机器人辅助远程骨科手术时延控制研究

【摘要】 近年来，机器人辅助远程手术不断发展，它跨越了患者和医生的地理限制，在合理分配医疗资源和远程救治方面具有良好的应用前景。但是，由于远程手术不可避免的存在网络时延，导致系统的不稳定，甚至会对患者生命安全造成威胁。因此，研究远程手术在Internet下的时延控制对于远程手术的发展具有重要的意义。为了对远程手术时延控制进行研究，搭建了远程手术实验平台，实现了主从两端在不同协议下稳定和准确的网络通信。根据实验平台的特点，采用RTT方法精确测量了本地时延和Internet时延，得到了本地时延在CAN总线结构下的时延特性曲线，以及Internet时延在两种传输协议下的时延特性曲线，并分析了时延的特点。根据本地时延相对稳定和可控的特点，同时采用了多线程技术和多事件驱动技术降低了本地时延，得到了稳定、可控和较小的本地时延。同时，采用了极限逼近导数的思想，改进了原有的重力补偿算法，减少了算法耗时，进一步降低了本地时延，保证了本地时延下主操作端的稳定性。根据Internet时延的时变不可控的特点，提出了基于数据标签的数据丢包和乱序处理策略，取得了较高的数据预测准确率。针对Internet变时延对系统稳定性的影响，设计了PID加反馈环节控制的改进型内模控制器，并利用改进的粒子群算法对系统参数进行了优化。通过实验验证了改进型内模控制器在系统的稳定性和抗干扰能力方面均优于普通的内模控制器。最后，通过局域网实验验证了主从遥操作的可行性，同时在局域网条件下模拟了网络变时延，验证了主从遥操作在模拟网络时延下较好的稳定性和快速性。通过广域网主从遥操作实验，初步验证了远程手术在Internet环境下实施的可行性，同时也验证了在真实的网络环境下，基于数据标签的数据丢包和乱序处理策略的有效性。 

第1 章 绪   论 

1.1  课题背景及研究的目的和意义 

1.1.1  课题背景 

机器人辅助远程手术是一门发展十分迅速的远程医疗技术，它是生物学、信息学、机器人学和增强现实等多学科交叉融合的一门新技术。在传统的外科手术中，患者可能处于一些交通不便的边远地区，外科医生短时间内难以到达，这就可能会使患者丧失最佳的救治时机。另外，当患者处于恶劣的环境中，如高辐射和高致命性细菌传染的环境，外科医生如何在保障自身生命安全的情况下，最大限度的救治患者，这些都是传统外科手术面临的问题。机器人辅助远程手术的出现为解决上述问题了提供了一个全新的途径。 

机器人辅助远程手术首先解决了患者和外科手术医生在地理上的隔离，通过信息技术和远程通信将优质的医疗资源辐射到偏远地区，使稀缺的医疗资源得到最大程度的利用，让更多的人得到及时救治。其次，由于远程手术地理上的隔离，使得患者和医生避免了直接接触，这对于救治高辐射、高传染性等危险环境中的患者来说，完全保证了医生的生命安全，使医生在进行手术时消除了对自身安全的担忧，能更加专注的保证手术的顺利进行。最后，在手术质量方面，机器人辅助远程手术有非常高的定位精度，并且能够通过软件消除医生手部抖动，避免误操作的发生，提高了手术的安全性。由于手术器械自由度的增加，使得在普通外科手术中无法到达的病灶位置，可以使用远程手术机器人以微创手术的形式到达，减小了手术开口，降低了患者的痛苦。另外，机器人辅助远程手术对于战场上的伤员救治和外科手术医生的培训方面都具有十分重要的意义。 

机器人辅助远程手术系统主要包括三个方面：本地主操作端、远程通信网络和远程手术端。其中，远程通信网络带来了变时延问题，这会导致远程手术的稳定性、透明性和手术精度受到影响。本文以机器人辅助远程骨科手术为背景，针对远程手术中变时延的存在，提出合理的时延控制方法，对远程手术系统的稳定性和抗干扰能力等进行研究。 

