由于生物医学工程的进步,机器人系统在外科手术中的应用变得越来越普遍。然而,机器人手术面临的一个明显挑战是缺乏触觉技术——向外科医生提供力反馈的能力受到限制。由于许多医疗器械和手术工具,如钳子和腹腔镜器械,不能提供触觉,因此外科医生在使用这些器械时,还没有明确的方法来感觉施加了多大的力。这种触觉反馈的缺乏限制了手术技术的范围,并影响了外科医生的灵活性。

1有窗的抓紧器。

马萨诸塞州南波士顿的力传感器制造商Tekscan开发了一种传感器,该传感器是无创触觉人机界面的关键部件,提供触觉力反馈,并最终推进了机器人手术实现的可能性。该接口由剑桥研究和发展(CRD)开发,剑桥,马萨诸塞州。

集成传感器

CRD在其触觉机器人界面的研发工作中使用了Tekscan公司的FlexiForce™触觉传感器,通过增加触觉来帮助改进机器人手术。当施加力时,flexforce传感器改变电阻,从无力的兆欧到施加力时的低千赫。电导是电阻的倒数,它随所施加的力线性变化。

hiep T. Nguyen医生,波士顿儿童医院机器人手术、研究和培训中心主任,额头上戴着一个触觉反馈装置。

CRD开发的界面Neo使用线性驱动提供力反馈。这种机制通过一个可以戴在外科医生身体任何部位(通常是头部)的装置来模拟力量的感觉,以便让外科医生的手保持自由。非常灵敏、薄(0.2 mm)、灵活的flexforce传感器被放置在双开窗抓取器的前开窗处。开窗是腹腔镜抓取器的一部分,其中有一个“窗口”,如图1所示。它是传感器的接触点,就像当组织被挤压时按在传感器上的按钮。这个传感器支持的抓取器连接到触觉界面。然后,flexforce传感器测量施加的力,并通过响应力上下移动的机制将其转换为压力信号。大脑将设备施加的压力与触觉联系在一起,使外科医生能够通过调节自身施加的压力做出反应。例如,外科医生在头上戴上一种装置,会根据施加的力的大小有一种敲击感,这种敲击感会加速或减速。如图2所示,外科医生可以在大约两分钟或更短的时间内学会使用它。大脑几乎马上就把抓等同于这个压力点。

集成的flexforce传感器的一个优势是,它非常小和薄,可以轻松地装入一个紧凑的设备,同时仍然提供全方位的触觉,从最初最轻的刷到完全抓住。

由于传感器嵌入在夹持器的下方,因此要将夹持器负载力传递给传感器是一个挑战。这是通过使用一个小的塑料机制完成的,如图3所示。

实地试验的接口

夹持力传递机制。

flexforce传感器重量轻、易于集成、成本低,这使得CRD能够展示利用触觉力反馈来推进机器人手术工具和系统的潜力。波士顿儿童医院(Boston Children's Hospital)泌尿外科的外科医生们,仅用外科医生的触觉就成功模拟了机器人手术过程。

由于触觉反馈,更复杂的机器人手术操作成为可能。一般来说,外科医生不会倾向于用腹腔镜手术器械抓住静脉或脆弱的组织,因为害怕损伤。有了传感器支持的设备提供触觉反馈,外科医生就能更好地控制所施加的握力水平。同样的原理也适用于手术中柔软或重量轻的物体的运动。

机器人手术的未来

“机器人行业明白,机器人和控制论的真正潜力在于人与机器融合的能力,”剑桥研发首席执行官肯•斯坦伯格(Ken Steinberg)表示。“完全的生物相容性是我们的未来,但如果我们要真正实现机器人的潜力,就必须现在就取得进展。通过这种新的触觉界面,我们认为我们提供了一种解决方案,将带来从手术室到外太空的令人兴奋的新功能。”

本文由Tekscan(南波士顿,马萨诸塞州)传感器副总裁Mark Lowe、剑桥研究与发展(剑桥,马萨诸塞州)首席执行官Ken Steinberg和Tech Briefs Media Group(纽约,纽约州)副编辑Ed Brown撰写。金宝搏188手机登录网站金宝搏官网有关更多信息,请单击在这里


传感器技术杂志

本文首次发表于2017年9月号传感器技术杂志。

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