CN105982735B - 提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的方法，包括以下步骤：1)建立远端患者病灶组织数学模型，并对模型参数进行辨识；2)根据步骤1)得到的模型参数，在医生操作台的主端控制器中建立虚拟人体模型，模拟人体组织动力学特性；同时依据无源控制理论，建立遥操作系统的无源观测器，依次判断遥操作系统是否有源；3)当遥操作系统为无源时，直接将具有时延的远端手术操作作用力通过网络通道反馈给主端控制器的操作者；如果遥操作系统为有源时，根据主端控制器的虚拟人体模型而计算出的作用力反馈给主端控制器的操作者。与现有技术相比，本发明具有能够在保证系统稳定性同时，最大限度的保证系统的透明性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种主从式远程遥操作手术系统，尤其是涉及一种提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的方法。
背景技术
近年来，主从式遥操作结构的机器人技术被引入到微创手术中，极大地提高了微创手术的准确性和安全性。在使用主从式结构的手术机器人的时候，为了实现更加安全、精细的微创手术操作，在主端操作台上的外科手术医生非常希望能够感觉到从端手术器具末端的手术操作作用力。这种要求在遥操作技术中被定义为主从系统的透明性。主从式遥操作系统的另一个要求为系统稳定性。遥操作系统面对一些不确定因素的时候，如操作者引入的抖动、通信系统的网络延时、传感器噪声等，遥操作系统能够保证稳定，对这些系统不确定因素具有鲁棒性。然而，遥操作系统的透明性要求和稳定性要求是一对矛盾体的两个方面。当前的所有遥操作控制技术都是在牺牲系统的透明性的条件下提高系统的稳定性。这使得遥操作系统操作起来非常笨重，主端的操作者不能够准确的感受到从端机器人与环境的作用力。
在实际的应用中，尤其在主从式机器人系统被分别安置在不同的区域，相隔一段距离的时候，在主从控制系统之间的网络通信系统中时延现象已经成为导致遥操作系统不稳定的最重要的问题。文献[“Bilateral Control of Teleoperation with Time Delay”(R.J.Anderson,M.W.Spong,IEEE Transactions on Automatic Control,1989,34(5):494-501)]基于无源理论首先提出了解决遥操作系统时延问题的控制方法，但是该控制方法提高系统的稳定性是以降低系统透明性为代价。随后，这一基于无源理论的控制方法被文献[“Stable Adaptive Teleoperation”(G.Niemeyer,J.J.E.Slotine,IEEE Journal ofOceanic Engineering,1999,16(1):152-162)]进一步延伸，提出了基于波变量理论的遥操作控制方法。相比较于原来的无源理论，波变量理论在确保系统稳定性的前提下提高了系统的透明性，但是该方法会导致较大的位置跟踪偏差和反馈力噪声。近年来，文献[“Improving Haptic Feedback Fidelity in Wave Variable Based TeleoperationOrientated to Telemedical Applications”(Y.Ye,P.X.Liu,IEEE-ASME Transactionson Mechatronics,2009,58(8):2847-2855)]、文献[“Reducing Wave Based TeleoperatorReflections for Unknown Environments”(L.Bate,C.D.Cook,Z.Li,IEEE Transactionson Industrial Electronics,2011,58(2):392-397)]和文献[“Achieving StableTracking in Wave Variable Based Teleoperation”(H.Li,K.Kawashima,IEEE-ASMETransactions on Mechatronics,2014,19(5):1574-1582)]等分别提出了基于无源理论的波变量位置跟踪和作用力反馈效果的改进方法，但是都没有完全消除掉位置跟踪误差和作用力反馈噪声。