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        基于折紙結構研發的顯微外科手術機器人mini-RCM

        2020年09月10日 16:32 ? 次閱讀

        眾所周知,顯微外科手術往往伴隨著極大的風險,需要醫生極其精細且復雜的操作,如此還是難免意外的發生。為了避免出現更多的意外,科學家們希望可以制造出機器人來替代一部分需要人手的工作,減輕醫生的負擔,也保證手術的安全與穩定。從而來自索尼集團和哈佛大學的研究者們 (Hiroyuki Suzuki和Robert J. Wood) 基于折紙結構研發了一款超輕便,高精度的顯微外科手術機器人——mini-RCM,該項研究發表于nature旗下新子刊《nature machine intelligence(自然-機器智能)》,并登上該期刊8月份封面。這款手術機器人是專門為遠程操作的顯微手術而設計的,它僅僅重達2.4g,尺寸為5cm x 7cm x 5cm, 由三個獨立驅動的微型直線驅動器驅動,每一個直線驅動器重量僅為0.41g。經分析和測試,該機器人的位置精度可以達到0.0264mm,負載能力大約為27mN。通過實驗測試展示了該機器人在顯微外科手術領域巨大的應用潛力。

        1. 基于折紙結構設計的顯微外科手術機器人mini-RCM

        顯微外科手術是指利用顯微鏡等光學放大設備進行毫米,甚至微米尺度的外科手術,例如縫合血管(0.3到0.8mm),神經等。該項手術對于醫生的技術和操作要求非常之高,主要受限于人手在手術操作過程會不可避免的出現極其輕微的震顫或者抖動,因此全世界只有少數外科醫生會操作。相比于人的肌肉,機器人有著更高的精度和穩定度,更加容易操作,因此,用于外科手術的機器人近幾年得到了大力發展,尤其是顯微外科手術機器人,包括眼科手術和神經手術等。利用遠端操作設備,放大機器人的微小動作到人手的較大動作,可以極大的提高手術過程的精度。近幾年科學家們已經研制了各種手術機器人,但目前來說它們的體積都較為龐大,且基本不具備柔順性。

        圖2. 顯微外科手術機器人

        近日,來自索尼集團和哈佛大學(RobertJ. Wood)的研究者們提出了一款新型的,由折紙結構啟發的微型手術機器人,mini-RCM,并將研究成果整理發表于nature旗下新的子刊《nature machine intelligence(自然-機器智能)》上。(Robert J. Wood是哈佛大學的教授,專門負責研發微型機器人,他的團隊已經在science或者nature正刊和子刊上發表多篇論文,文末附有他領導的實驗室網站)。

        他們在論文中指出,要想研發一款微創手術機器人,有三個要素需要考慮:

        1. 具有遠端運動中心(RCM)的結構;

        2. 尺寸小,提高便攜性,減少機器人和手術器械以及病人的接觸風險;

        3. 具有重力補償和反向傳動能力;

        圖3. 折紙結構啟發的手術機器人mini-RCM

        折紙結構設計可以利用輕薄而堅硬的的薄片材料構建三維結構,滿足設計者的需求。Mini-RCM手術機器人啟發自“立體書”折紙結構,基于微型電子機械系統(MEMS)的原理設計。據研究者稱,這款機器人僅僅重達2.4g,其中,機器人本體(連桿結構)重力約為1.2g,另外有三個超微型的直線驅動器,每個重量約為0.4g。真可謂“輕如鴻毛”,喜歡的話可以直接揣兜里帶走!

        可以看到,通過和真人大小的頭部模型對比,這款手術機器人的尺寸微小精妙,僅有5cm x 7cm x 5cm見方。相比于其他一些現存的手術機器人,尺寸真的是mini-RCM的一大優勢。

        圖4.Mini-RCM的尺寸——和頭部模型對比

        該手術機器人由三個微型的直線驅動器驅動,電源和控制信號通過遠端設備進行傳輸。

        圖5. Mini-RCM的關鍵部件

        研究者展示的微型線性驅動器,尺寸僅為28 mm × 7 mm × 3.6 mm,驅動原理為壓電陶瓷的粘滑效應,步長可以去到0.5mm,速度可以去到15mm/s,最大輸出力可達170mN。

        圖6. 微型直線驅動器

        這款手術機器人這么小,它到底能做什么呢?我們趕快欣賞一下這款手術機器人精妙的展示。在本文的第二部分會向大家介紹這款機器人的設計原理。另外,文章末尾附有完整的視頻和論文信息,感興趣的讀者不要錯過喔!

