本研究由东京工业大学（Tokyo Institute of Technology）的 Mikio Osaki、Toru Omata 和 Toshio Takayama 完成，发表于 Journal of Robotics and Mechatronics 第25卷第5期，2013年。该研究属于医疗机器人领域的原创性研究，聚焦于腹腔镜手术中可组装机械手与超声传感技术的结合。

在腹腔镜手术中，医生常常需要在对肝脏等大型实质脏器进行内部可视化的同时对其进行操作。传统的腹腔镜超声探头虽然能够获取脏器的解剖信息，但其操作灵活性较差，难以保持与脏器的接触，且不具备抓取或牵拉脏器能力。现有机器人辅助超声系统主要经体表操作探头，或通过手术机器人提高腹腔内传统超声腹腔镜的操控性，但这些系统仍无法同时完成对大型脏器的抓取和诊断。为了解决这一临床需求，研究者将目光投向可组装机械手，即一种可在腹腔内完成组装的机械手，以便通过小切口进入体内后组装成足够大的手来抓取和操作脏器。该研究旨在将超声探头安装到可组装机械手的手指上，使机械手在抓取和操作内部脏器的同时获得诊断信息，并实现抓取安全性监测和手指间相对位姿的测量。

本研究的核心工作是开发了一种带有超声探头的两指五自由度可组装机械手。该机械手由两个对称的手指单元组成，分别为手指R和手指L，每个手指单元包含一个手指和一根轴。手指R的指尖安装超声换能器，手指L则作为被超声成像观察的对象。两者在腹腔内通过三个步骤完成组装：首先将手指R经第一穿刺器插入直至整个手指通过，随后将轴向下移动以在第一穿刺器截面内留出上部空间；第二步将手指L的轴从第二穿刺器插入至第一穿刺器的上部空间；第三步在腹腔外完成两指的机械连接。该设计使机械与电气连接均能在体外完成，显著降低了安装传感器的难度。

在驱动机构方面，该手采用滑块-曲柄机构配合进给丝杠驱动远端关节和近端关节。远端关节通过直径1 mm的不锈钢钢丝绳传递旋转动力，可弯曲45°；近端关节可在−45°至+45°范围内旋转。由于手指关节不可反向驱动，机械手无需主动施加较大力即可被动承受约为5 N的肝叶重力。通过有限元分析，研究者发现最大应力出现在滑块零件上，为205.6 N/mm²，略高于SUS304的0.2%屈服应力206 N/mm²，因此建议换用屈服应力为440 N/mm²的SUS420以提高安全裕度。

该研究采用了两种超声探头方案。第一种方案是使用商用相控阵探头PVF738F（东芝Nemio XG超声系统），其截面为14.8 mm × 19.7 mm的矩形，安装后需较大穿刺器。相控阵探头无需机械扫描机构，能够在较大深度范围内聚焦并获取高分辨率图像。第二种方案是使用单晶片探头IM0705B，其焦距为25 mm，谐振频率为7.5 MHz，通过扇形机械扫描获得图像。由于单晶片探头结构紧凑，该方案可使机械手通过12 mm穿刺器完成组装。

在实验验证方面，研究者首先使用相控阵探头进行了仿体实验。实验对象为模拟脾脏和模拟肝脏的仿体。为了实现对对侧手指的超声显像，研究者设计了一种既能反射又能透射超声的手指L指尖结构：其外金属壳上固定一块塑料板，塑料板上粘贴超声透射凝胶片，凝胶片中嵌入金属标记物。实验结果表明，机械手在抓取仿体脾脏和肝脏时，超声图像不仅显示了脏器的内部结构，还清晰显示了对侧手指L的正面和背面。通过比较不同抓取力下的图像，可以观察到脾脏受压后的压缩变形，这一信息对于安全抓取具有重要意义，因为它能够反映脏器内部的变化，这是传统腹腔镜或力传感器难以获得的。

随后，研究者利用相控阵探头测量了两指之间的相对位置和姿态。实验设置包括一个可精确固定两指相对位置和角度的夹具，位置变量s取−10、0、5 mm，r取20、30、40 mm，角度φ取0°、15°、30°。为了增强超声图像中目标结构的可识别性，手指L指尖安装了铝板和直径3 mm的铝标记物，铝板在B模式图像中表现为直线，标记物表现为亮点。数据处理流程包括图像二值化、膨胀与腐蚀操作、霍夫变换提取直线、标记连通区域识别等。实验结果显示，在r为20 mm和30 mm时可测得全部9种姿态组合，在r为40 mm且φ为30°时因探头未能检测到铝板回波而失败。各距离下最大位置误差为es最高0.7 mm，er最高1.1 mm，最大角度误差eφ最高2.0°。这些结果表明超声回波传感能够以毫米级和度级精度测量两指间的相对姿态。

在活体实验中，研究者改用单晶片探头方案，将机械手在猪腹腔内进行了两次组装和拆卸。组装时间分别为57秒和26秒，拆卸时间分别为18秒和15秒。实验中机械手通过灌注生理盐水扫描肝脏，获得了握持状态下的B模式图像。图像中可观察到来自对侧手指底部线和标记物的强回波，但肝脏内部结构成像不够清晰，这反映了单晶片探头的性能限制。尽管如此，实验证实了该机械手能够在类似人体腹腔的环境中完成组装与拆卸，并能在抓取活体肝脏时观察到对侧抓取手指。

本研究的结论是：带超声探头的可组装两指五自由度机械手能够在抓取仿体肝脾时观察脏器内部、对侧手指及其背面；超声回波传感能够测量两指之间的相对位置和姿态，精度达到位置误差1.1 mm以内、角度误差2.0°以内。该工作的科学价值在于首次报道了腹腔内使用带超声探头的抓取手，拓展了超声传感在非医学机器人手指中的应用范围。其应用价值体现在：该机械手有望在单孔条件下实现脏器抓取与超声诊断的同步进行，提高手术安全性；超声测量两指相对位姿的能力还可用于标定缆绳驱动机器人手指的关节角度误差，弥补因缆绳伸长或扭转导致的运动学不确定性。

本研究的亮点在于：提出了可组装机械手与超声探头结合的新概念；设计了既能透射又能反射超声的对侧手指结构，使抓取过程中可同时观察脏器内部和手指位置；利用超声图像测量两指相对位姿为关节角反馈提供了新途径。此外，论文还讨论了通过12 mm穿刺器的可行性：相控阵探头电缆截面为7 mm直径，若定制可穿过穿刺器内剩余空间的电缆，则两轴与电缆的束径可控制在12 mm穿刺器内，为进一步临床应用提供了设计参考。