贠今天 ,從敬德
(1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300387)
隨著社會(huì)發(fā)展的迫切需要,微創(chuàng)外科手術(shù)已經(jīng)發(fā)展為主從遙操作的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域[1-5].目前,微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人臨床應(yīng)用操作中存在的主要問(wèn)題是缺乏力覺(jué)臨場(chǎng)感[6-8],使醫(yī)生失去了真實(shí)的力覺(jué)感知,只能通過(guò)有限的視覺(jué)反饋來(lái)獲取相應(yīng)信息,影響了醫(yī)生安全操作器官組織并實(shí)施恰當(dāng)力控制的行為.研制具有力覺(jué)臨場(chǎng)感的遙操作手術(shù)系統(tǒng)成為目前機(jī)器人手術(shù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn).
具有力覺(jué)臨場(chǎng)感的遙操作指的是機(jī)器人主操作手不僅能給從操作手發(fā)送精確運(yùn)動(dòng)(位置)指令,而且能夠?qū)牟僮魇帜┒藞?zhí)行器上安裝的力傳感器檢測(cè)到的接觸力信息或無(wú)力(力矩)傳感器情況下觀測(cè)到的力信息反饋給操作者,被操作者精確感知.然而,在臨床實(shí)際操作中,由于主操作手的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)從操作手的反饋力的影響以及反饋力和主操作手運(yùn)動(dòng)信息相互耦合對(duì)主操作手的遙操作位置指令產(chǎn)生影響,不僅使醫(yī)生失去了真實(shí)的力覺(jué)感知,影響其實(shí)施恰當(dāng)力控制的行為,而且位置(運(yùn)動(dòng))不精確可能對(duì)人體器官造成傷害,從而降低了手術(shù)精度、手術(shù)質(zhì)量與手術(shù)安全性.
在遙操作機(jī)器人控制系統(tǒng)中,臨場(chǎng)感一直是眾多學(xué)者研究追求的目標(biāo),國(guó)內(nèi)外的學(xué)者、機(jī)構(gòu)、商業(yè)公司從力反饋設(shè)備、主從遙操作控制結(jié)構(gòu)和方法都做了很多研究工作.廖立等[9]設(shè)計(jì)了一種構(gòu)型為串并聯(lián)混合形式的主手,該主手操作靈活,工作空間大,提供3個(gè)自由度的力反饋.Ryu等[10]開(kāi)發(fā)研制了一套6自由度力反饋裝置,其全部力矩電機(jī)都布置在基座上,然后利用絲傳動(dòng)來(lái)傳遞力,以降低整個(gè)系統(tǒng)的慣量,從而降低重力及慣性力對(duì)力感知的影響.Ott等[11]開(kāi)發(fā)了一套重力補(bǔ)償系統(tǒng)(Zero-G),用來(lái)消除觸感裝置自身重力導(dǎo)致操作者肌肉疲勞對(duì)觸覺(jué)感知的影響.Ryu等[12]針對(duì)6自由度3-PRPS并聯(lián)型操作手關(guān)節(jié)處的摩擦,基于自適應(yīng)控制策略提出一種非線性摩擦力補(bǔ)償方法.Kuchenbecker等[13]建立了力反饋遙操作機(jī)器人的附加運(yùn)動(dòng)模型,并實(shí)時(shí)地對(duì)主操作手附加運(yùn)動(dòng)進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償,從而消除附加運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和精準(zhǔn)力反饋的影響.Park等[14]基于魯棒控制策略,通過(guò)自適應(yīng)阻抗控制算法補(bǔ)償未知模型對(duì)反饋?zhàn)饔昧Φ挠绊懀瑥亩@得高精度的反饋力.Li等[15]將滑??刂坪蛿_動(dòng)觀測(cè)器的力補(bǔ)償相結(jié)合用于處理各種建模的不確定性和外部環(huán)境力的影響.黃勇[16]提出了新型控制策略,以位置約束空間矩陣代替常數(shù)增益,結(jié)合主、從關(guān)節(jié)空間誤差,得到準(zhǔn)確的力反饋.Gao等[17]提出了一種新的力反饋手控制器系統(tǒng),采用基于零力/力矩的大閉環(huán)力控制方法,有效地提高了反饋力/力矩的準(zhǔn)確性.Takhmar等[18]提出了基于投影的力反射算法(PBFR),與傳統(tǒng)的直接力反饋相比性能顯著改善.
