手术辅助机器人（精选7篇）
手术辅助机器人 篇1
CAS-R-2型无框架脑立体定向仪 (机器人) 是国际上目前现有的唯一既能导航定位, 又能作为操作平台的立体定向手术仪;是由北京航空航天大学机器人研究所、清华大学计算机科学与技术系和中国人民解放军海军总医院神经外科中心共同完成的《国家863高新技术研究发展计划》的科技成果转化而成。利用机器人辅助完成脑立体定向手术成为国际医学界研究的热点。2003年6月12日我院成功治疗1例机器人治疗脑出血病例, 成为辽宁首例, 9月5日成功与北京海军总医院开展机器人远程操作治疗脑出血。此后一直与海军总医院合作致力于机器人辅助立体定向手术的临床治疗, 在脑出血治疗方面成绩突出, 撰写国家级论文多篇, 如《无框架立体定向手术治疗脑出血》、《应用无框架立体定向技术治疗丘脑出血体会》等, 使科室的立体定向治疗成为特色。另外还开展了颅内肿瘤活检、放疗、顽固性疼痛毁损治疗等, 机器人临床治疗方面成为辽宁省规范治疗基地, 在立体定向专科发展方面为医院作出贡献。无框架脑立体定向手术成为国际神经外科领域致力研究的新课题。2006年6月~2009年6月我院配合该机器人系统成功地施行了162例脑出血立体定向手术, 现将手术配合方法报道如下:
1 资料与方法
1.1 一般资料
本组共162例, 其中, 男94例, 女68例;年龄39~83岁, 平均60岁;位于基底节区出血97例, 脑叶出血27例, 丘脑出血28例, 小脑出血10例;出血量10~80 ml, 平均46 ml;发病至手术时间6~11 h 33例, 12~48 h 88例, 49~72 h 41例。临床分级, 1级:意识清楚或嗜睡, 有不同程度失语, 偏瘫38例。2级:嗜睡到昏迷伴失语、偏瘫53例。3级:浅昏迷、偏瘫40例。4级:中度昏迷21例。5级:深昏迷、瞳孔不等大10例。
1.2 方法
1.2.1 手术方法
162例患者均采用局麻施术。术前先在患者头部粘贴4个金属标记点 (心电图电极) , 做CT扫描, 层厚5 mm, 将CT数转输入计算机, 应用手术规划软件进行血肿三维重建, 确定靶点, 选择最佳手术路径。手术时患者头部用塑形枕固定, 用智能机械臂在手术空间对患者头上的4个标记点进行注册, 建立空间影射关系, 按手术规划要求锁定机械臂, 由机械臂末端的定位装置进行手术操作。穿刺点作头皮切口, 颅骨钻孔, 置穿刺针于靶点, 抽吸血肿液后置引流管并注入尿激酶, 术毕。
1.2.2 术前准备
(1) 用物:脑立体定向手术专用器械, 无菌器械包, 敷料包, 一次性脑室引流管, 电钻, 无菌注射器5 ml、20 ml各1支, 生理盐水500 ml 1瓶, 20%利多卡因1支, 塑形枕1个。 (2) 患者:术前头部备皮, 确保手术区皮肤清洁、粘贴4个标记点。
1.2.3 术中配合
(1) 将患者置仰卧位于手术台上, 建立静脉通路, 给予吸氧。避免紧张情绪及躁动因素, 如膀胱充盈应协助排尿或导尿, 呼吸道分泌物多协助排痰或吸痰, 约束带固定肢体尤其是躁动患者。 (2) 头部用塑形枕制动, 暴露手术部位, 根据需要为术中提供手术器械、药物及敷料。 (3) 帮助术者常规消毒机械臂和患者皮肤, 对准穿刺点后给予局部麻醉, 钻颅孔, 穿刺, 抽吸血液, 放置脑室引流管。手术过程中注意观察患者的生命体征, 注意保持呼吸道通畅, 随时观察患者的意识、瞳孔及肢体活动。
1.2.4 术后整理
手术结束后, 移开机械臂, 取下塑形枕及标记点, 注意保护头部引流管, 将患者送回病房。塑形枕排气后存放, 定向手术专用器械按器械清洗流程处理, 机械臂擦拭干净并归位锁定关机。
2 结果
本组162例无框架脑立体定向穿刺置管引流手术过程顺利, 从机器人系统扫描定位至手术结束, 一般需30 min, 全部患者术中均无不良反应。术后3~5 d复查CT, 证实穿刺靶点定位准确, 血肿大部分引出, 全部病例术后随访2~24个月, 按日常生活能力 (ADL) 分级判断:正常工作 (ADL1) 23例, 生活自理 (ADL2) 43例, 需要帮助 (ADL3) 47例, 卧床 (ADL4) 33例, 植物状态 (ADL5) 6例, 死亡10例。
3 讨论
手术要求在手术室进行, 常规生命体征监护, 备有必要的抢救设施。在术中进行穿刺抽血时, 应注意密切观察患者的瞳孔、肢体、活动情况和各种生命体征, 发现异常情况及时向医生报告。患者头部粘贴的4个金属标记点是确定病灶靶点坐标的参照, 应确保标记点不脱落、不移位, 尤其在移动患者时。用塑形枕固定头部应减少头皮移动造成的金属标记点位置改变, 使误差控制在最小。同时还应注意在面颊部固定面积不必过大、过紧, 以免影响患者呼吸道通畅。术中应将立体定向与手术台位置固定好, 在完成机械臂与患者头部的标记点注册后, 即建立了机器人和病灶的空间映射关系后, 相互位置不能改变, 否则影响病灶定位的精确性。钻颅骨时会有一定的声音和力量, 局麻的患者在术前应做好心理护理, 如让其先听听空钻的声音是必要的, 以减少不必要的恐惧心理。对意识清晰度差的患者应做好肢体约束, 防止干扰手术等意外, 建议约束肢体常规应用。此外, 严格无菌技术操作, 以减少污染的机会。
参考文献
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手术辅助机器人 篇2
腹腔镜手术是指外科医生制造CO2人工气腹后, 通过在患者腹部开的腹壁穿刺孔建立可视通道 (腹腔镜通道) 和操作通道, 借助对腹腔镜拍摄图像的观察, 利用腹腔镜及其器械进行的微创手术。与传统的开放手术相比, 腹腔镜手术具有创伤小, 能减轻患者痛苦, 术后恢复快, 手术风险和医疗成本低等优点[1,2,3]。然而, 腹腔镜手术也存在一些问题, 如手术中需要有一名专职医生手持腹腔镜, 为外科医生提供患者器官不同角度的图像, 时间一长, 持镜医生会因手臂疲劳而颤抖导致图像晃动, 影响图像质量, 有时持镜医生不得不选择一个极不舒服的姿势去控制腹腔镜以配合外科医生进行手术, 这样持镜医生更容易疲劳从而导致图像晃动[4,5]。
