超聲引導(dǎo)的股靜脈穿刺機器人的設(shè)計和驗證

關(guān)鍵詞：股靜脈穿刺；超聲引導(dǎo)；穿刺執(zhí)行器；醫(yī)療機器人

0 引言

穿刺是臨床常用的一種微創(chuàng)手術(shù)方法，具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、并發(fā)癥少等優(yōu)點[1]。由于股靜脈直徑較粗，充盈度好，無需外部系止帶，操作簡單，股靜脈穿刺成為一種簡便可靠且安全的開放靜脈通路的選擇[2]，常應(yīng)用于重癥急癥中的補液、輸血、用藥，以及兒童老人等群體的靜脈難以辨認(rèn)的場合[3]。然而，醫(yī)生的經(jīng)驗往往對股靜脈穿刺的精度和手術(shù)效果產(chǎn)生重要的影響。在眾多醫(yī)學(xué)成像方式中，超聲成像以其無輻射、檢查范圍廣、實時性等特點在醫(yī)療服務(wù)中扮演了不可替代的角色[4]。研究表明，超聲引導(dǎo)下的股靜脈穿刺逐漸成為重癥醫(yī)學(xué)科的常規(guī)操作[5]。股靜脈穿刺機器人的應(yīng)用有望減少醫(yī)生手動穿刺中因手抖、疲勞等因素引起的誤操作，同時可以降低對操作醫(yī)生經(jīng)驗的要求[6]。2010 年，KOBAYASHI等[7]設(shè)計了一款在超聲圖像引導(dǎo)下用于肝臟腫瘤穿刺的機器人，其末端采用了一個3自由度的穿刺機構(gòu)。該穿刺執(zhí)行器被應(yīng)用在被動臂上，由醫(yī)生手動操控，同時，末端除了超聲探頭外，還裝有支持圖像分割的相機、LED陣列、力反饋裝置等，以進(jìn)一步提高穿刺定位精度[8-9]，系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜。成天佑[10]采用Stewart平臺作為粗定位，通過舵機和伺服電動機實現(xiàn)穿刺針的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。近年來，出現(xiàn)了一些手持式穿刺機器人和設(shè)備，其結(jié)構(gòu)相似，均具有血管穿刺的角度調(diào)整和穿刺針的軸向進(jìn)給運動等2個自由度[11-12]，但仍依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗進(jìn)行手動操作。隨著協(xié)作機械臂串聯(lián)型在醫(yī)療輔助領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[13-14]，將穿刺執(zhí)行器與協(xié)作機械臂結(jié)合，可以獲得更大、更靈活的工作空間和更高的穿刺精度。一些基于KUKA等輕型機械臂的穿刺裝置通過光學(xué)定位和CT圖像引導(dǎo)進(jìn)行穿刺[15-16]。班廣[17]以UR5為平臺，設(shè)計了用于近距離放療的穿刺機器人，其末端穿刺執(zhí)行器的穿刺針具有自旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給等2個自由度，用于粒子植入。

綜上所述，結(jié)合股靜脈穿刺的特點以及機器人對穿刺工作空間和穿刺精度的要求，同時考慮減小末端穿刺執(zhí)行器的體積和簡化結(jié)構(gòu)的需求，本文設(shè)計了一款以7自由度機械臂為平臺的超聲引導(dǎo)股靜脈穿刺機器人。首先，根據(jù)股靜脈穿刺的需求設(shè)計了一個2自由度的穿刺執(zhí)行器；其次，基于7自由度機械臂構(gòu)建了機器人系統(tǒng)；最后，通過試驗驗證了穿刺執(zhí)行器和穿刺機器人的穿刺精度，其穿刺精度滿足臨床穿刺需求，通過遙控操作，機器人系統(tǒng)實現(xiàn)了半自動穿刺。

