#01 “重返自然”

叱咤风云二十年的达芬奇手术机器人，在设计之初就遵循着这样的理念：

让医生在微创手术中拥有开放手术的操作体验。

在腹腔镜出现之前，开放手术创伤大，但器械操作自然；

腹腔镜手术出现后，减小了创口，却带来了反直觉的操作方式——以腹壁为支点，器械的运动方向与手的运动方向相反。

创伤小和直觉式操作，仿佛鱼与熊掌，一时不可兼得。

而达芬奇手术机器人的出现，打破了僵局，实现了微创，同时操作又自然——“既要又要”。

#02 微创下，还原开放的手术体验

要还原开放手术的操作体验，一是3D图像，二是直觉式操作。

要实现“直觉式操作”，除了主从映射的延时小，更重要的是手和器械末端的运动方向相对图像保持一致。

打个比方，当我们使用鼠标时，鼠标往一个方向移动，光标也会在屏幕上往同一方向移动。运动方向是在坐标系中确定的，鼠标以自身为坐标系，光标以屏幕为坐标系，两者都只在平面上运动，因此只有X轴和Y轴。日常使用中，鼠标是正对屏幕的，鼠标坐标系的X轴和屏幕坐标系的X轴近似平行且同向，所以当鼠标相对屏幕往右移动时，光标也会往右移动。

如此一来，人脑可以很容易地建立起两者之间的映射关系，几乎没有学习曲线。当X轴的映射关系建立起来之后，即使鼠标的Y轴在水平方向，屏幕的Y轴在垂直方向，其映射关系也能附带地建立起来。如果将鼠标旋转90°或180°，那么当鼠标相对屏幕往右移动时，光标却会往上或往左移动，这种映射关系就相当反直觉了，人脑学习起来很费劲，而且容易出错。

手术机器人的“直觉式操作”，其原理也是相近的（不同之处在于，手术机器人的主手和从手是在三维空间中运动的，且主手和从手同时有位置信息和姿态信息），一言以蔽之：

主手末端在显示器图像坐标系中的运动方向和姿态，需与器械末端在内窥镜末端坐标系中的运动方向和姿态，保持一致。

主手和显示器都在医生控制台上，主手末端的位姿在其基座坐标系中是已知的，主手基座坐标系相对显示器图像坐标系中的位姿也是已知的，那么主手末端在显示器图像坐标系下的位姿就是可知的。

▲来源：采用机器人技术的辅助手术设备和辅助手术系统，

YY/T 1712-2021

至于从手端，器械和内窥镜分别安装在不同机械臂上，不妨将器械和内窥镜与各自的机械臂视为一个整体，内窥镜末端坐标系可通过其关节参数和其机械臂的基座坐标系转换而来，想知道器械末端在内窥镜末端坐标系中的位姿，关键在于安装器械的机械臂基座坐标系相对安装内窥镜的机械臂基座坐标系的位姿。

对于达芬奇这样的一体式机器人而言，所有机械臂都集成在一个吊杆装置上的，不同机械臂的基座坐标系之间的相对位姿是确定的，那么器械末端在内窥镜末端坐标系中的位姿就是可知的。当主手方面和从手方面都是可知的，自然可以保持两者的运动方向和姿态一致。

#03 机器臂分属独立台车的分体式

不过，手术机器人既有达芬奇的一体式结构，也有美敦力Hugo、Asensus Surgical的Senhance、CMR的Versius这样的分体式结构。

所谓“分体式”，就是各个机械臂皆有独立的台车，手术时摆放在手术床旁的不同位置上。如此一来，不同机械臂的基座坐标系之间的相对位姿就不是已知的，器械末端在内窥镜末端坐标系中的位姿便不可知，最终主手末端和器械末端相对图像的同步运动就无从谈起了。

要解决这个问题，可以对分体式机器人的各个机械臂台车进行定位，例如通过光学定位系统。但这样做，一来增加了成本，二来也不方便使用。或许，进一步剖析这个问题本身能够带来不一样的视野。

▲术锐单孔机器人早期采用分体式结构时，

便疑似使用了光学定位系统

首先，要使运动方向保持一致，理论上只需要考虑位置的增量，而不需要知道每个时刻的绝对位置。我们需要机械臂的绝对位置，往往是在结构化环境中，目标的位置是确定的，机械臂只需要知道自己的位置，就能确定自己与目标的相对位置，从而实现自动操作。但人体腹腔内的环境显然是非结构化的，腔镜机器人因而是一种主从控制机器人，机械臂必须根据操控者的指令行动，操控者则通过实时图像观察机械臂和目标之间的位置关系并做出决策，此时可将操作者本身视为一种视觉算法。

