骨科手术机器人技术的现状与未来.ppt

骨科手术机器人技术的现状与未来骨科手术机器人技术的现状与未来新疆医科大学第五附属医院数字骨科实验室刘大鹏机器人手术是天方夜谭吗？精确性灵巧性安全性智能ASIMO发展史ASIMO(Advanced Step Innovative Mobility，高级步行创新移动机器人)        从2000年10月31日诞生，ASIMO的进步可以用神速来形容，2012最新版的ASIMO，除具备了行走功能与各种人类肢体动作之外，更具备了人工智能，可以预先设定动作，还能依据人类的声音、手势等指令，来从事相应动作，此外，他还具备了基本的记忆与辨识能力但他的始祖E0在1986年已经诞生ASIMO的结构•视觉视觉       高速摄像机高速摄像机    双目视觉原理双目视觉原理•驱动器驱动器          伺服电机 + 谐波减速器 + 驱动单元•控制装置控制装置          电脑   先进的运动控制软件和算法•传感器传感器         脚部      六轴向脚部方位传感器        躯体      陀螺仪和加速传感器•电源部分电源部分     38.4V/10AH(镍锌)机器人的发展历史机器人的发展历史 1920 1920年，捷克作家卡雷尔年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本卡佩克发表了科幻剧本《《罗萨姆罗萨姆的万能机器人的万能机器人》》。

卡佩克在剧本中把捷克语卡佩克在剧本中把捷克语“RobotaRobota”写成写成了了“RobotRobot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源词的起源 1947 1947年美国阿尔贡实验室建成遥控主从机械手年美国阿尔贡实验室建成遥控主从机械手 1949 1949年美国年美国MITMIT实验室研制出数控铣床实验室研制出数控铣床 19501950年，美国作家埃萨克年，美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说阿西莫夫在他的科幻小说《《I I，，RobotRobot》》中首次使用了中首次使用了“RoboticsRobotics” ，即，即“机器人学机器人学”阿西莫夫提出了西莫夫提出了“机器人三原则机器人三原则”，，阿西莫夫因此被称为阿西莫夫因此被称为“机器机器人学之父人学之父”10 11 1954 1954年，美国人年，美国人George C. Devol George C. Devol 提出了第一个工业机提出了第一个工业机器人方案并在器人方案并在19561956年获得美国专利年获得美国专利。

19601960年，年，ConderConder公司购买专利并制造了样机公司购买专利并制造了样机 19611961年，年，UnimationUnimation公司（通用机械公司）成立，生产和公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器人销售了第一台工业机器人“UnimateUnimate”，即万能自动之意即万能自动之意 1962年，年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机器人，取名自动通用机器人，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，，即多用途搬运之意，并以并以“Industrial Robot”为商品广告投入市场为商品广告投入市场                                12 1967 1967年，年， UnimationUnimation公司第一台喷涂用机器人出口到日公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司本川崎重工业公司 1968 1968年，第一台智能机器人年，第一台智能机器人ShakeyShakey在斯坦福研究所诞生在斯坦福研究所诞生 19721972年，年，IBMIBM公司开发出直角坐标机器人。

公司开发出直角坐标机器人 19731973年，年，Cincinnati MilacronCincinnati Milacron公司推出公司推出T3T3型机器人型机器人 19781978年，第一台年，第一台PUMAPUMA机器人在机器人在UnimationUnimation公司诞生公司诞生 1982 1982年，年，WestinghouseWestinghouse公司兼并公司兼并UnimationUnimation公司，随后又公司，随后又卖给了瑞士的卖给了瑞士的StaubliStaubli公司 19901990年，年，Cincinnati MilacronCincinnati Milacron公司被瑞士公司被瑞士ABBABB公司兼并公司兼并　日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器　日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人60～～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段年代是机器技术获得巨大发展的阶段8080年年代代，，机机器器人人在在发发达达国国家家的的工工业业中中大大量量普普及及应应用用，，如如焊焊接接、、喷喷漆漆、、搬搬运运、、装装配配并并向向各各个个领领域域拓拓展展，，如如航航天天、、水水下下、、排排险险、、核核工工业业等等，，机机器器人人的的感感知知技技术术得得到到相相应应的的发发展展，，产产生生第二代机器人。

