雙邊遙操作控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)透明性的要求,以實(shí)現(xiàn)信息反饋的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。作為雙邊遙操作系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用之一,遙操作微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)及其訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。該類(lèi)醫(yī)用遙操作系統(tǒng)工作的前提是穩(wěn)定的系統(tǒng)環(huán)境,而當(dāng)手術(shù)器械間或手術(shù)器械與骨骼等組織進(jìn)行硬物碰觸時(shí),若系統(tǒng)的透明性無(wú)法達(dá)到理想值,就會(huì)降低信息反饋的強(qiáng)度,影響手術(shù)效果。因此,研究同時(shí)滿足高穩(wěn)定性和高透明性的雙邊遙操作控制系統(tǒng)是十分必要的。目前,對(duì)影響控制系統(tǒng)性能因素的研究,主要針對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)的延遲、終端無(wú)源性等,而很少涉及控制器離散化帶來(lái)的影響。本文從分析模擬控制在遙操作系統(tǒng)中的透明性入手,采用可編程模擬門(mén)陣列(Field Programmable Analog Array,FPAA),降低控制器離散化對(duì)雙邊遙操作系統(tǒng)的影響,推導(dǎo)混合控制方法下系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件,分析系統(tǒng)的透明性。論文的主要研究工作如下:研究了模擬控制在雙邊遙操作系統(tǒng)中的透明性,在測(cè)定了雙邊遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性范圍后,通過(guò)分析系統(tǒng)的混合傳輸矩陣參數(shù)取值,從數(shù)值和實(shí)驗(yàn)兩方面,將兩種控制器的透明性進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,模擬控制的雙邊遙操作系統(tǒng)的混合傳遞矩陣,相較于數(shù)字控制下的同一系統(tǒng),各項(xiàng)參數(shù)值都更接近于理想值,具有更好的力跟蹤和位姿跟蹤效果。搭建了基于FPAA的雙邊遙操作模擬控制系統(tǒng)。在對(duì)透明性的分析實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)操作者操作主機(jī)器人,從屬機(jī)器人無(wú)負(fù)載且不接觸任何操作對(duì)象時(shí),基于FPAA的遙操作系統(tǒng)的位姿跟蹤誤差值要小于數(shù)字控制下的同一系統(tǒng);在需要高阻抗反饋的遙控開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)中,基于FPAA的控制系統(tǒng),將操作者的任務(wù)成功率由20%~40%提高至了90%以上。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于FPAA的雙邊遙操作系統(tǒng)不僅具有良好的位姿跟蹤效果,而且有效地提高了操作者的阻抗感知效果,降低了控制器離散化對(duì)系統(tǒng)透明性的制約,證明了FPAA在雙邊遙操作控制系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性及在透明性上的優(yōu)勢(shì)。考慮到模擬控制電路的限制條件,如運(yùn)放飽和,不利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算等,為了擴(kuò)大雙邊遙操作系統(tǒng)的使用范圍,搭建了基于FPAA模擬/數(shù)字混合控制的雙邊遙操作系統(tǒng)。分析、推導(dǎo)出了混合系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件,考慮了系統(tǒng)是否存在延遲,終端是否有源四種的情況,為實(shí)際應(yīng)用中確定穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),采用混合控制器時(shí),采樣周期為1ms時(shí)的數(shù)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,與單一控制系統(tǒng)(純FPAA/純數(shù)字控制)相比較,當(dāng)操作者使用所設(shè)計(jì)的控制器時(shí),不僅使得遙控開(kāi)關(guān)任務(wù)中的主、從位移誤差由0.09/0.21厘米減小至0.05厘米,且在力反饋透明性分析實(shí)驗(yàn)中,物體硬度辨識(shí)的成功率由40%提高至90%以上,驗(yàn)證了穩(wěn)定條件下混合控制方法可以提供較高的透明性。作為實(shí)體雙邊遙操作系統(tǒng)的補(bǔ)充,對(duì)作為遙操作輔助和訓(xùn)練系統(tǒng)的雙邊虛擬觸覺(jué)手術(shù)仿真系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性和透明性進(jìn)行了研究。本文將基于FPAA和數(shù)字混合控制的控制器嵌入實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的微創(chuàng)腹腔手術(shù)仿真系統(tǒng),對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了推導(dǎo),考慮了系統(tǒng)是否存在延遲,終端是否有源等4種情況。通過(guò)仿真,得到了虛擬觸覺(jué)手術(shù)仿真系統(tǒng)在無(wú)延遲和有延遲兩種情況下,數(shù)字控制增益的測(cè)定值,有利于確保訓(xùn)練系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相較于實(shí)驗(yàn)值,穩(wěn)定性條件的理論值范圍要更加保守。基于FPAA模擬和數(shù)字混合控制的方法,不僅可以應(yīng)用于實(shí)體雙邊遙操作系統(tǒng),并且可以為雙邊虛擬觸覺(jué)手術(shù)仿真系統(tǒng)提供較高的控制增益,本文提出的穩(wěn)定性條件填補(bǔ)了遙操作系統(tǒng)混合控制下穩(wěn)定性不等式的空白,為系統(tǒng)是否有源,是否存在延遲等多種情況下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。研究FPAA模擬和數(shù)字混合控制方法在遙操作領(lǐng)域的應(yīng)用,為提高遙操作系統(tǒng)控制增益和系統(tǒng)透明性,增加遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)系統(tǒng)信息反饋的真實(shí)性提供了新的思路。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類(lèi)】：TP273;R318
【部分圖文】：

