微创手术是现在合并替代传统的开放手术的操作。微创外科技术包括腹腔镜、单站点手术,和自然管壁的内镜手术。腹腔镜检查是对病人创伤少,以最小的手术失血,减少术后疼痛,加速复苏,它美化和优秀的。新的有前途的微创方法是laparoendoscopic单站点(少)手术,也就是通过各种其他名称(例如,单切口腹腔镜手术(SILS)和减少港口手术(RPS))。少已成为流行的外科医生来代替标准为各种腹腔镜手术操作( 1]。微创手术的发展自然管壁的内镜手术(NOTES)始于2004年,当时Kalloo transgastric手术[等人发表了他的研究 2]。笔记是非常迷人的手术技术,但其演变似乎严格连接技术( 3]。

信息学和机器人提供新颖的现代外科医生的工具。体内微型机器人的发展用于手术是现在现实与潜在的优势和可能的应用微创手术在未来( 4, 5]。一个革命性的想法是模块化的微型机器人的发展。模块化的微型机器人是由小的子单元(模块)可以组装和构造一个功能的迷你机器人( 6]。控制模块式微型机器人水下相当复杂。至关重要的因此,开发相应的软件和硬件技术将为外科医生提供所有必要的信息和给他一个简单和精确控制着他的小助理。使用机器人仿真软件,我们可以几乎在网上开发微型机器人水下调查他们的能力。

本研究的目的是硅片的实验调查的概念模型外科模块化的微型机器人的远程控制接口,可以用于微创手术。

发展我们的概念模型是基于user-surgeon可以处理一个模块化的遥控器相似,但在大规模,腹内的模块化的迷你机器人,他想控制。然后他可以移动控制器的模块,他试图找到一个适合他的小助理的配置。因此,我们设计了一个简单的四个亚基组成的模块化蛇形微型机器人及其各自的模块化远程控制器和模拟(图 1)。

的开发和模拟控制器和各自的迷你机器人,我们使用了Webots 0版本(瑞士Cyberbotics) [ 7]。所有模块都使用简单的3 d设计基本几何对象。一个多维数据集和两个圆柱体构造每个模块的身体。迷你机器人模块的尺寸是24毫米×10毫米×10毫米。模块化的远程控制系统(MCS)子单元具有相同结构的维度的迷你机器人,但96 mm×40毫米×40毫米,因此四倍。这个尺寸应该对于一个外科医生,而方便。

我们设计了两种不同类型的模块:一个连接模块和一个摄像头模块(图 2)。所有的模块都是对称的 Z 轴和配有四个活性控制伺服电机转动,提供给与会的迷你机器人运动。两个伺服电机放置在正面和背面的两个。通过这种方式,一个马达给180°电弧运动轴 Y ,有一个运动的90°和90°,另一个马达给360°运动轴 Z (或 X ),一个完整的旋转模块连接(图 2)。电磁对称与控制连接器连接/断开位置的前后两侧各亚基。相机亚基的迷你机器人配备了两个相机和两个白色发光二极管(led)。相机模块控制系统没有功能的相机。最后,每个单元提供一个发射器和一个接收器来实现无线双向模块基于id的MCS和迷你机器人之间的通信。

一个红色,一个蓝色LED安装在每个MCS亚基。这些led为用户提供可见的信息连接状态。蓝色LED被激活时前面连接器内的磁场领导的另一个模块和红色搭配连接器时激活后连接器内。详细的机电机械组件没有设计。这是本研究的目的。

三种不同控制模式的模块化的迷你机器人编程。(一)首先是一个绝对的主从映射模式,MCS的配置模块化的迷你机器人实时传输。例如,当第二个模块MCS的旋转,同时第二个模块的迷你机器人执行相同的动作。(B)第二种是postaction模式(延迟主从映射)的外科医生可以移动模块MCS实现首选构象然后传播新的安排到模块化的迷你机器人当他欲望(例如,按下一个适当的按钮)。(C)在第三模式下,用户可以选择一个预排程序的行为的简单运动或配置从一个列表中。MCS和微型机器人同时执行命令。蛇形正弦运动被编程来实现机器人运动。运动扩展成立为精确的手术操作。