与人类相比, 机器人具有状态稳定、定位准确、灵活性好、工作范围大、不怕辐射和病菌感染等优点[6,7]。本文介绍了一种带有主被动关节的新型辅助腹腔镜手术机器人, 该机器人共有6个关节, 其中, 3个位置关节为主动关节, 由电机驱动;3个姿态关节为球铰链结构, 为被动关节, 没有驱动电机。主动关节可改变辅助腹腔镜手术机器人末端的空间位置, 被动关节可实现随动运动, 用于手术中腹腔镜的位姿控制, 其结构紧凑、灵活, 占用空间小, 可避免与手术医生发生干涉。这种结构能够模拟持镜医生的手臂姿态以配合手术, 被动关节的设计使辅助腹腔镜手术机器人更加适应实际手术的要求。针对该机器人存在的被动关节运动状态难以被获取从而影响其对腹腔镜位姿进行准确控制的问题, 结合腹腔镜轴线通过被动关节球心的特点, 提出了一种基于几何模型和图像导航的穿刺孔定位方法, 通过几何模型求解穿刺孔的深度, 获得穿刺孔在辅助腹腔镜手术机器人基础坐标系中的位置坐标, 实现对腹腔镜位姿的准确控制。这种方法的优点在于结构简单、有效, 获取腹腔镜姿态准确, 便于对腹腔镜位姿进行精确控制以配合外科医生完成手术。
1 辅助腹腔镜手术机器人结构
1.1辅助腹腔镜手术机器人工作空间及功能要求
手术中腹腔镜插入深度约为10cm, 它与皮肤的夹角为15°～70°之间。对于辅助腹腔镜手术机器人, 其工作空间为腹腔镜末端在患者腹腔内能到达的所有空间。由图1可知, 腹腔镜的可操作空间为一锥形空间。在功能上, 辅助腹腔镜手术机器人应具备对腹腔镜进行操作的基本功能, 即实现腹腔镜通过腹壁穿刺孔进入患者体内后的定位及姿态的不断变换调整。
腹腔镜通过固定的穿刺孔进入患者腹腔, 为医生提供所观察器官的不同角度图像。腹腔镜进入腹腔后只有4个自由度:一个沿腹腔镜轴线直线运动的自由度, 一个绕自身轴线转动的自由度, 两个绕穿刺孔转动的自由度, 如图2所示。
1.2辅助腹腔镜手术机器人结构
由于辅助腹腔镜手术机器人应用环境限制, 采用运动与病床平行的PRR型机器人自由度配置作为机器人位置关节构型, 被动的3个姿态关节采用可预紧的球铰链结构。姿态关节安装在机器人小臂的末端, 用于腹腔镜姿态的调整。辅助腹腔镜手术机器人实验样机如图3所示。
2 穿刺孔定位模型
为克服辅助腹腔镜手术机器人被动关节因采用球铰链结构使得关节的运动状态难以获取导致对腹腔镜的位姿难以实现精确控制的不足, 考虑制造人工气腹后腹壁膨胀紧绷和患者呼吸等因素对穿刺孔位置变化影响较小, 利用腹腔镜轴线过被动关节球心的特点, 对患者腹壁穿刺孔相对机器人基础坐标系位置进行定位, 通过几何关系求解腹腔镜的位姿。
2.1腹腔镜位姿模型
腹腔镜位姿模型问题是已知辅助腹腔镜手术机器人各个关节的关节角, 求腹腔镜的位姿。建立的各关节参考坐标系如图4所示, 图中, 被动姿态关节由3个相互垂直的转动关节表示, 腹腔镜绕自身轴线的转动关节是为了便于医生观察, 但对腹腔镜末端位置无影响, 因此在图中未标出。
腹腔镜坐标系相对于基坐标系的变换矩阵
2.2定位系统结构
定位系统包括2个红光激光器和1个CCD微型摄像机。安装在辅助腹腔镜手术机器人小臂下方的2个激光器的倾角分别为φ1和φ2, 激光器与摄像机的位置关系如图5所示, 两激光束的交点位于摄像机的光轴上。
2.3穿刺孔定位模型
将辅助腹腔镜手术机器人定位在手术台一侧, 初始化, 升降机构升到其行程的最高点, 同时大臂及小臂各展开一定角度;打开摄像头及激光器使两束光线照射在腹部皮肤上;调节辅助腹腔镜机器人大臂与小臂转角及其高度, 使重合的光斑处于穿刺孔的中心, 即可得出穿刺孔在机器人基础坐标系中的位置 (qx, qy, qz) 。
由腹腔镜位姿模型可知, 机器人小臂末端球铰链球心的坐标 (xm, ym, zm) 已知, 即
由定位系统结构得穿刺孔的坐标为
由图5可知l4=l3/tanφ1- (a3-l1) , 即
3 图像导航原理
3.1 图像畸变校正
手术前医生在患者腹部开孔处标记一个直径约为10mm的红色圆形标记。定位过程中需计算标记圆和两个光斑投影面积、距离和所在矢量。由于摄像机在生产制造中存在各种误差, 导致图像产生明显的畸变, 为了保证精度, 必须对图像进行畸变校正[8]。
为了消除畸变, 本文采用考虑了轴对称畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变的Weng’s方法[9], 畸变模型为
g1=ρ1+s1g2=ρ2+s2
g3=2ρ1g4=2ρ2g5=k1
式中, xd、yd为图像点实际坐标;ρ1、ρ2为偏心误差系数;s1、s2为薄棱镜误差系数;k1为轴对称误差系数。
以有一系列均匀分布垂直交叉的直线、各线间交点的相对位置已知的平面靶标作为标定物 (图6a) , 并且世界坐标系的x轴为该靶标的水平方向, y轴为该靶标的垂直方向, 其原点位于平面靶标上, 显然, 对于平面靶标上的任一点都有zW=0 (zW为平面靶标世界坐标系的z轴) 。
再对图6b所示的网格像场进行标准网格拟合, 并求解摄像机位置参数, 由图像物理坐标与图像坐标的关系求解畸变误差系数, 完成图像畸变校正。
(a) 平面靶标 (b) 标准网格像场
3.2计算穿刺孔定位路径
照射到皮肤上的光斑的面积远小于穿刺孔标记圆的面积, 通过计算图像上投影的面积, 辅助腹腔镜手术机器人可以分辨光斑和标记圆, 计算图像上两光斑投影之间的间距, 控制机械臂的高度使光斑重合。
如图7所示, A为重合的光斑, B为穿刺孔标记圆, 建立原点在摄像机光心上的笛卡尔坐标系{oC}、图像像素坐标系和图像物理坐标系, 光斑和标记圆在摄像机成像平面的投影为A′和B′。
光斑A和标记圆B在图像上投影的像素范围表示为RA′、RB′, 则投影A′、B′的面积为
投影A′、B′的中心
投影A′、B′在图像上的距离|A′B′|为
根据小孔成像模型[10], 得到投影中心在图像物理坐标系、图像像素坐标系以及摄像机坐标系的变换关系为
其中, f为焦距;sx、sy为像素当量。
投影在图像坐标系的坐标Xt在辅助腹腔镜手术机器人基础坐标系中的坐标为
0Xt=
式中,
将摄像机视为理想单透镜, 根据高斯成像公式可得
式中, U为物距;V为像距。
光斑A在辅助腹腔镜手术机器人基础坐标系{oo}中的坐标可在控制系统中读出, 则U已知, 由 (9) 式可求得V。
定义 图像中两个投影的距离为|A′B′|时, 机械臂在其基础坐标系沿SA′B′运动的距离L为
式中, ρ为常系数。
由于腹壁上的光斑A和标记圆B的高度不同, 因此, 当图像中两个投影的距离为|A′B′|时, 辅助腹腔镜手术机器人机械臂沿SA′B′运动L距离后, 不能使重新重合光斑A位于标记圆B的中心, 而只是接近其中心, 为保证穿刺孔定位的精度, 机器人机械臂沿SA′B′运动的最小距离Lmin应小于机器人伺服系统的精度。定位程序流程如图8所示, 程序经过循环可使光斑A处于标记圆的中心。
4 实验研究
4.1 图像畸变校正实验
实验时, 将平面靶标放置在摄像机下方。图9对比显示了利用Weng’s方法对图像畸变进行校正的结果。可以看出, 轴对称畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变得到较大的改善, 图像质量有较大提高, 这样可以提高穿刺孔定位的精度。