第二代机器人9090年年代代，，机机器器人人技技术术在在发发达达国国家家应应用用更更为为广广泛泛，，如如军军用用、、医医疗疗、、服服务务、、娱娱乐乐等等领领域域，，并并开开始始向向智智能能型型（（第第三三代代））机机器器人发展Ø 随着机器人技术的发展形成了新学科随着机器人技术的发展形成了新学科 — 机器人学建立机器人学建立 了相应学术组织，定期举办学术活动了相应学术组织，定期举办学术活动 国际会议：国际会议：ISIPISIP、、IEEEIEEE——IROSIROS、、ICR&A ICR&A 等 国际杂志：国际杂志：《《 Robtics Research Robtics Research 》》、、《《 Robotica Robotica 》》、、 《《 Robotics and Automation Robotics and Automation 》》 等　我国机器人技术起步较晚，　我国机器人技术起步较晚，70年代末，一些院校和企业，年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，开始研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人年代初，开发小型的教育机器人。

1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇ⅠⅠ号） 　国家　国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持计划把机器人技术作为重点发展技术来支持建立了建立了“机器人示范工程中心机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学） Ø 我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动 学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议 学术刊物：学术刊物：《《 机器人机器人 》》、、《《机器人技术与应用机器人技术与应用 》》等机器人将会像个人电脑一样走进千家万户机器人将会像个人电脑一样走进千家万户------家家都家家都有机器人！有机器人！------比尔盖茨比尔盖茨 新疆大学电气工程学院 12/10/2013国外突破性发展1985 年，出现了基于工业机器人平台的外科机器人。

美国的Kwoh YS等采用Puma560工业机器人完成了脑组织活检中探针的导向定位1987年，美国ISS公司推出了NeumMate机器人系统，采用机械臂和立体定位架来完成神经外科立体定向手术中的导向定位1989年，英国的皇家学院机器人技术中心利用改进的6自由度Puma机器人，开展了前列腺切除术，大大缩短了手术操作时间 新疆大学电气工程学院 12/10/20131994年，美国Computer Motion公司推出了第一种能够用于微创手术的医用机器人产品Aesop(伊索)机器人Aesop具有7个自由度，能够模仿人类手臂的姿态和功能，有效辅助医生抓持和操作内窥镜设备，在心脏、胸外、脊柱等多种外科领域有广泛应用1995年，Zeus(宙斯)系统实现了医生远距离控制从端机器人进行精细的手术操作和稳定的器械抓持等动作Zeus系统采用纯信号方式实现医生操纵台对机器臂的控制，在传输距离上不受视频延迟的影响1997年，国内研制了基于Puma262的脑外科机器人辅助定位系统1997年，美国Intuitive Surgical公司推出了Da Vinci(达芬奇)系统。

2001 年，以色列Mazor 公司推出了小型并联的脊柱外科机器人SpineAssist，高度不足70mm，质量不过200 g，可直接安装在骨骼上，显著提高了定位精度和稳定性国内外国内外主要骨科手主要骨科手术术机器人机器人项项目一目一览览表表 国外项目研发机构机器人名称用途特点研发时间医疗器械注册许可证美国lSS公司RoboDoc全髋置换术原型机采用了四轴直角坐标工业机器人本体1992无德 国 Otto Maquet公司Caspar全髋、全膝关节置换，韧带重建术采 用 Stabuli Rx90工业机器人，磨削精度0.1mm1999无美国匹兹堡大学Mars关节成形小型并联机器人2005无法 国 Praxim Medivision公司Praxiteles全膝置换的骨骼磨削2004无英国Imperial CollegeAcrobot膝关节单颗置换1997无以色列Mazor公司SpineAssist椎弓根螺钉内固定、椎体成形术高 度 <70 mm，质量<200 g2001有已植入15000枚椎弓根螺钉，无并发症瑞典Medical Robotics公司PinTrace长骨、骨盆骨折二维透视导航1997无骨科手术机器人技术现状骨科手术机器人技术现状国内外主要骨科手国内外主要骨科手术术机器人机器人项项目一目一览览表表 国外项目研发机构机器人名称用途特点研发时间医疗器械注册许可证哈尔滨工业大学骨折手术治疗基于Motoman工 业机器人2002无上海交通大学与上海第二医科大学关节置换2004无。