1.1.2  课题的研究目的和意义 

机器人辅助远程手术中变时延的存在给远程手术带来了很多问题。首先本地操作端发送的位置姿态等控制指令无法实时的到达远程手术端，在时间上，远程手术端的手术机器人动作执行产生了一个滞后。从控制理论角度看，变时延的存在会使系统出现不稳定的现象，严重时会导致远程手术机器人的误操作或失控。其次，由于 Internet 存在固有的数据丢包或乱序的现象，这使得远程手术端接收到的控制信息不完整或出现顺序混乱，这都给远程手术的控制系统提出了很高的要求。另外，由于变时延的存在，手术操作者感受到的远端的反馈力、视频图像等信息就会出现延迟，影响医生对手术过程的判断，同时也造成了外科手术医生的临场感大大降低，这对医生的心理承受能力是一个考验。因此，网络时延的存在使得远程手术在手术精度、稳定性和对医生的心理作用等方面都产生了负面影响。 

1.2  远程手术及时延控制研究现状 

网络遥操作发展非常迅速，并取得了很多丰硕的成果。从1948年第一台处理核废料的遥操作机器人开始，经过60多年的发展，遥操作已经延伸到太空机械臂、医用水下机器人、工业机器人、火星车、远程手术等多个领域[16]。其中远程手术在最近十年期间取得了很快的发展。当前专门针对远程手术时延控制研究的比较少，而对于一般的遥操作时延控制研究的比较深入。由于网络时延的随机和时变的特点，使得对时延控制的研究在很多遥操作领域都是相通的。因此，本节将首先介绍网络遥操作的国内外研究现状，重点介绍在远程手术上的应用，然后对网络遥操作中的时延控制理论的发展进行详细介绍。 

1.2.1  国内外远程手术研究现状 

在网络遥操作领域，世界第一台网络遥操作机器人于1993年在美国南加州大学诞生，它来源于一个名叫Merury Project的项目，最初设计为使用户通过互联网控制远端SCARA机器人完成一些简单动作，比如在一个半圆的沙坑里挖掘物品，如图1-1所示。虽然这只是基于Web的远程控制，也没有主操作端的人体学输入设备，但却标志着网络遥操作时代的到来。 

1994年，西澳大利亚大学开展了一项实验，它允许操作者操作者通过Web浏览器，使用鼠标作为输入设备，控制一台ABB生产的工业机器人IRB1410（如图1-2所示）进行简单的操作，比如搬运工作台上的轻质木块或抓取一些其他物品。这也是迄今为止在网上运行时间最长也是最完备的遥操作机器人系统。 

1996年，英国布拉德福德大学对遥操作望远镜机器人系统Bradford Robotic Telescope进行研究，如图1-3所示。用户登录Web，远程控制望远镜转动角度，并且能对镜头焦距进行调整，观测结果会通过邮件的形式发送给用户。 

2000年，加州大学伯克利分校又进行了一次网络协同遥操作机器人实验，这次实验采用了Adept 604-S 4轴机器人，如图1-4所示，它允许多达30名操作者通过网络同时控制机器人动作，机器人内部会每隔3s将这些控制指令综合，最后规划出机器人的运动轨迹。 

第2 章 远程手术时延特性分析 

2.1  引言 

对远程手术时延特性进行分析，是时延控制的基础。为了对远程手术时延特性进行分析，首先要研究时延的组成。远程手术时延包括本地时延和 Internet时延两个方面。本地时延主要是指主操作端的采样周期，由于受硬件或软件的限制，采样频率不能无限大，这使得主操作端的位置或力等信息必须经过一定的时延之后才能通过 Internet 发出。另外，采样周期的大小也影响整个远程手术系统的稳定性和抗干扰能力等问题。  

Internet 时延是指在网络中处理和传输数据所耗费的时间，根据网络覆盖范围不同可分为局域网时延和广域网时延。一般来说，同一实验室或在同一学校，距离在数千米以内的网络统称为局域网。而跨越较大的、地域性的由计算机组成的网络集合，比如跨省、市，以至覆盖国家的网络集合称为广域网。一般来说广域网时延远大于局域网时延，并且广域网时延具有更大的随机性和时变特性。 

2.2 远程手术平台的搭建 

远程手术系统主要由三部分组成：一、由操作者操作的主控端，一般为一个随动的主操作手或其他符合人体工程学的位姿输入装置；二、通信通道，能够进行信息的传输，包括位姿指令的发出和远端信息的返回；三、远程手术端，根据不同手术类型而专门设计的执行手术操作的装置，通过接收主操作端的控制指令进行运动，比如骨科手术机器人、腹腔镜手术机器人、脑外科手术机器人等。在本研究课题中，主操作端和远程手术端采用同构的操作手，这里仅以主操作端为例，对主操作端和通信通道的组成进行介绍。 