1 股靜脈穿刺機器人整體方案設(shè)計

為了實現(xiàn)對股靜脈的自動、精確穿刺，依據(jù)醫(yī)生手動股靜脈穿刺的技術(shù)和步驟，設(shè)計了一款超聲引導(dǎo)的股靜脈穿刺機器人，如圖1所示。其包括1個帶有7自由度機械臂的移動平臺和1個具有2自由度的穿刺執(zhí)行器。

其中，穿刺執(zhí)行器基本構(gòu)型的設(shè)計基于臨床超聲引導(dǎo)血管穿刺的操作手法。在臨床超聲引導(dǎo)血管穿刺的操作中，醫(yī)生通常一手移動超聲探頭掃查血管，一手持穿刺針進(jìn)行穿刺。在穿刺中又分為平面內(nèi)技術(shù)（In-plane technique）和平面外技術(shù)（Out-ofplanetechnique），如圖2所示。平面內(nèi)技術(shù)有更好的針尖可視化，但需要同時控制探頭和針的位置，需要較高的操作技巧和經(jīng)驗；平面外技術(shù)雖然可視化效果較差，但更適合在狹小的空間內(nèi)操作，比如位于大腿內(nèi)側(cè)的股靜脈，同時，對于新手或者不太熟悉超聲操作的操作者來說，更容易調(diào)整針的深度，進(jìn)而完成穿刺。

根據(jù)醫(yī)生手動進(jìn)行超聲引導(dǎo)的血管穿刺的手法和步驟，本文根據(jù)平面外技術(shù)確定了穿刺執(zhí)行器的基本構(gòu)型，如圖3所示。機構(gòu)除了穿刺進(jìn)給的自由度外，還需要調(diào)整穿刺針與皮膚角度的自由度，通過角度的調(diào)整實現(xiàn)對不同深度的股靜脈進(jìn)行穿刺。執(zhí)行器因不同皮膚形態(tài)或血管的走向所需要的旋轉(zhuǎn)、俯仰、翻滾等自由度，都可由7自由度冗余機械臂靈活精準(zhǔn)實現(xiàn)。

穿刺執(zhí)行器主要包含5個功能模塊：超聲探頭夾持機構(gòu)、穿刺針角度調(diào)整機構(gòu)、穿刺針軸向進(jìn)給機構(gòu)、穿刺針快換機構(gòu)和血液回流檢測裝置。

為了減輕穿刺執(zhí)行器的質(zhì)量，滿足機械臂末端最大負(fù)載5 kg的限制，穿刺執(zhí)行器總質(zhì)量約為1. 37 kg，外殼采用高韌性樹脂材料，超聲探頭夾持機構(gòu)、穿刺針軸向進(jìn)給傳動部件等采用金屬材料。

2 機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

2. 1 股靜脈穿刺機器人移動平臺

股靜脈穿刺機器人的移動平臺采用HEBINRUS-T7超聲掃查移動平臺，其機械臂擁有7個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，工作半徑達(dá)到924. 1 mm。每個關(guān)節(jié)均配備有力矩傳感器，力控精度達(dá)到0. 5 N。該移動平臺的定位精度為0. 3 mm，重復(fù)定位精度為0. 03 mm。

2. 2 超聲探頭夾持機構(gòu)

基于超聲引導(dǎo)的股靜脈穿刺需要對各種具有對稱結(jié)構(gòu)但曲面不同的超聲探頭進(jìn)行可靠的固定夾持。本文提出了一種V形夾持機構(gòu)，如圖4所示。該機構(gòu)使得超聲探頭能夠在超聲掃查過程中被牢固地固定，同時對不同形狀的靜脈超聲探頭具有較強的適應(yīng)性。

超聲探頭夾持機構(gòu)包括上下兩組獨立的V形夾持機構(gòu)。在夾持超聲探頭時，通過旋動上下兩個滾花旋鈕分別夾緊超聲探頭的不同部位。V形夾持機構(gòu)使用T形絲桿來實現(xiàn)夾緊和松開的功能，而其V形夾則沿著導(dǎo)桿進(jìn)行移動。V形夾的內(nèi)表面設(shè)計有規(guī)則的凹坑，用于安裝增加摩擦力的襯墊，從而提高夾持的牢固性。

