SETY?：一种用于太空安全自主手术的下一代机器人训练平台——在SY-MIS项目中实现的外科生物机械设计与软硬件集成

《Journal of Robotic Surgery》：SETY?: A next-generation robotic training platform for safe and autonomous surgery in space — surgical biomechatronics design and Hardware-Software integration within the SY-MIS project

微重力环境外科手术训练平台开发与验证。采用3D打印PLA材料构建双机械臂系统，通过ESP32和Arduino Nano实现实时运动控制。测试显示最大剪切应力0.482MPa，结构变形仅0.0007mm，关节速度稳定在10°/s以下，扭矩控制在10N·m以内。平台具备紧凑性（400×500mm基座）、能效比（开源控制架构）和教学适配性，验证了在资源受限环境中的可行性，为太空外科培训提供基础工具。

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摘要

引言

在太空中，外科手术的能力受到极端条件的限制，例如微重力环境、通信延迟、外科手术培训以及资源有限等因素。现有的机器人培训平台都是为地面使用而优化的。本研究旨在探索SETY?平台，该平台是在SY-MIS项目下开发的，旨在成为一个紧凑且易于使用的机电外科手术平台，适用于微创手术，并重点关注在资源有限的环境下以及早期机器人培训中的操作可行性，以帮助未来的外科医生适应极端太空飞行条件。最终目标是克服外科医生在培训初期面临的一些障碍，例如尽早接触机器人平台、培训实验室可用性有限、便携性问题、机器人平台的成本问题，以及提高整体外科手术技能和患者护理水平。

设计、环境与参与者

这项实验性可行性研究（2022–2024年）将SETY?系统应用于模拟微重力环境的地面模拟环境中。该系统考虑了人体工程学因素，采用了低成本组件，并采用了开源控制架构，以提高学术和临床培训的可用性。该平台由安装在400×500毫米紧凑基座上的双关节机械臂组成，通过弯曲导轨机构由伺服电机驱动。结构部件采用3D打印的PLA材料制成，并通过有限元分析进行了验证。电气系统使用ESP32微控制器处理控制台输入，Arduino Nano负责臂部控制，通过电位器和操纵杆输入实现八个伺服电机的实时协调。主要平台成果包括机械稳定性、运动精度（速度和扭矩控制）、控制台与机械臂之间的同步性以及在重复循环下的可靠性。次要成果还包括紧凑性、能源效率以及融入培训课程的可行性。

结果

有限元分析显示，系统的最大冯·米塞斯应力为0.482 MPa，变形最小（0.0007毫米），安全系数为15。系统保持关节速度低于10°/秒，扭矩低于10 N·m。正弦波输入下的仿真结果表明运动模式稳定，速度峰值约为±4°/秒，扭矩波动在±0.05 N·m范围内，加速度可达1500°/秒2。电气集成实现了实时同步而无需预测滤波，但由于缺乏基于ROS的框架，系统的互操作性降低，与更高级控制系统的集成也受到限制。虽然观察到了一些小的机械公差和传感器偏差，但这些并未影响系统功能。

结论

SETY?平台在紧凑且节能的设计中展示了机械稳健性、精确的运动控制和功能可靠性。其低成本、开源的配置支持其在外科和医学工程教育中的应用，并具有潜在的太空任务外科手术准备潜力。未来的改进应优化机械阻尼和材料硬度，以提高在高负载或快速机动条件下的性能。

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