(a) 畸变图像 (b) 校正图像
4.2穿刺孔定位实验
为验证基于图像和几何模型的穿刺孔定位方法的正确性, 对平面实验箱上相对辅助腹腔镜手术机器人基础坐标系圆心坐标为 (342.00mm, 506.00mm, 1032.00mm ) 、直径为10mm的标记圆进行定位。表1所示为穿刺孔定位实验中机器人标定的穿刺孔中心位置坐标。图10所示为辅助腹腔镜手术机器人标定的穿刺孔位置与标记圆实际位置示意图。
由表1可知, 在平面实验箱上穿刺孔标定的最大误差Δqx=1.06mm, 为穿刺孔相对辅助腹腔镜手术机器人基础坐标系x轴坐标值的0.31%, Δqy、Δqz相对y轴、z轴坐标值的最大误差分别为0.23%和0.02%。实验结果表明, 辅助腹腔镜手术机器人对穿刺孔的定位比较准确。
穿刺孔定位误差主要来源于两光斑中心点的距离和辅助腹腔镜手术机器人伺服系统本身的误差。
两光束的实际交点与穿刺孔重合, 则穿刺孔位置相对辅助腹腔镜手术机器人基础坐标系的坐标准确;定位时若两光斑存在距离误差Δl, 则在z轴方向上产生误差Δqz, 同时在x轴、y轴方向上产生误差Δqx、Δqy, 如图11所示。穿刺孔定位过程中, 辅助腹腔镜手术机器人通过摄像机计算两激光器发出光斑投影的距离及投影A′、B′间矢量。由表1知, Δqz最大误差为0.21mm, 平均误差为0.11mm, 通过图像导航的方法可以减小两光斑中心点的距离所带来的穿刺孔定位误差。本文方法能够比较准确地获得穿刺孔的位置坐标, 为实现辅助腹腔镜手术机器人对腹腔镜位姿的精确控制奠定了基础。
5 结论
介绍了一种针对带有主被动关节的辅助腹腔镜手术机器人基于几何模型和图像导航的穿刺孔定位方法, 并且对该方法进行了实验验证。实验结果表明, 该方法简单、有效, 可提高穿刺孔定位的精度, 为实现辅助腹腔镜手术机器人对腹腔镜位姿的准确控制奠定了基础, 提高了其参与手术的安全性。同时, 该方法避免了由手术医生直接操作辅助腹腔镜手术机器人仅通过激光器进行穿刺孔定位时产生人为误差的现象, 与采用双目或多目摄像机进行视觉定位的方法相比, 该方法具有成本低、占用系统资源少、算法简单等优点。考虑摄像头背对手术室白色无影强光且基本无干扰的使用环境, 综合以上分析可知, 该方法是一种有效的穿刺孔定位方法。
摘要：根据带有主被动关节辅助腹腔镜手术机器人的特点, 提出一种基于几何模型和图像导航的穿刺孔定位方法, 得到了穿刺孔在辅助腹腔镜手术机器人基础坐标系中的坐标, 为辅助腹腔镜手术机器人提供腹腔镜的位姿信息从而实现对腹腔镜位姿的精确控制。定位系统包括两个激光器和一个微型CCD摄像机。实验表明, 该定位方法能够准确获得腹腔镜穿刺孔的坐标。定位过程由辅助腹腔镜手术机器人自动完成, 缩短了手术时间, 提高了手术效率, 避免了由手术医生仅通过激光器手动操作辅助腹腔镜手术机器人进行穿刺孔定位时产生人为误差的现象。
关键词：辅助腹腔镜手术机器人,穿刺孔定位,定位模型,图像导航
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手术辅助机器人 篇3
1.1 工业机器人的概念
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。
1.2 工业机器人的特征
工业机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,是工业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
2 我国工业机器人辅助柔性生产的内容、应用和新发展
2.1 我国工业机器人辅助柔性生产的内容
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。在中国,工业机器人的真正使用到现在已经二十多年了,从1980年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运、切削加工、堆垛等机器人,其中一些已实现了规模应用。
2.2 我国工业机器人辅助柔性生产的应用和新发展
(1)机器人是进行零缺陷生产的重要部件
在切削加工中,过程自动化不仅与机床本身有关,而且也与连接机床的前后生产装置有关。工业机器人能够适合所有的操作工序,能解决诸如传送、质量检验、剔除有缺陷的工件、机床上下料、更换刀具、实际的加工操作、清洗和工件堆垛等任务。
现代工业机器人是一种可自由编程、十分精确和多功能的高效设备。如果给工业机器人装上传感器,手爪系统,集成的数字图象处理设备和智能过程控制软件,它可以为完成各种不同的任务进行编程。因此,对于完成同一个任务,机器人要比专用设备具有更高的柔性。机器人无需装备止动、定位、装夹和辅助等装置,因此,它可以使整个设备设计得很紧凑,对于投资者和企业家来说,其优点在于投资比较少,以及能以简单化的企业内部物料供给而充分利用空间和缩短生产时间。在产品换型和生产调整时,可以缩短准备时间和停机时间,可以较快地重新恢复生产,这也符合准时制生产。
借助于数字图形处理,机器人可以根据形状、大小、姿态和颜色对在传送带上无次序运送的工件进行可靠的识别,这样,机器人用它的手爪随时可以可靠地抓取和操作工件。而用成像系统装备的机器人还可以完成更多的任务。它可以用来识别有缺陷的或错误的工件,把这种工件从生产过程链中取出,说得更确切些,就是把它们或者作为废料处理或者对它们再进行加工,由此确保只有无缺陷的工件才能继续进行加工。所以,工业机器人是进行零缺陷生产的重要部件,如果人们从事相同或类似的操作,那么需要高度地集中注意力。但是,对在工件的机械加工中,工业机器人能够精巧和有效地解决加工过程自动化于这种重复性的工作。当工作场所的温度条件愈不适合,周围环境的噪声愈大,粉尘愈多或存在的危险性愈大,那么这种负面效果的影响就愈大。机器人即使在特别恶劣的环境条件下,它总是能以始终不变的可靠性和质量进行工作,所以,对工作场所合乎人道的要求,这也是采用工业机器人进行辅助自动化的重要理由。
可靠性和利用率是机床和设备最重要的特征参数。就这些参数而言,机器人完全可以令人信服。在定期维护的情况下,在机器人上首次出现故障的平均间隔时间(称之为MTBF-平均无故障时间)显然超过65000小时,这意味着在一年365天,每天24小时连续运行的情况下,差不多在7.5年后才发生一次故障,这种很高的可靠性和利用率是切削加工过程自动化中愈来愈多的采用工业机器人的重要原因。
(2)可进行复杂零件的切削加工和堆垛