2.2.1  主操作端分析 

本地操作端采用的是一个串并联结合的 7 自由度操作手。结构如图 2-1 所示。其中，并联部分采用改进的 Delta 机构实现 3 维平动自由度，串联部分采用旋转轴汇交机构，实现3 维转动自由度。为了提升主手姿态转动的灵巧度，还增加了一个旋转冗余自由度，使得串联部分有4 个自由度，使操作者对主手的操作更加灵活方便。 

主操作端实现的主要功能有四个：一是保持自身的重力平衡，二是力反馈的实现，三是位姿和速度等信息的显示，四是向远端发送控制指令和接收来自远端的反馈信息。其中，主手自身重力平衡是实现力反馈的基础，对主操作手来说，精确的重力平衡效果是衡量主操作手稳定性的重要指标。 

主操作手按照一定的采样周期采集位姿信息，对采集的数据首先进行处理，然后通过 Internet 发送到远程手术端。其中，本地时延就是指主操作手的采样周期。采样周期的大小是由控制系统的软硬件结构共同决定的。本操作手的硬件系统采用 Elmo 驱动器驱动电机执行动作，通过CAN 总线与上位机进行通信。Elmo 驱动器是以色列生产的一款功能强大的伺服电机驱动器，它具有丰富的API 函数，支持电流环、速度环和位置环三个闭环控制模式。它还支持 RS232和 CAN 总线通信协议，并且单条指令的执行时间仅有 1ms 左右，因此，Elmo驱动器具有高集成度和高运算速度，非常适合精密伺服电机的控制。而 CAN总线传输速度较快，可靠性高，抗干扰能力强，并且具有很好的实时性。 

在进行重力补偿的过程中，实时性是决定重力补偿效果的一个重要因素。由于串联部分的冗余自由度只安装光电码盘返回采集的位置信息，没有安装力反馈电机，因此最终挂接在 CAN 总线上的共有 6 个驱动器，这六个驱动器就通过 CAN 总线组成了一个小范围的网络控制系统(Network Control  System，NCS)，如图 2-2 所示。从图 2-2 可以看出，每个驱动器都具有唯一的 ID 编号，以此来区别于其他的驱动器。上位机采用广播的形式发送控制指令，每个指令前都有对应的 ID 号，这样只有 ID 号相同的驱动器才能接收到上位机的指令进行相应动作。 

第 3 章  本地时延控制研究 ..........20 

3.1  引言 .........20 

3.2  基于多线程技术的本地时延控制 ............20 

3.3  基于多事件驱动的本地时延控制 ............... 22 

3.4  本地时延下重力补偿算法分析 ..........24 

3.4.1  重力补偿周期的测定及分析 .............25 

3.4.2 重力补偿算法的改进 ..........25 

3.4.3  改进重力补偿算法的性能测试.......... 28 

3.5  本章小结 ...........30 

第 4 章  INTERNET 时延控制研究 ........31 

4.1  引言 ...........31 

4.2  数据的丢包及乱序处理策略 ............... 31 

4.3  从手端的控制策略研究 ................32 

4.4  基于改进型内模控制的 NCS 系统研究 ..................35 

4.5  基于粒子群算法的内模控制参数优化 ..................36 

4.5.1  粒子群算法的选取 ............36 

4.5.2  目标函数及粒子范围的确定 ..............37

4.6  仿真研究 ............. 38 

4.6.1  被控对象确定及系统离散化 ...............38 

4.6.2  函数1f 的优化 ..................39 

4.6.3  函数2f 的优化 ........... 41 

4.6.4  系统抗干扰性能研究 ................44

第 5 章  基于局域网和广域网的实验研究 ................ 45 

5.1  引言 .......... 45 

5.2  基于局域网的实验研究 ......... 45 

5.2.1  不同采样周期下主从操作实验.............45 

5.2.2  模拟 Internet 时延实验研究 ........... 48 

5.3  基于广域网的实验研究 ................ 51 

5.3.1  基于广域网的实验方案设计 .................51 

5.3.2  远程实验结果及分析............... 52

5.4  本章小结 ............... 55 

第5 章 基于局域网和广域网的实验研究 

5.1  引言      

第二章已经完成了对远程手术实验平台的搭建，这是进行实验研究的基础。通过本地时延控制及 Internet 时延控制的研究为主从遥操作实验提供了理论依据。控制系统的设计包括硬件和软件的设计，其中硬件部分采用模块化设计方法，控制软件的设计采用多线程编程思想。本章将基于局域网和广域网对系统进行实验研究，主要考察系统在变时延下的稳定性和数据丢包和乱序处理策略的有效性。 

