微创外科机器人控制系统

微创外科手术机器人系统由于其特殊的机构设计，可极大地拓展医生的能力，克服手动微创手术的缺陷与运动限制，充分发挥微创手术的优势;用机器人技术结合医生的经验，不仅提高了手术质量和安全性，减轻了病人的痛苦，缩短了术后恢复时间，而且使微创手术技术应用于更精密的手术领域，扩展了微创技术的应用范围。本文介绍了微创外科手术机器人系统。主要介绍了其控制方法和理论。关键词：微创外科手术，主从操作AbstractAsitsspecialmechanismdesign，aminimallyinvasivesurgiealrobotcangreatlyextendtheabilityofsurgeonstobreakthroughthelimitationsofmanualminimallyinvasivesurgeryandthentakeadvantagesofminimallyinvasivesurgery.Combiningrobottechnologyandexperienceofasurgeon，itcannotonlyimprovethequalityandsecurityofasurgery,shortenthecuretimeandreducethePatients’cost，butalsoapplytheminimallyinvasivesurgerytechnologyintoprecisionsurgeryareasandthenenlargetheapplication,areasoftheminimallyinvasivesurgery.Thepaperintroducestheminimallyinvasivesurgeryrobotsystem.Maincontentisthecontrolmethodandtheory.Keywords:minimallyinvasivesurgery，teleoperationTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章绪论 1\o"CurrentDocument"1.1本课题的研究背景 1\o"CurrentDocument"1.2微创外科手术机器人的国内外发展状况 1\o"CurrentDocument"1.3微创外科手术机器人的主从遥操作 2\o"CurrentDocument"第二章微创外科机器人的控制方案 3\o"CurrentDocument"2.1主从控制系统的操作方式 3\o"CurrentDocument"2.1.1手动控制 3\o"CurrentDocument"2.1.2监督控制 3\o"CurrentDocument"2.1.3自动控制 4\o"CurrentDocument"2.2机器人的控制策略 5\o"CurrentDocument"2.2.1位置伺服型 5\o"CurrentDocument"2.2.2力反射型 6\o"CurrentDocument"2.2.3力反射伺服型 7\o"CurrentDocument"2.3PID控制的三个基本环节 7\o"CurrentDocument"第三章遥操作机器人控制系统的缺点 8\o"CurrentDocument"3.1遥操作机器人系统主从控制的缺点 8\o"CurrentDocument"参考文献 9第一章绪论1.1本课题的研究背景微创外科手术是通过腹腔镜、胸腔镜等内窥镜在人体内施行手术的一种新技术。它通过在病人腹部开几个直径约5-10mm的小孔进行手术操作的。其中，一个小孔内置入内窥镜，病人腹腔内部环境以图像形式显示在显示器和电视屏幕上，同时，经其余小孔置入细长的手术器械，手术人员一边通过显示器或电视屏幕观察病人体内情况，一边进行手术器械操作，相对于开放式手术，微创外科手术具有创伤小、痛苦少、恢复快的优点。在取得临床应用上的巨大成功同时，微创外科技术也存在着诸多不足之处，如：（1）手术工具灵活性不足；（2）操作时的“杠杆效应”（眼手不协调）；（3）微创手术临床教学与手术培训时间较长；（4）手术中医生容易疲劳；（5）手术中难以保持内窥镜图像的稳定、清晰以及和手术医生的意图的高度一致；（6）医生直接接触放射线或传染病人等，机器人辅助微创外科技术的到来在很大程度上弥补了这些缺陷。此外，在手术执行过程中，由于机器人操作的稳定性和精确性，往往可以在同等情况下实现比传统的人工手术更好的手术效果。比如在关节置换手术中，使用外科机器人切割和打磨的人体骨断面比手工切割的骨断面与需要植入的人工关节的吻合程度要高很多。由于机器人辅助手术技术在手术操作的精确性、可靠性和安全性等，机器人技术在医疗手术领域得到了长足的发展，并取得了很好的临床应用，外科手术也因此进入了一个全新的领域。1.2微创外科手术机器人的国内外发展状况目前，微创外科手术机器人正处于由实验研究向临床应用过渡的阶段，且已有机器人产品在商业市场上取得了巨大的成功。医疗机器人技术的出现不仅带动了医学技术的革新，同时作为发展中的新型产业，有着不可估量的广阔市场前景，因而成为世界经济一个新的增长点，受到世界各国的重视。