骨科手術(shù)機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來課件

骨科手術(shù)機器人技術(shù)的現(xiàn)狀與未來新疆醫(yī)科大學(xué)第五附屬醫(yī)院數(shù)字骨科實驗室劉大鵬骨科手術(shù)機器人技術(shù)的現(xiàn)狀與未來新疆醫(yī)科大學(xué)第五附屬醫(yī)院機器人手術(shù)是天方夜譚嗎？機器人手術(shù)是天方夜譚嗎？精確性精確性靈巧性靈巧性安全性安全性智能智能ASIMO發(fā)展史ASIMO發(fā)展史ASIMO(AdvancedStepInnovativeMobility，高級步行創(chuàng)新移動機器人)從2000年10月31日誕生，ASIMO的進步可以用神速來形容，2012最新版的ASIMO，除具備了行走功能與各種人類肢體動作之外，更具備了人工智能，可以預(yù)先設(shè)定動作，還能依據(jù)人類的聲音、手勢等指令，來從事相應(yīng)動作，此外，他還具備了基本的記憶與辨識能力。但他的始祖E0在1986年已經(jīng)誕生。ASIMO(AdvancedStepInnovativeASIMO的結(jié)構(gòu)視覺高速攝像機雙目視覺原理驅(qū)動器

伺服電機+諧波減速器+驅(qū)動單元控制裝置

電腦先進的運動控制軟件和算法傳感器

腳部六軸向腳部方位傳感器

軀體陀螺儀和加速傳感器電源部分

38.4V/10AH(鎳鋅)ASIMO的結(jié)構(gòu)視覺高速攝像機雙目視覺機器人的發(fā)展歷史1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》?？ㄅ蹇嗽趧”局邪呀菘苏Z“Robota”寫成了“Robot”，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當成了機器人一詞的起源。

1947年美國阿爾貢實驗室建成遙控主從機械手。

1949年美國MIT實驗室研制出數(shù)控銑床。

1950年，美國作家埃薩克·阿西莫夫在他的科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”

，即“機器人學(xué)”。阿西莫夫提出了“機器人三原則”，阿西莫夫因此被稱為“機器人學(xué)之父”。10

機器人的發(fā)展歷史1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表111954年，美國人GeorgeC.Devol提出了第一個工業(yè)機器人方案并在1956年獲得美國專利。

1960年，Conder公司購買專利并制造了樣機。

1961年，Unimation公司（通用機械公司）成立，生產(chǎn)和銷售了第一臺工業(yè)機器人“Unimate”，即萬能自動之意。1962年，A.M.F.（機械與鑄造）公司，研制出一臺數(shù)控自動通用機器人，取名“Versatran”，即多用途搬運之意，并以“IndustrialRobot”為商品廣告投入市場。

111954年，美國人GeorgeC.Devol提121967年，Unimation公司第一臺噴涂用機器人出口到日本川崎重工業(yè)公司。1968年，第一臺智能機器人Shakey在斯坦福研究所誕生。

1972年，IBM公司開發(fā)出直角坐標機器人。

1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型機器人。

1978年，第一臺PUMA機器人在Unimation公司誕生。1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，隨后又賣給了瑞士的Staubli公司。

1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。121967年，Unimation公司第一臺噴涂用機器日本、西歐各國、前蘇聯(lián)也相斷引進或自行研制工業(yè)機器人。60～70年代是機器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。80年代，機器人在發(fā)達國家的工業(yè)中大量普及應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運、裝配。并向各個領(lǐng)域拓展，如航天、水下、排險、核工業(yè)等，機器人的感知技術(shù)得到相應(yīng)的發(fā)展，產(chǎn)生第二代機器人。90年代，機器人技術(shù)在發(fā)達國家應(yīng)用更為廣泛，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域，并開始向智能型（第三代）機器人發(fā)展。