文献《基于真实力反馈的四通道双边遥操作控制系统》(中国发明专利申请号：201210349978.X)设计了一种四通道双边控制方法来满足非线性系统的位置和力跟踪性能，但是该方法仅能解决遥操作系统的定常性时延问题。文献《具有时变时延的非线性遥操作系统位置和力跟踪控制系统》(中国专利申请号：201410100599.6)针对具有时变延时的非线性遥操作系统设计了一种位置和力跟踪控制系统，但是该方法没有给出遥操作系统稳定性和透明性具体指标。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立远端患者病灶组织数学模型，并对模型参数进行辨识；
2)根据步骤1)得到的模型参数，在医生操作台的主端控制器中建立虚拟人体模型，模拟人体组织动力学特性；同时依据无源控制理论，建立遥操作系统的无源观测器，计算遥操作系统的能量进出关系，依次判断遥操作系统是否有源；
3)依据步骤2)中的无源观测器而计算得出的遥操作系统是否有源，进而选择遥操作系统的力反馈信息反馈通道，即当遥操作系统为无源时，直接将具有时延的远端手术操作作用力通过网络通道反馈给主端控制器的操作者；如果遥操作系统为有源时，说明系统处于失稳状态，那么系统根据主端控制器的虚拟人体模型而计算出的作用力反馈给主端控制器的操作者，从而确保具有延时的遥操作系统的透明性和稳定性。
所述的步骤1)建立远端患者病灶组织数学模型具体为：
根据人体模型精度的不同要求，建立人体组织线性Kelvin-Voigt模型或者非线性Hunt-Crossley模型。
所述的人体组织线性Kelvin-Voigt模型具体为：
将人体组织类比为由理想的粘弹性材料组成的弹性体，具体的动力学特性由线性弹簧和线性阻尼通过并联方式而组成的机械结构表示，如果有作用力F作用于此类线性人体组织上，那么人体组织模型可以用下式表示：
其中，为手术器具挤压人体组织的速度，K和B分别为组织器官的弹性系数和粘性系数，F(t)为手术器具施加于人体组织上的作用力。
所述的人体组织非线性Hunt-Crossley模型具体为：
如果采用非线性Hunt-Crossley模型对人体组织进行建模时，所得到的人体组织模型可用下式表示：
其中，指数n为一个实数，在实际微创手术操作中，随着手术器具不断挤压人体组织，造成人体组织变形量x不断增大，指数项n用于精确表示随着人体组织挤压面的增大而导致的人体组织刚度变化量；k为非线性弹性系数；b为非线性粘性系数，F(t)同样为手术器具施加于人体组织上的作用力。
所述的模型参数辨识过程具体如下：
完成人体组织模型建立之后，就对人体组织参数进行在线辨识，对于线性模型，需要辨识的参数为刚度参数K和粘性参数B；而对于非线性模型，需要辨识的参数为非线性弹性系数k、非线性粘性系数b和指数项n；
在上述模型参数辨识过程中，不管是采用哪种模型来建立人体组织，只要已知模型中的三个量就够对模型参数进行辨识。这三个量分别为：人体组织变形量x、手术器具挤压人体组织的速度量和人体组织所承受的挤压作用力大小F。其中位置量x可以通过安装在手术器具执行机构末端的位置传感器，如编码器等位置传感器来直接获取，而速度量可以直接通过对上述速度量的微分来获取。而挤压作用力则可以通过力-力矩传感器来检测。
通常，如果一个系统可以由常值参数已知函数和通过线性组合而构成，即：Φ(t)TΘ＝y(t)，那么中含有的参数称为是可辨识的。其中，Φ(t)＝[φ1(t),φ2(t),...,φm(t)]为已知的时间的函数向量，Θ＝[θ1(t),...,θm(t)]为需要辨识的未知参数，y(t)为已知的时间标量函数。
