微創(chuàng)手術在世界范圍內已經被廣大患者和醫(yī)療行業(yè)廣泛認可，成為了在很多領域代替?zhèn)鹘y(tǒng)外科手術的良好選擇。相對于傳統(tǒng)外科手術微創(chuàng)手術帶來的局部創(chuàng)傷更小，損傷輕，術后并發(fā)癥如感染發(fā)炎等風險更小，也帶來更短的恢復周期，術后美容效果更好。但相應的代價是醫(yī)生操作空間受到嚴重限制，手術視野需借助其他設備提供。這也就形成了微創(chuàng)手術好處多、操作難的兩難局面。因此大批科研工作者，設備廠商為解決微創(chuàng)手術操作難的問題開發(fā)了豐富的輔助微創(chuàng)手術的先進手術機器人系統(tǒng)及相關設備。ATI是其中具有代表性的設備供應商。

　　ATI 工業(yè)自動化是世界領先的機器人附屬產品和機械手臂工具的工程研發(fā)公司，關于六軸力/力矩傳感器，早在上世紀80年代中期ATI就創(chuàng)造性地發(fā)明了可以測量六維力和力矩的傳感器。經過不斷的研發(fā)和創(chuàng)新，ATI六維力/力矩傳感器已經發(fā)展出Nano、Mini、Omega、Delta、Gamma及Axia80等型號豐富、經久耐用的傳感器系列產品線。

                                      美國ATI多維力傳感器

今天我們就來介紹一下，關于六軸力/力矩傳感器的一個很重要應用領域--微創(chuàng)手術機器人。

微創(chuàng)手術機器人的高要求

       出于醫(yī)療行業(yè)的敏感性和高要求，微創(chuàng)手術機器人在滿足基本的末端執(zhí)行器功能基礎上要盡可能多地為醫(yī)生提供輔助。因此也對手術機器人的功能提出了更高的要求。

       因為微創(chuàng)手術只在病人病灶處打一個或若干小切口，所有手術器械和手術內窺鏡都要從小切口內插入，所以手術器械的運動范圍受到了極大的限制。為保證手術效果，先進的手術器械或手術機器人都選擇在手術器械的末端加入更多的自由度以補足小創(chuàng)口引入的運動限制。典型的例子就包括Da Vinci和Zeus等手術機器人系統(tǒng)配備的靈活性末端執(zhí)行器。這使得手動操作變得更加困難，為了補足靈活性手術器械的操作難問題，手術機器人都具有主從控制的結構，即操作者通過不與末端執(zhí)行器連在一起的主控制器對手術器械進行遙操作。這樣就解決了靈活型手術器械的操作問題。

力反饋的重要性

       由于醫(yī)療類應用多半運用于病人及其身上的敏感器官，所以在手術中機器人運動學無法起到保護病人的作用，再加上遙控操作使得醫(yī)生與機械隔開，切斷了力的反饋，可能還會加重對病人的傷害，為機器人侵入式診斷增加了困難。ATI以其卓越的產品可靠性和高品質首先進入了研究者的視野。2012年，來自約翰霍普金斯大學的學者和醫(yī)生就為解決手術機器人缺乏力傳導的問題發(fā)明了一款可以精確感知和反饋力的手術機器人主端控制器。它能夠精確地感知醫(yī)生在主端控制器使用的力和力矩，從而使主端控制器按照醫(yī)生所使用的力和力矩進行反應，以達到減少手部抖動，穩(wěn)定控制機構的目的，給醫(yī)生以最直觀的反饋，就好像醫(yī)生是在拿著手術器械進行操作一樣。這樣做的好處在于醫(yī)生的操作更為直觀，減少長時間手術的疲勞，提升手術安全性。也使將來把醫(yī)生施加的力精確傳到手術執(zhí)行器端成為可能。

ATI Nano17加入完美實現力反饋

       該手術機器人包括一個三自由度位移平臺，一個一自由度旋轉RCM(Remote Center of Motion)和一個兩自由度位移加旋轉連臂。由此構成六自由度機器人，該機器人將ATI Nano17 裝在醫(yī)生抓取的手術機器人手柄末端，以便發(fā)揮傳感器最大精度性能。該設計要求施力范圍在到3N之間，并且要求精度在以上，控制系統(tǒng)頻率需在1000Hz以上以滿足力反饋的實時性。ATI傳感器滿足以上所有條件，甚至更好。ATI Nano17 傳感器在滿足精度要求的前提下提供7800Hz的采樣頻率，并在Z軸方向提供800N的過載保護。

       ATI的六軸力/力矩傳感器采用硅應變原理，最大程度減小信號噪聲，并具有卓越的穩(wěn)定性。因為醫(yī)療應用對于器械衛(wèi)生有特殊要求，ATI可提供IP68防護版本，使傳感器本體可以經受常規(guī)的醫(yī)療消毒，是醫(yī)療領域力傳感器的理想首選。同時ATI的六軸力/力矩傳感器提供了各種編程語言的庫函數和源代碼，以輔助科研工作者進行創(chuàng)新。

　　目前，該手術機器人原型機已完成并且經過了實驗驗證。在手術機器人穿針實驗中十組實驗全部成功，作為對照試驗的其他無傳感器輔助的穿針實驗則失敗大半(51%)。這首先證明了該手術機器人的力反饋輔助在手術機器人當中的極其重要性，其次也印證了ATI六維力和力矩傳感器優(yōu)異的性能，精度，采樣速度，穩(wěn)定性缺一不可。

Nano17  是目前ATI所有傳感器中較小的一款六軸力/力矩傳感器，非常適用于研究應用領域，典型的應用包括，牙齒研究、外科機器人、機器人手研究、手指力研究等。