本文为单一原创研究论文（类型a），以下为学术报告。
一、研究作者、机构与发表信息
本文题为《The MUSHA underactuated hand for robot-aided minimally invasive surgery》，由Mario Selvaggio、Giuseppe Andrea Fontanelli、Vincenzo Romano Marrazzo、Umberto Bracale、Andrea Irace、Giovanni Breglio、Luigi Villani、Bruno Siciliano与Fanny Ficuciello共同完成。研究团队主要来自意大利那不勒斯费德里科二世大学（University of Naples Federico II）信息技术与电气工程系（Department of Information Technology and Electrical Engineering）及公共卫生系（Department of Public Health）。该研究于2018年5月9日投稿，2018年12月13日修订并接收，最终发表于《The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery》，2019年第15卷，文献编号e1981，DOI为10.1002/rcs.1981。研究由MUSHA项目资助，项目编号为320992。
二、研究背景
微创手术（minimally invasive surgery, MIS）及机器人辅助腹腔镜手术与传统开放手术相比，具有术后疼痛较轻、恢复时间缩短、出血减少及感染风险降低等优势。然而，锁孔手术（keyhole surgery）仍存在显著缺陷：由于工作空间受限、手术系统运动技能非直观，术者手部灵巧性（dexterity）明显丧失；同时触觉反馈缺失易导致组织损伤及缝合等精细任务执行不佳。现有机器人系统（如da Vinci机器人）中使用的普通钳具灵活性有限，且缺乏力测量传感器。为解决上述问题，已有手助腹腔镜手术（hand-assisted laparoscopic surgery, HALS）通过腹壁小切口将术者手部直接伸入腹腔，以获得牵引、触诊及触觉感知等能力，但该技术受限于术者疲劳、器官损伤风险及手术端口位置优化困难等问题。本文研究旨在开发一种名为MUSHA手（Musha Hand, MH）的三指欠驱动微型手术工具，使其能够通过戳卡（trocar）一次性闭合插入腹腔，并在腔内在抓取、推挡及牵开等多种构型间切换，从而在da Vinci机器人平台上实现类人化灵巧操作与力感知能力的结合。研究目标包括：分析不同运动学方案的抓取稳定性与可操作性、设计并测试基于光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）技术的指尖力传感器原型、并借助外科医生反馈确定设计规格与改进方向。
三、研究流程与详细方法
本研究可分为四个主要部分：外科任务约束分析、运动学方案评估、FBG指尖力传感器设计与测试以及MUSHA手原型构建与仿真验证。
第一部分为外科任务约束与潜力分析。研究团队与外科医生合作，依据da Vinci机器人工具接口限制及微创手术操作需求，明确了MUSHA手的设计需求。关键约束包括：工具需通过戳卡进入腹腔，因此手部闭合状态直径需尽可能小；需具备高自由度以完成类人动作；需同时满足精密抓取（如针与缝线）和强力抓取（较大解剖结构）的要求；在组织接触状态下需实现扭转或滚动等灵巧运动；并需符合da Vinci机器人对执行器数量的限制。同时，研究分析了该工具潜在的应用场景，包括在结直肠手术中牵拉肠道、在食管裂孔疝修补术中用作肝脏牵开器、在机器人前切除术中辅助直肠从前列腺分离等。此外，由于运动学已知，该手还可用作卡尺（caliper）测量腹壁缺损尺寸或肠道切缘距肿瘤的距离，并可用于器官触诊以鉴别肠道内容物与息肉等。