来自德国阿尔岑瑙(Alzenau)的ISA自动化系统公司,其重要的业务是从事于研究机器人辅助的磨削和抛光系统。机床和设备的主要使用者是家具、汽车及附件等工业以及铸造厂从事铸件清理的磨工和抛光作业工。特别是对于小批量多品种产品的生产,在这里采用机器人的解决方案有着突出的优点。它可以省掉回转工作台较长的准备时间,总的来说,是提高了磨削加工的质量。手工作业的磨工,在最好的情况下最初加工十个零件是精确的,随后工作注意力会下降。而机器人则相反,它可以确保始终不变的质量。此外,需要的人也较少。
ISA公司采用机器人进行辅助加工,当进行磨削时,它可以以5.5k W的驱动功率传递到接触轮,进行抛光时,驱动功率甚至可达到11k W。然而,人们用手动方式以这样的力和速度进行加工是不可能实现的。ISA公司采用了ABB公司的工业机器人来装备其设备,这些机器人的型号为IRB2400,IRB4400和改进型的IRB6400。由于其紧凑的结构,可以用来构成作业空间十分精简的机器人单元。企业可以用它来改装用户现有的主要设备。例如在对家具部件进行精整加工时,甚至可在5台加工机床的中央设置一台机器人,机器人抓取待加工的工件并将其送到每一台设备上。对于加工几何形状复杂的扶手进一步开发了机器人系统。为了实现加工机床所需的不同定向,ISA公司是将每台机床安装在机床自己的一台回转工作台上。而回转工作台就起到机器人的第7个坐标轴的作用。这样,ISA公司在一台加工单元上,以包括三台磨床和二台抛光机在内的十台机床的配置,通过工业机器人完成扶手的综合加工,从毛坯件直到具有光泽表面的成品件,最后又自动将成品件进行堆垛。
(3)工业机器人在中国汽车制造领域应用最广泛
目前,中国的汽车工业取得了迅猛的发展,自动化柔性生产线在汽车制造业得到了广泛应用,工业机器人是制造业中主要的柔性自动化设备,大量应用于汽车冲压、焊装、涂装等几大汽车制造工艺领域。ABB工业机器人凭借其先进的软、硬件控制技术,过硬的产品质量,丰富的工程经验,全面高效的售后服务赢得了上海大众、北京奔驰、海南马自达、保定长城汽车等客户的支持,在其几大工艺车间大量采用ABB工业机器人,从而大幅度提高了生产效率和产品质量,提高了企业竞争力。
1)汽车白车身领域是工业机器人使用最多的领域,通常包括几十、上百台(套)各种型号机器人,广泛应用于搬运、涂胶、滚边、点焊、激光检测等工艺。
ABB最新推出的安装在柔性平台上的快速集成标准化模块的车身装配线,具有以下优点:标准化解决方案减少订货和交货时间,保证质量前提下最大的柔性设计,对于通用设备容易使用,提供固定资产利用率。
2)白车身线机器人的选型(ABB IRB6600系列)。
IRB6620是专为点焊工艺开发的敏捷点焊机器人(Agile spot welder),IRB 6620 2.2/150性能如下:强力手腕,可抓取大型工件;负载150kg/延伸范围2.2m;重量仅900kg,没有平衡汽缸;腕防护IP67,1~3轴IP54;节省安装空间;可以倾斜和倒吊安装;可以安装在生产线下方,像爬行者。
3)白车身生产线应用案例。
作为世界级的汽车工厂,北京奔驰-戴姆勒·克莱斯勒汽车有限公司(以下简称“BBDC”)新工厂采用了ABB领先的机器人技术解决方案的柔性车身生产线系统,用于生产面向中国市场的克莱斯勒300C型、欧蓝德以及拥有每小时40辆生产能力的奔驰E级轿车。在BBDC新工厂的装焊车间,ABB公司承担了生产线的主设计和制造工程,建立了一套高自动化、高效率、高精度的,适合多种车型不同生产特点的柔性化生产系统,如图1所示。在新装焊车间的3个不同的区域——车身分总成装焊生产作业区、车身主装焊生产作业区、车身门盖生产作业区,BBDC采用的是由41台ABB机器人组建的工作站,提供包括机器人点焊、弧焊、搬运、冲孔、涂胶、卷边、铆接等处理过程,全面实现了BBDC生产过程的自动化。为了满足BBDC在极短的时间内完成高质量工作的需求,ABB利用了全球技术资源,充分发挥资源共享,高效攻克技术难关,向BBDC提交了一份融合了法国柔性装配专家的工程设计理念、ABB美国卷边技术与ABB白车身中国团队项目管理的满意答卷。
ABB向BBDC在主装焊生产线上的5个关键工位上提供了全自动机器人操作系统,凭借其准确的定位、高精度的焊接及冲孔能力、稳定的质量,出色地完成了人工难以操作的焊接工作,提高了生产效率、产品质量、空间利用率,并且有效降低了制造成本,为BBDC带来了极大的市场竞争优势。
摘要：在中国,工业机器人的真正使用到现在已经二十多年了,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运、切削加工、堆垛等机器人,其中一些已实现了规模应用。使得我国工业机器人辅助柔性生产得到了新发展。
关键词：概念与特征,内容,应用和新发展
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手术辅助机器人 篇4
在实际应用中,机器人手臂上常需加装特定工件或操作工具等对象,以实现自主装配或自动对接等任务[1]。如空间站对接的地面模拟实验中,通过在两机器人手臂上安装两个对接舱工件来实现模拟,而机器手臂的作用是在摄像机即“眼”的导引下驱动对接舱实现对接任务。上述任务实现的前提是精确标定机器人手臂上的对接舱等对象与摄像机即“眼”的空间关系。本文将这种安装在机器人手臂上的对象称为“延伸手”,相应的,将标定延伸手和眼之间空间关系的方法称为“延伸手眼标定”。通常,机器人手臂上的“眼”只能看到对面场景,而延伸手往往不可见。因此不能采用“眼”看“延伸手”的方式实现两者之间空间关系的标定。传统的标定方法常用触点法[2],即通过人眼观察使延伸手上的某点多次(三次以上)碰触空间中某一固定点,并使机器人在任意两方向做正交运动实现。该方法虽然简单易行,但由于人为因素,精度难以保证,且往往需要沿固定路径反复标定。另外,可采用高精度的外部三坐标测量设备,如电子经纬仪对[3]实现延伸手眼标定,但该方法成本高,且不适于现场标定。
针对上述问题,本文提出了一种基于辅助摄像机的机器人延伸手眼标定方法,该方法通过引入辅助摄像机,并基于矩形特征衍生出大量标定特征点信息,有效解决了延伸手眼的标定问题,并通过实验验证了方法的有效性。
2 基于辅助摄像机的延伸手眼标定原理
基于辅助摄像机的延伸手眼标定原理如图1所示,ob-xbybzb为机器人基坐标系,oh-xhyhzh为机器人手坐标系,oe-xeyeze为机器人延伸手坐标系,oc-xcyczc为平台摄像机即“眼”坐标系,oac-xacyaczac为辅助摄像机坐标系,oo-xoyozo为标定靶标坐标系。延伸手眼标定即为确定“眼”坐标系oo-xoyozo和延伸手坐标系oe-xeyeze之间转换关系的过程。具体如下:
