微創介入手術機器人推進機構驅動阻力的自適應控制研究

摘"要：由于機器人推進機構驅動中導管、導絲、支架結構對應坐標系統的多維性，導致操作臂關節間產生驅動阻力，增加導絲平移和遞送精度誤差，為此文章提出微創介入手術機器人推進機構驅動阻力自適應控制方法。將目標點的球面坐標轉換為定子三相繞組坐標系，提高目標位置信息精確度。根據機器人推進機構驅動坐標的轉換結果，補償推進機構驅動的重力矩、慣性力矩和摩擦力矩。將補償力矩作為控制目標，通過連續波脈沖器輸出個體適應度搭建系統狀態觀測器，完成微創介入手術機器人推進機構等效阻力矩模型構建，實現微創介入手術機器人推進機構驅動阻力自適應控制。測試結果表明，文章方法導絲總平移誤差為0.80 mm；關節正轉和反轉平穩；遞送精度平均誤差為0.20 mm。由此證明，文章方法能夠提高微創介入手術機器人的反向驅動效果，并具有較好的穩定性。

關鍵詞：微創介入手術機器人；定子三相繞組坐標系；補償力矩；等效阻力矩模型；反向驅動

中圖分類號：TH77""""""文獻標識碼：A""""""文章編號：20959699（2024）03002806

微創介入手術機器人作為一種無線信息傳輸方式，其推進機構驅動運行過程中主要借助連續波驅動脈沖器實現，該機器人最突出的優勢就是在成本適中的前提下，可以實現穩定的性能輸出，并且對于制造工藝要求較低[1-2]。但是值得關注的是，受微創介入手術機器人執行精度的要求影響，對推進機構驅動阻力控制的研究仍然存在進一步提升空間。微創介入手術機器人推進機構驅動階段連續波脈沖器分為轉子結構[3]和定子結構[4]。在具體運行過程中，電機驅動微創介入手術機器人推進機構中的轉子發生周期性運轉，進而使對應定子位置不斷改變。文獻[5]以實時自避碰為導向的雙臂機器人力矩控制策略提高了控制的精度，但是自適應能力偏低。文獻[6]提出以神經網絡滑模控制器為基礎的機器人力矩控制方法，控制性能較好，但是同樣在自適應方面存在不足。

受客觀脈沖信號傳輸性能和傳輸狀態的影響，微創介入手術機器人推進機構驅動的連續波脈沖器需要借助轉閥對驅動強度進行調整，以此保障能夠在最小力轉矩狀態下實現對目標任務操作的順利執行[7]。在此基礎上，文章提出微創介入手術機器人推進機構驅動阻力自適應控制方法，通過對比測試分析驗證設計方法的實際應用效果。

1"推進機構驅動阻力自適應控制方法

1.1"機器人推進機構驅動坐標轉換

在微創介入手術中，導管主要起到引導和支撐的作用，能夠沿著血管或腔道前進，為手術提供清晰的路徑；導絲協助導管前進，特別是在通過彎曲或狹窄的血管或腔道時能夠幫助導管支撐狹窄或病變的部位；支架可以支撐狹窄或塌陷的血管或腔道，維持其形態和功能。因此，在考慮機器人推進機構驅動中導管、導絲、球囊、支架結構對應坐標系統多維性的基礎上[8]，對機器人連續波脈沖器的定子三相繞組坐標進行轉換，實現精確定位、精確操作，減少對周圍正常組織的損傷，提高手術效果，減少并發癥。

將目標點從直角坐標系轉換為球面坐標系[9]，便于對手術操作進行更為精確規劃，各相繞組末端的X點、Y點以及Z點的球面坐標系轉換公式為：

X=ρsinφcosθY=ρsinφsinθZ=ρcosφ（1）

其中，ρ表示從原點到點X，Y，Z的距離，即目標點在球面坐標系下的徑向距離；φ表示目標點在垂直方向上的投影與Z軸正方向的夾角，即目標點在球面坐標系下的極角；θ表示目標點在水平面上的投影與X軸正方向的夾角，即目標點在球面坐標系下的方位角。

在手術過程中，將目標點的球面坐標轉換為定子三相繞組坐標系，便于醫生隨時掌握目標位置的精確信息。機器人推進機構驅動坐標位置信息在空間中的轉換公式為：

XIMUYIMUZIMU=R（Δω，Δα，Δβ）XYZ+ΔXΔYΔZ （2）

其中，XIMU、YIMU和ZIMU分別表示繞組末端對應X點、Y點以及Z點的移動距離；R表示減速比；Δω、Δα和Δβ分別表示導管、導絲、支架角度分量的旋轉參數；ΔX、ΔY和ΔZ分別表示X點、Y點以及Z點的位置偏心分量。

按照上述所示方式實現對機器人推進機構驅動坐標轉換，為后續的機器人推進機構驅動阻力自適應控制提供執行基礎。

1.2"機器人推進機構驅動阻力自適應控制

首先，構建自適應整體數學模型，自適應控制可以讓系統在運行過程中自動調整其參數，實現驅動阻力自適應控制，以適應手術操作外部環境的變化[10-12]。因此，本節結合1.1部分對機器人推進機構驅動坐標的轉換結果，主要通過不斷調整控制參數來適應微創介入手術機器人推進機構所處外部環境的動態變化。以重力矩Dj、慣性力矩U和摩擦力矩Mz作為多個補償目標，提高反向驅動效果。

