穿刺手术机器人遥操作系统的控制策略研究
来源： 作者： 发布时间：2016-08-03 09:05:55 浏览量： 
将机器人末端和关节角在微小时间段内的位移?驻X和?驻?兹分别代替瞬时末端速度和关节速度，则式(1)又可表示为：
电感器的价格 由式(2)可得到主手末端速度，经过主从映射后得到从手末端速度，再根据式(3)可得穿刺手术机器人关节速度。然而，由于逆雅克比矩阵是相对于局部空间位置的映射，随着机器人在其工作空间的运动，主从跟随误差就会不断http://www.szmzhg.com/电感生产积累，从而降低跟随精度，导致穿刺手术失败。为了消除这种积累误差，本系统引入了比例微分PD(Proportional_Derivative)反馈控制环节。
在PD控制环节，通过调节比例微分系数kp、kd来使系统能够迅速地达到稳状态，最终使得从手末端执行器位姿能够精确、迅速地跟随主手末端执行器位姿坐标变化。PD控制律如下：
其中分别表示主、从手末端执行器位姿速度，Xm、Xs分别表示主、从手末端执行器扁平线圈电感位姿。
2.2 主从控制中的抖动消除
在手术过程中医生手部难免发生抖动，特别是长时间手术时手部抖动会更加显著。这些无关抖动通过主从映射会反映到从手的运动上，进而会影响手术精度。本系统首先对主手采样数据进行一次滑动均值滤波，然后再对从手关节角度数据信息进行二次滤波，这样将有效滤除抖动。
滑动均值算法对周期性的干扰具有较好的抑制作用，当系统在一定时间内进行连续采样时，每计算一次测量数据，只需进行一次采样，从而极大地提高了对测量数据的计算速度，满足快速控制的实时性要求。算法如下：
在第i次采样周期中，将采样得到的每一个离散点在进入下一步采样之前，利用式(5)进行计算，得到均值采样结果。
3 半实物仿真
为了验证本文方法的有效性，利用上述主从控制方案分别进行主从跟随的半实物仿真实验，实验是在带有Phantom 工具箱[9]的MATLAB Simulink实时仿真环境下进行的。
3.1 反馈消除误差仿真
图3所示为引入PD反馈控制环节前后主从跟随误差效果。从图中可以看出，引入PD环节后的控制系统能够有效地消除系统积累误差。
3.2 抖动消除仿真
进行抖动滤波时，取n=15，即滑动均值滤波器为15阶滤波器。图4所示为从手末端的抖动滤波效果图，图4(a)表示抖动消除前的从手末端在Z轴的位移，可以看出其有较多的抖动毛刺；图4(b)表示经过平滑数字滤波器进行抖动滤波后的运动轨迹，可以看出其运动曲线毛刺明显减少，即外科医生手部的无关抖动得到了显著消除。
3.3 主从跟随控制仿真
在进行主从跟随半实物仿真时，设定主从映射比例k=1，即从手运动轨迹完全一样。通过对PD控制参数的调节，当kp=0.3、kd=0.001时，能得到较好的跟随效果，结果如图5所示(由于在X、Y、Z方向的主从手情况类似，故只给出在X方向的跟随情况)。此外在实验刚开始的几秒钟里，先缓慢地操纵主手，大概13 s后再加快主手运动速度。
从图5(a)可以看出，无论主手运动速度快慢，从手都能够平稳、快速、精确地跟随主手运动。从图5(b)可以看出，主从手跟随误差不超过0.5 mm，说明了本系统控制算法的合理性。
为了满足穿刺手术机器人主从运动控制的精确、快速及稳定性，本文提出了基于雅克比矩阵和PD控制律的主从控制算法，半实物仿真结果验证了算法的可行性，基本能够满足穿刺手术任务的要求。本文研究只涉及运动学方面，并没有虚拟力反馈和动力学方面的研究，下一步工作是进行虚拟向导和动力学方面的研究。
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