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本研究由Alireza Mirbagheri和Farzam Farahmand等人完成，第一作者隶属于谢里夫理工大学机械工程学院，通讯作者Farzam Farahmand同时隶属于谢里夫理工大学机械工程学院和德黑兰医科大学机器人外科实验室。该研究成果于2012年5月10日在线发表于*The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery*，并于2013年第9卷正式刊出。

从学术背景来看，本研究属于医疗机器人与计算机辅助外科领域，重点关注微创机器人手术中的大器官夹持与力反馈问题。尽管机器人外科系统近年来取得了巨大进步，但在处理脾脏、肠道、肝脏等脆弱的大型腹腔内器官时，仍缺乏能够安全有效夹持并同时提供触觉信息的器械。商用器械如Intuitive Surgical公司的EndoWrist Graptor虽然具有长钳口和凹陷开窗设计，但无法完全约束大体积组织，且由于缺乏力反馈，术者施加的夹持力可能超过安全极限，导致组织损伤。已有研究分别从机械结构设计和力传感两方面提出了解决方案，但尚没有设计能同时满足大组织约束和力反馈两个要求。因此，本研究的目的是将多钳口机械设计与力传感和驱动系统相结合，开发一种新型的机器人化大器官抓钳，并通过初步实验验证其可行性。

在研究方法与工作流程上，本研究分为机械设计、驱动系统设计、力传感系统开发、力跟踪控制方案设计、手持式力指令与反馈系统实现以及实验验证几个主要环节。机械设计基于研究团队此前设计的三钳口手动内窥镜抓钳，该抓钳采用滑块曲柄机构和并联四杆机构，使三个钳口始终平行运动，降低了组织穿孔和滑脱风险，可通过标准10毫米穿刺器进入腹腔，最大展开直径约84毫米。驱动系统方面，研究团队在器械基座上集成了Maxon公司生产的直流伺服电机、减速器、丝杠传动机构和编码器，丝杠可间歇提供最高465牛顿的驱动力，最大进给速度9.2毫米每秒，用于驱动主杆内的驱动杆，进而通过连杆机构实现钳口的开合。在30毫米直径组织上以50千帕压力夹持时，每个钳口需要10牛顿夹持力，对应驱动力为345牛顿。

力传感系统是本研究的关键组成部分。由于钳口空间十分有限，研究团队选用了具有自温度补偿功能的微型应变片，型号为BFLA-2-8，由日本TML公司生产，应变片系数为2.11，其热膨胀系数与钳口材料Ti-6Al-4V钛合金接近。每个钳口的近端部分粘贴单片应变片，接入四分之一桥电路，激励电压为10伏，输出信号经过10赫兹低通滤波和1000倍放大后，由12位PCI数据采集卡进行数字化。标定实验采用悬臂梁方式，将每个钳口水平固定，通过校准的数字测力计在钳口中心施加垂直力，力从0增加到10牛顿再回到0，整个过程持续60秒。标定分别在通电后1分钟、2小时和4小时以及次日通电后1分钟进行，以观察热漂移等环境因素的影响。标定结果显示三个应变片的灵敏度在满量程10牛顿时为0.33至0.51毫伏每伏，力测量分辨率为9.5至15毫牛，噪声水平不超过满量程的0.3%。串扰实验表明纵向力和侧向力对法向力测量的最大误差约为满量程的6.9%。

在力跟踪控制方面，本研究提出了一种基于阻尼控制方法的单边力控制方案。控制器以术者设定的期望夹持力为指令，以三个钳口中最大实际夹持力为反馈，通过力差值与比例系数k的乘积得到驱动电机速度指令。该控制架构在Visual C++环境中实现，并设计了图形用户界面。为了安全，直流电机控制器的最大输出电流限制为200毫安。此外，为了支持手持式独立使用，研究团队在器械手柄上安装了一个悬臂按钮，按钮两侧粘贴两个相同的应变片并接入半桥电路。术者用食指按压按钮，按压力即为期望夹持力指令，同时按钮也能向手指反馈实际夹持力。

实验验证包括力跟踪性能测试、手持操作测试以及模型抓取与组织表征测试。力跟踪测试中，研究团队设置了阶跃、斜坡和谐波三种期望力函数，通过与钳口接触的外部负载传感器测量实际夹持力。阶跃响应的上升时间为469毫秒，稳态误差最大为0.04牛顿；斜坡跟踪最大误差为0.15牛顿；谐波跟踪最大误差为0.66牛顿。手持操作测试中，术者通过悬臂按钮施加随机的斜坡、谐波、脉冲和单调加载卸载力，结果显示最大夹持力与按钮按压力之间的最大误差小于0.7牛顿，但在脉冲指令下由于约100毫秒的系统延迟，瞬时跟踪误差可达6牛顿。

在模型实验中，研究者使用了三个直径为80毫米的圆柱形泡沫试件，弹性模量分别为0.15兆帕、中等刚度和2兆帕，阻尼控制系数k统一设置为800转每分钟每牛顿。结果表明器械可以安全有效地抓取和操作所有试件，无可见损伤或永久变形。通过记录夹持力与编码器位置数据，研究者绘制了三个试件的夹持力随抓取直径变化的曲线。高刚度试件在18牛顿夹持力下直径仅减小14毫米，而低刚度试件在9牛顿夹持力下直径减小了60毫米，显示出明显的刚度差异。该结果表明器械不仅能精确控制夹持力，还能通过力与位移数据表征被抓取对象的整体力学行为。

本研究的结论是，所设计的三钳口力反馈机器人抓钳为大腹腔内器官的安全有效抓取和操作提供了一种潜在的解决方案。该器械既可以作为手持式机器人器械使用，也可以在遥操作框架中作为从端执行器工作。研究团队认为，在遥操作抓取脆弱大器官时，抓取过程本身宜采用本研究的力控制方案，而主从机器人的其他自由度可采用位置前向控制，这种方法比双边控制方案更实用，比单纯位置控制更安全。不过，力传感系统仅测量法向夹持力，且应变片直接粘贴于钳口表面会带来灭菌方面的挑战，需要进一步改进。另外，模型实验仅使用合成泡沫试件，后续仍需在动物器官标本上进行体外和体内实验来验证驱动、传感和控制系统的整体性能。研究团队还计划增加腕部关节以提高器械在腹腔内的灵活性，并开发三指触觉主手以实现完整的遥操作。