本文針對(duì)主從遙操作微創(chuàng)外科手術(shù)過(guò)程中,主操作手的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)從手端反饋力的影響,即主操作手的慣性力、重力和關(guān)節(jié)摩擦力與從手端真實(shí)的交互反饋力一起疊加被操作者感知,從而影響手術(shù)精度、質(zhì)量和安全性的這一問(wèn)題,提出了一種附加反饋力補(bǔ)償方法.通過(guò)對(duì)模型化的主操作手動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究分析,基于力反饋主操作手PHANToM Desktop和萬(wàn)用機(jī)械手臂WAM arm搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并對(duì)從操作手與環(huán)境交互的反饋力進(jìn)行補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證本文提出的附加反饋力補(bǔ)償方法的可行性和有效性.
本文探討主操作手動(dòng)力學(xué)特性對(duì)操作者感知反饋力的影響,并對(duì)附加反饋力進(jìn)行補(bǔ)償,首先要建立計(jì)及關(guān)節(jié)摩擦力的主操作手完整的動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析.
為搭建主從遙操作力反饋實(shí)驗(yàn)平臺(tái),本文以主操作手PHANToM Desktop為研究對(duì)象,其有6個(gè)自由度,末端能實(shí)現(xiàn)3個(gè)位置自由度的輸出.由于本文只考慮位置問(wèn)題,不涉及姿態(tài)部分,故只對(duì)其前3個(gè)位置自由度進(jìn)行討論.主操作手PHANToM Desktop的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示.
圖1 PHANToM Desktop結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural sketch of PHANToM Desktop
根據(jù)拉格朗日方程對(duì)主操作手進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,忽略關(guān)節(jié)摩擦力,主操作手的動(dòng)力學(xué)方程為:
機(jī)器人動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可被線性參數(shù)化為:
式中 :Iaxx、Iayy、Iazz、Idfxx、Idfyy、Idfzz、Icxx、Icyy、Iczz、Ibexx、Ibeyy、Ibezz、Ibaseyy、ma、mc、mbe、mdf、l1、l2、l3、l4、l5分別為主操作手PHANToM Desktop的物理參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)參數(shù).
根據(jù)主操作手的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),雖然其采用絲傳動(dòng)以減小摩擦,但在應(yīng)用中不得不考慮關(guān)節(jié)摩擦的問(wèn)題.本文選擇Coulomb+Viscous摩擦的基本模型如下:
或者其線性化形式:
將關(guān)節(jié)摩擦力模型計(jì)入動(dòng)力學(xué)方程(2),則主操作手完整的動(dòng)力學(xué)方程可寫(xiě)成如下形式:
為補(bǔ)償主操作手的動(dòng)力學(xué)特性所產(chǎn)生的附加反饋力,必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算,所以需要對(duì)未知的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)驗(yàn)證.
針對(duì)主操作手線性動(dòng)力學(xué)方程(22),如果能夠獲得一些獨(dú)立的數(shù)據(jù)點(diǎn),可采用最小二乘法來(lái)求解.文獻(xiàn)[19]指出,對(duì)于上述方程,其最小二乘法的解可用以下形式給出:
為采集這些數(shù)據(jù),本文采用PD控制主操作手PHANToM Desktop沿著給定的理想激勵(lì)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng),記錄一段時(shí)間內(nèi)主操作手的關(guān)節(jié)角、關(guān)節(jié)速度和電機(jī)力矩.由N組數(shù)據(jù)組成的回歸矩陣和力矩矢量的形式如下:
利用式(25)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)時(shí),需要測(cè)量主操作手的關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)加速度和關(guān)節(jié)力矩.然而由于主操作手PHANToM Desktop并未安裝直接測(cè)量關(guān)節(jié)速度和關(guān)節(jié)加速度的裝置,一般根據(jù)數(shù)據(jù)采樣頻率,采用一次差分和二次差分的方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算關(guān)節(jié)速度和關(guān)節(jié)加速度,但是二次差分計(jì)算會(huì)放大測(cè)量噪聲,從而引入較大的誤差.所以根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所述,使主操作手動(dòng)力學(xué)模型(22)通過(guò)一個(gè)嚴(yán)格穩(wěn)定的低通濾波器,其傳遞函數(shù)為:
式中:ω為低通濾波器的截止頻率,且需要滿足條件ω>0.動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)低通濾波器如圖2所示.
