一种远程手术机器人网络控制器系统

1.本发明涉及远程手术领域，尤其是一种远程手术机器人网络控制器系统。


背景技术：

2.远程手术机器人网络控制系统主要由主手(医生操作端)系统、从手(病人手术端)系统、通信网络三部分组成。远程手术时，医生坐在控制台前，操作主手运动，控制系统追踪主手的位置、速度信号通过通信网络传递给从手，从手经过运动学逆解之后送给各个关节，保证从手实时追踪主手的位置，响应医生的操作从而完成手术操作。通常具有高精度的手术机器人为多自由度机械手，多时甚至达到7个自由度。
3.当机械手自由度增加时，多个维度之间的多个输入变量与多个输出变量之间存在相互耦合影响，即一个输入量的变化通常会影响多个输出量的变化，一个输出量也不仅仅只受到一个输入量的影响。交叉耦合问题使手术机器人控制系统成为一种条件稳定的系统，这就要求多自由度机器人控制系统必须要进行解耦控制的设计，即如何通过校正使系统的各回路之间信号消除关联，实现解耦。因此，解耦是实现多自由度机器人精确控制的前提。
4.同时，远程通信网络带来了随机、时变、不确定的时延问题。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，随机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。另外，由于随机时延的存在，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。
5.为此，我们提出一种远程手术机器人网络控制器系统解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种远程手术机器人网络控制器系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种远程手术机器人网络控制器系统，包括远程手术机器人系统的内模控制器和主通道控制器，将v规范解耦环节与远程手术机器人系统的内模控制器结合，形成基于v规范型的新型内模控制器，基于v规范型的新型内模控制器包括两个回路，分别为回路1和回路2，两个回路间的传递函数进行分析如下：
9.[0010][0011]
回路1和回路2的输出响应为：
[0012][0013]
将式(13)和式(14)代入(15)可得到回路1与回路2的输出响应传递函数：
[0014][0015][0016]
其中，δg
11
(s)＝g
11
(s)-g
m11
(s)；δg
12
(s)＝g
12
(s)-g
m12
(s)；δg
21
(s)＝g
21
(s)-g
m21
(s)；δg
22
(s)＝g
22
(s)-g
m22
(s)，
[0017]
当机器人机械手对象的模型矩阵等于真实机器人机械手对象时，即δg
11
(s)＝0；δg
12
(s)＝0；δg
21
(s)＝0；δg
22
(s)＝0时，即可得：
[0018][0019][0020]
标称情况下，化简(18)和(19)，得到系统分母如(20)所示：
[0021][0022]
回路1输出响应表达式如(22)所示：
[0023][0024]
因为机器人机械手对象矩阵模型gm(s)为非奇异矩阵，即g
m11
(s)g
m22
(s)-g
m21
(s)g
m12
(s)≠0，再将式(21)进一步化简可得到此时回路1输出为：
[0025][0026]
同理，回路2的输出响应表达式如式(23)所示：
[0027][0028]
同回路1分析，因为机器人机械手对象矩阵模型gm(s)为非奇异矩阵，即g
m11
(s)g
m22
(s)-g
m21
(s)g
m12
(s)≠0，再将(23)进一步化简可得到回路2输出为：
[0029][0030]
在进一步的实施例中，根据式(22)和式(24)所示，当标称情况下，即当手术机器人机械手对象模型矩阵等于真实手术机器人机械手对象时，两个回路之间首先是实现了相互间的完全解耦，即回路1的输出y1仅受到本回路1输入r1的影响；回路2的输出y2仅受到本回路2输入r2的影响。其次，回路1与回路2之间的输出已经转化为开环控制系统，回路1中的反馈回路时延已经从闭环传递函数方程中全部移除，输出响应仅表现在水平方向上平移时刻；同理，回路2中的反馈回路时延已经从闭环传递函数方程中全部移除，输出响应仅表现在水平方向上平移时刻。
