微創(chuàng )手術(shù)在世界范圍內已經(jīng)被廣大患者和醫療行業(yè)廣泛認可，成為了在很多領(lǐng)域代替傳統外科手術(shù)的良好選擇。相對于傳統外科手術(shù)微創(chuàng )手術(shù)帶來(lái)的局部創(chuàng )傷更小，損傷輕，術(shù)后并發(fā)癥如感染發(fā)炎等風(fēng)險更小，也帶來(lái)更短的恢復周期，術(shù)后美容效果更好。但相應的代價(jià)是醫生操作空間受到嚴重限制，手術(shù)視野需借助其他設備提供。這也就形成了微創(chuàng )手術(shù)好處多、操作難的兩難局面。因此大批科研工作者，設備廠(chǎng)商為解決微創(chuàng )手術(shù)操作難的問(wèn)題開(kāi)發(fā)了豐富的輔助微創(chuàng )手術(shù)的先進(jìn)手術(shù)機器人系統及相關(guān)設備。ATI是其中具有代表性的設備供應商。

　　ATI 工業(yè)自動(dòng)化是世界領(lǐng)先的機器人附屬產(chǎn)品和機械手臂工具的工程研發(fā)公司，關(guān)于六軸力/力矩傳感器，早在上世紀80年代中期A(yíng)TI就創(chuàng )造性地發(fā)明了可以測量六維力和力矩的傳感器。經(jīng)過(guò)不斷的研發(fā)和創(chuàng )新，ATI六維力/力矩傳感器已經(jīng)發(fā)展出Nano、Mini、Omega、Delta、Gamma及Axia80等型號豐富、經(jīng)久耐用的傳感器系列產(chǎn)品線(xiàn)。

                                      美國ATI多維力傳感器

今天我們就來(lái)介紹一下，關(guān)于六軸力/力矩傳感器的一個(gè)很重要應用領(lǐng)域--微創(chuàng )手術(shù)機器人。

微創(chuàng )手術(shù)機器人的高要求

       出于醫療行業(yè)的敏感性和高要求，微創(chuàng )手術(shù)機器人在滿(mǎn)足基本的末端執行器功能基礎上要盡可能多地為醫生提供輔助。因此也對手術(shù)機器人的功能提出了更高的要求。

       因為微創(chuàng )手術(shù)只在病人病灶處打一個(gè)或若干小切口，所有手術(shù)器械和手術(shù)內窺鏡都要從小切口內插入，所以手術(shù)器械的運動(dòng)范圍受到了極大的限制。為保證手術(shù)效果，先進(jìn)的手術(shù)器械或手術(shù)機器人都選擇在手術(shù)器械的末端加入更多的自由度以補足小創(chuàng )口引入的運動(dòng)限制。典型的例子就包括Da Vinci和Zeus等手術(shù)機器人系統配備的靈活性末端執行器。這使得手動(dòng)操作變得更加困難，為了補足靈活性手術(shù)器械的操作難問(wèn)題，手術(shù)機器人都具有主從控制的結構，即操作者通過(guò)不與末端執行器連在一起的主控制器對手術(shù)器械進(jìn)行遙操作。這樣就解決了靈活型手術(shù)器械的操作問(wèn)題。

力反饋的重要性

       由于醫療類(lèi)應用多半運用于病人及其身上的敏感器官，所以在手術(shù)中機器人運動(dòng)學(xué)無(wú)法起到保護病人的作用，再加上遙控操作使得醫生與機械隔開(kāi)，切斷了力的反饋，可能還會(huì )加重對病人的傷害，為機器人侵入式診斷增加了困難。ATI以其卓越的產(chǎn)品可靠性和高品質(zhì)首先進(jìn)入了研究者的視野。2012年，來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)的學(xué)者和醫生就為解決手術(shù)機器人缺乏力傳導的問(wèn)題發(fā)明了一款可以精確感知和反饋力的手術(shù)機器人主端控制器。它能夠精確地感知醫生在主端控制器使用的力和力矩，從而使主端控制器按照醫生所使用的力和力矩進(jìn)行反應，以達到減少手部抖動(dòng)，穩定控制機構的目的，給醫生以最直觀(guān)的反饋，就好像醫生是在拿著(zhù)手術(shù)器械進(jìn)行操作一樣。這樣做的好處在于醫生的操作更為直觀(guān)，減少長(cháng)時(shí)間手術(shù)的疲勞，提升手術(shù)安全性。也使將來(lái)把醫生施加的力精確傳到手術(shù)執行器端成為可能。

ATI Nano17加入完美實(shí)現力反饋

       該手術(shù)機器人包括一個(gè)三自由度位移平臺，一個(gè)一自由度旋轉RCM(Remote Center of Motion)和一個(gè)兩自由度位移加旋轉連臂。由此構成六自由度機器人，該機器人將ATI Nano17 裝在醫生抓取的手術(shù)機器人手柄末端，以便發(fā)揮傳感器最大精度性能。該設計要求施力范圍在到3N之間，并且要求精度在以上，控制系統頻率需在1000Hz以上以滿(mǎn)足力反饋的實(shí)時(shí)性。ATI傳感器滿(mǎn)足以上所有條件，甚至更好。ATI Nano17 傳感器在滿(mǎn)足精度要求的前提下提供7800Hz的采樣頻率，并在Z軸方向提供800N的過(guò)載保護。

       ATI的六軸力/力矩傳感器采用硅應變原理，最大程度減小信號噪聲，并具有卓越的穩定性。因為醫療應用對于器械衛生有特殊要求，ATI可提供IP68防護版本，使傳感器本體可以經(jīng)受常規的醫療消毒，是醫療領(lǐng)域力傳感器的理想首選。同時(shí)ATI的六軸力/力矩傳感器提供了各種編程語(yǔ)言的庫函數和源代碼，以輔助科研工作者進(jìn)行創(chuàng )新。

　　目前，該手術(shù)機器人原型機已完成并且經(jīng)過(guò)了實(shí)驗驗證。在手術(shù)機器人穿針實(shí)驗中十組實(shí)驗全部成功，作為對照試驗的其他無(wú)傳感器輔助的穿針實(shí)驗則失敗大半(51%)。這首先證明了該手術(shù)機器人的力反饋輔助在手術(shù)機器人當中的極其重要性，其次也印證了ATI六維力和力矩傳感器優(yōu)異的性能，精度，采樣速度，穩定性缺一不可。

Nano17  是目前ATI所有傳感器中較小的一款六軸力/力矩傳感器，非常適用于研究應用領(lǐng)域，典型的應用包括，牙齒研究、外科機器人、機器人手研究、手指力研究等。