采用最小二乘法进行辨识时，人体组织模型参数辨识的更新方程如下：
其中n为离散域内的时间位，为未知的需要被辨识的参数，在此处为人体组织模型参数量，包括组织的弹性系数K和粘性系数B或非线性弹性系数k和非线性粘性系数b；为已知的输入量，在此处为通过测量获得的手术器械关节位移量和关节速度量；y(n)为期望的输出量，在此处为通过力检测元件获取的接触力信息；
e(n)为依据参数辨识精度要求而预先设置的误差值；L(n)为自适应增益量，为协方差矩阵，λ为遗忘因子；结合式(3)-(6)即可计算出人体组织模型参数。
所述的步骤2)具体为：
依据步骤1)辨识获得的人体组织模型参数，在医生操作台的主端控制器建立一个虚拟人体组织模型，依据所选择的模型不同，得到如下线性虚拟模型：
或者非线性虚拟模型：
从上两式的虚拟模型，当系统由于遥操作系统的网络延时而造成系统不稳定的时候，用此虚拟模型的作用力作为反馈给主端控制器的手术操作作用力，从而忽略网络时延对系统的影响，从而实现系统较高的透明性；
同时，利用无源理论建立无源观测器如下式：
上式中E(t)表示为在时刻t遥操作系统此时刻的总能量；Η(t)表示系统输入输出口的网络能量；E(0)表示在初始时刻系统预存的能量；通过不断计算遥操作系统每一时刻的系统总能量E(t)，来判断系统是否有源，即当E(t)≥0时表示系统为无源，当E(t)≤0表示系统有源；当系统为有源的时候，确定系统是稳定的，而当系统为无源时，系统为不稳定。
所述的步骤3)具体为：
依据步骤2中式(9)来判断整个遥操作系统的有源性，进而得出具有网络时延的遥操作系统是否稳定；
如果在某一时刻，E(t)≥0，从而判断此时遥操作系统不受网络时延的影响，或者说网络时延对系统的稳定性影响非常小，此时将远端的手术器具与人体组织的直接作用力作为反馈作用力反馈给在主端控制器的操作者，使得操作者对远端环境具有临场感，即称此时的系统具有高透明性；
相反，如果在某一时刻，系统无源观测器E(t)≤0，判定由于网络时延的存在使得此时的遥操作系统处于不稳定状态，就不能直接将远端的操作力反馈给操纵者，而是将虚拟环境模型的输出作用力作为反馈力提供给主端控制器的操作者。这样情况下，即使由于网络延时的存在使得系统不稳定，操作者也能感受到稳定的从端操作作用力，使得遥操作系统的透明性不受影响，系统任然具有较高的透明性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过在线辨识方法对远端操作环境进行模型参数辨识，从而避免了对远端操作环境采用离线建模而造成的建模误差，使得所建模型更贴近实际环境动力学；
2)本发明在每一个采样时刻都判断遥操作系统的稳定性，能够在保证系统稳定性同时，最大限度的保证系统的透明性，使得在主端的操作者始终能够获得远端操作作用力。
附图说明
图1为具有时延的主从式远程遥操作手术系统简图；
图2为主从式远程遥操作手术系统控制系统框图；
图3为本发明主从式远程遥操作手术系统提高透明性和稳定性的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，主从式远程遥操作手术系统包括操作者动力学模型1、主端操作手柄2、主端关节驱动电机3、网络时延环节4、从端控制器5、从端驱动电机6、从端机构执行器7和远端环境模型8。主端操作手柄2与主端关节驱动电机3相固连，主端的操作者1通过移动主端操作手柄2，从而带动主端关节驱动电机3转动，安装在电机轴上的位置检测传感器检测到位移量后，将此位移量通过网络时延环节4传递给从端控制器5，该控制器对比从端机构当前位移量与从主端发来的位移量，对从端驱动电机6产生相应的驱动力矩信号，从而驱动电机旋转，最终带动安装在电机轴上的从端机构执行器7与远端环境模型8相接触；从端机构执行器8与远端环境模型8接触后产生的接触力再次通过网络延时环节4，反馈给主端驱动电机3，对主端驱动电机3产生相应的驱动力信号，带动主端操作手柄2向操作者1期望的运动的相反方向运动，从而给操作者一个逆向作用力。从而形成一个完整的遥操作系统的信号流动过程。
