Robotic assistance in minimally invasive surgery can greatly enhance surgical precision and reduce surgeon fatigue. This paper presents a focused investigation on the kinematic and ergonomic design principles for a laparoscopic surgical robotic arm aimed at high-precision tasks. We propose a 7-degree-of-freedom (7-DOF) robotic arm system that incorporates a remote center of motion (RCM) at the instrument insertion point and ergonomic considerations to improve surgeon interaction. The design is implemented on a general-purpose robotic platform, and a series of simulated surgical tasks were performed to evaluate targeting accuracy, task efficiency, and surgeon comfort compared to conventional manual laparoscopy. Experimental results demonstrate that the optimized robotic design achieves significantly improved targeting accuracy (error reduced by over 50%) and shorter task completion times, while substantially lowering operator muscle strain and discomfort. These findings validate the importance of kinematic optimization (such as added articulations and tremor filtering) and human-centered ergonomic design in enhancing the performance of robot-assisted surgery. The insights from this work can guide the development of next-generation surgical robots that improve surgical outcomes and ergonomics for the operating team.


翻译:机器人辅助在微创手术中可显著提升手术精度并减轻外科医生疲劳。本文针对旨在完成高精度任务的腹腔镜手术机械臂,对其运动学与人体工程学设计原则进行了聚焦研究。我们提出了一种七自由度(7-DOF)机械臂系统,该系统在器械插入点处集成了远程运动中心(RCM),并融入了人体工程学考量以优化外科医生交互体验。该设计在一个通用机器人平台上实现,并通过一系列模拟手术任务,与传统手动腹腔镜手术相比,评估了其定位精度、任务效率及外科医生舒适度。实验结果表明,优化后的机器人设计实现了显著提升的定位精度(误差降低超过50%)和更短的任务完成时间,同时大幅降低了操作者的肌肉劳损与不适感。这些发现验证了运动学优化(如增加关节与震颤滤波)以及以人为本的人体工程学设计对于提升机器人辅助手术性能的重要性。本工作的见解可为开发新一代手术机器人提供指导,以改善手术效果及手术团队的人体工程学体验。

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