5.2  基于局域网的实验研究 

5.2.1  不同采样周期下主从操作实验 

通过第二章的时延特性分析可知，在局域网条件下，本地时延相比于Internet 时延要大的多。本地时延通过多线程多事件的控制方法可以降低到36ms 左右，而基于 UDP 协议的局域网时延只有 0.3ms 左右，因此，在局域网条件下最主要的时延产生于本地时延，本次实验针对不同的采样周期考察系统的稳定性和对主操作手的跟踪性能。 

本次实验的主操作端采用的是串并联结合的 7 自由度主操作手平台，在第二章实验平台搭建中已经进行了介绍。从手采用的一个同构的主操作手，如图5-1 所示。 

由图 5-1 可以看出，从手是一个并联结构，但是上支链的连接采用的是虎克铰，与采用 Delta 机构的主手相比，刚度有所下降，但是却更加轻便和灵活。由于进行的是验证性试验，因此，从手只配置了三个平移自由度，通过并联部分的三个电机实现。 

在主从操作进行之前，需要对主从两端进行零位标定，只有完成了零位标定，主操作端发送过来的位置信息才是有效的，并且能够在从手上精确的重现。零位标定的过程如下： 

（1）  主手初始化自身控制系统，进行自归零操作。规定主操作手的零位在并联机构每个转角达到180°处。 

（2）  从手初始化自身控制系统，进行自归零操作。同样，从手的零位也在并联机构转角 180°处。 

（3）  主手进行网络初始化，采用 UDP 协议。包括从手的 IP 和端口号等，建立发送和接收套接字。 

（4）主手开启重力补偿，位置数据自动开始以设定的周期向从手发送。 

（5）主手在重力补偿下保持位置不变，从手进行再归零操作，接收到前十个数据，根据主手并联机构转角的变化对从手转角进行微调。此时零位标定结束。 

结   论 

本文基于国家“863”项目“面向新疆边远地区创伤医疗中心的智能骨科诊疗装备研究及应用示范”，针对 Internet 下远程手术中时延控制进行了研究。研究工作涉及时延特性分析、本地时延的控制策略研究、Internet 时延的内模控制、系统稳定性和抗干扰分析等诸多研究内容，通过上述研究工作得出以下结论： 

（1）在远程手术时延特性分析方面，针对本地时延，精确测量了驱动器指令耗时和采样周期，得到了本地时延稳定可控的特点，并且发现本地时延值较大，有进一步减小的空间。针对 Internet 时延，得到了局域网和广域网下的Internet 时延特性曲线，并且在不同时间段内 Internet 时延呈现明显的差异，这为进行 Internet 下的远程操作实验提供了参考依据。 

（2）采用多线程技术和多事件驱动技术对本地时延进行了有效控制，测试结果表明本地时延稳定且数值较小。针对本地时延控制对重力补偿效果的影响，改进了重力补偿算法，一方面取得了较好的重力补偿效果，另一方面减少了算法的耗时，降低了本地时延，保证了主手运动的稳定性。 

（3）采用数据标签对数据乱序和丢包进行处理，仿真结果表明数据处理策略取得了较高的数据预测准确率。针对变时延下系统的稳定性问题，设计了 PID和反馈复合控制的改进型内模控制器，并且利用粒子群优化算法对控制参数进行整体优化，仿真结果表明改进型内模控制器在调节时间、超调量和抗干扰性能方面都要优于普通内膜控制器。 

（4）基于局域网的主从操作实验验证了从手的控制策略和主从遥操作的可行性。并且在局域网下模拟网络时延，验证了系统在固定时延和变时延下的稳定性。基于广域网的主从遥操作实验验证了数据丢包和乱序处理策略的有效性和系统在 Internet环境下的稳定性和良好的跟随特性。 

结合已经完成的研究工作，未来还需要进一步研究主手运动速度较快时从手的跟踪性能，保证从手的运动精度和快速性。
 

参考文献:

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