【摘要】 近年來，機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)不斷發(fā)展，它跨越了患者和醫(yī)生的地理限制，在合理分配醫(yī)療資源和遠(yuǎn)程救治方面具有良好的應(yīng)用前景。但是，由于遠(yuǎn)程手術(shù)不可避免的存在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至?xí)䦟颊呱踩斐赏{。因此，研究遠(yuǎn)程手術(shù)在Internet下的時(shí)延控制對于遠(yuǎn)程手術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。為了對遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)延控制進(jìn)行研究，搭建了遠(yuǎn)程手術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了主從兩端在不同協(xié)議下穩(wěn)定和準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)通信。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺的特點(diǎn)，采用RTT方法精確測量了本地時(shí)延和Internet時(shí)延，得到了本地時(shí)延在CAN總線結(jié)構(gòu)下的時(shí)延特性曲線，以及Internet時(shí)延在兩種傳輸協(xié)議下的時(shí)延特性曲線，并分析了時(shí)延的特點(diǎn)。根據(jù)本地時(shí)延相對穩(wěn)定和可控的特點(diǎn)，同時(shí)采用了多線程技術(shù)和多事件驅(qū)動技術(shù)降低了本地時(shí)延，得到了穩(wěn)定、可控和較小的本地時(shí)延。同時(shí)，采用了極限逼近導(dǎo)數(shù)的思想，改進(jìn)了原有的重力補(bǔ)償算法，減少了算法耗時(shí)，進(jìn)一步降低了本地時(shí)延，保證了本地時(shí)延下主操作端的穩(wěn)定性。根據(jù)Internet時(shí)延的時(shí)變不可控的特點(diǎn)，提出了基于數(shù)據(jù)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)丟包和亂序處理策略，取得了較高的數(shù)據(jù)預(yù)測準(zhǔn)確率。針對Internet變時(shí)延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)了PID加反饋環(huán)節(jié)控制的改進(jìn)型內(nèi)�？刂破�，并利用改進(jìn)的粒子群算法對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)型內(nèi)�？刂破髟谙到y(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力方面均優(yōu)于普通的內(nèi)模控制器。最后，通過局域網(wǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了主從遙操作的可行性，同時(shí)在局域網(wǎng)條件下模擬了網(wǎng)絡(luò)變時(shí)延，驗(yàn)證了主從遙操作在模擬網(wǎng)絡(luò)時(shí)延下較好的穩(wěn)定性和快速性。通過廣域網(wǎng)主從遙操作實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了遠(yuǎn)程手術(shù)在Internet環(huán)境下實(shí)施的可行性，同時(shí)也驗(yàn)證了在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，基于數(shù)據(jù)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)丟包和亂序處理策略的有效性。 

第1 章 緒   論 

1.1  課題背景及研究的目的和意義 

1.1.1  課題背景 

機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)是一門發(fā)展十分迅速的遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)，它是生物學(xué)、信息學(xué)、機(jī)器人學(xué)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等多學(xué)科交叉融合的一門新技術(shù)。在傳統(tǒng)的外科手術(shù)中，患者可能處于一些交通不便的邊遠(yuǎn)地區(qū)，外科醫(yī)生短時(shí)間內(nèi)難以到達(dá)，這就可能會使患者喪失最佳的救治時(shí)機(jī)。另外，當(dāng)患者處于惡劣的環(huán)境中，如高輻射和高致命性細(xì)菌傳染的環(huán)境，外科醫(yī)生如何在保障自身生命安全的情況下，最大限度的救治患者，這些都是傳統(tǒng)外科手術(shù)面臨的問題。機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問題了提供了一個(gè)全新的途徑。 

