众所周知，显微外科手术常常随同着极大的危险，须要大夫极为邃密且庞大的操纵，如斯仍是不免不测的产生。为了避免出现更多的不测，科学家们愿望可以制造出机器人去替换一部分须要人手的事情，加重大夫的承担，也保障手术的平安与不变。从而来自索尼集团跟哈佛大学的研究者们（HiroyukiSuzuki跟RobertJ.Wood）基于折纸布局研发了一款超轻巧，高精度的显微外科手术机器人——mini-RCM，该项研讨颁发于nature旗下新子刊《naturemachineintelligence》，并登上该期刊8月份封面。那款手术机器人是专门为近程操纵的显微手术而计划的，它仅仅重达2.4g，尺寸为5cmx7cmx5cm，由三个自力驱动的微型直线驱动器驱动，每一个直线驱动器重量仅为0.41g。经剖析跟测试，该机器人的地位精度可以到达0.0264mm，负载才能约莫为27mN。经由过程试验测试展现了该机器人正在显微外科手术范畴极大的使用潜力。
1.基于折纸结构设计的显微外科手术机器人mini-RCM
分拣机器人是什么时候发明显微外科手术是指应用显微镜等光学缩小设备停止毫米，以至微米标准的外科手术，例如缝合血管，神经等。该项手术关于大夫的技巧跟操纵要求十分之高，次要受限于人手正在手术操作过程会不可避免的呈现极为稍微的震颤或许颤动，是以全世界只有少数外科医生会操纵。比拟于人的肌肉，机器人有着更下的精度跟稳定度，加倍简单操纵，是以，用于外科手术的机器人近几年失掉了大力发展，特别是显微外科手术机器人，包罗眼科手术跟神经手术等。应用远端操纵设备，缩小机器人的细小举措到人手的较大举措，可以极大的进步手术过程的精度。近几年科学家们曾经研制了各类手术机器人，但现阶段来讲它们的体积皆较为重大，且根本没有具有和婉性。
图2.显微外科手术机器人
他们正在论文中指出，要念研发一款微创手术机器人，有三个因素须要思量：
1.存在远端运动中间的布局；
2.尺寸小，进步便携性，削减机器人跟手术器械和病人的打仗危险；
3.存在重力赔偿跟反向传动才能；
图3.折纸布局开导的手术机器人mini-RCM
折纸结构设计可以应用轻浮而坚挺的的薄片资料构建三维布局，知足设计者的需要。Mini-RCM手术机器人开导自“平面书”折纸布局，基于微型电子机械体系的原理计划。据研究者称，那款机器人仅仅重达2.4g，此中，机器人本体重力约为1.2g，此外有三个超微型的直线驱动器，每一个重量约为0.4g。实堪称“轻如鸿毛”，喜好的话可以间接揣兜里带走！
可以看到，经由过程跟真人巨细的头部模子比照，那款手术机器人的尺寸细小精巧，仅有5cmx7cmx5cm见方。比拟于其他一些现存的手术机器人，尺寸真的是mini-RCM的一大劣势。
图4.Mini-RCM的尺寸——跟头部模子比照
该手术机器人由三个微型的直线驱动器驱动，电源跟节制旌旗灯号经由过程远端设备停止传输。
图5.Mini-RCM的关键部件
研究者展现的微型线性驱动器，尺寸仅为28mm×7mm×3.6mm，驱动原理为压电陶瓷的粘滑效应，步长可以来到0.5mm，速率可以来到15mm/s，最大输出力可达170mN。
图6.微型直线驱动器
那款手术机器人这么小，它究竟能做甚么呢？咱们赶紧赏识一下那款手术机器人精巧的展现。正在本文的第二部门会向各人先容那款机器人的计划原理。此外，文章开端附有完全的视频跟论文信息，感兴趣的读者不要错过喔！
图7.机器人绕着远端扭转中间运动
Mini-RCM的主体采取了并联机构计划，这类机构可以绕着一个远端固定点的停止扭转，该固定点被称为远端运动中间。这类结构设计被广泛应用于微创手术机器人计划，以制止机器人正在运动进程中对瘦语部位施加过多的力。
图8.Mini-RCM手术机器人的运动规模展现
Mini-RCM的另一个特色就是它的加工跟制造比力便利，它的布局本体开导自一个咱们生涯中时常见到的折纸布局，平面书。经由过程激光切割好所须要的外形当前，机器人的主体部位便可以依据既定的外形实现自立“拆卸”。
图9.“平面书”本体自立拆卸
应用机器人停止显微外科手术操纵有一个益处就是，可以经由过程电信号对机器人本身细小的路程停止缩小，例如将1mm的机器人的运动缩小到遥操纵设备上对应的1cm，这样的话可以极大的降低大夫手术的难度，晋升手术的稳定性跟安全性。
