本文提出了一种用于骨科手术的振动补偿连续体机械臂（continuum manipulator, CM）钻削系统。该研究由Justin H. Ma、Hao Yang、Doru Petrisor、Dan Stoianovici、Alex Johnson、Amit Jain、Kwok Wai Samuel Au、Russell H. Taylor和Mehran Armand等人完成，主要作者来自Johns Hopkins University的Biomechanical and Image-Guided Surgical Systems Laboratory、Laboratory for Computational Sensing and Robotics及Department of Orthopaedic Surgery，合作单位包括Vanderbilt University、The Chinese University of Hong Kong和University of Arkansas。论文发表于IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，于2025年2月12日投稿，2025年5月27日修订，2025年7月7日接收。
本研究属于微创骨科手术（minimally invasive orthopaedic surgery, MIOS）机器人领域，核心目标是解决连续体机械臂在骨组织钻削和铣削过程中因低弯曲刚度而产生的颤振（chatter）问题。连续体机械臂因其优良的工作空间特性和在狭窄不规则空间中的通过能力，在微创手术中具有广泛应用前景。然而在骨科手术中，由于骨组织切削力较大且方向复杂，连续体机械臂的柔顺性反而导致切削过程不稳定，限制了其在高速铣削和去骨操作中的应用。此前的研究大多集中于软组织手术，针对骨科应用的连续体机械臂系统仍属空白。为解决这一问题，作者提出了一种具有高带宽缆绳张力控制能力的连续体机械臂钻削系统，并通过仿真、台架实验、体模实验和尸体实验验证其临床可行性。研究的主要目标包括：设计适用于骨科钻削和铣削的连续体机械臂本体；开发具有高带宽响应的驱动单元；通过系统辨识和控制器设计抑制切削振动；在多种骨科手术场景中验证系统的灵活性、稳定性和材料去除能力。
在系统设计层面，研究首先明确了临床需求。根据文献中的解剖学统计数据，确定了目标手术的工作长度，并据此规定连续体机械臂的最小弯曲长度为35 mm。针对骨钻削力，采用Zdero等人提出的经验公式估算，在股骨皮质骨极限抗拉强度（ultimate tensile strength, UTS）为135 MPa、钻头直径6.35 mm、转速2500 r/min、进给速度30 mm/min的条件下，轴向钻削力约为18 N，扭矩约为41 N·mm；对于骨铣削，根据文献报道的切削力数据并结合刀具线速度的倒数关系，估算6.35 mm直径刀具在5000 r/min时的切削力范围为3.8至11.6 N。这些数据为连续体机械臂的力学性能设定了设计指标，即至少能承受42 N轴向压缩和12 N缆绳张力。
连续体机械臂本体采用外径6 mm、内径4 mm、弯曲长度35 mm的平面弯曲（planar-bending）设计，主体由超弹性镍钛合金（nitinol）加工而成，远端8 mm延长头由304不锈钢制成。与以往设计相比，该机械臂的缺口（notch）厚度从恒定0.4 mm改为线性变化，近端21个节段厚度从0.6 mm线性递减至0.4 mm，远端6个节段保持0.4 mm，从而在保持远端灵活性的同时提高近端抗屈曲能力。每个节段上增加了突起和凹槽结构作为机械限位（end-stop），防止过度弯曲时发生扭转或滑移。通过ANSYS有限元分析（finite element analysis, FEA）验证，在远端施加60 N·mm弯矩（相当于24 N缆绳张力）时，最大应力为445.3 MPa、应变为1.4%，仍处于镍钛合金的超弹性工作范围内；在50 N轴向压缩载荷下，最大位移为0.46 mm，最大应力为429 MPa。模态分析（modal analysis）显示前三个固有频率分别为29.48 Hz、172.66 Hz和146.97 Hz，其中第一阶模态对应连续体机械臂弯曲平面内的最低刚度方向，因此系统驱动带宽应至少超过60 Hz。