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展形成了新學(xué)科—

機器人學(xué)。建立了相應(yīng)學(xué)術(shù)組織，定期舉辦學(xué)術(shù)活動。國際會議：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A等。國際雜志：《RobticsResearch》、《Robotica》、《RoboticsandAutomation》等。日本、西歐各國、前蘇聯(lián)也相斷引進或自行研制工業(yè)機器人。60我國機器人技術(shù)起步較晚，70年代末，一些院校和企業(yè)，開始研制專用機械手，80年代初，開發(fā)小型的教育機器人。1985年哈工大研制出國內(nèi)第一臺弧焊機器人（華宇Ⅰ號）。

國家“863”計劃把機器人技術(shù)作為重點發(fā)展技術(shù)來支持。建立了“機器人示范工程中心”和機器人國家開放實驗室（沈陽自動化所、哈工大、合肥機械所、上海交大、南開大學(xué)）。

我國也建立了機器人學(xué)的學(xué)術(shù)組織，定期舉辦學(xué)術(shù)活動。學(xué)術(shù)會議：每兩年左右去辦一次大型全國性會議。學(xué)術(shù)刊物：《機器人》、《機器人技術(shù)與應(yīng)用》等。我國機器人技術(shù)起步較晚，70年代末，一些院校和企業(yè)，開始研機器人將會像個人電腦一樣走進千家萬戶---家家都有機器人！---比爾蓋茨

新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院

12/10/2013機器人將會像個人電腦一樣走進千家萬戶---家家都有機器人！-國外突破性發(fā)展1985年，出現(xiàn)了基于工業(yè)機器人平臺的外科機器人。美國的KwohYS等采用Puma560工業(yè)機器人完成了腦組織活檢中探針的導(dǎo)向定位。1987年，美國ISS公司推出了NeumMate機器人系統(tǒng)，采用機械臂和立體定位架來完成神經(jīng)外科立體定向手術(shù)中的導(dǎo)向定位1989年，英國的皇家學(xué)院機器人技術(shù)中心利用改進的6自由度Puma機器人，開展了前列腺切除術(shù)，大大縮短了手術(shù)操作時間。

新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院

12/10/2013國外突破性發(fā)展1985年，出現(xiàn)了基于工業(yè)機器人平臺的外科機1994年，美國ComputerMotion公司推出了第一種能夠用于微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)用機器人產(chǎn)品Aesop(伊索)機器人。Aesop具有7個自由度，能夠模仿人類手臂的姿態(tài)和功能，有效輔助醫(yī)生抓持和操作內(nèi)窺鏡設(shè)備，在心臟、胸外、脊柱等多種外科領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。1995年，Zeus(宙斯)系統(tǒng)實現(xiàn)了醫(yī)生遠距離控制從端機器人進行精細的手術(shù)操作和穩(wěn)定的器械抓持等動作。Zeus系統(tǒng)采用純信號方式實現(xiàn)醫(yī)生操縱臺對機器臂的控制，在傳輸距離上不受視頻延遲的影響。1997年，國內(nèi)研制了基于Puma262的腦外科機器人輔助定位系統(tǒng)。1994年，美國ComputerMotion公司推出了第一1997年，美國IntuitiveSurgical公司推出了DaVinci(達芬奇)系統(tǒng)。2001年，以色列Mazor公司推出了小型并聯(lián)的脊柱外科機器人SpineAssist，高度不足70mm，質(zhì)量不過200g，可直接安裝在骨骼上，顯著提高了定位精度和穩(wěn)定性。1997年，美國IntuitiveSurgical公司推出國內(nèi)外主要骨科手術(shù)機器人項目一覽表