        圖7. 機器人繞著遠端旋轉中心(RCM)運動

        Mini-RCM的主體采用了并聯機構設計,這種機構可以繞著一個遠端固定點的進行旋轉,該固定點被稱為遠端運動中心(RCM)。這種結構設計被廣泛應用于微創手術機器人設計,以避免機器人在運動過程中對切口部位施加過多的力。

        圖8. Mini-RCM手術機器人的運動范圍展示

        Mini-RCM的另一個特點就是它的加工和制造比較方便,它的結構本體啟發自一個我們生活中經常見到的折紙結構,立體書(pop-up book)。通過激光切割好所需要的形狀以后,機器人的主體部位就可以根據既定的形狀實現自主“裝配”。

        圖9. “立體書”本體自主裝配

        利用機器人進行顯微外科手術操作有一個好處就是,可以通過電信號對機器人本身微小的行程進行放大,例如將1mm的機器人的運動放大到遙操作設備上對應的1cm,這樣的話可以極大的降低醫生手術的難度,提升手術的穩定性和安全性。

        圖10.機器人運動的遙操作

        研究者們展示了一組對比實驗,即用手跟蹤0.5mm邊長的正方形軌跡,和用mini-RCM繪制相同軌跡??梢钥吹?,用手直接跟蹤軌跡時,抖動非常明顯,但是相比來說用mini-RCM繪制軌跡則要穩定的多。

        圖11.畫0.5mm正方形——手動和機器人操作對比

        研究者展示了一個模擬的顯微手術實驗,用0.2mm直徑的硅膠管模擬人眼球內“視網膜靜脈”,對其進行顯微插管實驗。在顯微鏡下,通過安裝于mini-RCM末端的針尖可以較為容易的實現插管操作。

        圖12.顯微外科手術模擬——0.2mm插管實驗

        2. 設計結構及其原理

        為了實現遠端中心運動(RCM),大多數手術機器人的采用并聯機構設計或者是球關節串聯機構設計。并聯機構有著較為廣泛的運動范圍和簡單直接的設計,但是并聯機構包含有很多的節點,這使得傳統的設計難以制造小尺度的并聯機構。為了解決這一問題,研究者采用了一種巧妙的折紙結構:立體書結構(pop-up book),并且結合了微機電系統(MEMS)的設計和制造方式。

        圖13.機器人本體——折紙結構

        Mini-RCM機器人的本體是由十多層不同材料疊加而成。通過激光切割可以直接切除所需要的形狀,并且將不同層的形狀粘連熱壓,就得到了機器人的主體部分。在關節處采用有一定彈性的材料(例如聚酰亞胺),在支架部分采用剛性的硬材料(例如碳纖維)。

        圖14.多層材料熱壓成型

        通過研究者的巧妙的結構設計,mini-RCM機器人在空間中有三個自由度,其中包括兩個旋轉自由度和一個平移自由度。

        圖15.機械結構簡圖

        Mini-RCM機器人的運動范圍展示如下圖,分別是沿著遠端旋轉中心點的兩個方向的旋轉,以及平移運動。

        圖16.運動范圍示意圖

        為了驅動如此細小的折紙結構,對于驅動器的設計也要滿足微型化。研究者們采用了一種基于壓電陶瓷粘滑效應(慣性效應)的直線驅動器,考慮到它的運動范圍廣,以及輸出力重比較高。這種直線驅動器技術相對較為成熟可靠。通過實驗測試,研究者設計的這款直線驅動器最大速度可以達到15mm/s左右,最大輸出力約為150mN。

        圖17.微型直線驅動器設計原理

        為了測量直線驅動器的位移信息,從而對其進行控制,研究者采用了常見的光電傳感器的原理,即利用光電遮擋器來獲取滑塊的位置信息,這樣的設計測量精度較高,大約為50微米,即0.05mm。