在驱动单元方面，作者设计了一套直接绞盘驱动（capstan drive）系统，并集成了定制的低惯量缆绳张力传感器（cable tension sensor, CTS）。该传感器采用叶片弹簧杠杆机构将缆绳张力传递至压缩式称重传感器（load cell），相比此前将称重传感器串联在缆绳上的方案，运动质量更小、成本更低。驱动电机为maxon EC-i 40无刷直流电机，连续扭矩129 N·mm，机械时间常数0.641 ms，绞盘节圆直径9 mm，实现缆绳一比一传动。柔性切削器械（flexible cutting instruments, FCIs）由切削头、法兰球轴承、扭矩线圈和刚性轴组成，扭矩线圈额定参数为1 N·m扭矩、10000 r/min转速和30 mm弯曲半径。在手持配置下，系统总质量1.5 kg，带有单轴操纵杆用于双向弯曲控制；在机器人配置下，可通过定制末端执行器安装到UR10e机械臂上。
实验部分首先对CTS进行标定。初始标定使用单个缆绳和力/扭矩传感器（force/torque sensor, F/T sensor），得到二阶多项式标定曲线，误差小于1%均方根误差（root-mean-square error, RMSE）。完整装配后发现CTS输出在左右弯曲方向上灵敏度不对称，因此引入分段补偿增益1.81，最终标定曲线的峰峰值RMSE小于1.5%。系统辨识采用频率扫描（chirp）扭矩输入，幅值45.4 N·mm，频率范围0至200 Hz，以电机扭矩为输入、缆绳张力为输出，建立了离散时间六阶状态空间模型，归一化RMSE为9.49%。力信号的功率谱密度（power spectral density, PSD）显示共振频率为29.2 Hz、69.1 Hz、115.8 Hz和154.4 Hz，其中首尾频率与模态分析结果一致，中间频率推测来源于柔性切削器械。基于辨识模型设计了离散时间比例-积分（proportional-integral, PI）控制器，参数为P=2.25、I=185、采样周期0.0008 s。阶跃响应实验表明，系统上升时间8.9 ms，整体RMSE为0.51 N，稳态RMSE为0.02 N，比此前报道的系统快两个数量级。
台架切削实验量化了系统的材料去除率（material removal rate, MRR）。使用密度10至50 pcf的Sawbones聚氨酯泡沫块模拟松质骨，铣刀转速10000 r/min，缆绳张力设定为15 N，最大轴向切深。结果显示MRR随密度增加呈负指数下降，10 pcf时达到1700 mm³/s，50 pcf时为18.67 mm³/s。相比之下，此前系统在10 pcf下仅能达到208 mm³/s。对切削力PSD的分析表明，采用张力控制的铣削试验相比开环速度控制在100至250 Hz频段内的振动功率显著降低，总RMS降低31 dB。J形钻孔实验在20 pcf Sawbones块上进行，使用5 N、10 N和15 N三组缆绳张力，钻头转速2500 r/min，轴向进给速度0.5 mm/s，插入深度45 mm。结果显示随着缆绳张力增加，钻孔轨迹曲率半径从83.5 mm减小到37.6 mm，切削力稳定，验证了连续体机械臂在主动弯曲的同时能够承受轴向压缩力。
在临床模拟实验中，系统以手持方式进行了四类手术场景验证。股骨头坏死（osteonecrosis, ON）实验中，连续体机械臂在37 s内到达股骨头皮质，并通过双向扫掠实现了大于刀具直径的扩孔效果。后交叉韧带重建（posterior cruciate ligament reconstruction, PCLR）实验中，系统通过胫骨隧道实现S形轨迹钻削，股骨隧道角达到57°，优于商用柔性铰刀的44.7°±7°。经椎间孔腰椎椎间融合术（transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF）实验中，连续体机械臂在椎间盘模型中的可及面积比真空刮匙（vacuum curette）增加了89%，尤其能够到达对侧后方象限。股骨髋臼撞击症（femoroacetabular impingement, FAI）尸体实验中，骨科医生在关节镜和X光实时反馈下，通过单个8 mm切口对股骨头皮质骨进行铣削以模拟病灶去除，证明了系统能够切割皮质骨。
本研究的主要结论是：通过高带宽缆绳张力控制与变节段厚度平面弯曲连续体机械臂的协同设计，能够有效抑制骨科手术中的切削颤振，显著提高材料去除率和系统稳定性。该系统的科学价值在于首次实现了连续体机械臂对皮质骨的切削，并从频域角度系统性地建立了振动补偿与驱动带宽、机械结构固有频率之间的关系。应用价值方面，该系统可覆盖髋、膝、脊柱等骨科主要手术区域，在单一切口下实现J形和S形轨迹的主动钻削与铣削，减少健康组织损伤，扩大可达工作空间。研究亮点包括：首次报道连续体机械臂在骨科手术中达到1700 mm³/s的铣削去除率；定制化低惯量CTS传感器与直接绞盘驱动实现了8.9 ms的张力阶跃响应；以及在尸体模型中成功完成皮质骨铣削。未来工作将聚焦于与机器人辅助导航系统的集成以及针对连续体机械臂灵巧性的路径规划方法开发。