機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)首先解決了患者和外科手術(shù)醫(yī)生在地理上的隔離，通過信息技術(shù)和遠(yuǎn)程通信將優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療資源輻射到偏遠(yuǎn)地區(qū)，使稀缺的醫(yī)療資源得到最大程度的利用，讓更多的人得到及時(shí)救治。其次，由于遠(yuǎn)程手術(shù)地理上的隔離，使得患者和醫(yī)生避免了直接接觸，這對于救治高輻射、高傳染性等危險(xiǎn)環(huán)境中的患者來說，完全保證了醫(yī)生的生命安全，使醫(yī)生在進(jìn)行手術(shù)時(shí)消除了對自身安全的擔(dān)憂，能更加專注的保證手術(shù)的順利進(jìn)行。最后，在手術(shù)質(zhì)量方面，機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)有非常高的定位精度，并且能夠通過軟件消除醫(yī)生手部抖動，避免誤操作的發(fā)生，提高了手術(shù)的安全性。由于手術(shù)器械自由度的增加，使得在普通外科手術(shù)中無法到達(dá)的病灶位置，可以使用遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人以微創(chuàng)手術(shù)的形式到達(dá)，減小了手術(shù)開口，降低了患者的痛苦。另外，機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)對于戰(zhàn)場上的傷員救治和外科手術(shù)醫(yī)生的培訓(xùn)方面都具有十分重要的意義。 

機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面：本地主操作端、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程手術(shù)端。其中，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)帶來了變時(shí)延問題，這會導(dǎo)致遠(yuǎn)程手術(shù)的穩(wěn)定性、透明性和手術(shù)精度受到影響。本文以機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程骨科手術(shù)為背景，針對遠(yuǎn)程手術(shù)中變時(shí)延的存在，提出合理的時(shí)延控制方法，對遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力等進(jìn)行研究。 

1.1.2  課題的研究目的和意義 

機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)中變時(shí)延的存在給遠(yuǎn)程手術(shù)帶來了很多問題。首先本地操作端發(fā)送的位置姿態(tài)等控制指令無法實(shí)時(shí)的到達(dá)遠(yuǎn)程手術(shù)端，在時(shí)間上，遠(yuǎn)程手術(shù)端的手術(shù)機(jī)器人動作執(zhí)行產(chǎn)生了一個(gè)滯后。從控制理論角度看，變時(shí)延的存在會使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人的誤操作或失控。其次，由于 Internet 存在固有的數(shù)據(jù)丟包或亂序的現(xiàn)象，這使得遠(yuǎn)程手術(shù)端接收到的控制信息不完整或出現(xiàn)順序混亂，這都給遠(yuǎn)程手術(shù)的控制系統(tǒng)提出了很高的要求。另外，由于變時(shí)延的存在，手術(shù)操作者感受到的遠(yuǎn)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(shù)過程的判斷，同時(shí)也造成了外科手術(shù)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(gè)考驗(yàn)。因此，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的存在使得遠(yuǎn)程手術(shù)在手術(shù)精度、穩(wěn)定性和對醫(yī)生的心理作用等方面都產(chǎn)生了負(fù)面影響。 

1.2  遠(yuǎn)程手術(shù)及時(shí)延控制研究現(xiàn)狀 

網(wǎng)絡(luò)遙操作發(fā)展非常迅速，并取得了很多豐碩的成果。從1948年第一臺處理核廢料的遙操作機(jī)器人開始，經(jīng)過60多年的發(fā)展，遙操作已經(jīng)延伸到太空機(jī)械臂、醫(yī)用水下機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、火星車、遠(yuǎn)程手術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域[16]。其中遠(yuǎn)程手術(shù)在最近十年期間取得了很快的發(fā)展。當(dāng)前專門針對遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)延控制研究的比較少，而對于一般的遙操作時(shí)延控制研究的比較深入。由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的隨機(jī)和時(shí)變的特點(diǎn)，使得對時(shí)延控制的研究在很多遙操作領(lǐng)域都是相通的。因此，本節(jié)將首先介紹網(wǎng)絡(luò)遙操作的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹在遠(yuǎn)程手術(shù)上的應(yīng)用，然后對網(wǎng)絡(luò)遙操作中的時(shí)延控制理論的發(fā)展進(jìn)行詳細(xì)介紹。 