        圖18.直線驅動器傳感

        研究者用一個正弦的輸入信號來控制線性驅動器,下圖展示了直線驅動器的運動模塊以正弦波做往復運動。

        圖19.正弦曲線往復運動

        直線導軌的運動的分辨率(步長)為0.5mm每步。

        圖20.0.5mm步長運動

        通過遙操作的機構,一定程度可以放大直線驅動器的運動控制,從而讓人手在操作機器人時候變得更加容易。

        圖21.遠程操作導軌運動

        在前面展示過的跟蹤0.5mm正方形軌跡的實驗中,手動跟蹤軌跡的誤差大約落在151.7微米左右,用mini-RCM進行軌跡跟蹤的誤差僅為47微米,把手術操作的精確度提升了3倍多。

        圖22.手動直接操作和機器人操作對比

        另外,mini-RCM的另一個優勢就是當機器人的電力出問題時,可以輕易的用手移除,從而避免手術意外對于病人造成的傷害。

        圖23 斷電手動移除機器人設備

        3. 總結與展望

        圖24.模擬手術實驗展示

        可以看到,相比于傳統結構的手術機器人,折紙結構啟發設計的mini-RCM手術機器人有著尺寸小,精度高的特點。通過一些遙操作的實驗,mini-RCM展示了一些它在顯微外科手術中應用的潛力。相比于手動直接操作手術,借助于手術機器人可以放大手術操作的尺度,從而實現高精度的操作。

        當然,作為第一代折紙顯微外科手術機器人,更多程度上還是一個概念性的展示,如果要真正投入實用,還有很長的路要走。研究者指出,在未來,通過結構設計的優化,他們希望能夠進一步提高mini-RCM的定位精確性和輸出力,從而真正能夠把它推向顯微外科手術機器人市場。

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        一種新的測量方法來測試機器人的外骨骼和身體健康狀...

        OTS使用特殊的攝像頭,這些攝像頭會發光并捕獲被布置在感興趣對象上的球形標記反射回來的內容。計算機會....
        發表于 2020-09-09 09:47? 168次閱讀
        一種新的測量方法來測試機器人的外骨骼和身體健康狀...

        陸軍研究人員在現實環境中演示了第一支人類機器人團...

        該實驗室通過“機動性和機動性人工智能基礎研究計劃”進行情境理解的一部分工作,旨在探索如何在機動性和機....
        發表于 2020-09-09 09:40? 139次閱讀
        陸軍研究人員在現實環境中演示了第一支人類機器人團...

        刀剪生產自動化,科技力量打磨傳統工藝

        刀剪生產自動化,科技力量打磨傳統工藝 在刀剪制造領域,珞石機器人經過多年工藝、技術積累,憑借機器人產....
        發表于 2020-09-09 09:16? 98次閱讀
        刀剪生產自動化,科技力量打磨傳統工藝

        5G R16標準將極大地釋放新一代無線技術的潛力

        再怎么強調R16標準的重要性都不過分。R15標準主要聚焦于增強移動寬帶,而R16標準則帶來了一系列新....
        發表于 2020-09-09 09:10? 120次閱讀
        5G R16標準將極大地釋放新一代無線技術的潛力

        兒童對機器人的感受是怎樣的?

        社交機器人的應用非常廣泛。根據 KPMG 畢馬威的調查顯示,2015-2018 年間,全球一共銷售了....
        發表于 2020-09-08 17:04? 130次閱讀
        兒童對機器人的感受是怎樣的?

        國產手術機器人彎道超車的機會在哪里?

        面對龐大的市場機會,國內也涌現出了一大批自主研發創新的團隊。在達芬奇手術機器人壟斷國內市場 14 年....
        發表于 2020-09-08 17:00? 217次閱讀
        國產手術機器人彎道超車的機會在哪里?

        AGV小車在智能物流中扮演著什么角色?

        以立體倉庫以及配送分揀中心作為產品的表現方式,綜合了自動輸送、自動化控制、自動分揀、貨物自動錄入、自....
        發表于 2020-09-08 16:56? 369次閱讀
        AGV小車在智能物流中扮演著什么角色?

