一种远程手术机器人网络控制器系统技术方案

本发明专利技术公开了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，本发明专利技术中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，该发明专利技术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。无需额外添加硬件。无需额外添加硬件。

【技术实现步骤摘要】
一种远程手术机器人网络控制器系统


[0001]本专利技术涉及远程手术领域，尤其是一种远程手术机器人网络控制器系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]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：
[0009][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G
m
(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G
m
(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G
m
(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G
m
(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...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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：回路1和回路2，两个回路间的传递函数进行分析如下：回路1和回路2的输出响应为：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：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：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)，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：
标称情况下，化简(18)和(19)，得到系统分母如(20)所示：回路1输出响应表达式如(22)所示：因为机器人机械手对象矩阵模型G
m
(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：同理，回路2的输出响应表达式如式(23)所示：同回路1分析，因为机器人机械手对象矩阵模型G
m
(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：2.根据权利要求1所述的一种远程手术机器人网络控制器系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐银清，詹何庆，
申请(专利权)人：海南医学院，
类型：发明
国别省市：