1.2.1  國內(nèi)外遠(yuǎn)程手術(shù)研究現(xiàn)狀 

在網(wǎng)絡(luò)遙操作領(lǐng)域，世界第一臺網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人于1993年在美國南加州大學(xué)誕生，它來源于一個(gè)名叫Merury Project的項(xiàng)目，最初設(shè)計(jì)為使用戶通過互聯(lián)網(wǎng)控制遠(yuǎn)端SCARA機(jī)器人完成一些簡單動作，比如在一個(gè)半圓的沙坑里挖掘物品，如圖1-1所示。雖然這只是基于Web的遠(yuǎn)程控制，也沒有主操作端的人體學(xué)輸入設(shè)備，但卻標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)遙操作時(shí)代的到來。 

1994年，西澳大利亞大學(xué)開展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，它允許操作者操作者通過Web瀏覽器，使用鼠標(biāo)作為輸入設(shè)備，控制一臺ABB生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人IRB1410（如圖1-2所示）進(jìn)行簡單的操作，比如搬運(yùn)工作臺上的輕質(zhì)木塊或抓取一些其他物品。這也是迄今為止在網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)間最長也是最完備的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。 

1996年，英國布拉德福德大學(xué)對遙操作望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人系統(tǒng)Bradford Robotic Telescope進(jìn)行研究，如圖1-3所示。用戶登錄Web，遠(yuǎn)程控制望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動角度，并且能對鏡頭焦距進(jìn)行調(diào)整，觀測結(jié)果會通過郵件的形式發(fā)送給用戶。 

2000年，加州大學(xué)伯克利分校又進(jìn)行了一次網(wǎng)絡(luò)協(xié)同遙操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)采用了Adept 604-S 4軸機(jī)器人，如圖1-4所示，它允許多達(dá)30名操作者通過網(wǎng)絡(luò)同時(shí)控制機(jī)器人動作，機(jī)器人內(nèi)部會每隔3s將這些控制指令綜合，最后規(guī)劃出機(jī)器人的運(yùn)動軌跡。 

第2 章 遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)延特性分析 

2.1  引言 

對遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)延特性進(jìn)行分析，是時(shí)延控制的基礎(chǔ)。為了對遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)延特性進(jìn)行分析，首先要研究時(shí)延的組成。遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)延包括本地時(shí)延和 Internet時(shí)延兩個(gè)方面。本地時(shí)延主要是指主操作端的采樣周期，由于受硬件或軟件的限制，采樣頻率不能無限大，這使得主操作端的位置或力等信息必須經(jīng)過一定的時(shí)延之后才能通過 Internet 發(fā)出。另外，采樣周期的大小也影響整個(gè)遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力等問題。  

Internet 時(shí)延是指在網(wǎng)絡(luò)中處理和傳輸數(shù)據(jù)所耗費(fèi)的時(shí)間，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不同可分為局域網(wǎng)時(shí)延和廣域網(wǎng)時(shí)延。一般來說，同一實(shí)驗(yàn)室或在同一學(xué)校，距離在數(shù)千米以內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為局域網(wǎng)。而跨越較大的、地域性的由計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)集合，比如跨省、市，以至覆蓋國家的網(wǎng)絡(luò)集合稱為廣域網(wǎng)。一般來說廣域網(wǎng)時(shí)延遠(yuǎn)大于局域網(wǎng)時(shí)延，并且廣域網(wǎng)時(shí)延具有更大的隨機(jī)性和時(shí)變特性。 

