双边遥操作微创手术系统中FPAA混合控制系统的研究

发布时间：2020-09-12 20:39

　　双边遥操作控制系统的设计需要满足系统稳定性和系统透明性的要求,以实现信息反馈的真实性和实时性。作为双边遥操作系统在生物医学工程方面的应用之一,遥操作微创手术系统及其训练系统的应用日益广泛。该类医用遥操作系统工作的前提是稳定的系统环境,而当手术器械间或手术器械与骨骼等组织进行硬物碰触时,若系统的透明性无法达到理想值,就会降低信息反馈的强度,影响手术效果。因此,研究同时满足高稳定性和高透明性的双边遥操作控制系统是十分必要的。目前,对影响控制系统性能因素的研究,主要针对通讯网络的延迟、终端无源性等,而很少涉及控制器离散化带来的影响。本文从分析模拟控制在遥操作系统中的透明性入手,采用可编程模拟门阵列(Field Programmable Analog Array,FPAA),降低控制器离散化对双边遥操作系统的影响,推导混合控制方法下系统的稳定性条件,分析系统的透明性。论文的主要研究工作如下:研究了模拟控制在双边遥操作系统中的透明性,在测定了双边遥操作系统的稳定性范围后,通过分析系统的混合传输矩阵参数取值,从数值和实验两方面,将两种控制器的透明性进行了对比。结果表明,在系统稳定的前提下,模拟控制的双边遥操作系统的混合传递矩阵,相较于数字控制下的同一系统,各项参数值都更接近于理想值,具有更好的力跟踪和位姿跟踪效果。搭建了基于FPAA的双边遥操作模拟控制系统。在对透明性的分析实验中,当操作者操作主机器人,从属机器人无负载且不接触任何操作对象时,基于FPAA的遥操作系统的位姿跟踪误差值要小于数字控制下的同一系统;在需要高阻抗反馈的遥控开关实验中,基于FPAA的控制系统,将操作者的任务成功率由20%~40%提高至了90%以上。两个实验结果表明,基于FPAA的双边遥操作系统不仅具有良好的位姿跟踪效果,而且有效地提高了操作者的阻抗感知效果,降低了控制器离散化对系统透明性的制约,证明了FPAA在双边遥操作控制系统中应用的可行性及在透明性上的优势。考虑到模拟控制电路的限制条件,如运放饱和,不利于实现复杂计算等,为了扩大双边遥操作系统的使用范围,搭建了基于FPAA模拟/数字混合控制的双边遥操作系统。分析、推导出了混合系统的稳定性条件,考虑了系统是否存在延迟,终端是否有源四种的情况,为实际应用中确定稳定性提供了理论依据。在稳定区域内,采用混合控制器时,采样周期为1ms时的数字比例增益的最大值由30 N?m rad提高至40 N?m rad;另一方面,与单一控制系统(纯FPAA/纯数字控制)相比较,当操作者使用所设计的控制器时,不仅使得遥控开关任务中的主、从位移误差由0.09/0.21厘米减小至0.05厘米,且在力反馈透明性分析实验中,物体硬度辨识的成功率由40%提高至90%以上,验证了稳定条件下混合控制方法可以提供较高的透明性。作为实体双边遥操作系统的补充,对作为遥操作辅助和训练系统的双边虚拟触觉手术仿真系统的控制稳定性和透明性进行了研究。本文将基于FPAA和数字混合控制的控制器嵌入实验室自主研发的微创腹腔手术仿真系统,对其稳定性进行了推导,考虑了系统是否存在延迟,终端是否有源等4种情况。通过仿真,得到了虚拟触觉手术仿真系统在无延迟和有延迟两种情况下,数字控制增益的测定值,有利于确保训练系统的稳定性。相较于实验值,稳定性条件的理论值范围要更加保守。基于FPAA模拟和数字混合控制的方法,不仅可以应用于实体双边遥操作系统,并且可以为双边虚拟触觉手术仿真系统提供较高的控制增益,本文提出的稳定性条件填补了遥操作系统混合控制下稳定性不等式的空白,为系统是否有源,是否存在延迟等多种情况下的系统设计提供了理论依据。研究FPAA模拟和数字混合控制方法在遥操作领域的应用,为提高遥操作系统控制增益和系统透明性,增加远程医疗手术系统信息反馈的真实性提供了新的思路。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TP273;R318
【部分图文】：

框图,遥操作系统,框图

1.1 引言当任务目标在危险或无法触及的环境中时，遥操作系统可以帮助人们完成任务操作。如图1-1所示，系统包含操作者，主机器人，从属机器人，通讯网络和控制系统，操作环境/操作对象。理想情况下，从属机器人能够在操作环境中，完全执行主机器人的位移轨迹，且主机器人能够向操作者，输出无误差的力反馈信息。当只有一个主/从属机器人时，系统为单边遥操作系统，当有多个主/从机器人时，系统即为多边遥操作系统。本文主要针对双边遥操作系统进行研究，目前，该类遥操作系统在工程应用中

框图,遥操作系统,远程手术,框图

当任务目标在危险或无法触及的环境中时，遥操作系统可以帮助人们完成任务操作。如图1-1所示，系统包含操作者，主机器人，从属机器人，通讯网络和控制系统，操作环境/操作对象。理想情况下，从属机器人能够在操作环境中，完全执行主机器人的位移轨迹，且主机器人能够向操作者，输出无误差的力反馈信息当只有一个主/从属机器人时，系统为单边遥操作系统，当有多个主/从机器人时，系统即为多边遥操作系统。本文主要针对双边遥操作系统进行研究，目前，该类遥操作系统在工程应用中，范围最广，主要涉及远程手术系统，远程水下、空中探测系统等等[1-19]。图 1-1 双边遥操作系统框图Fig. 1-1 A bilateral teleoperation system block diagram

示意图,虚拟环境,仿真系统,示意图

由从机器人对患者进行接触操作。其中控制系统的行为，可以看作是整个体系的大脑，控制系统的性能必须满明性的要求。微创手术的双边遥操作控制系统，要兼顾微创手术和遥操作两象/环境上来说，人体组织周围涉及大量的神经和血管，需要在的同时，减少不熟练的、多余的操作动作对人体带来的损伤。不直接接触应用对象（人体组织和器官）的双边遥操作系统中感受到近似于手触感知到的触觉反馈等，而且能够在微创接触准确地完成精简、准确的手术动作。求面向微创手术的双边遥操作控制能够提供实时传递操作命令姿反馈，减少系统传递信息过程中的误差，在保证系统稳定的的透明性。本文通过FPAA混合控制，针对微创手术遥操作系统高要求，提高控制系统在稳定性和透明性两方面的表现，改善

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