主操作手動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)低通濾波器之后,可以
圖2 動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)低通濾波器Fig.2 Dynamic model passing through low-pass filter
得到:
式中:τL和YL(θ,θ˙)分別為經(jīng)過(guò)低通濾波之后的關(guān)節(jié)力矩向量 τ和回歸矩陣 Y(θ,θ˙,θ¨).
對(duì)于一階低通濾波器,通過(guò)正逆拉普拉斯變換,有如下關(guān)系:
式中:L[]和L-1[]分別表示拉普拉斯變換和拉普拉斯逆變換.
考慮一個(gè)形式如f(q)q¨j的函數(shù)通過(guò)一階低通濾波器,其中 q=[q1,q2,…,qm]T且q˙t=0.首先,根據(jù)微分的定義,有如下關(guān)系:
然后,對(duì)等式(31)兩邊分別進(jìn)行拉普拉斯變換可以得到式(32):
最后,對(duì)等式(32)兩邊分別乘以 L(s)可得:
根據(jù)式(33),主操作手PHANToM Desktop的動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)過(guò)一階低通濾波器后得到的回歸矩陣如下:
參數(shù)辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置包括一臺(tái)Windows系統(tǒng)的DELL PC臺(tái)式機(jī)、一臺(tái)主操作手PHANToM Desktop.主操作手通過(guò)PCI并行端口與PC連接,基于主操作手設(shè)備廠商提供的API接口,本文采用PD控制器來(lái)控制主操作手按照給定的理想軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng).PD控制器如下:
式中:比例參數(shù) kP=diag[1 400,3 000,1 600];微分參數(shù) kD=diag[18,26,17].
本文選取信號(hào)頻率為ω=1~4.5 rad/s,同時(shí)根據(jù)主操作手的工作范圍,選擇規(guī)劃的期望軌跡θd(rad)和期望速度θ˙d(rad/s)如下:
在本文的辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中,設(shè)備工作頻率和數(shù)據(jù)采集頻率均為1 kHz.一階低通濾波器的截止頻率選擇為ω=10 rad/s,該頻率比激勵(lì)信號(hào)的帶寬高,比噪聲信號(hào)的頻率范圍低,因此,數(shù)據(jù)采集滿足采樣定理且能濾掉噪聲信號(hào).整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程用時(shí)40 s,前10 s采集的數(shù)據(jù)用于動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí),后30 s采集的數(shù)據(jù)用于估計(jì)關(guān)節(jié)力矩以驗(yàn)證辨識(shí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù).
將采集的關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度和關(guān)節(jié)力矩?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中,經(jīng)過(guò)低通濾波器處理,采用最小二乘法并通過(guò)編寫(xiě)程序求得18個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估計(jì)值,如表1所示.
表1 PHANToM Desktop動(dòng)力學(xué)參數(shù)估計(jì)Tab.1 Estimated dynamic parameters of PHANToM Desktop
通過(guò)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí),可以得到18個(gè)參數(shù)的估計(jì)值.為驗(yàn)證參數(shù)的可靠性,需要用辨識(shí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)估計(jì)各個(gè)關(guān)節(jié)的濾波力矩,并與實(shí)際測(cè)量的濾波關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示.需要指出的是,此處測(cè)量的濾波關(guān)節(jié)力矩為采集電機(jī)接收的控制力矩的濾波值.
估計(jì)關(guān)節(jié)的濾波力矩可由式(40)求得:
根據(jù)文獻(xiàn)[19],濾波估計(jì)力矩的相對(duì)均方根誤差(RMS)表示為:
經(jīng)計(jì)算,主操作手PHANToM Desktop各關(guān)節(jié)濾波估計(jì)力矩的相對(duì)均方根誤差如表2所示.