2. 3 穿刺針角度調(diào)整機構(gòu)

在股靜脈穿刺中，對于不同對象，需要根據(jù)實際情況在穿刺針與皮膚呈30°～45°后進(jìn)行穿刺，需要穿刺針進(jìn)行精確的角度調(diào)整。如圖5（a）所示，使用舵機的轉(zhuǎn)動帶動連桿實現(xiàn)穿刺針的角度調(diào)整，自制的金屬連架桿形成一個平行四邊形的連桿機構(gòu)，使得舵機的角度和穿刺針的角度相等；圖5（b）所示為穿刺針角度調(diào)整機構(gòu)運動簡圖。

本設(shè)計中采用的實心軸轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)與遠(yuǎn)程中心運動（Remote Center of Motion， RCM）機構(gòu)相比有一些顯著的區(qū)別。通常情況下，RCM機構(gòu)的應(yīng)用旨在避免術(shù)中穿刺針位姿調(diào)整引起創(chuàng)口的撕裂，要求機器人本體與穿刺對象保持一定距離。然而，RCM系統(tǒng)相對較為復(fù)雜，對各自由度的運動精度有較高的要求。

相對于RCM機構(gòu)，本文采用的實心軸轉(zhuǎn)軸設(shè)計更為簡單且易于制造。同時，在機器人掃查股靜脈過程中，穿刺針在未接收到穿刺指令之前一直處于穿刺臂的殼體內(nèi)。穿刺針針尖的初始位置位于皮膚表面上方約11 mm處，因此不會對患者造成創(chuàng)傷或不安全的影響。這一設(shè)計巧妙地解決了手術(shù)中的安全和操作便捷性的問題。

2. 4 穿刺針軸向進(jìn)給機構(gòu)

以股靜脈為穿刺對象，對穿刺針的軸向進(jìn)給要求具有高精度、運動連續(xù)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單等特點。本文為適應(yīng)穿刺場景，選擇了絲桿傳動方式，如圖6所示。該機構(gòu)由編碼器、絲桿、電動機、穿刺針滑塊等主要部分組成。電動機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲桿轉(zhuǎn)化為穿刺針的直線運動，絲桿螺母上連接有穿刺針滑塊，螺母帶動針筒軸向運動，而穿刺針的活塞桿則固定在穿刺針筒的底座上。機構(gòu)末端安裝有絕對位置編碼器，實時將穿刺針的軸向位移信息反饋給控制器，實現(xiàn)對穿刺針軸向進(jìn)給運動的閉環(huán)控制。

本設(shè)計中采用分辨率達(dá)3. 06×10-3 rad 的多圈絕對位置編碼器，其能夠在任何時間提供當(dāng)前的絕對位置信息，無需執(zhí)行初始化或返回原點操作。這使得在系統(tǒng)啟動或重新啟動后能夠立即獲取準(zhǔn)確的位置信息，而不需要像增量式編碼器那樣先進(jìn)行位置初始化步驟，相比增量式有著更高的安全性。

2. 5 穿刺針快換機構(gòu)

在進(jìn)行股靜脈穿刺手術(shù)時，若需要多次穿刺或更換穿刺針，必須保證穿刺針的快速取用和更換。為了滿足這一需求，本文設(shè)計了一種卡扣式的快換機構(gòu)，如圖7所示。穿刺針筒底座和穿刺臂外殼通過凹凸式的卡扣實現(xiàn)了便捷的快速拆卸和安裝。當(dāng)需要取下穿刺針時，只需直接拉下穿刺針筒的底座，即可輕松取下針筒；而在需要安裝新的針筒時，只需將新針筒安裝至穿刺針筒中，將活塞桿和針筒放入對應(yīng)卡槽內(nèi)，最后輕輕將整個裝置卡入穿刺臂外殼中即可。通過以上步驟即可實現(xiàn)穿刺針的快速取用和更換，確保了手術(shù)操作的高效性。