近年来，包括我国在内的多个国家纷纷对此进行立项投资，积极开展医疗机器人方面的技术研究工作[1]O1995年，美国的航空航天管理局下属的空气推进动力学实验室与美国的微型灵巧系统公司合作，研制出了用于眼科手术的机器人辅助显微外科手术系统(RAMS)。1996年初，美国ComputerMotion公司利用研制AESOP系列机器人积累的在计算机和机器人方面的关键技术，推出了ZEUS遥操作机器人外科手术系统"4。2000年，美国IntuitiveSurgical公司成功开发出DaVinci外科手术机器人系统，2001年，该系统通过美国FDA认证并开始实施腹腔微创外科手术，被誉为“主从式医疗机器人发展史上的里程碑”⑸，它是目前为数不多的已成功打入世界市场的商业化医疗机器人之一。手术时外科医生可坐在远离手术台的控制台前，头部贴近视野区，双眼接受来自不同摄像机的完整图像，共同合成术野的三维立体图像。医生双手控制操作杆，手部动作传达到机械臂的末端手术工具处完成手术操作⑹。此外，国外其它一些较为成功的机器人辅助微创外科手术技术研究成果如美国Washington大学开发的为军队战地远程外科手术设计的小型机器人Raven系统，德国宇航中心(DLR)开发的针对搏动心脏进行手术的Mirosurge操作系统等等。国内方面，研究人员经过多年来的不懈努力，也取得了丰硕的成果。2004年，由天津大学、南开大学、天津医科大学总医院合作开发的MicroHandA机器人系统更是填补了国内空白，成为我国第一台自主研发的微创外科手术机器人。2005年，天津大学研制成功显微外科手术机器人系统一“妙手”。“妙手”系统主要针对显微外科手术，具有缝合打结功能，并具有力触感与力反馈能力，可实现远程手术操作。1.3微创外科手术机器人的主从遥操作主从遥操作机器人是目前在微创手术机器人领域应用最为广泛的一种方式，即通过设计特殊的机械结构，实现围绕手术工具的腹腔插入点，同时也是机器人固有的远端运动中心点(RCM点)运动的功能。机器人由主操作臂和从操作臂两部分组成，由使用者操作主操作臂，向远端的机器人从操作臂发出指令信息，并控制机械从操作臂进行相关的动作，同时它还负责将远端机械从手的力信息加以反馈，通过自身的驱动机构让使用者产生真实的力感觉。主从机器人的工作实质就是将操作者的动作实时地、准确地映射到从手末端工具处，从而实现手术作业。系统的主操作手的机构设计应满足人体的生理要求和舒适性，从操作手的机构设计则需要考虑手术台周围的环境、手术机器人的位置，以及手术工具运动的安全性、灵活性等诸多因素。第二章微创外科机器人的控制方案2.1主从控制系统的操作方式2.1.1手动控制手动控制方式，见图2.1。由操作人员、计算机A、计算机B、控制器、执行器、被操作对象、传感器、摄像机和显示器组成了一个闭环控制回路。手动控制方式中，操作人员作为整个闭环反馈控制回路的一部分而存在，完成决策、判断、操作执行等功能。为了在空间分割，不能直视的环境下进行遥操作，手动操作要求至少有视觉反馈，最好有力觉反馈等其他反馈。在理想情况下，操作的效率和结果取决于操作人员的个人因素。存在延迟的情况下，遥操作机器人系统的效率下降，遥操作的稳定性和精度很难保证。值得注意的是，手动控制中，由于视觉反馈、力觉反馈等的局限性，操作人员的操作和判断受到的影响很大，虚拟现实技术可以消除这一限制，从而提高手动控制的效率和精度。图2.1网络环境下遥操作机器人系统结构2.1.2监督控制监督控制方式，见图2.2。在监控方式中，操作人员以人一机对话的方式进行机器人作业信息的收集并对机器人下达各种指令，使与计算机有密切联系的传感器和驱动器有效的进行工作。操作人员和计算机A、计算机B以及显示器构成一个信息循环一监控回路，由计算机B监控器执行器、传感器和摄像机构成另外一个信息循环一闭环控制回路，这两个回路之间以反馈信息为主，只有很少量的子任务指令信息。从总体上看，这两个信息回路所构成的是一个开环控制系统。由于延迟对于开环系统来说，没有什么本质的影响，所以，监控方式是从根本上解决机器人遥操作中通信延迟最有效的方法之一。操作人员并不是反馈控制回路的一部分，控制回路中也不包含通信延迟，这样的系统中不存在因延迟引起的不稳定和透明性等问题。但是，整个系统按操作人员预期运行仍需要满足以下三个条件：监控回路中的通信延迟小于每个子任务执行所需的时间，所以每个子任务应相当大；远程机器人工作环境中的无法预料的因素不能变化过快；远程机器人可靠性很高。以监控方式运行的遥操作机器人系统中，远程机器人应该是具有感知功能的机器人或者智能机器人，可以半自主方式运行。借助机器人的局部智能，及时处理远程工作环境中的突发紧急事件，提高整个系统的工作效率和适应能力。这也是目前遥操作机器人最常见的操作方式。图2.2监督控制方式图2.2监督控制方式操作时象操作人员2.1.3自动控制典型的自动控制方法，如图2.3所示。自动控制方法中，操作人员即不需要对机器人进行监视，也不需要对机器人下达指令，远程机器人处于完全自主工