1)引入辅助摄像机,使延伸手和标定靶标在其视场内,且标定靶标同时处于“眼”视场内;
2)用辅助摄像机拍摄一幅包含延伸手和标定靶标的图像,以辅助摄像机坐标系oac-xacyaczac为中介,获得延伸手坐标系oe-xeyeze和标定靶标坐标系oo-xoyozo的转换关系;
3)由“眼”拍摄标定靶标的一幅图像,可获得“眼”坐标系oc-xcyczc和标定靶标坐标系oo-xoyozo的转换关系。
由上述2)、3),可以得到延伸手坐标系oe-xeyeze和“眼”坐标系oc-xcyczc的转换关系。
上述步骤中,辅助摄像机坐标系oac-xacyaczac、“眼”坐标系oc-xcyczc分别与标定靶标坐标系oo-xoyozo的转换关系可基于Tsai[4]的摄像机标定方法获得。而由于延伸手,如装配工件,可利用的标定特征往往较少,这就使得辅助摄像机坐标系oac-xacyaczac与延伸手坐标系oe-xeyeze转换关系的精确标定变得困难。
3 延伸手坐标系与辅助摄像机坐标系空间转换关系(Race,Tace)的标定
实际应用或实验中作为机器人延伸手的对象,比如对接舱或待装配工件等,其本身呈现比较鲜明的几何形状特征,如多边形、圆、椭圆等,且相关几何尺寸由CAD模型可精确获得。因此基于延伸手对象本身的几何特征信息,可以完成延伸手坐标系与辅助摄像机坐标系之间空间转换,也即(Race,Tace)的标定。然而,延伸手对象所能提供的特征点信息往往较少,标定(Race,Tace)的精度不能令人满意。因此,如何利用少量的特征点信息衍生出足够数量的特征点信息,以提高标定精度,从而实现准确的对接或装配等任务,是值得研究的一个问题。为此,在辅助摄像机内部参数已知的基础上,基于对接舱或待装配工件常具有矩形平面特征这一事实,提出了基于矩形平面特征的衍生特征点发生方法,很好地实现了(Race,Tace)的标定。
3.1 基于矩形特征的衍生特征点生成方法
如图2所示,空间矩形p1p2p3p4及其对应的透视投影图像p′1p′2p′3p′4。p0为空间矩形p1p2p3p4对角线交点,p′0为p′1p′2p′3p′4对角线交点。由射影几何不变量原理,p′0为p0的透视投影不变量,即两直线的交点是透视投影不变量。
若空间矩形p1p2p3p4的边长已知,则点p1,p2,p3,p4,p0的空间坐标已知,其对应像点p′1,p′2,p′3,p′4,p′0的图像坐标也可精确提取[4,5]。基于上述分析,若任取空间矩形p1p2p3p4对角线p1p3上一点p,其对应的透视投影为图像对角线p′1p′3上的点p′。p′的图像坐标可通过图像处理的方法获得。于是,基于共线四点的交比为透视投影不变量的结论,可获得点p的空间坐标。以此类推,可以获得空间矩形p1p2p3p4对角线p1p3和p2p4上任意点的空间坐标及其对应的图像坐标。这里将这些由交比产生的特征点称为“衍生特征点”。
p1,p3,p0,p共线四点的交比定义为
对应的p′1,p′3,p′0,p′四点的交比为
由共线四点交比不变的性质可得:
基于式(3)可求得p点的空间坐标。如此,可以获得任意数量的标定点对。3.2(Race,Tace)的解算
将延伸手上空间矩形的两条邻边作为延伸手坐标系oe-xeyeze的xe轴与ye轴,ze轴为该平面的法向,方向由右手法则定出。因此,空间矩形平面上点的坐标皆有ze=0。于是,记空间矩形平面上p点的齐次坐标为,在辅助摄像机像平面上对应的像点p′的齐次坐标为,则有如下关系[5]:
其中:H=A[r1r2Tace],r1,r2分别为正交旋转矩阵Race的第一、第二列矢量,Tace为平移矢量。
为辅助摄像机内参数矩阵,αx,αy为横轴和纵轴的尺度因子,),(u0,v0为主点坐标,s为任意非零比例因子。
将3.1节获得的一个衍生特征点代入式(4)中消去s后,可得两个关于r1,r2和Tace的方程,分别记为f1(x)=0和f2(x)=0,其中x=(r11,r12,r21,r22,r31,r32,t1,t2,t3)。则由N个衍生特征点可得到2N个方程构成的线性超定方程组:
利用线性最小二乘法可求得r1,r2和Tace的线性解。进一步,引入Race的正交约束:
构造如下目标函数:
其中Mi,i=,12,...,6为任意正实数。
利用Levenberg-Marquardt非线性优化算法,并以r1,r2和Tace的线性解为初值,可求得r1,r2和Tace的最优解。进一步,由r3=r1×r2,可求得延伸手坐标系与辅助摄像机坐标系空间转换关系(Race,Tace)。
4 标定实验
以ABB公司的IRB1410型机器人为实验平台,进行机器人延伸手眼标定的有效性验证实验。选用两台DH-SV1300FM型CCD摄像机为机器人的“眼”和辅助摄像机(光学尺寸1/2英寸,分辨力1 280×1 024),镜头为computar 12mm。不失一般性,机器人延伸手为实验室自行设计加工的一平面靶标,,将其安装在机器人的手臂上。实验装置如图3所示。
4.1 摄像机内部参数的标定
辅助摄像机拍摄空间至少5个不同位置的平面靶标图像,采用Zhang[5]的标定方法,得到的内部参数如表1所示(k1,k2为径向畸变系数)。
4.2 延伸手眼标定
引入辅助摄像机,调整其位置,使机器人延伸手和标定靶标同时位于辅助摄像机视场内,且标定靶标应处于机器人“眼”视场内。如图4,A为辅助摄像机所拍摄的延伸手的图像,B为辅助摄像机所拍摄的标定靶标图像,C为“眼”所拍摄的标定靶标图像。
1)“眼”坐标系与标定靶标坐标系的转换关系
提取表形靶标图像C上方块角点的图像坐标,结合其对应的空间坐标,采用Tsai[3]的进行摄像机标定,得到“眼”坐标系与标定靶标坐标系的转换关系为
2)辅助摄像机坐标系与标定靶标坐标系的转换关系
提取标定靶标图像B的上半部分84个方块角点的图像坐标,结合其对应的空间坐标,得到辅助摄像机坐标系与靶标坐标系的转换关系为
3)延伸手坐标系与辅助摄像机坐标系转换关系
图4中A对角线上的红色圆圈表示基于3.1的方法获得的衍生特征点,加上外围矩形的4个顶点共有21个特征点。利用这21个点特征点,基于3.2节的计算方法,得到延伸手坐标系与辅助摄像机坐标系转换关系为
基于上述1)、2)、3)的结果,可最终获得延伸手眼的空间关系为
5 标定精度验证
利用标定靶标图像B的下半部分未参与标定的60个方块角点来验证所提出方法的标定精度。
1)通过4.2节中的2)、3),得到标定靶标坐标系oo-xoyozo与延伸手标定靶标坐标系oe-xeyeze的转换关系Reo和Teo。由此,可以将标定靶标坐标系下的60个方块角点坐标转换到延伸手坐标系oe-xeyeze下。