图10.机器人运动的遥操纵
研究者们展现了一组比照试验，即用脚跟踪0.5mm边长的正方形轨迹，跟用mini-RCM绘制不异轨迹。可以看到，用手间接跟踪轨迹时，颤动非常明显，可是比拟来讲用mini-RCM绘制轨迹则要不变的多。
图11.绘0.5mm正方形——手动跟机器人操纵比照
研究者展现了一个模拟的显微手术试验，用0.2mm直径的硅胶管模拟人眼球内“视网膜静脉”，对其停止显微插管试验。正在显微镜下，经由过程装置于mini-RCM末尾的针尖可以较为简单的实现插管操纵。
图12.显微外科手术模拟——0.2mm插管试验
2.计划布局及其原理
为了实现远端中间运动，大多数手术机器人的采取并联机构计划或许是球枢纽串连机构计划。并联机构有着较为普遍的运动规模跟简略间接的计划，可是并联机构包括有良多的节点，那使得传统的计划难以制造小标准的并联机构。为了办理这一问题，研究者采取了一种奇妙的折纸布局：平面书布局，而且联合了微电机体系的计划跟制造方法。
图13.机器人本体——折纸布局
Mini-RCM机器人的本体是由十多层分歧资料叠加而成。经由过程激光切割可以间接切除所须要的外形，而且将分歧层的外形粘连热压，便失掉了机器人的主体部门。正在枢纽处采取有必然弹性的资料，正在支架部门采取刚性的硬资料。
图14.多层资料热压成型
药品分拣机器人公司经由过程研究者的奇妙的结构设计，mini-RCM机器人正在空间中有三个自由度，此中包罗两个扭转自由度跟一个平移自由度。
图15.机器布局简图
Mini-RCM机器人的运动规模展现以下图，离别是沿着远端扭转中心点的两个标的目的的扭转，和平移运动。
图16.运动规模示意图
为了驱动如斯渺小的折纸布局，关于驱动器的计划也要知足微型化。研究者们采取了一种基于压电陶瓷粘滑效应的直线驱动器，思量到它的运动范围广，和输出力重比力下。这类直线驱动器技巧绝对较为成熟靠得住。经由过程试验测试，研究者计划的这款直线驱动器最大速率可以到达15mm/s摆布，最大输出力约为150mN。
图17.微型直线驱动器计划原理
菜鸟快递分拣机器人为了丈量直线驱动器的位移信息，从而对其停止节制，研究者采取了罕见的光电传感器的原理，即应用光电遮挡器来获得滑块的地位信息，如许的计划丈量精度较下，约莫为50微米，即0.05mm。
图18.直线驱动器传感
研究者用一个正弦的输入旌旗灯号去节制线性驱动器，下图展现了直线驱动器的运动模块以正弦波做往复运动。
垃圾分拣机器人研制成功图19.正弦曲线往复运动
驿站分拣机器人直线导轨的运动的分辨率为0.5mm每步。
图20.0.5mm步长运动
智能分拣机器人厂家经由过程遥操纵的机构，必然水平可以缩小直线驱动器的运动节制，从而让人手正在操纵机器人时间变得加倍简单。
图21.近程操纵导轨运动
正在后面展现过的跟踪0.5mm正方形轨迹的试验中，手动跟踪轨迹的偏差约莫降正在151.7微米摆布，用mini-RCM停止轨迹跟踪的偏差仅为47微米，把手术操纵的精确度晋升了3倍多。
图22.手动间接操纵跟机器人操纵比照
此外，mini-RCM的另一个劣势就是当机器人的电力出问题时，可以随意马虎的用脚移除，从而制止手术不测关于病人形成的损伤。
图23断电手动移除机器人设备
3.总结与展望
图24.模拟手术试验展现
可以看到，比拟于传统布局的手术机器人，折纸布局开导计划的mini-RCM手术机器人有着尺寸小，精度高的特色。经由过程一些遥操纵的试验，mini-RCM展现了一些它正在显微外科手术中使用的潜力。比拟于手动间接操纵手术，借助于手术机器人可以缩小手术操纵的标准，从而实现高精度的操纵。
当然，作为第一代折纸显微外科手术机器人，更多水平上仍是一个概念性的展现，若是要真正投入实用，另有很长的路要奔忙。研究者指出，正在将来，经由过程结构设计的优化，他们愿望可能进一步提高mini-RCM的定位精确性跟输出力，从而真正可能把它推向显微外科手术机器人市场。
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