第二部分为运动学方案的分析与比较。研究提出了三种候选运动学耦合方案，分别由机械协同矩阵（mechanical synergies matrix）S1、S2和S3描述。该手为三指11自由度（degrees of freedom, DOF）欠驱动机构，由四个电机驱动。S1方案中所有掌指关节（metacarpal joints）解耦，其余关节按类人比例耦合；S2方案中拇指关节与其他手指完全解耦；S3方案与S1相似，但食指和中指的掌指关节耦合，并增加代表腕部机构的自由度。研究利用力封闭代价函数（force-closure cost function）和可控运动分析评估三种方案。具体方法上，基于Prattichizzo等人提出的抓取模型，通过抓取矩阵（grasp matrix）、等效接触刚度矩阵及机械协同矩阵，推导出物体位移δu、接触力δλ与协同驱动δz之间的关系：δu = (GKG^T)^(-1)GKJSδz = Vδz以及δλ = (I − G†_K G)KJSδz = Pδz。在此基础上定义可控主动内力集合与刚体运动集合，并通过Syngrasp工具箱计算力封闭代价函数。实验设定了两条物体姿态轨迹：其一沿z轴从zi=30 mm到zf=40 mm；其二为yz平面内半径r=45 mm、角度θi=77°到θf=108°的圆弧。计算参数为摩擦系数μ=0.5、最小法向力λmin=0.1 N、最大法向力λmax=5 N、外载荷w=[0,0,1,0,0,0]。随后进一步评估了三种运动学耦合在给定期望轨迹下的笛卡尔空间误差，轨迹包括沿z轴平移、沿y轴平移及绕物体x轴纯旋转。该误差源于欠驱动条件下逆运动学求解的近似。旋转误差定义为包含指尖的平面与固定水平面之间绕x轴的角度。
第三部分为FBG力传感器设计。由于微创机器人手术中触觉缺失是导致组织损伤的重要原因，而力感知可用于组织触诊、重建手术力反馈、识别视野外器械与环境的意外接触以及开发先进控制算法。因此研究选择光纤布拉格光栅技术，在每个指尖集成三根布拉格光栅，三根光纤互成120°排列，粘接于远端指节（distal phalanges）中央柱的三个孔内。设计目标是测量法向和两个切向力分量，同时实现微型化并降低更换成本。研究采用有限元分析（finite element analysis, FEA）对塑料材料进行非线性分析，评估在约7 N三轴力作用下结构的应力分布及三根FBG的变形耦合情况。随后搭建了力标定实验平台，该系统由两个竖直支架组成：一个安装指尖原型并可沿三个方向独立运动，另一个安装ATI力/力矩参考传感器并可沿垂直方向移动。采用Micron Optics sm130光学传感解调仪同步采集FBG波长变化。通过施加已知方向和大小的力并记录对应波长变化，建立3×3标定矩阵，将三个力分量Fx、Fy、Fz与三个波长偏移δλ1、δλ2、δλ3线性关联。实验中沿z轴以不同力值采集10组数据，利用MATLAB计算最佳线性拟合并提取传感器特性系数。最后采用10组沿z轴测量数据对比ATI参考传感器与FBG传感器的测量结果，以验证传感器有效性。
第四部分为MUSHA手原型构建与仿真验证。这些仿真是手部原型建立前后的试验评估手段。设计需求确定后，研究团队完成了MUSHA手的概念计算机辅助设计（CAD）。机构组成包括两个轴系，分别连接食指和中指基节，通过一对轴承实现旋转；两个关节轴线相对器械中心轴成20°角；每个轴连接一个圆锥齿轮，实现食指与中指的对称反向耦合运动；另有一个圆锥齿轮与器械轴正交连接，由一对拮抗肌腱驱动，使食指和中指能够旋转张开至牵开器构型。每根手指的近端指节由一对拮抗肌腱驱动；中间指节由单根肌腱配两根弹簧实现拮抗运动；中间指节与远端指节通过一对交叉且拮抗的肌腱耦合，耦合比例为滑轮比约70%，以实现类人的中远节比例。总体而言，每根手指采用一组拮抗双肌腱驱动近端关节，一根单肌腱驱动耦合的中远节运动；另有两根拮抗肌腱用于驱动再配置机构。首件原型按2:1比例采用PolyJet工艺塑料3D打印而成，驱动使用4台Tower Pro MG995伺服电机，单电机扭矩为1.1 Nm，经计算1 Nm足以实现各关节运动并保证指尖最大约5 N的输出力。控制采用Arduino Due微控制器，MATLAB软件实现运动学算法。原型能够切换强力抓取、精密抓取及牵开器三种构型。由于原型尚未成熟，实机手术环境测试不可行，研究通过V-REP仿真环境结合Bullet物理引擎对MUSHA手与软组织的交互进行概念验证。软器官采用具有弹性属性的软三角网格模拟，并锚定于刚性场景中的不同位置。MUSHA手每根手指用三个球体渲染模拟指节。仿真场景包括将MUSHA手安装在da Vinci机器人上，模拟肾上腺切除术中的器官牵引、结肠切除术中的组织抓取以及利用手部运动学测量器官关键尺寸的卡尺功能。与标准腹腔镜器械对比，标准器械在牵开操作中只能利用细圆柱杆身接触组织，接触面积小且增加组织应力；而MUSHA手可通过张开三指形成宽接触面，使力分布更均匀，操作更温和。在抓取任务中，三指多关节结构配合指尖力传感器，可适应不同器官组织的大小与位置，提高抓取稳定性并减少损伤。