國外項目研發(fā)機構(gòu)機器人名稱用途特點研發(fā)時間醫(yī)療器械注冊許可證美國lSS公司RoboDoc全髖置換術(shù)原型機采用了四軸直角坐標工業(yè)機器人本體1992無德國OttoMaquet公司Caspar全髖、全膝關(guān)節(jié)置換，韌帶重建術(shù)采用StabuliRx90工業(yè)機器人，磨削精度0.1mm1999無美國匹茲堡大學(xué)Mars關(guān)節(jié)成形小型并聯(lián)機器人2005無法國PraximMedivision公司Praxiteles全膝置換的骨骼磨削2004無英國ImperialCollegeAcrobot膝關(guān)節(jié)單顆置換1997無以色列Mazor公司SpineAssist椎弓根螺釘內(nèi)固定、椎體成形術(shù)高度<70mm，質(zhì)量<200g2001有。已植入15000枚椎弓根螺釘，無并發(fā)癥。瑞典MedicalRobotics公司PinTrace長骨、骨盆骨折二維透視導(dǎo)航1997無骨科手術(shù)機器人技術(shù)現(xiàn)狀國內(nèi)外主要骨科手術(shù)機器人項目一覽表國外國內(nèi)外主要骨科手術(shù)機器人項目一覽表

國外項目研發(fā)機構(gòu)機器人名稱用途特點研發(fā)時間醫(yī)療器械注冊許可證哈爾濱工業(yè)大學(xué)骨折手術(shù)治療基于Motoman工業(yè)機器人2002無上海交通大學(xué)與上海第二醫(yī)科大學(xué)關(guān)節(jié)置換2004無。完成模擬測試實驗。北京天智航技術(shù)有限公司雙平面骨科手術(shù)機器人長骨、骨盆骨折小型并聯(lián)模塊化機器人2006有香港中文大學(xué)髓內(nèi)釘，骨盆骨折，脊柱2006無第三軍醫(yī)大學(xué)重慶新橋醫(yī)院與中科院沈陽自動化研究所脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人基于Motoman工業(yè)機器人2010無前期臨床試驗國內(nèi)外主要骨科手術(shù)機器人項目一覽表國外目前存在的問題1.無法完成多種手術(shù)，使用范圍小。2.多由電機專家研究，沒有充分利用骨科醫(yī)生的優(yōu)秀臨床經(jīng)驗。3.沒有集成導(dǎo)航系統(tǒng)。4.操作繁瑣，骨科醫(yī)生需要面對多種設(shè)備的多種操作接口。5.沒有采用開源的基礎(chǔ)算法和通訊協(xié)議，標準化和推廣難度大。6.價格昂貴，維護成本高，醫(yī)院和患者無法承受。目前存在的問題1.無法完成多種手術(shù)，使用范圍小。骨科手術(shù)機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來ppt課件Robodoc手術(shù)系統(tǒng)德國CASPAR手術(shù)系統(tǒng)Robodoc手術(shù)系統(tǒng)德國CASPAR手術(shù)系統(tǒng)香港中文大學(xué)研發(fā)的6軸機器人香港中文大學(xué)研發(fā)的6軸機器人骨科手術(shù)機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來ppt課件骨科手術(shù)機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來ppt課件骨科手術(shù)機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來ppt課件MedicalRoboticsECES690/490MitulShah11715595TheWorkstationMiniatureRobot DeviceTheT-FrameMedicalRoboticsECES690/MedicalRoboticsECES690/490MitulShah117155952004199519651850200yearsago:CUTandthenSEEMedicalRoboticsECES690/骨科手術(shù)機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來ppt課件機器人的組成機器人大腦——主板機器人思想——程序機器人感知——傳感器機器人手腳——馬達機器人骨架——機械結(jié)構(gòu)機器人食物——電池機器人的組成機器人大腦——主板人機反饋規(guī)劃編程操作人驅(qū)動控制機械本體作業(yè)環(huán)境人機交互位姿感知機電系統(tǒng)反饋

機器人體系基本結(jié)構(gòu)機器人學(xué)的研究領(lǐng)域人機規(guī)劃編程驅(qū)動控制機械本體作業(yè)環(huán)境人機交互位姿感知機電系統(tǒng)

一、傳感器與感知系統(tǒng)：新型傳感器的開發(fā)：視覺、聽覺、觸覺等多傳感器系統(tǒng)與傳感融合傳感數(shù)據(jù)集成主動視覺與高速運動視覺傳感器硬件模塊化、傳感系統(tǒng)軟件惡劣工況下的傳感技術(shù)連續(xù)語音理解與處理虛擬現(xiàn)實技術(shù)機器人學(xué)的研究領(lǐng)域一、傳感器與感知系統(tǒng)：機器人學(xué)的研究領(lǐng)域

