[發(fā)明專利]一種遠程手術機器人網絡控制器系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211043724.5
• 申請日: 2022-08-29
• 公開（公告）號: CN115300109A
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發(fā)明（設計）人: 唐銀清;詹何慶
• 申請（專利權）人: 海南醫(yī)學院
• 主分類號: A61B34/37
• 分類號: A61B34/37;B25J9/16;H04J3/06;H04L67/12;H04Q9/00
• 代理公司: 北京匯眾通達知識產權代理事務所(普通合伙) 11622
• 代理人: 李丹

本發(fā)明公開了一種遠程手術機器人網絡控制器系統(tǒng)，包括遠程手術機器人系統(tǒng)的內模控制器和主通道控制器，將V規(guī)范解耦環(huán)節(jié)與遠程手術機器人系統(tǒng)的內模控制器結合，本發(fā)明中與遠程手術采用的通信協(xié)議無關，無論是采用“專網”還是互聯(lián)網(Internet)進行遠程手術，該發(fā)明提出的方法均能實現(xiàn)系統(tǒng)解耦和網絡時延的補償控制，降低時延對遠程手術的影響，以遠程手術機器人網絡控制系統(tǒng)中真實網絡傳輸?shù)臅r延，代替網絡時延補償模型，網絡時延僅僅表現(xiàn)為時間上的滯后，而不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)時延的實時動態(tài)補償，在實現(xiàn)系統(tǒng)信號解耦的同時從結構上實現(xiàn)對網絡時延的分段、實時、在線和動態(tài)的預估補償與控制，無需額外添加硬件。

技術領域

本發(fā)明涉及遠程手術領域，尤其是一種遠程手術機器人網絡控制器系統(tǒng)。

背景技術

遠程手術機器人網絡控制系統(tǒng)主要由主手(醫(yī)生操作端)系統(tǒng)、從手(病人手術端)系統(tǒng)、通信網絡三部分組成。遠程手術時，醫(yī)生坐在控制臺前，操作主手運動，控制系統(tǒng)追蹤主手的位置、速度信號通過通信網絡傳遞給從手，從手經過運動學逆解之后送給各個關節(jié)，保證從手實時追蹤主手的位置，響應醫(yī)生的操作從而完成手術操作。通常具有高精度的手術機器人為多自由度機械手，多時甚至達到7個自由度。

當機械手自由度增加時，多個維度之間的多個輸入變量與多個輸出變量之間存在相互耦合影響，即一個輸入量的變化通常會影響多個輸出量的變化，一個輸出量也不僅僅只受到一個輸入量的影響。交叉耦合問題使手術機器人控制系統(tǒng)成為一種條件穩(wěn)定的系統(tǒng)，這就要求多自由度機器人控制系統(tǒng)必須要進行解耦控制的設計，即如何通過校正使系統(tǒng)的各回路之間信號消除關聯(lián)，實現(xiàn)解耦。因此，解耦是實現(xiàn)多自由度機器人精確控制的前提。

同時，遠程通信網絡帶來了隨機、時變、不確定的時延問題。首先本地操作端發(fā)送的位置姿態(tài)等控制指令無法實時的到達遠程手術端，在時間上，遠程手術端的手術機器人動作執(zhí)行產生了一個滯后。從控制理論角度看，隨機時延的存在會使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴重時會導致遠程手術機器人的誤操作或失控。另外，由于隨機時延的存在，手術操作者感受到的遠端的反饋力、視頻圖像等信息就會出現(xiàn)延遲，影響醫(yī)生對手術過程的判斷，同時也造成了外科手術醫(yī)生的臨場感大大降低，這對醫(yī)生的心理承受能力是一個考驗，因此，網絡時延的存在使得遠程手術在手術精度、穩(wěn)定性和對醫(yī)生的心理作用等方面都產生了負面影響。

為此，我們提出一種遠程手術機器人網絡控制器系統(tǒng)解決上述問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種遠程手術機器人網絡控制器系統(tǒng)，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種遠程手術機器人網絡控制器系統(tǒng)，包括遠程手術機器人系統(tǒng)的內模控制器和主通道控制器，將V規(guī)范解耦環(huán)節(jié)與遠程手術機器人系統(tǒng)的內模控制器結合，形成基于V規(guī)范型的新型內模控制器，基于V規(guī)范型的新型內模控制器包括兩個回路，分別為回路1和回路2，兩個回路間的傳遞函數(shù)進行分析如下：

回路1和回路2的輸出響應為：

將式(13)和式(14)代入(15)可得到回路1與回路2的輸出響應傳遞函數(shù)：

其中，ΔG₁₁(s)＝G₁₁(s)-G_m11(s)；ΔG₁₂(s)＝G₁₂(s)-G_m12(s)；ΔG₂₁(s)＝G₂₁(s)-G_m21(s)；ΔG₂₂(s)＝G₂₂(s)-G_m22(s)，