2.2 遠(yuǎn)程手術(shù)平臺的搭建 

遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)主要由三部分組成：一、由操作者操作的主控端，一般為一個(gè)隨動的主操作手或其他符合人體工程學(xué)的位姿輸入裝置；二、通信通道，能夠進(jìn)行信息的傳輸，包括位姿指令的發(fā)出和遠(yuǎn)端信息的返回；三、遠(yuǎn)程手術(shù)端，根據(jù)不同手術(shù)類型而專門設(shè)計(jì)的執(zhí)行手術(shù)操作的裝置，通過接收主操作端的控制指令進(jìn)行運(yùn)動，比如骨科手術(shù)機(jī)器人、腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人、腦外科手術(shù)機(jī)器人等。在本研究課題中，主操作端和遠(yuǎn)程手術(shù)端采用同構(gòu)的操作手，這里僅以主操作端為例，對主操作端和通信通道的組成進(jìn)行介紹。 

2.2.1  主操作端分析 

本地操作端采用的是一個(gè)串并聯(lián)結(jié)合的 7 自由度操作手。結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。其中，并聯(lián)部分采用改進(jìn)的 Delta 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 3 維平動自由度，串聯(lián)部分采用旋轉(zhuǎn)軸匯交機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)3 維轉(zhuǎn)動自由度。為了提升主手姿態(tài)轉(zhuǎn)動的靈巧度，還增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)冗余自由度，使得串聯(lián)部分有4 個(gè)自由度，使操作者對主手的操作更加靈活方便。 

主操作端實(shí)現(xiàn)的主要功能有四個(gè)：一是保持自身的重力平衡，二是力反饋的實(shí)現(xiàn)，三是位姿和速度等信息的顯示，四是向遠(yuǎn)端發(fā)送控制指令和接收來自遠(yuǎn)端的反饋信息。其中，主手自身重力平衡是實(shí)現(xiàn)力反饋的基礎(chǔ)，對主操作手來說，精確的重力平衡效果是衡量主操作手穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。 

主操作手按照一定的采樣周期采集位姿信息，對采集的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行處理，然后通過 Internet 發(fā)送到遠(yuǎn)程手術(shù)端。其中，本地時(shí)延就是指主操作手的采樣周期。采樣周期的大小是由控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)共同決定的。本操作手的硬件系統(tǒng)采用 Elmo 驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行動作，通過CAN 總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。Elmo 驅(qū)動器是以色列生產(chǎn)的一款功能強(qiáng)大的伺服電機(jī)驅(qū)動器，它具有豐富的API 函數(shù)，支持電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三個(gè)閉環(huán)控制模式。它還支持 RS232和 CAN 總線通信協(xié)議，并且單條指令的執(zhí)行時(shí)間僅有 1ms 左右，因此，Elmo驅(qū)動器具有高集成度和高運(yùn)算速度，非常適合精密伺服電機(jī)的控制。而 CAN總線傳輸速度較快，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，并且具有很好的實(shí)時(shí)性。 

在進(jìn)行重力補(bǔ)償?shù)倪^程中，實(shí)時(shí)性是決定重力補(bǔ)償效果的一個(gè)重要因素。由于串聯(lián)部分的冗余自由度只安裝光電碼盤返回采集的位置信息，沒有安裝力反饋電機(jī)，因此最終掛接在 CAN 總線上的共有 6 個(gè)驅(qū)動器，這六個(gè)驅(qū)動器就通過 CAN 總線組成了一個(gè)小范圍的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Network Control  System，NCS)，如圖 2-2 所示。從圖 2-2 可以看出，每個(gè)驅(qū)動器都具有唯一的 ID 編號，以此來區(qū)別于其他的驅(qū)動器。上位機(jī)采用廣播的形式發(fā)送控制指令，每個(gè)指令前都有對應(yīng)的 ID 號，這樣只有 ID 號相同的驅(qū)動器才能接收到上位機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)動作。 