二、驅(qū)動、建模與控制：超低慣性驅(qū)動電機直接驅(qū)動與交流驅(qū)動，伺服驅(qū)動控制機理（理論）：分級遞階控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測控制等控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)體系、控制器在線控制與實時控制視覺控制與聲音控制、語音控制等機器人學(xué)的研究領(lǐng)域二、驅(qū)動、建模與控制：機器人學(xué)的研究領(lǐng)域

三、自動規(guī)劃與調(diào)度：環(huán)境模型的描述任務(wù)規(guī)劃與路徑規(guī)劃協(xié)調(diào)操作與運動規(guī)劃任務(wù)協(xié)商與調(diào)度制造（加工）系統(tǒng)中的機器人調(diào)度機器人學(xué)的研究領(lǐng)域三、自動規(guī)劃與調(diào)度：機器人學(xué)的研究領(lǐng)域骨科手術(shù)機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來ppt課件機器人的分類串聯(lián)機器人并聯(lián)機器人機器人的分類串聯(lián)機器人20公斤的ABB6軸機器人串聯(lián)機器人20公斤的ABB6軸機器人串聯(lián)機器人并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人機器人的分類---并聯(lián)機器人setwart并聯(lián)機器人Delta并聯(lián)機器人機器人的分類---并聯(lián)機器人setwart并聯(lián)機器人Delt地震仿真模擬平臺地震仿真模擬平臺Delta型并聯(lián)手術(shù)機器人Delta型并聯(lián)手術(shù)機器人德國柏林洪堡并聯(lián)手術(shù)機器人德國柏林洪堡并聯(lián)手術(shù)機器人44

交流伺服電機

目前在機器人系統(tǒng)中，90%的系統(tǒng)采用交流伺服電動機。交流伺服電機驅(qū)動放大器44交流伺服電機交流伺服電機驅(qū)動放大器

增量式光電編碼器增量式光電編碼器HD諧波齒輪HD諧波齒輪骨科手術(shù)的基本操作鉆孔切割

---------適于機器人操作。骨科手術(shù)的基本操作鉆孔骨科手術(shù)類似于雕刻骨科手術(shù)類似于雕刻CAOS系統(tǒng)CAOS的組成1.計算機輔助骨科手術(shù)主處理系統(tǒng)。2.成像設(shè)備系統(tǒng)：用來提供人體組織器官的解剖結(jié)構(gòu)信息和功能信息。3.立體定位系統(tǒng)：用來對人體組織器官、機器人和手術(shù)器械進行定位。4.手術(shù)機器人：用來進行術(shù)中立體定位和手術(shù)干預(yù)。CAOS系統(tǒng)CAOS的組成

對于CAOS系統(tǒng)的主要組成部分——手術(shù)機器人，y一般有以下要求：

1.選擇合適的機構(gòu)構(gòu)型：串聯(lián)機構(gòu)由于運動范圍大、動作靈巧，適合于胸腔手術(shù)、腹腔手術(shù)等場合應(yīng)用，用于操持內(nèi)窺鏡或下場的手術(shù)器械；并聯(lián)機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、精度高、運動范圍小，適合于骨科等要求移動量較小、出力大的場合。將串并兩結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)點，是未來醫(yī)用機械的發(fā)展趨勢；

2.小型化，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝和維修；

3.符合醫(yī)生習(xí)慣，設(shè)計前應(yīng)充分了解手術(shù)過程，個機構(gòu)適合手術(shù)的特點，便于操作；

4.方便消毒，保證系統(tǒng)的安全性；對于CAOS系統(tǒng)的主要組成部分——手術(shù)機器人，y一般骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)組成骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)組成技術(shù)指標