完成模拟测试实验北京天智航技术有限公司双平面骨科手术机器人长骨、骨盆骨折小型并联模块化机器人2006有香港中文大学髓内钉，骨盆骨折，脊柱2006无第三军医大学重庆新桥医院与中科院沈阳自动化研究所脊柱微创手术机器人基于Motoman工 业机器人2010无前期临床试验目前存在的问题1. 无法完成多种手术，使用范围小2. 多由电机专家研究，没有充分利用骨科医生的优秀临床经验3. 没有集成导航系统4. 操作繁琐，骨科医生需要面对多种设备的多种操作接口5. 没有采用开源的基础算法和通讯协议，标准化和推广难度大6. 价格昂贵，维护成本高，医院和患者无法承受Robodoc手术系统德国CASPAR手术系统香港中文大学研发的6轴机器人Medical Robotics  ECE  S 690 / 490Mitul Shah 11715595The WorkstationMiniature Robot DeviceThe T- FrameMedical Robotics  ECE  S 690 / 490Mitul Shah 117155952004199519651850机器人的组成机器人的组成•机器人大脑机器人大脑——主板主板•机器人思想机器人思想——程序程序•机器人感知机器人感知——传感器传感器•机器人手脚机器人手脚——马达马达•机器人骨架机器人骨架——机械结构机械结构•机器人食物机器人食物——电池电池人机反馈规划编程操作人驱动控制机械本体作业环境人机交互位姿感知机电系统反馈机器人体系基本结构机器人学的研究领域机器人学的研究领域       一、传感器与感知系统：一、传感器与感知系统：•新型传感器的开发：视觉、听觉、触觉等•多传感器系统与传感融合•传感数据集成•主动视觉与高速运动视觉•传感器硬件模块化、传感系统软件•恶劣工况下的传感技术•连续语音理解与处理•虚拟现实技术机器人学的研究领域机器人学的研究领域       二、驱动、建模与控制：二、驱动、建模与控制：•超低惯性驱动电机•直接驱动与交流驱动，伺服驱动•控制机理（理论）：分级递阶控制、专家控制、神经网络控制、预测控制等•控制系统：结构体系、控制器•控制与实时控制•视觉控制与声音控制、语音控制等机器人学的研究领域机器人学的研究领域       三、自动规划与调度：三、自动规划与调度：•环境模型的描述•任务规划与路径规划•协调操作与运动规划•任务协商与调度•制造（加工）系统中的机器人调度机器人学的研究领域机器人学的研究领域机器人的分类•串联机器人•并联机器人20公斤的ABB6轴机器人串联机器人串联机器人并联机器人机器人的分类机器人的分类---并联机器人并联机器人setwart并联机器人Delta并联机器人地震仿真模拟平台Delta型并联手术机器人德国柏林洪堡并联手术机器人44 交流伺服电机交流伺服电机    目前在机器人系统中，目前在机器人系统中，90%90%的系统采用交流伺服的系统采用交流伺服电动机电动机。

   交流伺服电机交流伺服电机驱动放大器驱动放大器   增量式光电编码器增量式光电编码器HD谐波齿轮骨科手术的基本操作•钻孔•切割 ---------适于机器人操作骨科手术类似于雕刻CAOS系统CAOS的组成1.计算机辅助骨科手术主处理系统2.成像设备系统：用来提供人体组织器官的解剖结构信息和功能信息3.立体定位系统：用来对人体组织器官、机器人和手术器械进行定位4.手术机器人：用来进行术中立体定位和手术干预 对于CAOS系统的主要组成部分——手术机器人，y一般有以下要求： 1.选择合适的机构构型：串联机构由于运动范围大、动作灵巧，适合于胸腔手术、腹腔手术等场合应用，用于操持内窥镜或下场的手术器械；并联机构由于结构紧凑、刚性好、精度高、运动范围小，适合于骨科等要求移动量较小、出力大的场合将串并两结合，发挥二者的优点，是未来医用机械的发展趋势； 2.小型化，结构紧凑，便于安装和维修； 3.符合医生习惯，设计前应充分了解手术过程，个机构适合手术的特点，便于操作； 4.方便消毒，保证系统的安全性；骨科手术机器人系统组成技术指标•术前规划功能。

•导航精度将达到1mm•具有6个以上自由度•操作精度达到0.1mm• 能够快速而高质量完成胫骨、股骨骨折髓内钉手术、股骨颈空心钉手术和骶髂关节螺钉手术关键技术1.导航 技术     光学定位跟踪技术      图像配准技术 2. 软件系统3.骨科手术机器人运动控制器光学定位跟踪技术     主要解决光学定位系统和医学图像的空间坐标配准问题------需要通过开发专用软件来实现图像配准工作基础、可行性2. 软件系统软件系统的构成  1. 系统软件的开发建立图像处理（分割，配准，建模）平台，提供用户接口，虚拟手术，发出控制命令  2. 通信子程序    解决不同设备系统之间的通讯连接问题  3. 运动规划子程序    接受导航系统的运动控制命令，对机器人的运动轨迹进行计算，计算出每个关节电机的运动量，传送到多轴运动控制模块基于MITK开发图像处理软件•      MITK (Medical Imaging Interaction Toolkit) 是一款开源的交互式医学图像处理软件开发平台•目前已能实现图像的分割，三维建模，图像的配准功能，虚拟手术和手术器械路径规划功能正在开发中。