2)通过标定所得的延伸手眼关系Rce和Tce,可进一步将延伸手坐标系oe-xeyeze下的60个方块角点坐标转换到“眼”坐标系下。
3)通过标定所得的“眼”坐标系oc-xcyczc与标定靶标坐标系oo-xoyozo的转化关系Rco和Tce,可将“眼”坐标系oc-xcyczc下60个方块角点坐标又转换到标定靶标坐标系oo-xoyozo下。
计算转换前后60个方块角点距离的RMS误差,以此来验证衡量标定精度。图5为60个角点的距离误差分布图,最大距离偏差为0.128 mm,RMS误差为0.113 mm。
6 结论
在机器人手眼标定的基础上提出了机器人延伸手眼标定的概念,引入辅助摄像机,基于矩形特征和交比射影变换不变原理获得了大量标定特征点,实现了辅助摄像机坐标系与延伸手坐标系转换关系的准确标定,从而有效解决了延伸手眼标定问题,标定实验取得了较好的精度。该方法操作简单,适于空间站对接、工件自动装配等现场应用。然而需要指出的是,由于标定靶标具有较高的加工精度,因而在标定中所引入的误差不是主要的。实际上,标定中的主要误差取决于延伸手本身的几何尺寸精度,以及所获得的衍生特征点的精度。因此,在实际应用中,需事先获得延伸手的准确几何尺寸。
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手术辅助机器人 篇5
然而, 按照既有的工艺条件, 对于人员无法进入或操作空间受限的管线位置, 均无法实施打磨。因此, 考虑应用现代化工装提升施工工艺水平。通过调查研究, 拟采用远程控制机器人操作的方案。
1 技术要求
在台山核岛施工准备阶段, 经梳理和分析得出, 需要进行内部打磨的270 道焊缝共有DN100、DN150、DN200、DN250、DN300、DN350、DN500、DN750 八种规格。除DN750 的54道焊缝可通过人工进入的方式实施打磨操作外, 其余216 道焊缝均需要远程打磨。因此, 远程打磨机器人的规格应能覆盖其余七种管径规格。同时, 根据设计要求和工况分析, 远程打磨机器人还需要满足以下几个要求: (1) 根据设计规范, 焊缝内部打磨的精度要求为焊缝余高不应超过0.1t (t为管道壁厚) , 焊缝内、外表面不允许有凹坑, 且焊接接头的最终外形各处倾斜度均不应大于7°;打磨后表面粗糙度Ra≤6.3 μm; (2) 考虑到现场工况和施工逻辑, 远程打磨机器人要能安全进出已安装好的管道, 且具备爬行和定位能力。 (3) 核岛二回路辅助管道作为核岛中的重要系统, 有较高的清洁度要求, 因此, 远程打磨机器人要具有一定的清洁能力。 (4) 要具有可视化能力。
2 设备选型
通过对国内外市场进行详细的调研和技术参数对比分析, 德国Inspector Systems公司生产的打磨机器人的结构、性能可以满足上述要求。台山核电项目按照管径覆盖需求共采购了四套打磨机器人, 分别为DN100 型、DN150-200 型、DN250-350型和DN500 型, 用于台山核岛辅助管道焊口的内部打磨。每套打磨机器人包含一个打磨机器人组件和一个除尘机器人组件。另外, 采购了两套控制单元, 用于四套打磨机器人的打磨、除尘、检查和控制环节中。图1 所示为远程打磨机器人。
该远程打磨机器人能够安全进出长达500 m的管线, 也能通过半径为1.5D的弯管, 还能在垂直管线中爬行, 并具有一定的变径通过能力;能够精确对中, 定位焊缝位置实施打磨;能使用除尘组件清除打磨后的金属屑和灰尘;能通过控制单元的操作台及显示器直观地进行操作和检查。此外, 该远程打磨机器人还具有以下特性, 使焊缝内部打磨和检查更为便捷: (1) 电机通过变频器调控, 打磨速度取决于所使用的打磨工具, 且可使用变频器连续调整打磨速度; (2) 可以通过DV摄像机监控打磨过程, 按需求回放, 也可以进行视频记录。
3 应用介绍及注意事项
受机器人特性影响 (每次打磨的深度较小, 宽度较窄) , 每个打磨步骤可能需重复多次才能完成每个焊缝的打磨。远程打磨机器人打磨工艺流程具体如下: (1) 先决条件准备。人员、机具、设备、文件准备妥善→安装粗打磨盘, 并将机器人送入管道→操作机器人进入指定位置。 (2) 粗打磨。调节变频器参数→操作机器人定位焊缝中心点, 并展开固定装置→寻找焊缝最高点, 并用控制单元记录位置→启动打磨单元→调整并使打磨盘接触焊缝最高点→操作机器人开始打磨 (磨至焊缝根部约0.1 mm) →撤回对中定位装置→按以上步骤重复操作, 以打磨焊缝两侧 (焊缝两侧打磨至焊缝根部约0.1 mm) →撤回对中定位装置→操作打磨机器人退出管道。 (3) 精打磨 (最终打磨) 。将打磨盘更换为抛光盘→操作机器人进入指定位置→调节变频器参数→操作机器人定位中心点, 并展开固定装置→旋转360°, 并移动机器人抛光焊缝根部至目视管道表面, 直至焊缝根部无视觉差异为止→撤回对中定位装置→操作打磨机器人退出管道。 (4) 清洁除尘。更换机器人, 为除尘机器人组件→设定控制单元参数→将机器人送入管道→操作机器人进入指定位置→启动机器人清洁除尘。 (5) 检查。利用吸尘管口附近的摄像头检查清洁度→用吸尘管口附近的摄像头检查焊缝外表面是否满足目检要求→操作除尘机器人退出管道→使用超声波测厚仪检查焊缝余高是否满足要求 (测厚通常取8 个测量点, 并测量取点焊缝两边的母材厚度, 将其作为判断参考) 。
操作过程中, 需特别注意以下几点: (1) 机器人每次进入管道后的对中; (2) 打磨的深度控制 (包括粗打磨和精打磨) ; (3) 机器人退出管道后重新进入管道时参考点的定位; (4) 尽量不要在管外启动打磨机器人的打磨电机, 防止砂轮片脱落伤人; (5) 维修机器人时应关闭电源, 防止触电; (6) 别将手放在气缸顶撑轴部位, 防止夹伤; (7) 远离导电液体, 防止短路损坏机器; (8) 定期清扫灰尘, 防止过电; (9) 如果打磨时机器出现明显的抖动现象, 应停机检查螺栓是否松动。
4 总结
三代核电堆型设计与以往的核电堆型设计在技术上存在大量细微的差异。在施工过程中, 需仔细分析标准规范, 以采取相应的措施满足施工要求。当前, 将远程打磨机器人应用于EPR核岛辅助管道施工中, 已完成台山EPR核岛1#机组所有的焊口内部打磨工作, 满足设计要求和质量要求, 并大大提高了劳动效率, 降低了安全风险。
摘要：在EPR核电堆型施工中, 出现了一种在以往核电堆型施工中从未出现过的管道焊接工艺要求——焊缝内表面打磨。台山核电施工所采用的机器人远程操作内部打磨技术在我国首次被应用。主要从技术要求、设备选型、应用介绍及注意事项等方面进行了简要论述。