如果只需要考虑器械末端在内窥镜末端坐标系中的位置增量，那就不需要知道两者的机械臂基座坐标系之间的相对位置，而只需要知道它们的相对姿态就够了。由于机械臂台车都是放置在同一个水平面上的，那么我们实际需要知道的其实就是安装器械的机械臂台车和安装内窥镜的机械臂台车之间的相对角度即可。

这样一来，光学定位系统测量的信息可能是冗余的。那么相对简单的办法是什么？不妨先看看美敦力Hugo RAS的解决方案。

首先，在Hugo RAS的每个机械臂的“定位部分”（此部分在术前摆位完成后即固定不动）的末端上都有一个“激光对齐装置”，其作用即在于测量出机械臂和手术床之间的相对角度，其使用步骤如下：

▲Hugo机械臂台车编号10处即“激光对齐装置”的所在

（图片来源：Hugo  RAS说明书，下同）

1. 机械臂台车锁定之后，台车上的激光对齐装置将会打开，并向地面投射出一条包含红色和绿色的激光线。

2. 转动激光校准旋钮，直到激光线与手术床的长边平行。绿色激光应指向病人的头部，红色激光应指向病人的脚部。

3. 当激光线与手术床的长边平行时，按下旋钮上的按钮，以确认对齐。此时机械臂与手术床的相对角度将会显示在机械臂台车的显示屏上。当机械臂的位置被调整时，此相对角度也会实时更新。

4. 按住机械臂上的位置调整按钮，移动机械臂，使得机械臂显示屏上的相对角度和摆位指导中的相对角度一致为止。

▲Hugo前列腺切除术的摆位指导

以上不难看出Hugo RAS实现分体式机器人“直觉式操作”的方法就是通过相对角度来确定运动方向，不过其巧妙之处在于利用手术床作为媒介，分别测量每个机械臂和手术床长边之间的相对角度，从而得知各个器械机械臂和内窥镜机械臂之间的相对角度，最终得到器械末端在内窥镜末端坐标系中的运动方向和姿态信息。

需要注意的是，虽然这种方案不需要知道机械臂的绝对位置，但这不意味着机械臂台车可以随意摆放。因为机械臂有工作空间，为了使其工作空间更好地匹配手术区域，Hugo RAS建议其机械臂台车应摆放在距离手术床45-60cm处。同时，机械臂与手术床的相对角度容许一定的误差，只要在摆位指导角度的±5°范围内即可。

为了使机械臂的摆位更加高效且合理，美敦力应该会为每种机器人术式都提供摆位指导，包含每个机械臂的相对角度。官方指导的目的在于减少机械臂之间的碰撞和优化机械臂的工作空间，不过这种指导本身也会限制机械臂摆位的灵活性（毕竟分体式机器人的主要宣传点之一就是摆位的灵活性，如果一定要遵循固定的角度，那么最终可能并不比一体式灵活多少）。

除了大名鼎鼎的美敦力之外，分体式机器人还有一位引人注目的选手：

CMR Surgical公司的Versius。

相比Hugo RAS，Versius的特点在于其机械臂台车特别小巧，占地面积仅为38cm*38cm。

▲Versius机械臂台车

那么，Versius又是如何解决分体式机器人的共同难题的呢？很遗憾，目前公开渠道没有确切的答案，仅有两个线索可供参考：

1. Versius在其专利中提到一种“表征机器人环境”的方法，其原理是用第一机械臂末端去接触其环境中的目标（比如第二机械臂台车）上的两个标记处，以此计算出环境目标相对第一机械臂的距离和方向。

2. CMR Surgical官方发布的Versius手术视频中，各个机械臂台车的摆放布局都有一个共同的特点，就是机械臂台车的正面与手术床的长边平行（以插线面为背面）。

▲Versius机械臂摆位示意图

笔者推测，Versius有可能利用其机械臂台车横截面接近正方形的特点，使机械臂台车的正面与手术床的长边平行，同时在系统中设定机该台车位于手术床的左边还是右边。当器械台车和内窥镜台车同边时，两者的基座坐标系平行，当两者异边时，器械台车坐标系相对内窥镜台车坐标系旋转了180°。

至于如何使台车正面与手术床平行，答案可能比想象的要简单，比如人眼观测、模具对齐等。Hugo RAS其实也没有明确说明如何确定激光线和手术床是否平行，可能也是通过人眼观测的。那么人眼观测的误差如何解决？笔者认为，大脑本身有一定的适应性。当我们使用鼠标时，鼠标不可能百分百正对屏幕，但并不影响我们使用。器械末端在图像中的运动方向也是一样，也许只要角度误差在一定范围内，大脑自身就可以修正。

最后要说的是，除了国外的分体式机器人，值得注意的还有一家成立于2019年的国产手术机器人公司瑞龙诺赋，其在专利文件中也曾对分体式机器人的机械臂定位问题表达过不错的观点，且因此申请了两种解决方案的专利。感兴趣的读者可以自行查找阅读，笔者不过多赘述。