图2所示以控制系统框图形式对图1所述的主从式远程遥操作系统各个模块进行表述。操作者动力学模型1等效于图2中的模块9，操作者1施加的作用fh与从端反馈作用力fsd相合并之后得到施加给主端机器人10的作用力fm。此处，主端机器人10包括图1中的主端操作手柄2和主端关节驱动电机3两个模块。主端机器人10在操作力fm作用下，关节发生运动从而产生位移量该位移量通过网络延时环节模块11.1后变成信号发送给从端，该位移信号与从端机器人13(从端机器人13包括图1中的从端关节驱动电机6和从端机构执行器7两个模块)的当前位移量相比较，得到的比较值传递给从端控制器模块12，从端控制器12计算获得的作用力fs分成两路，一路信号通过网络延时模块11.2后变成fsd信号，传递给主端操作者9；作用力fs的另一路信号通过与环境模型Ze的作用力信号相比较后得到从端机器人13的驱动作用力fsc，从而使得从端机器人13产生运动信号
图3所示为本发明公开的一种提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的控制框图。其中参数辨识模块15利用测量获取的位移xs、速度和接触力信息fe作为已知量来对远端环境模型14进行参数辨识。设远端环境模型14用线性Kelvin-Voigt模型表示为：
其中，为手术器具挤压人体组织的速度；而K和B分别为组织器官的弹性系数和粘性系数；F(t)为手术器具施加于人体组织上的作用力。参数辨识模块15选用最常用的递归最小二乘法。由于选择了线性Kelvin-Voigt模型，那么参数辨识方程(5)中，未知参数向量为递归已知变量未知参数的辨识过程通过如下递归过程得出：其中yk为人体组织作用于手术器具上的作用力，在递归计算的每一个循环结束后，输出参数辨识结果K和B，模型参数辨识结果用来表示。得到的远端模型14的参数，通过网络延时环节模块11.3发送到遥操作系统的主端，依据此模型在主端建立一个虚拟环境模型16，模型16接收来自主端机器人10的位置信息并产生相应的虚拟作用力信息该信息被无源观测器17用作已知量来计算遥操作系统是否有源。
在此系统中，无源观测器9具体用下式表示：
无源观测器模块17用于检测远程遥操作手术系统的有源性，当系统为无源的时候，即E(t)≥0，表示此时的遥操作系统为稳定的，开关模块18将系统切换开关调整到a端口，将经过延时环节模块11.2的作用力信号fsd反馈给主端机器人10.在下一个采样时刻，系统通过计算表达式(10)，继续判断系统的有源性。如果通过(10)式的计算，系统变为有源即E(t)≤0，表示此时的遥操作系统在网络时延的影响下表现为不稳定，那么无源观测器模块17将开关模块18调整到b端口，使用虚拟环境模型16输出的作用力作为反馈作用力给主端机器人9。通过上述过程，在每一采样时刻，都能确保远程遥操作手术系统具有精确的反馈力信号给在主端的操作者9。
Claims (3)
1.一种提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立远端患者病灶组织数学模型，并对模型参数进行辨识；
2)根据步骤1)得到的模型参数，在医生操作台的主端控制器中建立虚拟人体模型，模拟人体组织动力学特性；同时依据无源控制理论，建立遥操作系统的无源观测器，计算遥操作系统的能量进出关系，依次判断遥操作系统是否有源；
3)依据步骤2)中的无源观测器而计算得出的遥操作系统是否有源，进而选择遥操作系统的力反馈信息反馈通道，即当遥操作系统为无源时，直接将具有时延的远端手术操作作用力通过网络通道反馈给主端控制器的操作者；如果遥操作系统为有源时，根据主端控制器的虚拟人体模型而计算出的作用力反馈给主端控制器的操作者，从而确保具有延时的遥操作系统的透明性和稳定性；
