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#01 “重返自然”

叱咤風云二十年的達芬奇手術機器人，在設計之初就遵循著這樣的理念：

讓醫(yī)生在微創(chuàng)手術中擁有開放手術的操作體驗。

在腹腔鏡出現(xiàn)之前，開放手術創(chuàng)傷大，但器械操作自然；

腹腔鏡手術出現(xiàn)后，減小了創(chuàng)口，卻帶來了反直覺的操作方式——以腹壁為支點，器械的運動方向與手的運動方向相反。

創(chuàng)傷小和直覺式操作，仿佛魚與熊掌，一時不可兼得。

而達芬奇手術機器人的出現(xiàn)，打破了僵局，實現(xiàn)了微創(chuàng)，同時操作又自然——“既要又要”。

#02 微創(chuàng)下，還原開放的手術體驗

要還原開放手術的操作體驗，一是3D圖像，二是直覺式操作。

要實現(xiàn)“直覺式操作”，除了主從映射的延時小，更重要的是手和器械末端的運動方向相對圖像保持一致。

打個比方，當我們使用鼠標時，鼠標往一個方向移動，光標也會在屏幕上往同一方向移動。運動方向是在坐標系中確定的，鼠標以自身為坐標系，光標以屏幕為坐標系，兩者都只在平面上運動，因此只有X軸和Y軸。日常使用中，鼠標是正對屏幕的，鼠標坐標系的X軸和屏幕坐標系的X軸近似平行且同向，所以當鼠標相對屏幕往右移動時，光標也會往右移動。

如此一來，人腦可以很容易地建立起兩者之間的映射關系，幾乎沒有學習曲線。當X軸的映射關系建立起來之后，即使鼠標的Y軸在水平方向，屏幕的Y軸在垂直方向，其映射關系也能附帶地建立起來。如果將鼠標旋轉90°或180°，那么當鼠標相對屏幕往右移動時，光標卻會往上或往左移動，這種映射關系就相當反直覺了，人腦學習起來很費勁，而且容易出錯。

手術機器人的“直覺式操作”，其原理也是相近的（不同之處在于，手術機器人的主手和從手是在三維空間中運動的，且主手和從手同時有位置信息和姿態(tài)信息），一言以蔽之：

主手末端在顯示器圖像坐標系中的運動方向和姿態(tài)，需與器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標系中的運動方向和姿態(tài)，保持一致。

主手和顯示器都在醫(yī)生控制臺上，主手末端的位姿在其基座坐標系中是已知的，主手基座坐標系相對顯示器圖像坐標系中的位姿也是已知的，那么主手末端在顯示器圖像坐標系下的位姿就是可知的。

▲來源：采用機器人技術的輔助手術設備和輔助手術系統(tǒng)，

YY/T 1712-2021

至于從手端，器械和內(nèi)窺鏡分別安裝在不同機械臂上，不妨將器械和內(nèi)窺鏡與各自的機械臂視為一個整體，內(nèi)窺鏡末端坐標系可通過其關節(jié)參數(shù)和其機械臂的基座坐標系轉換而來，想知道器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標系中的位姿，關鍵在于安裝器械的機械臂基座坐標系相對安裝內(nèi)窺鏡的機械臂基座坐標系的位姿。

對于達芬奇這樣的一體式機器人而言，所有機械臂都集成在一個吊桿裝置上的，不同機械臂的基座坐標系之間的相對位姿是確定的，那么器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標系中的位姿就是可知的。當主手方面和從手方面都是可知的，自然可以保持兩者的運動方向和姿態(tài)一致。

#03 機器臂分屬獨立臺車的分體式

不過，手術機器人既有達芬奇的一體式結構，也有美敦力Hugo、Asensus Surgical的Senhance、CMR的Versius這樣的分體式結構。

所謂“分體式”，就是各個機械臂皆有獨立的臺車，手術時擺放在手術床旁的不同位置上。如此一來，不同機械臂的基座坐標系之間的相對位姿就不是已知的，器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標系中的位姿便不可知，最終主手末端和器械末端相對圖像的同步運動就無從談起了。

要解決這個問題，可以對分體式機器人的各個機械臂臺車進行定位，例如通過光學定位系統(tǒng)。但這樣做，一來增加了成本，二來也不方便使用?；蛟S，進一步剖析這個問題本身能夠帶來不一樣的視野。

▲術銳單孔機器人早期采用分體式結構時，

便疑似使用了光學定位系統(tǒng)

首先，要使運動方向保持一致，理論上只需要考慮位置的增量，而不需要知道每個時刻的絕對位置。我們需要機械臂的絕對位置，往往是在結構化環(huán)境中，目標的位置是確定的，機械臂只需要知道自己的位置，就能確定自己與目標的相對位置，從而實現(xiàn)自動操作。但人體腹腔內(nèi)的環(huán)境顯然是非結構化的，腔鏡機器人因而是一種主從控制機器人，機械臂必須根據(jù)操控者的指令行動，操控者則通過實時圖像觀察機械臂和目標之間的位置關系并做出決策，此時可將操作者本身視為一種視覺算法。