2. 6 血液回流檢測裝置

在進(jìn)行股靜脈穿刺后，若發(fā)生血液回流，表明穿刺已成功。為了檢測血液回流，本文設(shè)計了一種裝置，利用光敏電阻的原理，通過監(jiān)測血液回流前后光源的光線遮擋情況判斷是否發(fā)生血液回流。

如圖8所示，在穿刺進(jìn)入血管后，隨著針筒在組織中的拉伸形成真空，血液會進(jìn)入注射針筒內(nèi)，阻擋作為光源的二極管的光線。當(dāng)發(fā)生血液回流時，光敏電阻模塊信號燈熄滅，光敏電阻模塊產(chǎn)生高電平信號，通過控制器的光耦隔離發(fā)送給微控制器（Microcontroller Unit， MCU）的通用輸入輸出接口（General Purpose Input Output， GPIO）引腳。此時表示針頭已正確放置。相反，如果針筒未發(fā)生血液回流，模塊將不會向控制器發(fā)送血液回流信號。

3 分析設(shè)計及仿真

3. 1 穿刺針進(jìn)給滾珠絲桿選型設(shè)計

滾珠絲桿憑借傳動效率高、精度高、具有傳輸?shù)目赡嫘缘葍?yōu)點在醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本文設(shè)計滾珠絲桿作為穿刺針進(jìn)給位移運動傳動部件。為保證穿刺針能適應(yīng)大部分股靜脈的穿刺，根據(jù)不同人的股靜脈的埋深、直徑以及所設(shè)計的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，對應(yīng)地確定絲桿的行程L，如圖9所示。

式中， γ 為股靜脈中心點至探頭下表面的距離，mm；θ 為穿刺臂旋轉(zhuǎn)角度，（°）；λ 為穿刺針進(jìn)給位移量，mm。

為了確保穿刺臂旋轉(zhuǎn)時不與探頭及夾持機構(gòu)發(fā)生干涉，并且方便超聲探頭的安裝與拆卸，同時考慮減少穿刺針穿刺空行程過大的因素，在執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)盡可能緊湊的前提下，根據(jù)相關(guān)部件的尺寸，將穿刺針的零點，即穿刺臂旋轉(zhuǎn)軸心與探頭的中心線距設(shè)定為42 mm；其次，鑒于穿刺針進(jìn)給角度通常與皮膚呈30°～45°[18]，股靜脈直徑為（0. 9±0. 3） cm，距皮膚埋深0. 9～3. 8 cm[19]，股靜脈分布在圖10所示的紅色線框內(nèi)。當(dāng)穿刺角度為45°、穿刺針穿刺股靜脈分布區(qū)的最深位置時，經(jīng)計算，穿刺針需要大約59. 38 mm的位移量，故將穿刺針的最大行程設(shè)定為60 mm。

本文設(shè)計中使用的是2 mL的注射針筒及9號針，質(zhì)量不足50 g，故忽略其滑臺所承載的質(zhì)量及摩擦損耗。根據(jù)醫(yī)療臨床及相關(guān)文獻(xiàn)中的穿刺數(shù)據(jù)，穿刺力在3～5 N時即可穿刺皮膚組織或血管[20-21]，本文設(shè)計暫定穿刺針成功穿刺人體組織所需要的穿刺力為10 N。根據(jù)電動機的額定轉(zhuǎn)速和穿刺針的最大速度，計算絲桿的導(dǎo)程Ph，即

Ph = Vmax /（inmax）= [1 800/（1 × 1 800）]mm = 1 mm式中，Vmax 為穿刺針軸向位移速度，mm/min；i 為電動機與絲桿直連時的傳動比；nmax 為電動機的額定轉(zhuǎn)速，r/min。

式中，μ0 為導(dǎo)軌承重時的滑動摩擦因數(shù)，取0. 1；M為滑臺及承載的質(zhì)量，kg；a 為滑臺加速度，取a =0. 01 g，m/s2；g為重力加速度，取g = 9. 8 m/s2；θ' 為穿刺針與水平面的夾角，（°）。