[0031]
在进一步的实施例中，所述基于v规范型的新型内模控制结构中，手术机器人控制系统主手端控制器的v规范型解耦环节为w(s)与k(s)，并将，将其等价变换为c(s)，从手端机器人机械手对象矩阵为g(s)，从手端机器人机械手对象矩阵的预估模型为gm(s)，主手端控制器到从手端的时延为从手端传感器到主手端控制器的时延为
[0032]
在进一步的实施例中，开环情况下，针对具有二个自由度的远程机器人网络控制系统进行分析，因此有：
[0033]033][0034]
令
[0035]
将gm(s)、和c(s)代入h(s)并化简可得到：
[0036][0037]
其中，δ(s)＝1-c
11
(s)c
21
(s)c
22
(s)c
12
(s)，令h
12
(s)＝h
21
(s)＝0，可得到：
[0038][0039]
在进一步的实施例中，所述从式(10)中可看出，交叉项传递函数与主通道传递函数有关，当主手端控制器主通道传递函数确定后，可求出交叉项传递函数，而主通道传递函数可通过以下方法设计，机器人从手端机械手对象为稳定非奇异矩阵时，可设计出相应的新型内模控制器。
[0040]
在进一步的实施例中，所述主通道控制器：
[0041]
开环情况下，令g
m11
(s)＝g
m11-(s)g
m11+
(s)，其中为保证控制器是可实现的，将两个通道控制器c
11
(s)与c
22
(s)设计为模型中最小相位的逆与前向滤波器的乘积，其中滤波器每一个通道的ni选取规则是使得控制器是稳定正则的，则主通道控制器可表示为式(11)，
[0042][0043]
将式(11)代入(10)可得到控制器交叉项传递函数为：
[0044][0045]
其中，时延指数项可看作g
m12+
(s)/g
m11+
(s)及g
m21+
(s)/g
m22+
(s)中的不稳定部分，因为c
12
(s)与c
21
(s)中同样已包含校正滤波器，所以设计的控制器能克服一定的网络时延的影响，在时延临界范围内，内模控制器能保持系统稳定。
[0046]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0047]
该发明与远程手术采用的通信协议无关，无论是采用“专网”还是互联网(internet)进行远程手术，该发明提出的方法均能实现系统解耦和网络时延的补偿控制，降低时延对远程手术的影响，以远程手术机器人网络控制系统中真实网络传输的时延，代替网络时延补偿模型，网络时延仅仅表现为时间上的滞后，而不会影响系统的稳定性，实现时延的实时动态补偿，在实现系统信号解耦的同时从结构上实现对网络时延的分段、实时、
在线和动态的预估补偿与控制，无需额外添加硬件。
附图说明
[0048]
图1为一种远程手术机器人网络控制系统拓扑结构；
[0049]
图2为二自由度手术机器人网络控制系统结构模型；
[0050]
图3为基于v规范型的新型内模控制结构图；
[0051]
图4为基于v规范型的新型内模控制器整体设计图。
具体实施方式
[0052]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
远程手术机器人网络控制系统信号耦合及时延问题分析
[0055]
请参阅图1，以一种远程内窥镜手术机器人网络控制系统为例，其拓扑结构如图1所示，从手端传感器实时采集手术现场信息，通过网络反馈到主手端控制器。同时，医生通过显示器观测到工具末端的位置和姿态，主手端控制信号经过主控制器将数据包进行封装后经通信网络发送至从手端。从手端的接收控制器对接收到的数据包进行校验、滤波后发送到机械手运动控制器，在运动控制器中进行逆运动学计算，最终将电机的控制信号输入到各个电机的驱动器，以驱动执行手术操作。
[0056]
请参阅图2，多自由度手术机器人模型可通过降阶转化为二自由度模型，为了便于数学证明，将图1中的拓扑结构图抽象为如图2所示的二自由度结构数学模型，该模型由闭环控制回路1和闭环控制回路2构成，系统由从手端传感器节点s1和s2、主手端控制器节点c、从手端执行器节点a1和a2、主通道手术机器人机械手被控对象g