如果只需要考慮器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標系中的位置增量，那就不需要知道兩者的機械臂基座坐標系之間的相對位置，而只需要知道它們的相對姿態(tài)就夠了。由于機械臂臺車都是放置在同一個水平面上的，那么我們實際需要知道的其實就是安裝器械的機械臂臺車和安裝內(nèi)窺鏡的機械臂臺車之間的相對角度即可。

這樣一來，光學定位系統(tǒng)測量的信息可能是冗余的。那么相對簡單的辦法是什么？不妨先看看美敦力Hugo RAS的解決方案。

首先，在Hugo RAS的每個機械臂的“定位部分”（此部分在術前擺位完成后即固定不動）的末端上都有一個“激光對齊裝置”，其作用即在于測量出機械臂和手術床之間的相對角度，其使用步驟如下：

▲Hugo機械臂臺車編號10處即“激光對齊裝置”的所在

（圖片來源：Hugo  RAS說明書，下同）

1. 機械臂臺車鎖定之后，臺車上的激光對齊裝置將會打開，并向地面投射出一條包含紅色和綠色的激光線。

2. 轉動激光校準旋鈕，直到激光線與手術床的長邊平行。綠色激光應指向病人的頭部，紅色激光應指向病人的腳部。

3. 當激光線與手術床的長邊平行時，按下旋鈕上的按鈕，以確認對齊。此時機械臂與手術床的相對角度將會顯示在機械臂臺車的顯示屏上。當機械臂的位置被調整時，此相對角度也會實時更新。

4. 按住機械臂上的位置調整按鈕，移動機械臂，使得機械臂顯示屏上的相對角度和擺位指導中的相對角度一致為止。

▲Hugo前列腺切除術的擺位指導

以上不難看出Hugo RAS實現(xiàn)分體式機器人“直覺式操作”的方法就是通過相對角度來確定運動方向，不過其巧妙之處在于利用手術床作為媒介，分別測量每個機械臂和手術床長邊之間的相對角度，從而得知各個器械機械臂和內(nèi)窺鏡機械臂之間的相對角度，最終得到器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標系中的運動方向和姿態(tài)信息。

需要注意的是，雖然這種方案不需要知道機械臂的絕對位置，但這不意味著機械臂臺車可以隨意擺放。因為機械臂有工作空間，為了使其工作空間更好地匹配手術區(qū)域，Hugo RAS建議其機械臂臺車應擺放在距離手術床45-60cm處。同時，機械臂與手術床的相對角度容許一定的誤差，只要在擺位指導角度的±5°范圍內(nèi)即可。

為了使機械臂的擺位更加高效且合理，美敦力應該會為每種機器人術式都提供擺位指導，包含每個機械臂的相對角度。官方指導的目的在于減少機械臂之間的碰撞和優(yōu)化機械臂的工作空間，不過這種指導本身也會限制機械臂擺位的靈活性（畢竟分體式機器人的主要宣傳點之一就是擺位的靈活性，如果一定要遵循固定的角度，那么最終可能并不比一體式靈活多少）。

除了大名鼎鼎的美敦力之外，分體式機器人還有一位引人注目的選手：

CMR Surgical公司的Versius。

相比Hugo RAS，Versius的特點在于其機械臂臺車特別小巧，占地面積僅為38cm*38cm。

▲Versius機械臂臺車

那么，Versius又是如何解決分體式機器人的共同難題的呢？很遺憾，目前公開渠道沒有確切的答案，僅有兩個線索可供參考：

1. Versius在其專利中提到一種“表征機器人環(huán)境”的方法，其原理是用第一機械臂末端去接觸其環(huán)境中的目標（比如第二機械臂臺車）上的兩個標記處，以此計算出環(huán)境目標相對第一機械臂的距離和方向。

2. CMR Surgical官方發(fā)布的Versius手術視頻中，各個機械臂臺車的擺放布局都有一個共同的特點，就是機械臂臺車的正面與手術床的長邊平行（以插線面為背面）。

▲Versius機械臂擺位示意圖

筆者推測，Versius有可能利用其機械臂臺車橫截面接近正方形的特點，使機械臂臺車的正面與手術床的長邊平行，同時在系統(tǒng)中設定機該臺車位于手術床的左邊還是右邊。當器械臺車和內(nèi)窺鏡臺車同邊時，兩者的基座坐標系平行，當兩者異邊時，器械臺車坐標系相對內(nèi)窺鏡臺車坐標系旋轉了180°。

至于如何使臺車正面與手術床平行，答案可能比想象的要簡單，比如人眼觀測、模具對齊等。Hugo RAS其實也沒有明確說明如何確定激光線和手術床是否平行，可能也是通過人眼觀測的。那么人眼觀測的誤差如何解決？筆者認為，大腦本身有一定的適應性。當我們使用鼠標時，鼠標不可能百分百正對屏幕，但并不影響我們使用。器械末端在圖像中的運動方向也是一樣，也許只要角度誤差在一定范圍內(nèi)，大腦自身就可以修正。

最后要說的是，除了國外的分體式機器人，值得注意的還有一家成立于2019年的國產(chǎn)手術機器人公司瑞龍諾賦，其在專利文件中也曾對分體式機器人的機械臂定位問題表達過不錯的觀點，且因此申請了兩種解決方案的專利。感興趣的讀者可以自行查找閱讀，筆者不過多贅述。