磁悬浮微操作手术机器人关键技术研究

Towards increasing the autonomy and precision while overcoming the human limits (such as physiological tremor) in micromanipulations, the current human-in-the-loop robotic micromanipulation systems, based on the framework of either active hand-held tremor cancellation or master-slave teleoperation, are typically not self-contained, involving expensive external sensing components, and with limited degrees of freedom. This project is developing a unique self-contained magnetic suspended multiple degrees-of-freedom (DOF) micro-robotics framework involving magnetic suspending actuation, magnetic sensing, intelligent control and tremor-suppressed micromanipulation with human interactive oversight. Levitating rotors by magnetic forces between stators and rotors, magnetic suspended actuation has been used in high-speed rotary machines, but there are notable prior studies on magnetic suspended micromanipulations. In addition to the existing advantages of magnetic suspension, the proposed magnetic actuated micro-robotics will significantly enable novel, delicate, accurate, and safer procedures in micro-cannulation for minimally-invasive surgery, micro-machining, and general micro-handling that are beyond the current human manual manipulation capabilities. The proposed research will establish the core technological framework including "suspension", "sensing" and "shared control" of the supervised automation system for multiple DOF and micron scale micromanipulations. For feasibility study, the proposed micro-robotic system will be applied to microvessel micro-cannulation, which is a challenging procedure for human operators, even for the most stable hands of experienced surgeons. The proposed research is closely based on the researcher’s recent cutting-edge research in medical robotics.

微创及精确操作是现代外科医学技术的发展方向，为了提高微手术的自主性和精准度，同时克服人手生理性震颤，本项目将研究一类自包含式磁悬浮微操作机器人的基本理论方法及实现。关键研究内容包括磁悬浮驱动，电磁感应，智能控制和震颤抑制显微操作与人机互动协作的监督式共享控制方法。磁悬浮技术主要由控制磁悬浮系统中的定转子之间的磁力来实现目标悬浮，但当前鲜有采用基于磁悬浮原理来进行亚毫米尺度手术微操作的前期研究。本项目提出的磁悬浮微型机器人将在亚毫米及更高精度级别实现微血管插管、微神经操作等细腻、精致、准确、安全的微创手术。通常此类微处理手术超出了目前人手操作能力。为验证研究结果的可行性，研制的微机器人系统将被应用到微血管模型的微插管操作，进行综合性能测试。本项目将研究建立基于磁悬浮的多自由度微操作机器人系统的核心理论及技术框架，包括“微悬浮驱动”、“微悬浮感知”和“共享控制”三方面的关键技术研究。

微创及精确操作是现代外科医学技术的发展方向，而手术机器人则集成了先进制造、智能控制、信息化、医学科学等交叉学科技术从而可提高手术的效率、精度和效果，降低人为错误的发生几率，大大减少了病人的手术创面、痛苦和康复时间，是实现医疗品质不断提升的关键技术手段。机器人手术环境中，医生、机器人和病人构成了典型的“人在回路”协作机器人系统。当前基于主从控制的多腔镜手术机器人系统尚不能应用到眼外科等亚毫米级精度的微创手术，且通常不是自包含的，并依赖于昂贵的外部感测元件。.为了提高微操作机器人系统的自主性和精准度，同时克服人手极限（如生理性震颤）的操作，本项目研究了一类独特新型的自助式磁悬浮多自由度微操作机器人的基本理论与实现方法。主要研究内容包括磁悬浮驱动，电磁感知，智能控制和震颤抑制显微操作与人机互动的监督式控制方法。研究成果包括：（1）为了减小微操作机器人的径向尺寸，充分利用轴向长度，提出了一种少磁极数结构的主动径向磁悬浮装置，通过电流分配率实现转子带动末端执行器的四自由度运动，可作为内镜或显微手术机器人装置的运动机构。（2）提出了一种用于微悬浮机器人的动态位移自检测方法。此方法具有灵敏度高，线性范围大，动态范围宽的特点，可满足磁悬浮系统对位移检测系统的性能要求，为微悬浮医疗机器人系统位移传感器的高可靠冗余设计及磁轴承的容错控制奠定了基础。（3）设计并研制了微操作机器人样机及测试系统，并对其力学特性、控制精度进行了全面系统的实验研究，验证了理论研究的正确性和可靠性。.本项目对基于磁悬浮的微操作机器人技术和相关理论进行了系统研究，所设计的磁驱动机器人可在亚毫米及更高精度级别实现细腻、精致、准确、安全的微操作，可解决目前手术过程中人工因素所导致的失误，提升手术治疗的安全性和重复度，推动现代医学技术，实现医疗品质的不断提升。