此處忽略滑臺及其承載的質(zhì)量，式（1）中滑臺及其承載的質(zhì)量等效為所需的穿刺力10 N；因股靜脈穿刺中穿刺針常以與皮膚呈45°的角度刺入，此處穿刺針與水平面的夾角θ' 取45°，故經(jīng)計算絲桿進(jìn)給時承受的最大載荷Fmax=8. 17 N。

經(jīng)分析計算，同時考慮靜脈穿刺的精度要求，本設(shè)計中絲桿的材質(zhì)為GCr15，軸徑為4 mm，導(dǎo)程為1 mm， 精度等級為C5， 對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)矩為0. 007 N·m，滿足設(shè)計要求。

3. 2 關(guān)鍵機構(gòu)的力學(xué)仿真

在完成設(shè)計后，利用SolidWorks軟件中的Simu?lation插件對關(guān)鍵機構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，即對自制的舵機連架桿進(jìn)行了靜力分析。表1所示為穿刺臂主要零件質(zhì)量。通過表1可知，穿刺臂的質(zhì)量約為770 g。因此，自制連架桿的軸承安裝軸所承受的最大拉力約為7. 546 N。

在靜應(yīng)力分析中，充分考慮網(wǎng)格劃分、仿真精準(zhǔn)度等因素，選擇安全系數(shù)為1. 5。在軸承的安裝軸上施加了約12 N的徑向作用力，力學(xué)仿真結(jié)果如圖11所示，最大應(yīng)力為4. 993 MPa。值得注意的是，這個應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于連架桿的屈服強度。因此，可以得出結(jié)論，連架桿及舵機的額定轉(zhuǎn)矩足以滿足由穿刺臂的質(zhì)量引起的拉力需求。

在第3.1節(jié)中對絲桿帶動穿刺針對人體組織穿刺的力設(shè)定為10 N。因此，在絲桿的靜應(yīng)力分析中，對絲桿施加了10 N的軸向力。

其次，進(jìn)行絲桿轉(zhuǎn)矩的靜應(yīng)力分析，在絲桿選型計算中選擇了額定轉(zhuǎn)矩為0. 007 N·m的直流有刷電動機。同樣，充分考慮網(wǎng)格劃分、仿真精準(zhǔn)度等因素，選擇安全系數(shù)為1. 5。在靜應(yīng)力分析中，對絲桿施加了0. 010 5 N·m的轉(zhuǎn)矩。對自制絲桿進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩和軸向力的靜應(yīng)力分析，結(jié)果如圖12所示。仿真結(jié)果顯示，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于絲桿的屈服強度，滿足穿刺針進(jìn)給所需的載荷及轉(zhuǎn)矩要求。

4 穿刺執(zhí)行器控制系統(tǒng)

在本設(shè)計中，穿刺臂的角度調(diào)整采用基于TTL電平的控制信號，結(jié)合大功率數(shù)字舵機和直流有刷電動機。舵機支持廣泛的角度（0°～300°）選擇并提供實時反饋，包括溫度、位置、速度等參數(shù)。該舵機采用全金屬齒輪傳動，額定轉(zhuǎn)矩為13 kg·cm，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)42. 5 kg·cm。同時，在過熱、過壓和過載情況下，舵機可自動啟動卸力保護(hù)機制。

直流有刷電動機的額定功率為5 W，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。通過STM32 單片機使用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）來控制電動機的方向和速度。穿刺針的進(jìn)給運動要求高精度的位移定位，因此，為直流電動機配備了高精度的多圈絕對位置編碼器。

圖13所示為穿刺執(zhí)行器的整體穿刺系統(tǒng)總體方案和控制流程圖。用于角度調(diào)整的舵機和穿刺進(jìn)給的直流電動機均配備相應(yīng)的位置傳感器，而穿刺進(jìn)給的直流電動機采用了典型的比例-積分-微分（Pro?portional Integral Derivative， PID）控制算法。

5 股靜脈穿刺機器人系統(tǒng)