11
(s)、g
22
(s)和交叉通道机械手对象传递函数g
21
(s)、g
12
(s)构成。r1(s)与r2(s)分别表示两个回路的参考输入信号，y1(s)与y2(s)表示手术机器人两个回路的远程输出信号，m1与m2表示中间变量。远程通信网络存在于两个闭环回路的前向通道与反馈通道当中。存在于两个闭环回路的前向通道与反馈通道当中。和分别代表网络随机时延的指数项。两个主回路之间的输入输出方程如式(1)所示：
[0057][0058]
两个回路的中间变量如式(2)所示：
[0059][0060]
将(2)代入(1)并化简得到式(3)：
[0061][0062]
其中，
[0063]
两个回路之间的连接关系有以下几种方式：
[0064]
(1)特殊情况下，当交叉项g
12
(s)＝0，g
21
(s)＝0时，两个回路之间无耦合，有：
[0065][0066]
此时回路间无耦合影响，从各回路之间闭环传递函数可知，时延将影响各自回路的稳定性，因此需要进行时延补偿控制。
[0067]
(2)当g
12
(s)＝0，g
21
(s)≠0时，存在单方面耦合，即回路1输入将会影响到
[0068]
回路2输出，而回路2输入不会影响回路1输出，此时有：
[0069][0070]
由式(5)可知，此时y1(s)不受回路2的影响，但回路1节点间的时延影响其输出稳定性，而对于回路2来说，特征方程实际是：
[0071][0072]
此时回路1输入信号将影响到回路2输出，回路1的网络时延也会恶化回路2的性能，必须两个回路都稳定，回路2才会稳定。
[0073]
(3)同理，当g
12
(s)≠0，g
21
(s)＝0时，存在单方向耦合，回路1输入不会影
[0074]
响回路2输出，而回路2输入影响回路1输出y1(s)，此时有：
[0075][0076]
由此可见，此时y1(s)不仅受到回路1的影响，还受到回路2信号的影响，而回路2仅受到本回路时延的影响。此时，对于回路1，特征方程同(6)所示。
[0077]
此时回路2中的网络时延将影响到回路1中的输出，需要对两个回路进行时延补偿控制，其两个回路都稳定，回路1才会稳定。
[0078]
(4)通常情况下，g
12
(s)≠0，g
21
(s)≠0，回路间存在信号的双向耦合，耦合的程度
[0079]
可根据相对增益矩阵得到。此时回路1的输入将影响回路2的输出，同时回路2的输入将影响回路1的输出，信号输出的表达式如(3)所示，系统的特征方程如式(8)所示：
[0080][0081]
特征方程中包含时延的影响，且由于耦合的作用，即使手术机器人两个主通道都是稳定的，这个耦合机器人系统也不一定稳定。因此，需对该远程手术机器人网络控制系统进行信号解耦与时延补偿控制。
[0082]
请参阅图3，(一)基于v规范型的新型内模控制器设计方法，其主要思路是：将v规范解耦环节与远程手术机器人系统的内模控制器设计结合，从结构上实现系统信号解耦和时延补偿控制，基于v规范型的新型内模控制结构如下图3所示。
[0083]
其中w(s)与k(s)为手术机器人控制系统主手端控制器的v规范型解耦环节，将其等价变换为c(s)，即：c(s)＝[i-w(s)k(s)]-1
w(s)。g(s)为从手端机器人机械手对象矩阵，gm(s)为从手端机器人机械手对象矩阵的预估模型，是主手端控制器到从手端的时延，是从手端传感器到主手端控制器的时延。
[0084]
开环情况下，针对具有二个自由度的远程机器人网络控制系统进行分析，因此有：开环情况下，针对具有二个自由度的远程机器人网络控制系统进行分析，因此有：
[0085]
令
[0086]
将gm(s)、和c(s)代入h(s)并化简可得到：
[0087][0088]
其中，δ(s)＝1-c
11
(s)c
21
(s)c
22
(s)c
12
(s)，令h
12
(s)＝h
21
(s)＝0，可得到：
[0089][0090]
从式(10)中可看出，交叉项传递函数与主通道传递函数有关，当主手端控制器主通道传递函数确定后，可求出交叉项传递函数。而主通道传递函数可通过以下方法设计，机器人从手端机械手对象为稳定非奇异矩阵时，可设计出相应的新型内模控制器。