第 3 章  本地時(shí)延控制研究 ..........20 

3.1  引言 .........20 

3.2  基于多線程技術(shù)的本地時(shí)延控制 ............20 

3.3  基于多事件驅(qū)動的本地時(shí)延控制 ............... 22 

3.4  本地時(shí)延下重力補(bǔ)償算法分析 ..........24 

3.4.1  重力補(bǔ)償周期的測定及分析 .............25 

3.4.2 重力補(bǔ)償算法的改進(jìn) ..........25 

3.4.3  改進(jìn)重力補(bǔ)償算法的性能測試.......... 28 

3.5  本章小結(jié) ...........30 

第 4 章  INTERNET 時(shí)延控制研究 ........31 

4.1  引言 ...........31 

4.2  數(shù)據(jù)的丟包及亂序處理策略 ............... 31 

4.3  從手端的控制策略研究 ................32 

4.4  基于改進(jìn)型內(nèi)模控制的 NCS 系統(tǒng)研究 ..................35 

4.5  基于粒子群算法的內(nèi)�？刂茀�(shù)優(yōu)化 ..................36 

4.5.1  粒子群算法的選取 ............36 

4.5.2  目標(biāo)函數(shù)及粒子范圍的確定 ..............37

4.6  仿真研究 ............. 38 

4.6.1  被控對象確定及系統(tǒng)離散化 ...............38 

4.6.2  函數(shù)1f 的優(yōu)化 ..................39 

4.6.3  函數(shù)2f 的優(yōu)化 ........... 41 

4.6.4  系統(tǒng)抗干擾性能研究 ................44

第 5 章  基于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)研究 ................ 45 

5.1  引言 .......... 45 

5.2  基于局域網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)研究 ......... 45 

5.2.1  不同采樣周期下主從操作實(shí)驗(yàn).............45 

5.2.2  模擬 Internet 時(shí)延實(shí)驗(yàn)研究 ........... 48 

5.3  基于廣域網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)研究 ................ 51 

5.3.1  基于廣域網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) .................51 

5.3.2  遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析............... 52

5.4  本章小結(jié) ............... 55 

第5 章 基于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)研究 

5.1  引言      

第二章已經(jīng)完成了對遠(yuǎn)程手術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺的搭建，這是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。通過本地時(shí)延控制及 Internet 時(shí)延控制的研究為主從遙操作實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)，其中硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法，控制軟件的設(shè)計(jì)采用多線程編程思想。本章將基于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，主要考察系統(tǒng)在變時(shí)延下的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)丟包和亂序處理策略的有效性。 

5.2  基于局域網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)研究 

5.2.1  不同采樣周期下主從操作實(shí)驗(yàn) 

通過第二章的時(shí)延特性分析可知，在局域網(wǎng)條件下，本地時(shí)延相比于Internet 時(shí)延要大的多。本地時(shí)延通過多線程多事件的控制方法可以降低到36ms 左右，而基于 UDP 協(xié)議的局域網(wǎng)時(shí)延只有 0.3ms 左右，因此，在局域網(wǎng)條件下最主要的時(shí)延產(chǎn)生于本地時(shí)延，本次實(shí)驗(yàn)針對不同的采樣周期考察系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對主操作手的跟蹤性能。 

本次實(shí)驗(yàn)的主操作端采用的是串并聯(lián)結(jié)合的 7 自由度主操作手平臺，在第二章實(shí)驗(yàn)平臺搭建中已經(jīng)進(jìn)行了介紹。從手采用的一個(gè)同構(gòu)的主操作手，如圖5-1 所示。 

由圖 5-1 可以看出，從手是一個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，但是上支鏈的連接采用的是虎克鉸，與采用 Delta 機(jī)構(gòu)的主手相比，剛度有所下降，但是卻更加輕便和靈活。由于進(jìn)行的是驗(yàn)證性試驗(yàn)，因此，從手只配置了三個(gè)平移自由度，通過并聯(lián)部分的三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。 

在主從操作進(jìn)行之前，需要對主從兩端進(jìn)行零位標(biāo)定，只有完成了零位標(biāo)定，主操作端發(fā)送過來的位置信息才是有效的，并且能夠在從手上精確的重現(xiàn)。零位標(biāo)定的過程如下： 