作状态中。操作人员不参与控制，仅从远程机器人处获得信息，这要求远程机器人必须具有高级智能，能够完成任务的规划和执行，以及评价等工作。这种控制方式中，操作人员也不是反馈控制回路的一部分，控制回路中也不包含通信延迟，同时，不存在操作人员和远程机器人的实时交互，因此，该控制方式是从根本上解决通信延迟最理想的方法。限于目前智能机器人的研究进展，完全自主运行的智能机器人还难以实现，因此，现实的遥操作机器人系统中很少采用这种控制方式。图2.3自动控制方法2.2机器人的控制策略微创外科主从机器人系统使用双向伺服控制［7］，双向伺服控制一般采用的是位置伺服型、力反射型和力反射伺服型等控制方案。它们目的都在于保证系统稳定的前提下，提高系统的操作性能。2.2.1位置伺服型这是一种对称系统，如图2.4所示。它是双向可逆驱动的，依靠主、从手的相对空间位置差分别驱动从手随动主手和驱动主手实现力觉反馈。该系统结构简单、工作稳定。但由于系统缺少力传感器，对从手的负载力没有较为准确的测定，如主、从手相对空间位置一致，主手就无力反应。因此，操作者在操作过程中缺少临场感⑻。该型系统的传动装置要求较高（主要是减速器），在设计中需要尽可能地减少从手传动机构的摩擦、惯性和减速器的减速比。图2.4位置伺服型由于主、从手间无法消除的位置误差，使系统在自由空间运动也显得十分“迟滞”，直接影响系统的操作性能。2.2.2力反射型这是一种非对称系统，如图2.5所示。该系统在从手上安装了力传感器。系统的正向驱动（主手到从手）仍采用位置伺服型的位置误差信号驱动，而反向控制（从手到主手）则是通过从手的力传感器将从手所受负载力经从手控制系统传送至主手控制系统9。一般来讲，主、从手采用异构形式，负载力需在主手计算机控制系统进行解算，合理选择主、从手之间的力比，并将其合理地分布在主手各活动关节上，通过驱动主手各个活动关节的电机，使操作者借助主手感知从手的受力情况。图2.5力反射型在力反射型系统中，由于在从手端采用了力传感器，使从手传动机构的摩擦力、惯性力不会反应到主手端，使主手的操作更具灵活性。适合于重负荷、大功率场合。但系统对力传感器的稳定性和灵敏度及计算机系统的运算速度和精度有较高的要求。而且，当从手自重很大，即使在从手没有负载的情况下，对主手的操作很困难，容易造成操作者疲劳。2.2.3力反射伺服型该系统在主手与从手上都装有力传感器。从手控制系统仍采用位置误差信号来控制；而主手控制系统则是由比较主、从两个力传感器产生的信号差来控制的。由于主动与从动系统的控制信号不同，所以是一个非对称系统［10］（见图2.6）图2.6力反射伺服型2.3PID控制的三个基本环节（1） 比例调节（P调节）比例调节的控制规律为：u=KpXe式中Kp为比例系数，偏差e=r-y。具有比例控制规律的控制器，称为P控制器。其中Kp亦称为P控制器增益。P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在串联校正中，加大控制器增益Kp,可以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至造成闭环系统不稳定。因此，在系统校正设计中，很少单独使用比例控制规律［11］。（2） 积分调节（I调节）在积分调节中，调节器输出信号的变化速度du/dt与偏差e成正比，即u=1/Tl#edt其中T］为积分时间常数，Tl越大积分作用越弱。I调节的特点是无差调节，与P调节的有差调节形成鲜明对比。由于I调节的积分作用，当其输入。消失后，输出信号u有可能是一个不为零的常量。在串联校正时，采用I调节可以提高系统的型别（无差度），有利于系统稳态性能的提高，但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90°的相角滞后，对于系统的稳定性不利。因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的I控制作用。（3）微分调节（D调节）在微分调节中，调节器的输出与被调节量或其偏差对于时间的导数成正比，即U=Tdde/dt其中td为微分时间常数，td越大微分作用越强。由于被调节量的变化速度（包括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间设定值r与实际输出值y之间的不平衡情况，因此调节器能够根据被调节量的变化速度来确定控制量u，而不要等到被调节量已出现较大的偏差后才开始动作，这样等于赋予调节器以某种程度的预见性。这是微分控制规律的重要优点，它在于能反应误差信号的变化速率（变化趋势），并能在误差信号的值变得太大之前，在系统中引进一个有效的早期修正信号，有助于增加系统的稳定性第三章遥操作机器人控制系统的缺点3.1遥操作机器人系统主从控制的缺点在遥操作机器人系统中，主、从机器人间传递的信息大致可分为3类：周期性数据、实时数据和非实时数据［12。周期性数据包括主机器人发给从机器人的命令、从机器人反馈给主机器人的力信息等；实时性数据包括安全检测信号和事件信号，当从机器人处于危险或不是期望的状态时，这些信息就以实时数据方式反馈给操作者；非实时性数据包括运行时间、历史记录等。其中周期性与实时性数据对实时性的要求较高。但在空间、海洋这种远距离作业中，远地从机器人同本地操作者之间的信号传输时延达0.5-10秒之多，随着深海无缆机器人作业深度的增加，以及空间机器人探索范围的扩大，这种