工作基础、可行性三维重建3.骨科手术机器人运动控制器•解决机器人的实时运动控制问题研究内容、技术路线CAOS系统的一般工作步骤1.术前规划(1)获取患者损伤部位相关医学图像；(2)图像处理及骨骼的三维建模；(3)建立假体的三维模型；(4)将假体三维模型与骨骼三维模型进行配准；(5)位置调整与优化；(6)确定手术方案2.术中干预(1)把患者固定在手术台上并定位；(2)将切割三维模型输入机器人控制器；(3)确定机器人和患者的基准点；(4)机器人或医生执行手术动作；(5)整个手术过程严格监视患者的移动3.术后评价(1)把机器人移离患者，松开患者；(2)检查手术效果，是否需再次手术；(3)后续观察是否有手术后遗症或不良反应；(4)根据各次临床反应来优化机器人设计骨科手术机器人系统工作流程CAOS系统存在的缺陷（1）触觉反馈体系的缺失（2）手术机器人的器械臂固定以后,其操作范围受限；（3）整套设备的体积过于庞大,安装、调试比较复杂；（4）系统的技术复杂,在使用过程中可能发生各种机械故障；（5）手术前的准备及手术中更换器械操作耗时较长 ；（6）安全性问题较为复杂，涉及外科机器人的体系结构、机器人运动的机械约束、多传感器监测等技术,目前还未能够形成一个普遍承认的安全标准。

 同时，国内外在机器人辅助骨科手术方面主要是利用机器人辅助医生完成操持器械、导航等功能操作，利用机器人直接完成手术的研究较少 另一方面，目前医疗机器人设计上主要是利用现有技术进行系统集成，而真正从医用机器人自身角度出发去研究医疗机器人建模、分析、优化等设计理论的较少由于利用的是通用的机器人技术，必然导致机器人在与医学结合上不够严密，在体积、构型、材料、消毒、透X射线等方面存在一系列的问题，这也是医疗机器人设计中所面临的新问题 全世界已经有很多医院开展了机器人骨科手术，虽然机器人手术尚不成熟，但其中机器人手术的成功不仅表明以机器人辅助外科手术是可行的，而且展示了机器人在外科手术中的巨大优势目前并没有或者相当少基于模块化设计的计算机骨科手术辅助系统，这方面研究人有很大的挑战和机遇671.1.4 1.1.4 机器人技术展望机器人技术展望 进进入入9090年年代代后后, ,机机器器人人数数量量增增长长速速度度下下降降, ,但但由由于于人人工工智智能能、、计计算算机机科科学学、、传传感感器器技技术术的的长长足足进进步步，，使使机机器器人人技技术术研研究究在在高高水水平平上上进进行行。

未未来来机机器器人人技技术术将将有有待待于于在在以以下下几几个方面发展个方面发展一、操作臂技术一、操作臂技术1 1．．  高速操作臂：机构，伺服驱动，动态控制方法；高速操作臂：机构，伺服驱动，动态控制方法；2 2．．  柔性操作臂：提高荷重比（柔性操作臂：提高荷重比（＜＜30∶1030∶10），轻质材料；），轻质材料；3 3．．  冗余自由度臂；冗余自由度臂；4 4．．  高精度、多自由度力控制：精密组装；高精度、多自由度力控制：精密组装；5 5．．  微型操作臂微型操作臂68二、移动技术二、移动技术1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构；、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构；2、运动控制、运动控制：建模、制导、导航、路径规划建模、制导、导航、路径规划三、感知技术三、感知技术1、视觉：图像识别与处理；、视觉：图像识别与处理；2、手眼协调；、手眼协调；3、接触觉小型化；、接触觉小型化；4、多信息融合多信息融合四、自主控制技术四、自主控制技术1、分布式计算机控制技术；、分布式计算机控制技术；2、人工智能技术、人工智能技术我们的研究团队我们的研究团队自主研发的6轴机器人本体和控制系统Thank youThank you！。