1.1 引言當(dāng)任務(wù)目標(biāo)在危險(xiǎn)或無(wú)法觸及的環(huán)境中時(shí)，遙操作系統(tǒng)可以幫助人們完成任務(wù)操作。如圖1-1所示，系統(tǒng)包含操作者，主機(jī)器人，從屬機(jī)器人，通訊網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，操作環(huán)境/操作對(duì)象。理想情況下，從屬機(jī)器人能夠在操作環(huán)境中，完全執(zhí)行主機(jī)器人的位移軌跡，且主機(jī)器人能夠向操作者，輸出無(wú)誤差的力反饋信息。當(dāng)只有一個(gè)主/從屬機(jī)器人時(shí)，系統(tǒng)為單邊遙操作系統(tǒng)，當(dāng)有多個(gè)主/從機(jī)器人時(shí)，系統(tǒng)即為多邊遙操作系統(tǒng)。本文主要針對(duì)雙邊遙操作系統(tǒng)進(jìn)行研究，目前，該類(lèi)遙操作系統(tǒng)在工程應(yīng)用中

當(dāng)任務(wù)目標(biāo)在危險(xiǎn)或無(wú)法觸及的環(huán)境中時(shí)，遙操作系統(tǒng)可以幫助人們完成任務(wù)操作。如圖1-1所示，系統(tǒng)包含操作者，主機(jī)器人，從屬機(jī)器人，通訊網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，操作環(huán)境/操作對(duì)象。理想情況下，從屬機(jī)器人能夠在操作環(huán)境中，完全執(zhí)行主機(jī)器人的位移軌跡，且主機(jī)器人能夠向操作者，輸出無(wú)誤差的力反饋信息當(dāng)只有一個(gè)主/從屬機(jī)器人時(shí)，系統(tǒng)為單邊遙操作系統(tǒng)，當(dāng)有多個(gè)主/從機(jī)器人時(shí)，系統(tǒng)即為多邊遙操作系統(tǒng)。本文主要針對(duì)雙邊遙操作系統(tǒng)進(jìn)行研究，目前，該類(lèi)遙操作系統(tǒng)在工程應(yīng)用中，范圍最廣，主要涉及遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程水下、空中探測(cè)系統(tǒng)等等[1-19]。圖 1-1 雙邊遙操作系統(tǒng)框圖Fig. 1-1 A bilateral teleoperation system block diagram

由從機(jī)器人對(duì)患者進(jìn)行接觸操作。其中控制系統(tǒng)的行為，可以看作是整個(gè)體系的大腦，控制系統(tǒng)的性能必須滿明性的要求。微創(chuàng)手術(shù)的雙邊遙操作控制系統(tǒng)，要兼顧微創(chuàng)手術(shù)和遙操作兩象/環(huán)境上來(lái)說(shuō)，人體組織周?chē)婕按罅康纳窠?jīng)和血管，需要在的同時(shí)，減少不熟練的、多余的操作動(dòng)作對(duì)人體帶來(lái)的損傷。不直接接觸應(yīng)用對(duì)象（人體組織和器官）的雙邊遙操作系統(tǒng)中感受到近似于手觸感知到的觸覺(jué)反饋等，而且能夠在微創(chuàng)接觸準(zhǔn)確地完成精簡(jiǎn)、準(zhǔn)確的手術(shù)動(dòng)作。求面向微創(chuàng)手術(shù)的雙邊遙操作控制能夠提供實(shí)時(shí)傳遞操作命令姿反饋，減少系統(tǒng)傳遞信息過(guò)程中的誤差，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的的透明性。本文通過(guò)FPAA混合控制，針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)遙操作系統(tǒng)高要求，提高控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性和透明性兩方面的表現(xiàn)，改善

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