圖14為超聲引導(dǎo)的股靜脈穿刺機器人系統(tǒng)操作示意圖。

由圖14可知，超聲引導(dǎo)下的股靜脈穿刺機器人系統(tǒng)基于遙控操作平臺設(shè)計，在執(zhí)行股靜脈穿刺操作時，主端使用合濱智能自主設(shè)計的仿型手柄，醫(yī)生通過操作主端的仿型手柄來進(jìn)行掃查和穿刺。仿型手柄配備了力、位移和姿態(tài)等傳感器，能實時將數(shù)據(jù)傳送至從端控制器，控制機器人末端的姿態(tài)。醫(yī)生能夠通過現(xiàn)場攝像頭實時監(jiān)控穿刺執(zhí)行器與患者間的互動，并且實時查看超聲圖像。圖15所示為超聲引導(dǎo)的股靜脈穿刺機器人。

在進(jìn)行股靜脈掃查時，醫(yī)生能夠通過實時的超聲圖像確定股靜脈的深度。股靜脈在平面內(nèi)的移動則通過醫(yī)生操作的仿型手柄來控制。機器人末端裝備有六維力傳感器，確保穿刺機器人的超聲探頭與皮膚在掃查時保持沿接觸法線方向、穩(wěn)定的接觸力，以獲得準(zhǔn)確的血管超聲圖像。在掃查切向上，機器人應(yīng)用了一種混合力/阻抗的柔順控制算法和策略，使得其運動軌跡能夠與人體皮膚表面的形態(tài)緊密配合。

機器人應(yīng)用的柔順控制算法和策略采用的是一種基于加權(quán)最小范數(shù)的7自由度機器人避關(guān)節(jié)限位混合力/阻抗控制方法，其控制框架如圖16所示。在機器人執(zhí)行掃查任務(wù)時，通過間接力控制在掃查切向方向維持阻抗關(guān)系，通過直接力控制在掃查法向探頭和人體組織接觸面之間維持一個穩(wěn)定的期望力，同時對機器人的零空間運動進(jìn)行優(yōu)化，解決機器人掃查過程中關(guān)節(jié)限位和奇異位置的處理問題。分別在機器人與人體接觸的掃查法向Z 軸、掃查切平面XY 和其余方向上設(shè)計直接力控制器和阻抗控制器，從而基于機器人的高精度關(guān)節(jié)力矩控制器對機器人設(shè)計控制算法，該控制算法輸出給機器人關(guān)節(jié)力矩控制器的控制力矩。

6 試驗與結(jié)果

基于目前醫(yī)院大部分病床高度為60 cm，本文設(shè)計的股靜脈穿刺機器人距離病床的最小距離可達(dá)30 cm。通過蒙特卡洛法[22]結(jié)合Matlab軟件對機器人的工作空間進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，工作空間最大可達(dá)1 124. 1 mm，足以滿足股靜脈穿刺機器人的工作需求。為驗證基于超聲圖像的股靜脈穿刺機器人的運動精度，進(jìn)行了試驗測試，分別對穿刺執(zhí)行器的角度調(diào)整精度和穿刺進(jìn)給位移精度進(jìn)行了評估。

試驗平臺的搭建如圖17所示。其中，圖17（a）所示為使用激光跟蹤儀對穿刺執(zhí)行器的穿刺進(jìn)給位移精度以及機器人的空間穿刺精度進(jìn)行測試；圖17（b）所示為利用維特SINAT02-485高精度角度傳感器對穿刺執(zhí)行器的角度調(diào)整機構(gòu)的定位精度進(jìn)行驗證。

試驗測試數(shù)據(jù)如圖18所示。角度調(diào)整機構(gòu)的絕對定位精度在0. 5°以內(nèi)，重復(fù)定位精度在0. 2°以內(nèi)，增量精度在0. 2°以內(nèi)；穿刺進(jìn)給位移的絕對定位精度在0. 2 mm 以內(nèi)，重復(fù)定位精度和增量精度皆在0. 1 mm以內(nèi)。