所述的步骤1)建立远端患者病灶组织数学模型具体为：
根据人体模型精度的不同要求，建立人体组织线性Kelvin-Voigt模型或者非线性Hunt-Crossley模型；
所述的人体组织线性Kelvin-Voigt模型具体为：
将人体组织类比为由理想的粘弹性材料组成的弹性体，具体的动力学特性由线性弹簧和线性阻尼通过并联方式而组成的机械结构表示，如果有作用力F作用于此类线性人体组织上，那么人体组织模型可以用下式表示：
其中，为手术器具挤压人体组织的速度，K和B分别为组织器官的弹性系数和粘性系数，F(t)为手术器具施加于人体组织上的作用力；
所述的人体组织非线性Hunt-Crossley模型具体为：
如果采用非线性Hunt-Crossley模型对人体组织进行建模时，所得到的人体组织模型可用下式表示：
其中，指数n为一个实数，在实际微创手术操作中，随着手术器具不断挤压人体组织，造成人体组织变形量x不断增大，指数项n用于精确表示随着人体组织挤压面的增大而导致的人体组织刚度变化量；k为非线性弹性系数；b为非线性粘性系数，F(t)同样为手术器具施加于人体组织上的作用力；
所述的模型参数辨识过程具体如下：
完成人体组织模型建立之后，就对人体组织参数进行在线辨识，对于线性模型，需要辨识的参数为刚度参数K和粘性参数B；而对于非线性模型，需要辨识的参数为非线性弹性系数k、非线性粘性系数b和指数项n；
采用最小二乘法进行辨识时，人体组织模型参数辨识的更新方程如下：
其中n为离散域内的时间位，为未知的需要被辨识的参数，在此处为人体组织模型参数量，包括组织的弹性系数K和粘性系数B或非线性弹性系数k和非线性粘性系数b；为已知的输入量，在此处为通过测量获得的手术器械关节位移量和关节速度量；y(n)为期望的输出量，在此处为通过力检测元件获取的接触力信息；
e(n)为依据参数辨识精度要求而预先设置的误差值；L(n)为自适应增益量，为协方差矩阵，λ为遗忘因子；结合式(3)-(6)即可计算出人体组织模型参数。
2.根据权利要求1所述的一种提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：
依据步骤1)辨识获得的人体组织模型参数，在医生操作台的主端控制器建立一个虚拟人体组织模型，依据所选择的模型不同，得到如下线性虚拟模型：
或者非线性虚拟模型：
从上两式的虚拟模型，当系统由于遥操作系统的网络延时而造成系统不稳定的时候，用此虚拟模型的作用力作为反馈给主端控制器的手术操作作用力，从而忽略网络时延对系统的影响，从而实现系统较高的透明性；
同时，利用无源理论建立无源观测器如下式：
上式中E(t)表示为在时刻t遥操作系统此时刻的总能量；Η(τ)表示系统输入输出口的网络能量；E(0)表示在初始时刻系统预存的能量；通过不断计算遥操作系统每一时刻的系统总能量E(t)，来判断系统是否有源，即当E(t)≥0时表示系统为无源，当E(t)≤0表示系统有源；当系统为有源的时候，确定系统是稳定的，而当系统为无源时，系统为不稳定。
3.根据权利要求2所述的一种提高主从式远程遥操作手术系统透明性和稳定性的方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：
依据步骤2中式(9)来判断整个遥操作系统的有源性，进而得出具有网络时延的遥操作系统是否稳定；
如果在某一时刻，E(t)≥0，从而判断此时遥操作系统不受网络时延的影响，或者说网络时延对系统的稳定性影响非常小，此时将远端的手术器具与人体组织的直接作用力作为反馈作用力反馈给在主端控制器的操作者，使得操作者对远端环境具有临场感，即称此时的系统具有高透明性；
相反，如果在某一时刻，系统无源观测器E(t)≤0，判定由于网络时延的存在使得此时的遥操作系统处于不稳定状态，将虚拟环境模型的输出作用力作为反馈力提供给主端控制器的操作者。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |