机器人在医学的应用

吴大卫

101014322 机械 10-3 班

摘要：

医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好。近年 来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。 第一代手术 机器人已经用于世界各地的许多手术室中。 这些机器人不是真正的自动化机器人， 它们不能自已进行手术， 但是它们向手术提供了有用的机械化帮助。这些机器仍然需要外科医生来操作它们并对其输入指令。

关键字： 机器人 机器人系统 临床手术 自动控制 导航

引言：

机器人技术作为 20世纪人类最伟大的发明之一，自问世以来，就一直备受瞩目。 40 余

年来， 有关它的研究取得了长足的进展。 各种形态、 功能的机器人相继面世， 而未来的机器 人将是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、 复杂劳动的自动化机器， 是集机械学、 力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新 技术综合体。 正是由于机器人在多方面应用的可能性， 才使得机器人在财会方面也是可以取 得成就的。

在本课程学习中， 我了解了机器人的定义。 它是自动执行工作的机器装置。 它既可以接 受人类指挥， 又可以运行预先编排的程序， 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。 它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。同时，我 了解到了机器人主要是由执行机构、 驱动装置、 检测装置和控制系统和复杂机械等组成。 机 器致分为家务型机器人、 操作型机器人、 程控型机器人、 示教再现型机器人、 数控型机 器人、感觉控制型机器人、适应控制型机器人、学习控制型机器人、智能机器人等几类。随 着科技的进步， 相信机器人必将在人们生产活动以及生活方面发挥重要作用。 而未来的高科 技军事，高科技战争，也必然离不开机器人。

机器人在医学方面的应用非常广泛，主要由： 1、实验室机器人：由于在实验室操作复

杂，但都是一些简单的如取样、离心、混合等操作，人操作起来费时，而且精度也不是控制 的很好。随着自动化水平提高，实验室机器人也将发挥重要作用。 2、医疗康复机器人：从

八十年代开始，医疗康复机器人有了很大发展，其应用范围已扩展到人们生活的各个领域， 如机器人动作执行系统 （ 机械手 ）、智能型轮椅、 家庭日常生活和职业用生活护助及作业辅助 型机器人等。 3、外科手术机器人：外科手术机器人的应用领域主要分为微创外科手术机器 人和手术中影像引导医用机器人。 4、生物机器人：生物机器人是医学机器人领域的最高层 次，即机器人能实现象人一样的移动、 动作执行、 视觉、触角、 思维等功能。 近期研究表明，

上述功能的实现对于目前的机器人来说还相当困难。

已有很大的进展，该手指能根据获取物体的材料特性和三维外形的信息执行相应的动作。

1、外科手术机器人

第一代手术机器人已经用于世界各地的许多手术室中。这些机器人不是真正的自动化机 器人，它们不能自已进行手术， 

要外科医生来操作它们并对其输入指令。

动。最近开发出来的两种手术机器人有：达芬奇手术系统 ZEUS机器人手术系统

1.1、

它是美国第一个可在手术室使用的机器人系统，由 In tuitive Surgical    公司开发的。

达芬奇系统使用的技术使外科医生可以到达肉眼看不到的外科手术点，

统的外科手术更精确地进行工作。价值 1百万美元的达芬奇系统由两个主要部件组成：

1.1.1、

主刀医生坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手 （通过操作两个主控制器）

及脚（通过脚踏板）来控制器械和一个三维高清内窥镜。 

器械尖端与外科医生的双手同步运动。

1.1.2、

床旁机械臂系统（Patient Cart）是外科手术机器人的操作部件，

和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作，

协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全，助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运 动具有更高优先控制权。

1.1.3、

成像系统（Video Cart）内装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备，

过程中位于无菌区外， 

内窥镜为高分辨率三维（3D）镜头，对手术视野具有 10倍以上的放大倍数，能为主刀医生带 来患者体腔内三维立体高清影像， 

认解剖结构，提升了手术精确度

1.2、ZEUS机器人手术系统

由Computer Motion公司制作，在欧洲已经可以使用。它有一个计算机工作站、一个视 频显示器和控制手柄，用于移动手术台上安装的手术仪器。 ZEUS系统目前在美国只被批准

用于医疗试验，而德国医生已经使用此系统进行了冠心病搭桥手术。

ZEUS系统得到了自动化内窥镜定位（ AESOP机器人系统的协助。由 Computer Motion

公司于1994年发布的AESOP! FDA批准使用的第一台可以用于手术室协助手术的机器人。 AESOP比达芬奇系统和 ZEUS系统要简单得多。AESOP基本上只是一个机械臂，用于医生定位 内窥镜——一种插入病人体内的外科照相机。 脚踏板或声音软件用于医生定位照相机，这 就让医生的手空出来继续进行手术。