四、主要结果
运动学比较结果表明，在沿z轴平移和yz平面圆弧路径中，S1方案的力封闭代价函数值均低于S2和S3，说明S1在稳定抓取方面更优；然而可控运动分析显示，S1的γ矩阵列空间维数为1，即仅能实现沿z轴的一个物体运动方向；S2和S3的维数为2，S2可控制物体在yz平面内运动，S3因腕部存在可在xz平面运动，因此在可操作性方面S2和S3优于S1。三组轨迹跟踪实验结果显示，沿z轴平移时各方案误差均较小，逆运动学求解具有小误差；旋转轨迹中S1跟踪最好，但另两轴误差增大；S2整体误差范数最小；沿y轴轨迹S2表现最佳；沿z轴轨迹S3跟踪最佳。综合来看，S1适合稳定抓取，S2在保持与S1相近的力封闭代价的同时具备更优的物体移动性能，因此S2被确定为最优方案。FBG传感器有限元分析结果显示，在约7 N三轴力作用下最大应力约为4.0e7 N/m²，约为材料屈服应力的四分之一，表明结构强度满足要求；三根FBG在不同方向力作用下产生不同但相互耦合的变形，说明可通过标定矩阵实现力分量解耦。标定实验获得了3×3系数矩阵以建立力与波长偏移关系。沿z轴10次测量对比显示，FBG传感器与ATI参考传感器的平均百分比误差小于5%，证明该技术具备良好测量性能并适用于手术机器人。仿真验证定性地展示了MUSHA手相较于标准腹腔镜器械在器官牵开、组织抓取和尺寸测量等方面的潜在优势，尤其是通过增加接触面积实现更温和有效的操作，且集多个功能于单一器械，可减少术中器械更换带来的时间损失与感染风险。
五、结论
本研究提出了一种用于机器人辅助微创手术的三指欠驱动MUSHA手设计。通过与外科医生的协作，明确了设计需求与约束，并在此基础上提出了三种运动学协同方案。通过力封闭代价函数与可控运动分析以及笛卡尔空间轨迹跟踪误差评估，确定S2方案在抓取稳定性和物体可操作性之间取得最佳平衡。研究还设计并测试了基于FBG技术的指尖三轴力传感器，实验证明该传感器具有低于5%的平均测量误差，且结构应力处于安全范围内，具有微型化、多路复用及抗电磁干扰等优势，适合手术机器人应用。研究初步构建了2:1比例塑料原型，可切换多种手部构型，并在V-REP/Bullet仿真环境中展示了其在牵开、抓取和卡尺测量等方面的潜力。研究的科学价值在于将人体手指协同运动原理与外科手术工具设计相结合，提出的运动学评估与力传感方法为后续手术机器人末端执行器研究提供了可借鉴的框架；应用价值在于MUSHA手有望集成于da Vinci机器人系统，减少术中器械更换次数，提高精细操作与触觉感知能力，从而提升手术安全性。
六、研究亮点
本研究的突出亮点包括：采用低驱动数量控制高自由度欠驱动三指机构，在15 mm直径下实现11自由度，兼顾微型化与灵巧性；提出了基于机械协同矩阵的三种运动学方案系统比较方法，结合力封闭代价与可控运动空间维度，兼顾抓取稳定与操作性能；设计了集成于远端指节的三光纤FBG三轴力传感器，结构应力与测量误差均满足需求，且FBG技术不受电磁干扰、可在关节弯曲条件下稳定工作；通过与外科医生深度协作获取设计约束，并利用仿真环境开展概念验证，兼顾了临床应用导向与工程可实施性。
七、其他有价值的内容
文章还讨论了MUSHA手当前存在的局限性：15 mm器械直径相对da Vinci机器人13 mm戳卡仍不适配，需要更大的手术端口；现有机器人控制台尚不能实现三指遥操作；未来工作将着力于制造1:1比例金属原型，并集成到da Vinci Research Kit平台进行实际测试。此外，研究提及FBG力感知可支持阻抗力控制、自适应虚拟夹具及双边遥操作控制等先进算法的开发，为该工具的进一步智能控制研究提供了方向。