        KUKA庫卡機器人伺服驅動器相關型號舉例

        KUKA庫卡機器人伺服驅動器(Servo Drive)是KUKA運動控制的重要組成部分,被普遍應用于工業機器人及數控加...
        發表于 2020-09-08 16:30? 0次閱讀
        KUKA庫卡機器人伺服驅動器相關型號舉例

        安川機器人維修保養的相關調試方法介紹

        安川機器人維修保養的相關調試方法介紹: 隨著技術的發展,各種機械設備被人們不斷的研發并投入到使用中,而機械...
        發表于 2020-09-08 16:15? 0次閱讀
        安川機器人維修保養的相關調試方法介紹

        焊接機器人對比手工焊接的優勢

        在現代化智能制造生產線中,越來越多的企業講究柔性化生產。工業自動化是當今制造業發展的大趨勢,機器人產....
        發表于 2020-09-08 16:13? 130次閱讀
        焊接機器人對比手工焊接的優勢

        焊接機器人的檢修項目有哪些?

        焊接機器人已廣泛應用于汽車制造生產線,焊接質量直接影響設備質量。盡管手工焊接可以實現無泄漏點,但從效....
        發表于 2020-09-08 16:10? 73次閱讀
        焊接機器人的檢修項目有哪些?

        優必選與天奇簽署戰略合作框架協議

        從商用服務到智慧物流,優必選跨界前景如何? 優必選科技近日與天奇自動化工程股份有限公司(以下簡稱天奇....
        發表于 2020-09-08 15:48? 292次閱讀
        優必選與天奇簽署戰略合作框架協議

        沃爾沃全球統一標準的現代化焊裝車間,使用了200...

        作為沃爾沃汽車全球最先進的工廠,大慶工廠遵循全球生產制造體系VCMS和全球質量運營體系GQOS,集成....
        發表于 2020-09-08 15:43? 435次閱讀
        沃爾沃全球統一標準的現代化焊裝車間,使用了200...

        浪潮近期推出了云熠無線網基站iRAN系列一體化產...

        浪潮擁有豐富的行業客戶經驗,懂行業,可以充分解決客戶痛點。以云原生、開放、極簡、柔性為理念,提供硬件....
        發表于 2020-09-08 15:04? 216次閱讀
        浪潮近期推出了云熠無線網基站iRAN系列一體化產...

        英國科學家研發用于微型水下自動機器人的傳感器

        據麥姆斯咨詢報道,檢測海洋甲烷和碳氫化合物水平是新一代低成本光纖同位素探測器的目標,這也是英國南安普....
        發表于 2020-09-08 14:50? 32次閱讀
        英國科學家研發用于微型水下自動機器人的傳感器

        新款Neato機器人吸塵器采用基于LaserSm...

        Neato D10運行時間最高長達150分鐘,True HEPA濾網對0.3微米過敏原的捕獲率達99....
        發表于 2020-09-08 14:26? 322次閱讀
        新款Neato機器人吸塵器采用基于LaserSm...

        正確理解智能制造 解決“內生動力”“創新供給”和...

        編者按 智能制造牽引制造業高質量發展,近日,中國科學院院士、華中科技大學學術委員會主任丁漢一堂深入淺....
        發表于 2020-09-08 14:19? 155次閱讀
        正確理解智能制造 解決“內生動力”“創新供給”和...

        單項冠軍企業和“小巨人”企業向產業和創新高峰發起...

        在中國機器人峰會永久舉辦地余姚所在的浙江寧波,制造業單項冠軍是高質量發展的一張靚麗的金名片,近日,寧....
        發表于 2020-09-08 14:15? 122次閱讀
        單項冠軍企業和“小巨人”企業向產業和創新高峰發起...