圖3 PHANToM Desktop各關(guān)節(jié)測(cè)量力矩與估計(jì)力矩對(duì)比Fig.3 Comparison between measured torques and estimated torques for each joint of PHANToM Desktop
表2 各關(guān)節(jié)的濾波估計(jì)力矩的相對(duì)均方根誤差Tab.2 RMS errors of filtered estimated torque for each joint
通過(guò)圖3和表2可以看出,關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3的力矩誤差相對(duì)較小,而關(guān)節(jié)1的力矩誤差相對(duì)明顯.分析其原因,需要指出的是:由于本文只考慮主操作手的位置部分,不涉及姿態(tài)部分,而PHANToM Desktop末端姿態(tài)輸入的Gimbal萬(wàn)向節(jié)和尖筆Stylus無(wú)法拆除.按照Geomagic公司工程師的建議,參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,將末端姿態(tài)部分固定起來(lái),這部分結(jié)構(gòu)未進(jìn)行建模處理,這樣便增加了系統(tǒng)的慣量.從而影響主操作手的動(dòng)態(tài)特性,其累加作用于關(guān)節(jié)1;另外,由于在建模過(guò)程中對(duì)一些物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,導(dǎo)致了數(shù)學(xué)模型的不精確誤差.但總體而言,由圖3和表2可以得出,主操作手的動(dòng)力學(xué)模型基本正確,動(dòng)力學(xué)參數(shù)估計(jì)可信.
主操作手的動(dòng)力學(xué)特性會(huì)影響操作者感知從操作手與環(huán)境相互作用的反饋力,即操作者感知的反饋力中包含了主操作手的慣性力、重力和關(guān)節(jié)處的摩擦力.
主操作手附加反饋力如圖4所示.
圖4 主操作手附加反饋力Fig.4 Induced feedback force of master manipulator
由圖4可以看出,從操作手真實(shí)反饋力矩τf、附加反饋力矩τi及主操作手的電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩τ之間存在如下關(guān)系:
式中:力矩經(jīng)主操作手轉(zhuǎn)換為交互作用力Ff和附加反饋力Fi一起反饋給操作者,其中Fi包括主操作手運(yùn)動(dòng)部件的重力、慣性力及關(guān)節(jié)處的摩擦力.因此,在主從遙操作控制的過(guò)程中需要對(duì)上述的附加反饋力進(jìn)行補(bǔ)償,具體的補(bǔ)償策略如圖5所示.
圖5 主操作手附加反饋力補(bǔ)償策略Fig.5 Compensation strategy of induced feedback force for master manipulator
圖5中:Hf(s)為交互作用反饋力到主手運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù);Hi(s)為附加反饋力到主手運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù);H?i(s)為經(jīng)過(guò)參數(shù)估計(jì)的主操作手動(dòng)力學(xué)特性傳遞函數(shù),其根據(jù)主手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)出附加反饋力,通過(guò)在電機(jī)上施加反向補(bǔ)償力矩,驅(qū)使主手產(chǎn)生補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)x?hi,進(jìn)而消除附加反饋力產(chǎn)生的附加運(yùn)動(dòng) xhi,使主手運(yùn)動(dòng)更接近真實(shí)反饋運(yùn)動(dòng)xhf,從而消除附加反饋力對(duì)從手端反饋力的影響,使操作者感知從操作手與環(huán)境之間真實(shí)的交互作用力.
為驗(yàn)證附加反饋力補(bǔ)償方法,現(xiàn)搭建主從遙操作力反饋實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖6所示.主操作手(PHANToM Desktop)通過(guò)PCI并行端口與上位機(jī)(DELL PC)連接,上位機(jī)和下位機(jī)(WAM PC104)之間通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)進(jìn)行連接.基于UDP通訊協(xié)議,在保證通訊實(shí)時(shí)性的情況下,上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.從操作手(WAM Arm)末端安裝有六軸Force/Torque傳感器,能采集從手末端的三維軸向力.同時(shí),主操作手為力反饋設(shè)備,能夠?qū)崟r(shí)輸出三維軸向力.
圖6 主從遙操作力反饋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Experiment platform for force feedback of master-slave teleoperation
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后,設(shè)計(jì)力反饋實(shí)驗(yàn).主從遙操作控制系統(tǒng)采用精確位置跟蹤控制來(lái)實(shí)現(xiàn)從手跟蹤主手位置并與環(huán)境交互接觸,并將傳感器采集的反饋力數(shù)據(jù)返回主手并輸出,從而讓操作者感知,系統(tǒng)控制框圖如圖7所示.
圖7 主從遙操作控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of master-slave teleoperation control system
控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的工作頻率均為500 Hz.本文設(shè)計(jì)的力反饋實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:操作者通過(guò)主手精確位置控制從手運(yùn)動(dòng),并使從手末端的Haptic Ball去接觸一個(gè)提前放置好的物體,在此過(guò)程中,交互作用力被記錄并發(fā)送至主手,然后通過(guò)電機(jī)輸出被操作者感知.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,主手的位置、主手的電機(jī)輸出力矩和從手的傳感器數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)記錄用于實(shí)驗(yàn)分析,整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為4 min,將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行處理分析.