2、医疗康复机器人

康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支， 它的研究贯穿了康复医学、 生物力学、 机 械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际 机器人领域的一个研究热点。 目前， 康复机器人已经广泛地应用到康复护理、 假肢和康复治 疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展 , 也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。

目前 , 康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和 康复治疗机器人等几个方面。

2.1、 康复机械手

医疗康复领域的一个重要应用场合就是恢复四肢残废者手和腿实现象正常人一样的功 能，即在残废者和周围环境间安装上一机械假肢作为媒介， 使前者能象正常人一样用意识控 制手足活动，执行各种任务。

机械手包括手足型和搬运及移动型。 手足型机械手包括肌电控制前臂假手、 能步行及上 下楼梯的动力假腿和具有知觉的能动假手等。 搬运及移动型机器人包括患者升降机、 抱起机 器人、 输送及转送机器人和移动升降器等。 随着人们生活水平的提高， 人类的平均寿命持续 增长， 人类社会向老龄化社会发展， 与此相适应的康复机器人的应用领域也逐渐向为老年人 服务而倾斜，其应用前景十分广阔。

2.2、医院机器人系统

医院机器人系统主要是医院内部搬运机器人， 其主要功能是运送食物、 药品及一些医疗 器械、 病人病历档案等， 它不同于一般的位置固定的生产装配场合中应用的工业机器人。 国 外研究的一种叫 “HelpMater ”的机器人已经在医院内使用， 它能够 24 小时高效工作。 医院 工作人员能把医院内走廊， 电梯的几何和断层图象信息输入到该机器人的控制系统内使其能 自动工作。 另外日本的机械工程实验室已在研究一种能提升病人的机器人， 该机器人能够将 病人从病床上提升起来并把其运送到医院卫生间、 食堂等其它地方。 但是该系统所需的各项 技术如能量供应、人机交互系统等还有待于进一步解决和完善。

2.3、智能轮椅

随着社会的发展和人类文明程度的提高， 人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技 术来改善他们的生活质量和生活自由度。 因为各种交通事故、 天灾人祸和种种疾病， 每年均 有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走、动手能力等）。因此，对用于帮助残障人行 走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点， 如西班牙、 意大利等国， 中国科学院自动化研究所 也成功研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅。

机器人轮椅主要有口令识别与语音合成、 机器人自定位、 动态随机避障、 多传感器信息 融合、实时自适应导航控制等功能。

机器人轮椅关键技术是安全导航问题， 采用的基本方法是靠超声波和红外测距， 个别也 采用了口令控制。 超声波和红外导航的主要不足在于可控测范围有限， 视觉导航可以克服这 方面的不足。 在机器人轮椅中， 轮椅的使用者应是整个系统的中心和积极的组成部分。 对使 用者来说， 机器人轮椅应具有与人交互的功能。 这种交互功能可以很直观地通过人机语音对 话来实现。 尽管个别现有的移动轮椅可用简单的口令来控制， 但真正具有交互功能的移动机 器人和轮椅尚不多见。

3、讨论与展望

国外关于医学机器人的研究虽然已取得了不少成就，但离生物机器人还有相当的距离， 因此还有很多工作要做。 国内关于这方面的研究较少， 主要是集中在假肢领域， 希望能对医 学机器人领域加强研究。 这一领域需要机械、 电子等各方面知识，所以应集中集团力量， 赶 上发达国家水平，研制出医学领域的各种机器人，从而研究生物机器人。

4、总结

机器人技术被列为 863 计划发展的主题之一， 著名的自动控制专家宋健在 2(XX) 年国际自控 联世界大会上的致辞中说：“机器人学的进步和应用是 20世纪自动控制最有说服力的成就， 是当代最高意义上的自动化。 ”微操作机器人系统作为一项典型的多学科交叉的成果， 为机 器人技术开拓了新的应用领域。 它的成功使生物医学工程实验摆脱了对培养特殊操作人员的 依赖， 实现了高效率、 高成功率、 高难度的操作， 可以说是生物医学工程实验手段的一次革 命性变革。同时，此项操作在疾病的诊断与治疗、新药物的研究与制造、器官移植、功能基 因研究等方面都将有广泛而重要的应用， 对基因工程的发展产生重要的影响， 在后人类基因 组计划中发挥很大的作用，可以为制药等新兴产业带来巨大的经济效益。

1、 朱世强，王宣银．机器人技术及其应用．杭州：浙江大学出版社，    2002

2、 王田苗．走向产业化的先进机器人技术．中国制造业信息化， 2005

3、 吴瑞详．机器人技术与应用．北京：北京航空航天大学出版社， 1994

4、    高立明，林良明，颜国正，戎荣 . 医学机器人的进展 . 中国医疗器械杂志 1997

5、    初铭宇 . 机器人手术开创科技医学新领域 .今日科苑。 2010