C编程语言有特殊库用于仿真的可编程序控制器的发展Webots使用内置的编辑器和编译器。所有连接模块使用编程方式相同的控制器控制伺服电机的位置使用模块基于id的控制表。相机模块使用另一个控制器除了实现摄像机的控制。

一些物理参数定义使用Webots的物理节点。质量分布、重力和摩擦力参数集,允许物理模拟引擎计算现实的力量。

腹内的结构像小肠、肝脏和胆囊被设计使用简单(图3 d对象 3)。腹腔内环境模拟,以研究模块化的迷你机器人的视觉和运动关系MCS的控制功能。

远程控制研究关于配置、运动学、协调、本地化和用户交互。

模块化控制系统允许用户立即确定模块化的迷你机器人的构象。实时模式允许一对标准使用迷你机器人执行命令。这是最简单的方法来控制微型机器人静止时,例如,因此而作用于组织。似乎不可能引起运动的迷你机器人使用实时模式中,这个过程需要一个快速和精确的协调所有的子单元。快使用旋转运动的构象变化超过0.25 rad /秒导致不可预知的机器人的定位主要是由于部队(表的时刻 1)。user-dependent驱动速度。一个驱动限速器解决了问题,但限制了用户的性能。在实时模式更容易操作后系统的亚基是固定的,因此类似于外部磁锚固系统的配置(杂志) 8]。很难控制超过四子单元实时模式。子单元的大量复杂的迷你机器人的行为因为额外的部队像力和摩擦力矩的实时用户考虑精神。

postaction模式帮助找到不同的构象不同步修改的微型机器人。用户能找到最合适的配置活动。然而,在许多场合,使用这种模式明显改变了安排和腹内的机器人的定位方式是不可预测的。这个事实是由转矩引起的开发在高速(> 0.25 rad /秒)的旋转运动模块,随后由于碰撞与一些周围的结构。出于这个原因,postaction模式速度设置为0.1拉德/秒。这种模式被证明是有用的时候用来预测一个稳定的配置操作。运动的postaction模式是默认情况下无效。似乎是没有限制数量的子单元,可以由这种控制模式,虽然数量越高,越难控制和预测的结果。

预排程序的操作模式被证明是唯一一个提供一个可接受的迷你机器人的运动和快速重排的子单元。命令的执行过程中,在这种模式下,MCS访问运营商。然而,操作员只能启动和停止预定的行动,而不是修改它。似乎没有限制数量的子单元,可以使用这个模式来处理。关于机器人的运动,所使用的子单元越多,结果就越好。高转速(> 0.25 rad /秒)的机器人的伺服马达给接受的运动。然而,如果没有运动的预编的构象是可取的,那么控制伺服电机的高转速导致一些场合不可预知的机器人的定位主要是由于扭矩。0.1 rad /秒的速度限制设置为所有预排程序的行为除了正弦运动。

模块化的配置迷你机器人总是只通过观察MCS构象。然而,它的定位和方向是不可预测的。这主要是由于发生碰撞与周围结构或滑移(即。在肠(图) 4)。不可预知的定位的另一个原因是在高速旋转运动的发展相当大的转矩(> 0.25 rad /秒)。迷你机器人执行的所有命令发送的MCS但其模块运动取决于他们的交互与周围结构,在某些情况下阻止了运动甚至被迫断开的一个模块。

MCS的led提供视觉信息关于微型模块的连接状态。这被证明是有用的在构建模块化的迷你机器人。这也是发生意外或自愿断开时有用。所有发送的命令MCS登录以便让用户阅读关于他的行为。