        國外幾大商用清潔機器人廠商

        本文盤點了國外幾大商用清潔機器人廠商及產品,從中或許可以窺探出一些國內外清潔機器人技術方面的差異。文....
        發表于 2020-09-08 14:00? 159次閱讀
        國外幾大商用清潔機器人廠商

        潘云鶴院士出席中國機器人峰會

        自從第一臺機器人誕生以來,科學家們費了很大心血來模仿人和生物動作,研發出各種各樣的機器人,并且取得了....
        發表于 2020-09-08 12:06? 194次閱讀
        潘云鶴院士出席中國機器人峰會

        機器人使用雷達等物聯網設備實現工業大數據智能化的...

        持續多日的全球人工智能和機器人峰會(CCF-GAIR 2020)在深圳正式開幕,并通過線上直播方式向....
        發表于 2020-09-08 11:43? 452次閱讀
        機器人使用雷達等物聯網設備實現工業大數據智能化的...

        KUKAC4如何通過逆向啟動鍵進行執行反向運行?

        如果應優化運動的序列并且為此目的重新示教各個點,則通過逆向啟動鍵經常使用反向運行。用戶沿軌跡反向運動....
        發表于 2020-09-08 11:18? 225次閱讀
        KUKAC4如何通過逆向啟動鍵進行執行反向運行?

        輕型機器人領軍企業珞石機器人完成1億元C1輪融資

        近日,輕型機器人企業“珞石機器人”宣布完成1億元C1融資,由襄禾資本投資。本輪融資將主要用于加速機器....
        發表于 2020-09-08 11:16? 130次閱讀
        輕型機器人領軍企業珞石機器人完成1億元C1輪融資

        KUKA機器人的初始化運行原因

        BCO 是 B lock coincidence (即程序段重合)的縮寫。重合意為 “ 一致 ” ....
        發表于 2020-09-08 11:14? 103次閱讀
        KUKA機器人的初始化運行原因

        庫卡KUKA機器人四種啟動方式介紹

        庫卡KUKA機器人四種啟動方式1)自動運行說明 庫卡機器人處于自動運行時,先要在手動狀態時候選擇需要運行的程...
        發表于 2020-09-04 15:45? 0次閱讀
        庫卡KUKA機器人四種啟動方式介紹

        KUKA庫卡機器人伺服電機故障維修

              通常情況下,我們所說的機器人伺服系統是指應用于多軸運動控制的精密伺服系統。一個多...
        發表于 2020-09-02 14:36? 0次閱讀
        KUKA庫卡機器人伺服電機故障維修

        CRP-RH14-10-W焊接的功能特點和應用案例

        功能特點· 臂展1.4米。設計高度緊湊,可靈活選擇地面安裝或倒置安裝。 · 工作空間大、運行速度快、重復定位精度高,...
        發表于 2020-08-28 10:51? 101次閱讀
        CRP-RH14-10-W焊接的功能特點和應用案例

        Arduino機器人監測系統資料分享?。ㄔ韴D&程序)

        功能模塊介紹: Arduino機器人套件,雨滴,下雨傳感器,可用于各種天氣狀況的監測,并轉成數字信號和AO輸出。 1、...
        發表于 2020-08-28 10:12? 101次閱讀
        Arduino機器人監測系統資料分享?。ㄔ韴D&程序)

        Budgee機器人介紹

        逛街是一件痛并快樂的事,快樂是因為逛街所帶來的滿足,但是滿足之后問題也隨之來了,大包小包的東西要怎么帶回去呢,...
        發表于 2020-08-26 07:26? 0次閱讀
        Budgee機器人介紹

        機器人學習相關資料文檔!

        分享八本機器人方面的文檔,其中包括了算法導論,機器人學導論,機器人技術及應用等多本書籍!喜歡機器人方面的大家一...
        發表于 2020-08-25 09:46? 637次閱讀
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        蟲蟲機器人燒入程序之后不能動是為什么?

        大家好,我今天組裝了一個蟲蟲機器人,但是燒入程序之后不能動,請問由什么原因嗎...
        發表于 2020-08-24 04:12? 0次閱讀
        蟲蟲機器人燒入程序之后不能動是為什么?

        ABB機器人維修保養指南

        上海仰光電子自動化設備有限公司是一家專業從事工業機器人維修,保養,調試服務,機器人周邊產品維修以及配件銷售服...
        發表于 2020-08-19 10:32? 150次閱讀
        ABB機器人維修保養指南
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