[0091]
(二)主通道控制器设计：开环情况下，令g
m11
(s)＝g
m11-(s)g
m11+
(s)，其中为保证控制器是可实现的，将两个通道控制器c
11
(s)与c
22
(s)设计为模型中最小相位的逆与前向滤波器的乘积，其中滤波器每一个通道的ni选取规则是使得控制器是稳定正则的，则主通道控制器可表示为式(11)：
[0092][0093]
将式(11)代入(10)可得到控制器交叉项传递函数为：
[0094][0095]
其中，时延指数项可看作g
m12+
(s)/g
m11+
(s)及g
m21+
(s)/g
m22+
(s)中的不稳定部分，因为c
12
(s)与c
21
(s)中同样已包含校正滤波器，所以设计的控制器能克服一定的网络时延的影响，在时延临界范围内，内模控制器能保持系统稳定。
[0096]
请参阅图4，根据以上(2)可设计出主通道控制器，再根据(1)的设计原理，可得出如图4所示的基于v规范型的新型内模控制器整体设计。
[0097]
现对图4中两个回路间的传递函数进行分析如下：
[0098]
[0099][0100]
回路1和回路2的输出响应为：
[0101][0102]
将式(13)和式(14)代入(15)可得到回路1与回路2的输出响应传递函数：
[0103][0104][0105]
其中，δg
11
(s)＝g
11
(s)-g
m11
(s)；δg
12
(s)＝g
12
(s)-g
m12
(s)；
[0106]
δg
21
(s)＝g
21
(s)-g
m21
(s)；δg
22
(s)＝g
22
(s)-g
m22
(s)。
[0107]
当机器人机械手对象的模型矩阵等于真实机器人机械手对象时，即δg
11
(s)＝0；δg
12
(s)＝0；δg
21
(s)＝0；δg
22
(s)＝0时，即可得：
[0108][0109][0110]
标称情况下，化简(18)和(19)，得到系统分母如(20)所示：
[0111][0112]
回路1输出响应表达式如(22)所示：
[0113][0114]
因为机器人机械手对象矩阵模型gm(s)为非奇异矩阵，即g
m11
(s)g
m22
(s)-g
m21
(s)g
m12
(s)≠0，再将式(21)进一步化简可得到此时回路1输出为：
[0115][0116]
同理，回路2的输出响应表达式如式(23)所示：
[0117][0118]
同回路1分析，因为机器人机械手对象矩阵模型gm(s)为非奇异矩阵，即g
m11
(s)g
m22
(s)-g
m21
(s)g
m12
(s)≠0，再将(23)进一步化简可得到回路2输出为：
[0119][0120]
根据式(22)和式(24)所示，当标称情况下，即当手术机器人机械手对象模型矩阵等于真实手术机器人机械手对象时，两个回路之间首先是实现了相互间的完全解耦，即回路1的输出y1仅受到本回路1输入r1的影响；回路2的输出y2仅受到本回路2输入r2的影响。其次，回路1与回路2之间的输出已经转化为开环控制系统，回路1中的反馈回路时延已经从闭环传递函数方程中全部移除，输出响应仅表现在水平方向上平移时刻；同理，回路2中的反馈回路时延已经从闭环传递函数方程中全部移除，输出响应仅表现在水平方向上平移时刻。
[0121]
从以上分析可知，标称情况下，即手术机器人机械手模型与真实模型匹配时，提出的新型内模控制器设计方法能实现系统的解耦和时延补偿控制。当手术机器人系统模型失配时，输出信号出现偏差，即使回路1仍然受到来自于回路2信号的干扰，回路2仍然受到来自于回路1信号的干扰，但模型失配带来的偏差仅对本回路输出性能造成影响，并不影响到系统稳定性。为了克服模型偏差时造成的系统性能下降，可进一步结合智能算法进行内模控制器设计，以增强各自回路间的抗干扰能力。
[0122]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0123]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。