（1）  主手初始化自身控制系統(tǒng)，進(jìn)行自歸零操作。規(guī)定主操作手的零位在并聯(lián)機(jī)構(gòu)每個(gè)轉(zhuǎn)角達(dá)到180°處。 

（2）  從手初始化自身控制系統(tǒng)，進(jìn)行自歸零操作。同樣，從手的零位也在并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角 180°處。 

（3）  主手進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，采用 UDP 協(xié)議。包括從手的 IP 和端口號等，建立發(fā)送和接收套接字。 

（4）主手開啟重力補(bǔ)償，位置數(shù)據(jù)自動開始以設(shè)定的周期向從手發(fā)送。 

（5）主手在重力補(bǔ)償下保持位置不變，從手進(jìn)行再歸零操作，接收到前十個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)主手并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角的變化對從手轉(zhuǎn)角進(jìn)行微調(diào)。此時(shí)零位標(biāo)定結(jié)束。 

結(jié)   論 

本文基于國家“863”項(xiàng)目“面向新疆邊遠(yuǎn)地區(qū)創(chuàng)傷醫(yī)療中心的智能骨科診療裝備研究及應(yīng)用示范”，針對 Internet 下遠(yuǎn)程手術(shù)中時(shí)延控制進(jìn)行了研究。研究工作涉及時(shí)延特性分析、本地時(shí)延的控制策略研究、Internet 時(shí)延的內(nèi)�？刂�、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾分析等諸多研究內(nèi)容，通過上述研究工作得出以下結(jié)論： 

（1）在遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)延特性分析方面，針對本地時(shí)延，精確測量了驅(qū)動器指令耗時(shí)和采樣周期，得到了本地時(shí)延穩(wěn)定可控的特點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)本地時(shí)延值較大，有進(jìn)一步減小的空間。針對 Internet 時(shí)延，得到了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)下的Internet 時(shí)延特性曲線，并且在不同時(shí)間段內(nèi) Internet 時(shí)延呈現(xiàn)明顯的差異，這為進(jìn)行 Internet 下的遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)提供了參考依據(jù)。 

（2）采用多線程技術(shù)和多事件驅(qū)動技術(shù)對本地時(shí)延進(jìn)行了有效控制，測試結(jié)果表明本地時(shí)延穩(wěn)定且數(shù)值較小。針對本地時(shí)延控制對重力補(bǔ)償效果的影響，改進(jìn)了重力補(bǔ)償算法，一方面取得了較好的重力補(bǔ)償效果，另一方面減少了算法的耗時(shí)，降低了本地時(shí)延，保證了主手運(yùn)動的穩(wěn)定性。 

（3）采用數(shù)據(jù)標(biāo)簽對數(shù)據(jù)亂序和丟包進(jìn)行處理，仿真結(jié)果表明數(shù)據(jù)處理策略取得了較高的數(shù)據(jù)預(yù)測準(zhǔn)確率。針對變時(shí)延下系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，設(shè)計(jì)了 PID和反饋復(fù)合控制的改進(jìn)型內(nèi)�？刂破�，并且利用粒子群優(yōu)化算法對控制參數(shù)進(jìn)行整體優(yōu)化，仿真結(jié)果表明改進(jìn)型內(nèi)模控制器在調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和抗干擾性能方面都要優(yōu)于普通內(nèi)膜控制器。 

（4）基于局域網(wǎng)的主從操作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了從手的控制策略和主從遙操作的可行性。并且在局域網(wǎng)下模擬網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，驗(yàn)證了系統(tǒng)在固定時(shí)延和變時(shí)延下的穩(wěn)定性。基于廣域網(wǎng)的主從遙操作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)據(jù)丟包和亂序處理策略的有效性和系統(tǒng)在 Internet環(huán)境下的穩(wěn)定性和良好的跟隨特性。 

結(jié)合已經(jīng)完成的研究工作，未來還需要進(jìn)一步研究主手運(yùn)動速度較快時(shí)從手的跟蹤性能，保證從手的運(yùn)動精度和快速性。
 

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