雙邊遙操作控制系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)透明性的要求,以實現(xiàn)信息反饋的真實性和實時性。作為雙邊遙操作系統(tǒng)在生物醫(yī)學工程方面的應(yīng)用之一,遙操作微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)及其訓練系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。該類醫(yī)用遙操作系統(tǒng)工作的前提是穩(wěn)定的系統(tǒng)環(huán)境,而當手術(shù)器械間或手術(shù)器械與骨骼等組織進行硬物碰觸時,若系統(tǒng)的透明性無法達到理想值,就會降低信息反饋的強度,影響手術(shù)效果。因此,研究同時滿足高穩(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,對影響控制系統(tǒng)性能因素的研究,主要針對通訊網(wǎng)絡(luò)的延遲、終端無源性等,而很少涉及控制器離散化帶來的影響。本文從分析模擬控制在遙操作系統(tǒng)中的透明性入手,采用可編程模擬門陣列(Field Programmable Analog Array,FPAA),降低控制器離散化對雙邊遙操作系統(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,在測定了雙邊遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性范圍后,通過分析系統(tǒng)的混合傳輸矩陣參數(shù)取值,從數(shù)值和實驗兩方面,將兩種控制器的透明性進行了對比。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)。在對透明性的分析實驗中,當操作者操作主機器人,從屬機器人無負載且不接觸任何操作對象時,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關(guān)實驗中,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。兩個實驗結(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�？紤]到模擬控制電路的限制條件,如運放飽和,不利于實現(xiàn)復(fù)雜計算等,為了擴大雙邊遙操作系統(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,采樣周期為1ms時的數(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,當操作者使用所設(shè)計的控制器時,不僅使得遙控開關(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驗中,物體硬度辨識的成功率由40%提高至90%以上,驗證了穩(wěn)定條件下混合控制方法可以提供較高的透明性。作為實體雙邊遙操作系統(tǒng)的補充,對作為遙操作輔助和訓練系統(tǒng)的雙邊虛擬觸覺手術(shù)仿真系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性和透明性進行了研究。本文將基于FPAA和數(shù)字混合控制的控制器嵌入實驗室自主研發(fā)的微創(chuàng)腹腔手術(shù)仿真系統(tǒng),對其穩(wěn)定性進行了推導(dǎo),考慮了系統(tǒng)是否存在延遲,終端是否有源等4種情況。通過仿真,得到了虛擬觸覺手術(shù)仿真系統(tǒng)在無延遲和有延遲兩種情況下,數(shù)字控制增益的測定值,有利于確保訓練系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相較于實驗值,穩(wěn)定性條件的理論值范圍要更加保守�；贔PAA模擬和數(shù)字混合控制的方法,不僅可以應(yīng)用于實體雙邊遙操作系統(tǒng),并且可以為雙邊虛擬觸覺手術(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,增加遠程醫(yī)療手術(shù)系統(tǒng)信息反饋的真實性提供了新的思路。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TP273;R318
【部分圖文】：

1.1 引言當任務(wù)目標在危險或無法觸及的環(huán)境中時，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，主機器人，從屬機器人，通訊網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，操作環(huán)境/操作對象。理想情況下，從屬機器人能夠在操作環(huán)境中，完全執(zhí)行主機器人的位移軌跡，且主機器人能夠向操作者，輸出無誤差的力反饋信息。當只有一個主/從屬機器人時，系統(tǒng)為單邊遙操作系統(tǒng)，當有多個主/從機器人時，系統(tǒng)即為多邊遙操作系統(tǒng)。本文主要針對雙邊遙操作系統(tǒng)進行研究，目前，該類遙操作系統(tǒng)在工程應(yīng)用中

當任務(wù)目標在危險或無法觸及的環(huán)境中時，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，主機器人，從屬機器人，通訊網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，操作環(huán)境/操作對象。理想情況下，從屬機器人能夠在操作環(huán)境中，完全執(zhí)行主機器人的位移軌跡，且主機器人能夠向操作者，輸出無誤差的力反饋信息當只有一個主/從屬機器人時，系統(tǒng)為單邊遙操作系統(tǒng)，當有多個主/從機器人時，系統(tǒng)即為多邊遙操作系統(tǒng)。本文主要針對雙邊遙操作系統(tǒng)進行研究，目前，該類遙操作系統(tǒng)在工程應(yīng)用中，范圍最廣，主要涉及遠程手術(shù)系統(tǒng)，遠程水下、空中探測系統(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

由從機器人對患者進行接觸操作。其中控制系統(tǒng)的行為，可以看作是整個體系的大腦，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)境上來說，人體組織周圍涉及大量的神經(jīng)和血管，需要在的同時，減少不熟練的、多余的操作動作對人體帶來的損傷。不直接接觸應(yīng)用對象（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反饋等，而且能夠在微創(chuàng)接觸準確地完成精簡、準確的手術(shù)動作。求面向微創(chuàng)手術(shù)的雙邊遙操作控制能夠提供實時傳遞操作命令姿反饋，減少系統(tǒng)傳遞信息過程中的誤差，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的的透明性。本文通過FPAA混合控制，針對微創(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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