本研究由Seyed Mohsen Khadem、Saeed Behzadipour、Alireza Mirbagheri和Farzam Farahmand等人完成，主要作者分别来自Sharif University of Technology机械工程系、Tehran University of Medical Sciences生物医学技术与机器人研究中心（RCBTR）以及医学物理与生物医学工程系。该研究于2016年发表在《The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery》上。

研究的学术背景围绕微创机器人手术（minimally invasive robotic surgery，MIRS）展开。尽管以达芬奇系统为代表的现有MIRS系统解决了传统微创手术中的部分问题，但仍存在缺乏力反馈、成本高昂、器械专用且寿命有限等不足。为了弥补这些缺陷，研究者致力于开发一种具有力测量与控制能力的自动化腹腔镜器械，并特别强调其模块化、可灭菌和低成本特性，以便在临床中广泛使用。该研究不仅设计并制造了器械原型，还进一步验证了其在“自动抓取”（auto-grasping）控制框架下的可行性。

在研究方法与工作流程方面，本研究首先明确了器械的设计需求，包括低制造和维护成本、可高温高压灭菌、多功能适配、具备组织接触力测量能力、与宿主机器人构型兼容以及轻量化和小体积。基于这些需求，研究者提出了一种全模块化设计方案。该器械由驱动单元、拉压型力传感器、工具接口、机器人接口和标准腹腔镜工具组成。工具接口通过弹簧按钮和锥形槽实现工具插杆的快速安装与拆卸，使器械能够适配抓钳、剪刀、分离钳和持针器等不同类型的标准腹腔镜工具。机器人接口负责夹持工具管、传递滚转运动，并通过密封帽和柔性绝缘管保证术中无菌隔离。驱动系统采用Maxon直流电机配合行星减速器和滚珠丝杠，实现对工具插杆的直线驱动；力传感系统采用Dacell拉压力传感器，布置在滚珠丝杠之后与工具接口之间，以避开丝杠摩擦对力信号的影响。传感器信号经10 Hz低通滤波器和放大器处理后，由Quanser数据采集卡以0.5 kHz采样率数字化。此外，宿主机器人上安装有ATI Mini45六维力/力矩传感器，用于测量施加在器械基底上的外力，为后续自动抓取提供拉力（pull force）信息。

为了准确估计工具末端夹持力，研究者建立了腹腔镜工具的运动学模型，通过几何参数a、b、c、α₀和接触长度l描述工具钳口角度与插杆直线位移之间的关系。为确定这些参数，研究者进行了机械标定实验：将工具钳口置于15个不同角度位置，利用数字测力计测量钳口力，同时记录近端力传感器读数，并通过最小二乘法拟合得到力比与钳口角度的关系曲线。

随后，研究者设计并实现了基于自动抓取概念的力控制方案。自动抓取的目标是根据组织抓取模型和外部拉力实时调整夹持力，使抓取状态始终处于安全区，避免滑脱或损伤。控制器采用PID闭环控制，并通过前馈补偿静态摩擦（stiction）。为评估器械性能，研究者使用弹性橡胶球作为模拟软组织样本，首先通过悬挂不同重量的砝码并逐步减小夹持力来观察滑脱发生点，从而确定滑脱边界；通过逐步增加拉力并观察样本永久压痕来确定损伤边界。由此获得样本在夹持力-拉力平面上的抓取模型。在自动抓取实验中，研究者模拟了阶跃、斜坡和正弦三种拉力工况，分别记录了近端力传感器和集成于钳口上的应变片所测得的实际夹持力，并以应变片测量值作为金标准来评价系统性能。

研究结果表明，所设计的器械能够适配多种标准腹腔镜工具，快速更换方便，且与宿主机器人具有较好的兼容性。样本的抓取模型呈现与文献中生物软组织相似的滑脱边界和损伤边界。在阶跃拉力响应中，控制器能快速建立并维持恒定夹持力，超调量小于10%，建立时间为1.1秒。在斜坡拉力作用下，目标夹持力随拉力增大而增大，并保持在滑脱边界之上；当目标夹持力达到损伤边界时，控制器迅速释放样本以避免损伤。实际夹持力与目标值之间存在一定误差，峰值差异为0.52 N，均方根误差（RMSE）为0.318 N，但由于设定了足够大的安全裕量，实际抓取状态始终保持在安全区内。在正弦拉力作用下，由于运动方向频繁变化，关节摩擦和回差效应导致力测量误差在0.04%至32%之间，使用静态摩擦补偿后RMSE由0.402 N降至0.337 N。尽管存在这些误差，实际夹持力仍能维持在安全抓取区内。

本研究的结论指出，该器械采用简单实用的设计，兼顾了低成本、多功能性和临床可灭菌性，并在自动抓取控制方案中表现出可接受的性能。其科学价值在于提供了一种在近端力传感精度与临床适用性之间取得平衡的设计思路，并通过实验验证了自动抓取作为一种自主力控制策略的可行性。应用价值在于该器械能够与标准一次性或可重复使用腹腔镜工具兼容，显著降低机器人手术器械的更换和维护成本，同时为外科医生在牵拉组织过程中自动维持安全夹持力提供技术支持。

本研究的亮点体现在几个方面。首先，器械实现了全模块化设计，远端工具组件可整体拆卸进行高温高压灭菌，而热敏部件置于基座单元中，解决了临床灭菌与力传感之间的矛盾。其次，研究首次在这一类器械上系统性地验证了自动抓取控制方法，利用软组织抓取模型在夹持力-拉力平面上定义安全区、滑脱区和损伤区，并通过自主调节实现安全抓取。第三，研究采用近端力传感与静态摩擦补偿相结合的方法，在一定程度上提高了接触力估计的准确性，同时避免了远端传感器难以灭菌和高成本的问题。

需要指出的是，本研究仅使用了合成材料样本进行实验，尚未在真实生物组织或动物模型上验证器械性能。此外，抓取模型假设拉力方向与器械轴一致，对于临床中常见的斜向拉力情况，其适用性仍需进一步研究。尽管如此，该研究为低成本、可灭菌的力反馈腹腔镜器械开发提供了一个有价值的范例，并为自动抓取策略的临床应用奠定了初步基础。