利用表1中辨識(shí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、記錄的主手位置信息以及數(shù)據(jù)采集頻率,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主操作手的附加反饋力矩進(jìn)行估計(jì),然后通過(guò)轉(zhuǎn)置雅可比轉(zhuǎn)換可得到X、Y、Z 3個(gè)方向的附加反饋力,如圖8所示.
圖8 主操作手附加反饋力Fig.8 Induced feedback force for master manipulator
將從手端傳感器記錄的三維力和主手電機(jī)輸出的三維力進(jìn)行比較,如圖9所示.
由圖9可以看出,主手輸出操作者感知的反饋力和真實(shí)的交互作用反饋力之間存在明顯的誤差,尤其是Y方向附加反饋力較為明顯.需要說(shuō)明的是,由于主操作手的物理結(jié)構(gòu)較小和無(wú)法模擬真實(shí)的手術(shù)環(huán)境,因此,主操作手產(chǎn)生的附加反饋力與從操作手接觸反饋力相比較小,但從數(shù)值上可以看出主手輸出操作者感知的反饋力和真實(shí)的交互作用反饋力之間確實(shí)存在誤差,這正是本文提出的進(jìn)一步提高反饋力精準(zhǔn)度的補(bǔ)償方法的根據(jù).
圖9 真實(shí)反饋力和主手輸出反饋力對(duì)比Fig.9 Comparison between real feedback force and master manipulator output feedback force
通過(guò)主操作手的附加反饋力補(bǔ)償,將補(bǔ)償后的主手輸出反饋力和從手真實(shí)的交互作用反饋力進(jìn)行對(duì)比,如圖10所示,發(fā)現(xiàn)誤差明顯減小.
根據(jù)式(41)對(duì)相對(duì)均方根誤差的定義,同樣有主操作手輸出反饋力與真實(shí)反饋力的相對(duì)均方根誤差和主操作手補(bǔ)償反饋力與真實(shí)反饋力的相對(duì)均方根誤差.通過(guò)Matlab進(jìn)行編程計(jì)算,可以得到2組相對(duì)均方根誤差如表3所示.
表3 X、Y、Z 3方向上主手反饋力補(bǔ)償前后相對(duì)均方根誤差對(duì)比Tab.3 Comparison of RMS errors in X,Y,Z direction before and after feedback force compensation for master manipulator %
圖10 真實(shí)反饋力和補(bǔ)償后的主手輸出反饋力對(duì)比Fig.10 Comparison between real feedback force and compensated feedback force of master manipulator
根據(jù)表3中的相對(duì)均方根誤差進(jìn)行對(duì)比分析,相比未補(bǔ)償之前,經(jīng)過(guò)附加反饋力補(bǔ)償之后主操作手X、Y、Z 3個(gè)方向上的反饋力精度分別提升3.9%、5%和2.1%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明本文提出的附加反饋力補(bǔ)償方法可行且有效,能夠進(jìn)一步提高主從遙操作反饋力的精度.
本文針對(duì)微創(chuàng)外科手術(shù)過(guò)程中,主操作手的動(dòng)力學(xué)特性影響操作者感知真實(shí)反饋力的問(wèn)題,提出了一種附加反饋力補(bǔ)償方法.從主操作手的動(dòng)力學(xué)模型出發(fā),基于現(xiàn)有的力反饋設(shè)備PHANToM Desktop,建立計(jì)及關(guān)節(jié)摩擦力的完整動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)和驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上,提出了具體的附加反饋力補(bǔ)償策略.在已知主手動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,搭建主從遙操作力反饋實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行主從遙操作附加反饋力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn).將主手輸出反饋力和從手真實(shí)的反饋力進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)附加反饋力補(bǔ)償之后,主操作手X、Y、Z 3個(gè)方向上的反饋力精度較未補(bǔ)償之前分別提升3.9%、5.0%和2.1%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,操作者感知反饋力的精確度比未補(bǔ)償時(shí)有明顯提升,說(shuō)明本文提出的附加反饋力補(bǔ)償方法是可行且有效的.