在對穿刺執(zhí)行器完成運動精度測試后，使用激光跟蹤儀對股靜脈穿刺機器人進(jìn)行了空間中的重復(fù)定位精度測試。機械臂從初始位置運行至目標(biāo)位置后，設(shè)置穿刺臂與水平夾角為45°、穿刺針目標(biāo)位移為50 mm 進(jìn)行穿刺，重復(fù)進(jìn)行了10次以上的過程。穿刺針的針尖分布點在各個投影區(qū)中基本集中在半徑為0. 1 mm的包絡(luò)圓內(nèi)，如圖19所示。基于安全考慮，衡量該股靜脈穿刺機器人的可行性標(biāo)準(zhǔn)為：穿刺針的目標(biāo)穿刺位移和實際位移的誤差范圍在-R/3～R/3（R 為血管半徑）。根據(jù)所測試驗數(shù)據(jù)可知，對于直徑為9～12 mm的股靜脈，所測精度滿足股靜脈穿刺的安全要求。

最后，進(jìn)行了靜脈模型的穿刺試驗。模型內(nèi)分布有兩條封閉型血管和兩條開放型血管，由操作人員使用仿型手柄控制穿刺機器人對模型進(jìn)行掃查和穿刺，圖20所示為穿刺機器人在曲面靜脈模型掃查的接觸力跟蹤試驗數(shù)據(jù)。其中，F(xiàn)d為掃查法向期望接觸力；Fz為掃查法向?qū)嶋H接觸力；Fx為掃查切向X 軸實際接觸力；Fy為掃查切向Y 軸實際接觸力。在試驗掃查過程中，穿刺機器人末端探頭在人體上的接觸法向力平均跟蹤誤差為0. 24 N，最大接觸力誤差為1. 38 N，且其在人體掃查切向的接觸力均在3 N以內(nèi)且運動平緩。掃查過程中還可以進(jìn)行柔順的人機交互，可同時獲得較高質(zhì)量的超聲圖像。

醫(yī)生使用仿型手柄操作機器人進(jìn)行掃查，當(dāng)血管處于超聲探頭正下方時，醫(yī)生根據(jù)實時的超聲圖像測量確定血管的埋藏深度，通過串口工具將數(shù)據(jù)發(fā)送至穿刺執(zhí)行器的控制單元，穿刺執(zhí)行器相繼完成角度調(diào)整和穿刺針的軸向進(jìn)給。如圖21所示，掃查和穿刺過程中角度調(diào)整運動和穿刺進(jìn)給運動的曲線平滑，無突變。如圖22所示，通過對穿刺前和穿刺后的影像進(jìn)行觀察， 可見針尖的位置處于血管內(nèi)。

7 結(jié)論

針對股靜脈這一特殊部位，設(shè)計并構(gòu)建了一款穿刺機器人，對股靜脈半自動穿刺問題進(jìn)行了深入探索和研究。該穿刺執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)簡潔的優(yōu)勢；采用STM32F407作為控制系統(tǒng)芯片，具有方便靈活的擴展性。經(jīng)過驗證，所設(shè)計的執(zhí)行器在角度調(diào)整方面的絕對定位精度在0. 5°以內(nèi)，穿刺進(jìn)給位移的絕對定位精度在0. 2 mm以內(nèi)。所搭建的股靜脈穿刺機器人的穿刺重復(fù)定位精度在0. 2 mm以內(nèi)，滿足臨床中股靜脈穿刺的高精度需求。同時，進(jìn)行了靜脈模型的穿刺試驗，通過遙控操作實現(xiàn)了半自動穿刺，為實現(xiàn)股靜脈的自動穿刺提供了重要的借鑒。采用串聯(lián)式冗余機械臂的設(shè)計，有效減少了手動式穿刺裝置受人為抖動等因素的影響。未來工作中，計劃提升穿刺執(zhí)行器中穿刺臂的角度調(diào)整機構(gòu)的剛度，并考慮采用性能更優(yōu)的伺服電動機來進(jìn)一步提高穿刺精度。