術(shù)前規(guī)劃功能。導(dǎo)航精度將達到1mm。具有6個以上自由度。操作精度達到0.1mm。能夠快速而高質(zhì)量完成脛骨、股骨骨折髓內(nèi)釘手術(shù)、股骨頸空心釘手術(shù)和骶髂關(guān)節(jié)螺釘手術(shù)。技術(shù)指標

術(shù)前規(guī)劃功能。關(guān)鍵技術(shù)1.導(dǎo)航技術(shù)

光學(xué)定位跟蹤技術(shù)

圖像配準技術(shù)

2.軟件系統(tǒng)3.骨科手術(shù)機器人運動控制器關(guān)鍵技術(shù)1.導(dǎo)航技術(shù)光學(xué)定位跟蹤技術(shù)

主要解決光學(xué)定位系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)圖像的空間坐標配準問題------需要通過開發(fā)專用軟件來實現(xiàn)。光學(xué)定位跟蹤技術(shù)主要解決光學(xué)定位系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)圖像的空圖像配準工作基礎(chǔ)、可行性圖像配準工作基礎(chǔ)、可行性2.軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的構(gòu)成

1.系統(tǒng)軟件的開發(fā)建立圖像處理（分割，配準，建模）平臺，提供用戶接口，虛擬手術(shù)，發(fā)出控制命令。

2.通信子程序

解決不同設(shè)備系統(tǒng)之間的通訊連接問題。

3.運動規(guī)劃子程序

接受導(dǎo)航系統(tǒng)的運動控制命令，對機器人的運動軌跡進行計算，計算出每個關(guān)節(jié)電機的運動量，傳送到多軸運動控制模塊。2.軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的構(gòu)成基于MITK開發(fā)圖像處理軟件MITK(MedicalImagingInteractionToolkit)是一款開源的交互式醫(yī)學(xué)圖像處理軟件開發(fā)平臺。目前已能實現(xiàn)圖像的分割，三維建模，圖像的配準功能，虛擬手術(shù)和手術(shù)器械路徑規(guī)劃功能正在開發(fā)中。工作基礎(chǔ)、可行性基于MITK開發(fā)圖像處理軟件MITK(Medi三維重建三維重建3.骨科手術(shù)機器人運動控制器解決機器人的實時運動控制問題。研究內(nèi)容、技術(shù)路線3.骨科手術(shù)機器人運動控制器研究內(nèi)容、技術(shù)路線CAOS系統(tǒng)的一般工作步驟1.術(shù)前規(guī)劃(1)獲取患者損傷部位相關(guān)醫(yī)學(xué)圖像；(2)圖像處理及骨骼的三維建模；(3)建立假體的三維模型；(4)將假體三維模型與骨骼三維模型進行配準；(5)位置調(diào)整與優(yōu)化；(6)確定手術(shù)方案。CAOS系統(tǒng)的一般工作步驟2.術(shù)中干預(yù)(1)把患者固定在手術(shù)臺上并定位；(2)將切割三維模型輸入機器人控制器；(3)確定機器人和患者的基準點；(4)機器人或醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)動作；(5)整個手術(shù)過程嚴格監(jiān)視患者的移動。2.術(shù)中干預(yù)3.術(shù)后評價(1)把機器人移離患者，松開患者；(2)檢查手術(shù)效果，是否需再次手術(shù)；(3)后續(xù)觀察是否有手術(shù)后遺癥或不良反應(yīng)；(4)根據(jù)各次臨床反應(yīng)來優(yōu)化機器人設(shè)計。3.術(shù)后評價骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)工作流程骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)工作流程CAOS系統(tǒng)存在的缺陷（1）觸覺反饋體系的缺失（2）手術(shù)機器人的器械臂固定以后,其操作范圍受限；（3）整套設(shè)備的體積過于龐大,安裝、調(diào)試比較復(fù)雜；（4）系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜,在使用過程中可能發(fā)生各種機械故障；（5）手術(shù)前的準備及手術(shù)中更換器械操作耗時較長；（6）安全性問題較為復(fù)雜