下一步將在本文工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)更接近外科手術(shù)實(shí)際狀況的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)償方法驗(yàn)證.同時(shí),研究分析反饋力與主操作手運(yùn)動(dòng)耦合而產(chǎn)生附加位移,進(jìn)而影響位置跟蹤精度等問(wèn)題.
[1]IBRAHIM A M,MAKARY M A.Robot-assisted surgery and health care costs[J].New England Journal of Medicine,2010,363(22):2174-2179.
[2]戴建生,魏國(guó)武,李建民.國(guó)際微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2011(4):1-5.DAI J S,WEI G W,LI J M.Current situation and development trend of the international minimally invasive surgery robot[J].Robot Technique and Application,2011(4):1-5(in Chinese).
[3]LANFRANCO A R,CASTELLANOS A E,DESAI J P,et al.Robotic surgery:A current perspective[J].Annals of Surgery,2004,239(1):14-21.
[4]DARIO P,GUGLIELMELLI E,ALLOTTA B,et al.Robotics for medical applications[J].IEEE Robotics&Amp Amp Automation Magazine,1996,3(3):44-56.
[5]TAYLOR R H.Medical Robotics and Computer-Integrated Surgery[M].Berlin:Springer,2008.
[6]YU Y,CHEN H Y,LOU Y J,et al.Remote master-slave control of a 6D manipulator for cardiac surgery application[C]//2014 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Bali:ROBIO,2014:1799-1804.
[7]徐兆紅,宋成利,閆士舉.機(jī)器人在微創(chuàng)外科手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)組織工程研究,2011,15(35):6598-6601.XU Z H,SONG C L,YAN S J.Research on minimally invasive robotic surgery[J].Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research,2011,15(35):6598-6601(in Chinese).
[8]CHOI J,PARK J W,DONG J K,et al.Lapabot:A compact telesurgical robot system for minimally invasive surgery:Part I.System description[J].Minimally Invasive Therapy&Allied Technologies Mitat Official Journal of the Society for Minimally Invasive Therapy,2012,21(3):188-194.
[9]廖立,閆志遠(yuǎn),杜志江,等.面向機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)的遙操作主手研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2014(8):11-13.LIAO L,YAN Z Y,DU Z J,et al.Research on teleoperation master manipulator for robot assisted remote operation[J].China Medical Devices,2014(8):11-13(in Chinese).
[10]RYU D,SONG J B,CHO C,et al.Development of a six DOF haptic master for teleoperation of a mobile manipulator[J].Mechatronics,2010,20(2):181-191.
[11]OTT R,GUTIERREZ M,THALMANN D,et al.Improving user comfort in haptic virtual environments through gravity compensation[C]//Proceedings of the first Joint Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems.Washington DC:IEEE Computer Society,2005,82(3):401-409.
[12]RYU J H,SONG J,KWON D S.A nonlinear friction compensation method using adaptive control and its practical application to an in-parallel actuated 6-DOF manipulator[J].Control Engineering Practice,2001,9(2):159-167.
[13]KUCHENBECKER K J,NIEMEYER G.Modeling induced master motion in force-reflecting teleoperation[J].Journal of Dynamic Systems Measurement and Control,2004,128(4):348-353.
[14]PARK H,LEE J M.Adaptive impedance control of a haptic interface[J].Mechatronics,2004,14(3):237-253.
[15]LI S H,ZHOU M M,YU X H.Design and implementation of terminal sliding mode control method for PMSM speed regulation system[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2013,9(4):1879-1891.
[16]黃勇.主—從異構(gòu)遙操作系統(tǒng)的雙向控制策略研究 [D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2014.HUANG Y.Research on the bilateral control strategy of master-slave isomerism teleoperation system[D].Changchun:Jilin University,2014(in Chinese).
[17]GAOX,WANGYF,SONGJZ,etal.Researchofanew6-D of force feedback hand controller system[J].Journal of Robotics,2014,2014:1-9.
[18]TAKHMAR A,POLUSHIN I G,TALASAZ A,et al.Cooperative teleoperation with projection-based force reflection for MIS[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2015,23(4):1411-1426.
[19]TAATI B,TAHMASEBI A M,HASHTRUDI-ZAAD K.Experimental identification and analysis of the dynamics of a phantom premium 1.5a haptic device[J].Presence Teleoperators&Virtual Environments,2008,17(4):327-343.