手术辅助机器人 篇6
关键词：机器人手术系统,复合手术室,基础配置布局、移动设备位置布局、信号接口位置布局
0 引言
随着医疗科技的不断进步,医院手术室设备的数目和种类日趋增多。基于此,能够有效集中、协调各类医疗设备的一体化手术室也得到了迅速发展和普及。一体化手术室能够在有限的手术室空间中,合理地调整电源、气源、各种信息接口与各类医疗设备的空间布局,以减少设备布局对层流的干扰,确保手术环境的安全性,提高相关人员的工作效率和患者满意度;同时能够实现术中手术室与其他手术室、示教室、会议室之间的无缝连接,进而完成示教、远程沟通等功能。
达芬奇手术机器人系统主要由控制台系统、操作臂系统和成像系统组成[1],其中控制台系统主要由计算机系统、手术操作监视器、三维图像观察器、操作手柄、脚踏板及其他输入输出设备组成。手术时,外科医生坐在控制台前,借助三维视觉系统,通过双手控制主操作手,使手部动作传达到机械臂及手术器械,从而完成手术操作。手术机器人复合手术室将手术机器人系统与一体化手术室无缝对接,从而将机器人系统的视频信号接入到一体化手术室的控制系统中,以实现示教、远程沟通等功能。本文根据本院新建达芬奇手术机器人复合手术室的经验,介绍了手术室的布局设计,供相关人员参考。
1 手术机器人复合手术室建设背景
本院现在已建成一体化手术室,院内直联4 个无损转播点以及7 个位于各外科的IP网络学习室。2014 年,本院获批购置了一套达芬奇手术机器人系统,必须将其接入到一体化手术室中,才能满足临床教学、手术示教、远程医疗、视频会议及远程学术交流的需要。
2 手术机器人复合手术室布局要求
2.1 一体化手术室布局要求
一体化手术室主要由吊塔系统、一体化手术多媒体系统、集中控制系统、一体化多媒体存储系统和远程医疗系统等组成。吊塔系统包括麻醉吊塔、外科吊塔和腔镜吊塔,吊塔内有各种导线穿过,塔身配备插座、吸引接口、网络视频接口及各种气体接口,这就要求吊塔的位置需要与麻醉机、监护仪、手术床以及其他外科设备的位置保持协调。
同时,一体化手术室的布局需满足设备、信息、空间和图文数据传输4 个方面的整合要求[2]。
(1)设备整合:将手术室内的设备包括灯、床、电外科设备、内镜摄像系统整合到同一界面,进行集中控制。
(2)空间整合:将手术室内的设备包括内镜系统、麻醉机、电外科设备固定在腔镜吊塔上,以减少设备的反复移动和连接,缩短护士准备、整理设备的时间。同时通过监视器吊臂把监视器悬挂于空中,术中可以按医生要求进行调节,实现手术室无线化,为手术提供方便。
(3)信息整合:与PACS采用界面方式集成,可调阅患者的影像资料;与HIS/CIS集成,可实现患者基本信息的共享。
(4)图文数据传输整合:通过一套集影像、数据管理和视频通信为一体的数字化平台,将手术室内来自于不同设备的医疗影像和数据无缝集成后显示在医生需要的监视器上,并通过光纤和网络实现本院各个转播点的音视频传输,通过视频会议系统实现远程异地实时转播。
此外,一体化手术室的布局还需符合手术者作业的人体工效学设计要求:能够调整监视器高度,避免护士反复移动设备,增加手术人员行走的安全性和机器电源的稳定性,实现人、机、环境的高度协调,给手术人员的职业安全提供保证。
2.2 手术机器人系统空间要求
达芬奇手术机器人系统主要适用于胸外科、腹部外科、妇科和泌尿外科手术,根据各手术外科的特点,位于无菌区内的床旁机械臂系统需要灵活改变停放位置,这就要求手术室必须拥有足够的活动空间[3],而无菌区外的医生控制系统一般需固定于手术室内靠墙之处,使主刀医生能够直接看到患者和助手,便于交流。再加上达芬奇手术机器人系统自身体积比较庞大,因此对手术室的室间平面尺寸也有一定要求(本院尺寸为8 m×6.7 m)。为保证手术机器人系统各组成部分能够在日常手术期间流畅工作,还要求手术床、手术无影灯、麻醉吊塔、麻醉药品柜、无菌物品柜等的空间摆放位置必须充分具备协调性;同时,由于床旁机械臂系统需能够灵活移动,手术室内四周应尽可能配备足够的电源插座。
3 手术机器人复合手术室空间布局设计
3.1 基础配置布局
为保证术中工作流畅,避免护士反复移动设备,尽可能地缩短台下巡回护士传递手术用品的行走距离,在布局时需让药品柜、器械柜、麻醉柜、体位柜和工作台的位置与麻醉吊塔、外科吊塔等保持协调,手术室内的其他设备如恒温箱、操控面板、温湿度检测器、时钟、看片灯等的安装位置都要符合人体工效学设计原则,以满足实际使用需求[4]。
3.2 移动设备位置布局
根据床头位以及医生站位来确定麻醉吊塔、外科吊塔、手术无影灯、吊臂显示器、远程转播显示器、全景摄像机等的安装位置。安装吊塔吊臂对手术室的高度有严格要求(高度≥ 3 m),虽对于面积没有严格要求,但因设备比较多,加上达芬奇手术机器人系统自身体积比较庞大,床旁机械臂系统如果要灵活移动,最好所占面积在50 m2以上,长宽最佳比例为1:1。
吊臂显示器安装点的选择应根据医生的习惯而定。一般而言,妇科、直肠手术应在手术床床尾设置显示器;胸腔镜手术应在手术床床头两侧各设置一个显示器;泌尿、胃肠、肝胆手术也需要在相应的位置设置显示器,以满足手术需求。此外,每个吊臂显示器都会有限位,旋转到一定程度时就无法推动,要注意把此位置调至较少用的方向,以便于手术。
医生控制系统一般固定于手术室内的靠墙之处,能够使主刀医生直接看到患者和助手,便于交流;床旁机械臂系统应位于无菌区内的患者切口对侧;立体成像系统台车的位置对医生控制系统和机械臂系统的依赖较小,在预留足够空间的前提下可根据实际手术位置灵活摆放,最佳位置为床旁机器手臂系统同侧下方手术床床尾,使摄像电缆能够自由移动[5]。
3.3 信号接口位置布局
位于无菌区外的立体成像系统负责采集并存储摄像头传来的视频信号,通过对视频信号进行处理和融合,将普通平面图像转换成3D图像,并将其传输至操作台,供医生使用。本院将达芬奇手术机器人系统接入到一体化手术室控制系统中,使系统的视频图像以及手术室间的音视频图像能够通过远程医疗视频系统进行实时转播,完成示教、远程沟通等功能[6,7,8]。达芬奇手术机器人系统的视频图像信号可以通过立体成像系统或医生控制系统传出,因此需在医生控制系统靠墙之处以及外科吊塔处布置信号接口。
总之,在遵循手术者作业的人体工效学设计原则以及术中工作流畅性、便捷性原则的前提下,合理布局手术机器人复合手术室空间,能够达到减少护理工作量、简化操作流程、节约时间、提高工作效率的目的,为术中临床教学、手术示教、远程医疗、视频会议及远程学术交流奠定基础。
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手术辅助机器人 篇7
