狀變得十分困難。這就導(dǎo)致基于圖像分析的手術(shù)狀況智能判斷存在誤差，無法為自動(dòng)化手術(shù)提供準(zhǔn)確的決策依據(jù)。精準(zhǔn)路徑規(guī)劃也是自動(dòng)化手術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于介入手術(shù)需要在復(fù)雜的血管環(huán)境中進(jìn)行操作，血管的形態(tài)和走向復(fù)雜多變，且存在個(gè)體差異。缺少三維圖像信息進(jìn)一步增加了精準(zhǔn)路徑規(guī)劃的難度。目前的路徑規(guī)劃算法在處理復(fù)雜血管結(jié)構(gòu)時(shí)，往往難以找到最優(yōu)的手術(shù)路徑，導(dǎo)致手術(shù)器械在血管內(nèi)的行進(jìn)過程中容易出現(xiàn)偏差，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在冠狀動(dòng)脈介入手術(shù)中，需要將支架準(zhǔn)確地放置在病變部位，若路徑規(guī)劃不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致支架無法準(zhǔn)確覆蓋病變區(qū)域，影響治療效果。介入器械在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)復(fù)雜，存在遲滯現(xiàn)象，這也是自動(dòng)化與人工智能應(yīng)用中面臨的一大挑戰(zhàn)。遲滯現(xiàn)象是指器械在操作過程中，其實(shí)際運(yùn)動(dòng)與操作人員的指令存在一定的延遲和偏差，醫(yī)生常常發(fā)現(xiàn)，手中操作的導(dǎo)絲，在X射線圖像上并沒有表現(xiàn)出應(yīng)有的運(yùn)動(dòng)，那是因?yàn)樵S多運(yùn)動(dòng)在器械長(zhǎng)距離和組織接觸中被隱藏了。這種遲滯現(xiàn)象不僅會(huì)影響手術(shù)操作的精準(zhǔn)性，還可能導(dǎo)致能量在器械內(nèi)積攢，當(dāng)積攢到一定程度時(shí)突然釋放，比如導(dǎo)管在體內(nèi)莫名地轉(zhuǎn)了幾圈，增加了血管傷害的風(fēng)險(xiǎn)。準(zhǔn)確預(yù)判和補(bǔ)償這種遲滯現(xiàn)象對(duì)人工智能輔助介入手術(shù)的挑戰(zhàn)很大，使用現(xiàn)有的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)似乎很難解決這些問題。由于介入手術(shù)的實(shí)時(shí)性要求較高，需要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)遲滯現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)判和補(bǔ)償，而目前的技術(shù)在處理速度和準(zhǔn)確性方面還無法滿足這一要求。4.3解決方案探討針對(duì)無菌耗材與機(jī)電結(jié)構(gòu)隔離的難題，本研究提出采用快速安裝/拆卸的傳動(dòng)分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)理念在VasCure機(jī)器人上得到了成功應(yīng)用。該機(jī)器人的無菌部分與機(jī)電結(jié)構(gòu)采用了獨(dú)特的分離式設(shè)計(jì)，通過專門設(shè)計(jì)的快速連接接口，實(shí)現(xiàn)了無菌耗材與機(jī)電結(jié)構(gòu)的快速安裝和拆卸。在手術(shù)前，只需將無菌耗材通過快速連接接口與機(jī)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，即可確保兩者之間的緊密配合和穩(wěn)定傳動(dòng)。在手術(shù)結(jié)束后，能夠方便地將無菌耗材拆卸下來進(jìn)行處理，同時(shí)保證機(jī)電結(jié)構(gòu)不受污染。這種設(shè)計(jì)不僅有效解決了血液等液體滲入機(jī)電結(jié)構(gòu)的問題，確保了臨床使用過程中的無菌性，還提高了無菌耗材更換的便捷性，減少了手術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間，提