手术是在历史上与伤痕和痛苦。这方面可以通过微创手术消除特别是少和笔记。然而,软件、硬件、小说手术工具和方法应该进化。微型机器人可以配备手术工具和传感器从腹腔为了提供信息和远程控制外科手术的可能性 9]。微型机器人可以由nonspecialized甚至处理人员和遥控外科医生远离病人( 10]。

使用模块化的微型机器人水下进行微创手术对医生造成困难与机器人的协调控制子单元。单个模块本身不能操作,但模块一起安排可以实现复杂的任务和控制这样一个系统可以是相当困难的。手术机器人通常从外部控制病人的身体下间接视频辅助视觉使用joystick-like外科接口( 4, 11, 12]。蛇形模块化的微型机器人水下相比可以在某些情况下灵活的内窥镜。有这一点,我们应该考虑Allemann等人的研究证明,使自动化的使用内视镜和操纵杆接口是不足以提高立即直觉灵活的内窥镜检查笔记( 13]。因为运动的复杂性和精度的模块化的微型机器人水下应该执行的任务,小说应该开发远程控制系统为了使外科医生,而不是工程师,操作。外科医生将使用模块化的微型机器人应该感到安全和放松;因此,远程控制系统应该是简单和准确的。

Wortman等人提出了一个微型机器人原型,外科接口是一个运动学上地匹配主从机器人的武器配置扩展模型( 14]。这个主系统允许外科医生控制机器人各关节通过直接映射。主从的比例是1.8:1的长度。我们的概念模型的相同的基本思想配对主从配置但提出了完全intracorporeal模块化的微型机器人机器人(内部) 15]。Wortman等人的系统为用户提供了直接控制各关节的迷你机器人,从而更好的控制。然而,由于没有一个关节提供汽车、主臂不能当机器人手臂被锁住。主人必须返回到一个方向类似于机器人才能解锁。我们控制器的概念模型是默认配备汽车和它的配置总是一样腹内的微型机器人。

我们的实验调查了一些有用的信息的类型控制,伺服电机的工作速度,模块化机器人的模块数量可以为了有效地控制(表 1)。尽管迷你机器人的实时控制是最自然的利用在手术期间,很难控制超过四子单元,是不可能引起整个机器人系统的运动。另一方面,postaction模式导致质疑的有效性。这种情况是由于不可预知的交互创建机器人单元与周围结构重排。此外,如果控制伺服电机的转速高重组期间,然后转矩是相当大的。这一事实应该考虑在这样的小型规模。然而,使用这种类型的控制,很容易找到一个适当的构象稳定操作机器人。预排程序的模式是唯一一个提供了机器人运动。然而,当激活,需要机器人构象变化预排程序的命令,这有时可能不可预测的结果对于交互与周围结构和模块的时刻部队如上所述。

定位单元的模块化的迷你机器人总是知道在现实世界的情况下,外科医生可以几乎“触摸”他的迷你机器人通过他的孪生哥哥远程控制器。缓慢而稳定的运动模块是可取的,以减少扭矩,实现理想的构象,定位和取向。然而,一个更详细的研究团队的机器人专家和使用更复杂的模拟库考虑所有机器人的特点和它的环境的运作是必需的。至关重要的构造和研究体内这种迷你机器人及其手术接口。外科医生之间的有效合作,机器人专家和信息学专家是基本成功的在微创手术中使用的微型机器人。

尽管这是一个简单和基本的模拟,它可能是有用的为未来建设远程手术控制接口,可以使用为了控制模块化微型机器人在微创手术。另一个想法是修改这个概念模型作为“手手套”,外科医生可以穿和控制他的小助手(每个模块可能是指骨或上肢的一部分,例如,前置摄像头模块搭配一根手指,第二个模块配对的手,第三个模块配对前臂,第四个模块配对手臂)。目前的工作只是一个概念性的硅片实验研究与无意解决机械,电气,机械工程问题。

提出了概念模型的设计可以促进更复杂的和复杂的模块化控制系统的开发。模块化的外科接口可以提高处理和模块化的微型机器人的灵活性在微创手术。