机器人学国家重点实验室刘浩研究员团队：具有稳定远心约束的子宫内膜修复机器人系统 | CJME论文推荐

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引用论文

Li, J., Wang, C., Wang, Z. et al. A Robotic System with Robust Remote Center of Motion Constraint for Endometrial Regeneration Surgery. Chin. J. Mech. Eng. 35, 76 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00731-2
https://cjme.springeropen.com/articles/10.1186/s10033-022-00731-2(戳链接，下载全文)

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研究背景及目的

宫腔粘连等子宫内膜损伤疾病是导致女性不孕不育的主要因素之一，干细胞疗法在治疗子宫内膜损伤方面具有巨大潜力，然而现有的手术器械和手工操作的方法限制了干细胞治疗的疗效。子宫内膜再生手术需要处理子宫内膜，并在对子宫创伤最小的情况下植入干细胞，同时在手术过程中为了避免对宫颈的撕扯，宫腔镜需要满足远心约束。目前已有多种手术机器人应用于各种手术操作，但目前还没有用于子宫内膜再生修复手术的机器人，本研究研制子宫内膜修复机器人，致力于采用机器人技术助力干细胞再生医学发展。

图1 子宫内膜再生手术

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试验方法

本研究设计了一个具有稳定远心约束的子宫内膜修复机器人系统。机器人系统包括宫腔镜、支撑臂和手术器械等。宫腔镜由刚性段和柔性段组成，柔性段可以实现平面弯曲，并且可以绕自身轴线旋转。手术器械包括用于内膜搔刮的器械和用于干细胞植入的器械。搔刮器械的末端为一“灯笼状”刮削器，其内部有一个驱动腱，当拉动驱动腱时，刮削器可膨胀并同子宫内膜接触，当刮削器快速旋转时可以实现对子宫内膜的搔刮操作。为了实现机器人稳定的远心约束控制，采用旋量理论建立机器人的运动学模型，远心约束（RCM）被作为支撑臂的第一任务，宫腔镜刚性段的末端位置控制作为第二任务并通过RCM雅克比的零空间实现。为了防止末端位置控制与远心约束间的冲突，宫腔镜的运动被解耦为插入运动和调向运动。支撑臂和宫腔镜的柔性段的在运动学上采用分离控制的方式，柔性段的控制量可直接通过其逆运动学获得，获得的刚性段末端的目标位置则作为支撑臂的目标控制量，从而保证机器人的稳定性和机器人运动的可预测性。

图2 子宫内膜修复机器人主从操作测试

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结果

通过MATLAB对本文所提出的任务解耦法和常用的扩展雅克比法两种远心运动控制进行仿真对比，首先支撑臂在远心约束下实现从初始位置到达相对位置为（10,0,30）的目标位置，随机选取200个初始关节角度作为初始姿态，并记录两种控制方法的成功率，扩展雅克比法的成功率为26%，平均RCM误差为3.86 mm，任务解耦法的成功率为70.5%，平均RCM误差为0.68。此外验证支撑臂在远心约束下从某一初始位置到达多个不同目标位置的情况，在一定相对位置范围内随机选取200组。验证了四种不同的初始位姿情况，扩展雅克比法的四种情况成功率分别51.5%，32%，0%和0%，对于任务解耦法成功率为61%，91%，77%和67.5%。此外通过实验验证了机器人系统在5 mm外径的远心孔的约束下能够稳定完成主从跟随操作。宫腔镜的运动被稳定的约束在远心点，且宫腔镜的末端可以不同的角度指向目标位置。

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结论

本文介绍用于子宫内膜再生修复的机器人系统，该机器人系统能够实现精确的远心点约束和稳定的主从操作，相比于扩展雅克比法本文提出的任务解耦法具有更高的鲁棒性，通过将支撑臂和柔性宫腔镜在运动学上分别控制，实现了对于宫腔镜末端位置和指向的稳定控制。

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前景与应用

该机器人系统未来有望用于干细胞子宫内膜修复的动物和临床研究，有望为子宫内膜再生修复手术提供更加稳定和精确的操作手段。

该工作获得国家自然科学基金面上项目、区域联合重点基金、中科院创新交叉团队等项目的支持

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团队带头人介绍

刘浩，中国医疗装备协会消化病分会委员，任辽宁省微创手术机器人重点实验室主任。辽宁省千层次人才，“兴辽英才”青年拔尖人才。国家留学基金委公派美国约翰霍普金斯大学访问学者。长期面向消化道、心血管等危害人类健康的重大及多发疾病开展手术机器人及创新医疗器械研发，与中国人民解放军总医院联合研发的消化内镜手术机器人，与广州呼吸健康研究院钟南山院士团队联合研发的咽拭子采样机器人已经进入临床应用阶段。主持国家自然科学基金区域联合重点项目、国家重点研发计划项目、中央军委后勤保障部重点开放项目等。第一作者及通讯作者发表SCI/EI检索学术论文100余篇，授权国家发明专利34项。获得全国创新争先奖、国家科技进步二等奖等，获评辽宁省五一劳动奖章。

团队研究方向

医疗机器人、机器人控制、手术导航、灵巧型器械、医用传感等。

近年团队发表文章

[1] Li JH, Wang CY, Mao Zhiyuan, Liu Y, Wang ZD, Liu H. A Compact FBG-Based Triaxial Force Sensor With Parallel Helical Beams for Robotic-Assisted Surgery[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2022, 71: 1-9.

[2] Li JH, Zhang FM, Yang ZG, Jiang ZM, Wang ZD, Liu H. Shape Sensing for Continuum Robots by Capturing Passive Tendon Displacements with Image Sensors[J]. IEEE Robotics and Automation Letters,2022,7(2):3130-3137.

[3] Li JH, Zhou YY, Wang CY, Wang ZD, Liu H. A Model-Based Method for Predicting the Shapes of Planar Single-Segment Continuum Manipulators With Consideration of Friction and External Force[J]. JOURNAL OF MECHANISMS AND ROBOTICS-TRANSACTIONS OF THE ASME,2020,12(4):1-11.

[4] Gao AZ, Li JH, Zhou YY, Wang ZD, Liu H. Modeling and Task-Oriented Optimization of Contact-Aided Continuum Robots[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2020,25(3):1444-1455.

[5] Li JH, Zhou YY, Tan JC, Wang ZD, Liu H. Design and Modeling of a Parallel Shifted-Routing Cable-Driven Continuum Manipulator for Endometrial Regeneration Surgery[C]. 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS).

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编辑：谢雅洁    校对：向映姣

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