1 资料与方法
1.1一般资料
选取2012 年7 月~2013 年6 月我院泌尿外科收治的行机器人辅助腹腔镜前列腺癌根治性切除术的患者110 例为研究对象, 按照病区不同分为实验组和对照组, 一病区为实验组52 例, 平均年龄 (67.48±14.82) 岁, 平均手术时间 (2.10±1.23) h, 术后24 h内拔除胃管, 其中1 例为术后24 h内排气;二病区为对照组58 例, 平均年龄 (66.34±19.29) 岁, 平均手术时间 (2.10±1.43) h, 术后肛门排气后拔除胃管。 两组患者均由解放军总医院泌尿外科张旭主任实施手术。 所有患者均自愿参加本研究, 神志清楚, 无严重的心、脑、肺等并发症, 术前无咽喉、肺、胃肠道等疾病。 患者均在术前30 min留置胃管, 胃管型号为德尔医疗的DRW型硅胶胃管, 负压引流瓶型号为电白医疗新技术有限公司的W-Ⅱ型负压引流瓶 (500 m L) 。
1.2 方法
实验组在术后24 h内拔除胃管, 对照组在术后肛门排气后拔除胃管。留置胃管期间两组患者均更换一次性负压引流瓶1 次/d, 更换口腔护理盘1 次/d, 更换鼻胃管固定胶布1 次/d, 0.9%氯化钠注射液10 m L胃管冲洗1 次/d。
1.3 观察指标
分别观察两组患者术后< 24 h、24~< 48 h、48~<72 h、72~< 96 h、≥ 96 h各时间段内肛门排气、 下床活动所占比例, 观察两组术后住院天数。
1.4 统计学方法
采用SPSS 13.0 统计学软件进行数据分析, 计量资料数据用均数±标准差 (±s) 表示, 两组间比较采用t检验;计数资料用率表示, 组间比较采用 χ2检验, 以P < 0.05 为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 两组患者年龄、手术时间、术后住院时间比较
两组患者年龄、手术时间比较, 差异均无统计学意义 (均P > 0.05) 。 实验组患者术后住院天数明显少于对照组, 差异有高度统计学意义 (P ﹤ 0.01) 。 见表1。
2.2 两组患者术后排气时间比较
两组患者术后< 24 h、48~< 72 h、≥ 96 h排气患者所占比例比较, 差异无统计学意义 (P > 0.05) ;而实验组术后24~< 48 h、72~< 96 h排气患者所占比例百分均高于对照组, 差异有统计学意义 (P ﹤ 0.05) 。 见表2。
2.3 两组患者下床活动时间的比较
术后< 24 h、24~< 48 h、48~< 72 h实验组下床活动患者所占比例均高于对照组, 差异均有统计学意义 (均P ﹤ 0.05) , 术后72~< 96 h、≥ 96 h实验组下床活动患者所占比例均低于对照组, 差异有统计学意义 (均P < 0.05) 。 见表3。
3 讨论
机器人辅助腹腔镜前列腺癌根治术术后24 h内拔除胃管是可行的, 具有以下优点:
3.1 促进患者术后恢复
实验组患者下床活动时间明显早于对照组, 放置胃管导致的不适减少了患者活动的意愿, 早期拔除胃管能更好地促进患者活动。 活动量的增加能更好地促进患者胃肠道的恢复, 使术后进食时间提前, 并减少因进食导致的腹胀, 避免了因肠外营养带来的并发症, 同时活动量增加也减少了因长期卧床导致的下肢静脉血栓、坠积性肺炎等并发症的发生, 这正符合快速康复外科的理念[13], 促进了患者术后早日恢复。
留置胃管最大的不适是咽喉疼痛、 恶心呕吐, 患者不易耐受。 早期拔除胃管可以减轻胃管对消化道的的刺激, 增加患者的舒适程度。 腹部手术后留置胃管的主要目的是胃肠减压、 促进胃肠功能恢复, < 24、48~< 72、≥ 96 h两组患者排气时间比较, 差异无统计学意义 (P > 0.05) , 这说明在上述时间段内留置胃管在促进胃肠功能恢复方面的作用却并不显著, 这一结果可能与样本量不够大有关。
3.2 减少患者住院费用
术后及早拔除胃管, 可以减少肠外营养费用, 减少因卧床行气压式血液循环驱动治疗的费用, 减少住院天数;同时, 也可以减少一次性负压引流瓶、口腔护理盘等耗材的费用。
3.3 减轻护理工作量
全麻术后卧床患者常规为一级护理, 我院泌尿外科留置胃管的患者护理常规为:更换一次性负压引流瓶1 次/d, 更换口腔护理盘1 次/d, 更换鼻胃管固定胶布1 次/d, 0.9%氯化钠注射液10 m L胃管冲洗1 次/d。在保证患者术后恢复的情况下, 术后早期拔除胃管可以减少护理工作量, 护士可以把节省下来胃管护理的时间去更好地照顾患者, 更好地落实优质护理服务措施, 促进患者身心恢复, 节省了护士的劳动力, 使其有更多时间可以留给患者, 切实向“将护士还给患者”的号召迈进了一步[14]。
本研究表明, 术后24 h内拔除胃管是可行的。 在保证患者安全的情况下, 早期拔除胃管, 可以促进患者术后恢复, 提高患者舒适程度, 减少住院费用, 减少护理工作量。 同时, 本研究为机器人辅助腹腔镜其他手术方式的胃管拔除时间提供了参考。
摘要：目的 探讨机器人辅助腹腔镜前列腺癌根治性切除术后胃管拔除的最佳时机。方法 选择2012年7月2013年6月解放军总医院收治的行机器人辅助腹腔镜前列腺癌根治术的患者110例为研究对象, 按病区不同分为实验组 (n=52) 和对照组 (n=58) 。实验组术后24 h内拔除胃管, 对照组术后肛门排气后拔除胃管, 比较两组患者术后住院时间、肛门排气时间及下床活动时间。结果 ①实验组术后住院天数[ (6.67±3.21) d]少于对照组[ (8.90±6.21) d], 差异有高度统计学意义 (P<0.01) ;②实验组术后<24 h、48<72 h、≥96 h肛门排气患者所占比例分别为1.92%、42.32%、1.92%, 与对照组 (0.00%、39.66%、6.89%) 比较, 差异均无统计学意义 (P>0.05) ;实验组患者术后24<48 h、72<96 h肛门排气时间所占比例 (46.15%、7.69%) 高于对照组 (29.31%、24.14%) , 差异有统计学意义 (P<0.05) 。③实验组术后<24 h、24<48 h、48<72 h、72<96 h、≥96 h下床活动患者所占比例分别为19.23%、42.31%、36.54%、1.92%、0.00%, 与对照组 (3.46%、27.58%、22.41%、31.03%、15.52%) 比较, 差异均有统计学意义 (均P<0.05) 。结论 前列腺癌行机器人辅助腹腔镜根治性切除术患者尽早拔除胃管, 有利于促进患者康复, 提高患者舒适度, 减少患者住院期间费用, 提高护理人员工作效率。