設驅動阻力估計結果為Q（t），輸出信號結果為u（t），自適應算法的學習速率為μ，由此構建自適應整體目標數學模型為：

Q（t）=μ∫DjUMzsgnu（t）dt（3）

由此，通過調控補償重力矩Dj、慣性力矩U和摩擦力矩Mz，以保持輸出信號的穩定性，在確定輸出個體適應度的條件下，獲取等效阻力矩模型，實現微創介入手術機器人推進機構驅動阻力的自適應控制。

重力矩是微創介入手術機器人受到重力在旋轉軸上產生的力矩。通過重力矩補償可以對機器人的重心位置進行準確的建模，機器人推進機構驅動的重力矩補償為：

Dj=∑nj=1ljgrc（4）

其中，n表示導管長度；lj表示導管半徑；g表示重力加速度；rc表示導管插入血管的深度。

慣性力矩反映了操作臂在運動過程中受到的慣性阻力。在微創介入手術中，機器人的運動需要非常平緩和穩定，因此對機器人的慣性阻力要求較高。通過慣性力矩補償可以更好地指導機器人工作，機器人推進機構驅動的慣性力矩補償為：

U=kb+kcσs（5）

其中，kb表示轉子轉動慣量；kc表示負載轉動慣量；σ表示角加速度；s表示減速比。

由于摩擦產生最大作用力矩，影響操作臂在不同姿態和運動狀態下的操作精度。設定操作臂受力最遠端支撐點到遠心點的長度為h，機器人推進機構驅動的摩擦力矩補償為：

Mz=hζme+Fzd（6）

其中，ζ表示摩擦因數；m表示連桿質量[13]；e表示旋轉運動的縮放因子；Fz表示傳動總效率。

在此基礎上，文章以操作臂重力矩、慣性力矩和摩擦力矩作為控制目標，通過連續波脈沖器輸出個體適應度：

G（f）=DjUfMzλ（7）

其中，f表示連續波脈沖器輸出控制信號的頻率；λ表示正弦電流信號頻率幅值與相位差在傳遞函數下的回歸系數。

系統狀態觀測器具有估計系統狀態的功能，其通過輸入系統的輸出和狀態變量估計系統的真實狀態。根據個體適應度傳遞函數搭建系統狀態觀測器，估計機器人的實際運動狀態，避免外部干擾，從而實現更有效的控制：

M=χ1G（f）（8）

其中，χ表示補償力矩，通過調整力矩來控制機器人的運動。

結合系統狀態觀測器傳遞微創介入手術機器人推進機構運動信息，估計推進機構受到的阻力矩，構建微創介入手術機器人推進機構等效阻力矩模型：

Q=Mκmglsinθτ（9）

其中，κ表示關節的轉動角度；l表示絲杠導程；τ表示關節轉矩。利用等效阻力矩模型調節控制策略，減小操作臂關節間的阻力，提高反向驅動性能，從而實現更精確和穩定的控制。

2"測試與分析

2.1"測試環境設置

在對文章設計的微創介入手術機器人推進機構驅動阻力自適應控制方法的實際應用效果進行分析時，以腹腔微創手術機器人作為具體的控制對象。測試旨在模擬微創介入手術中機器人操作主動脈和冠狀動脈的過程，通過電磁跟蹤系統監測導引導絲的位置和姿態信息，同時采集微創介入手術機器人的連續波脈沖器輸出信息，評估機器人推進機構驅動阻力自適應控制性能和手術操作的精度。微創介入手術機器人推進機構自適應控制構架如圖1所示。

根據圖1可知，等效阻力矩模型通過對關節的轉動角度、絲杠導程和關節轉矩等因素進行建模，根據實際手術情況進行調節慣性力矩補償，抵消微創手術機器人工作過程中由于慣性力產生的影響，保證驅動系統的響應性能。推進機構電樞是微創手術機器人執行器的核心組件之一，將輸入信號轉化為旋轉運動，控制輸入電流調節推進機構。推進機構電樞與編碼器連接，通過編碼器反饋微創手術機器人當前位置和速度信息，根據反饋信息完成調節重力矩補償和調節摩擦力矩補償，抵消重力對驅動系統運動的影響，補償關節摩擦力矩，優化驅動系統的運動性能。通過調整增益系數改變驅動系統的靈敏度和穩定性，進而滿足不同手術場景下的精確定位和控制要求。

通過等效阻力矩模型、調節慣性力矩補償、推進機構電樞、編碼器、調節重力矩補償、調節摩擦力矩補償和增益等技術的綜合應用，使微創手術機器人能夠根據實時的手術變化情況對驅動系統進行自動調整和補償，提高了系統的適應性和靈敏性，確保機器人在不同手術環境和操作條件下的可靠性和穩定性。

腹腔微創手術機器人通過機器人操控臺實現操作臂關節控制，搭載主控制器、3D手術圖像顯示平臺、信息語言交互系統。微創介入手術機器人的推進機構配置情況如表1所示。具體操作平臺如圖2所示。

2.2"測試結果與分析

2.2.1"微創介入手術機器人的平移距離誤差測試

在操作微創介入手術機器人時，通過機器人操控臺的手柄末端旋鈕控制連接主端的主動輪和被動輪，改變關節轉動角度，產生手柄平移距離。導絲平移距離與手柄平移距離誤差越小，表明操作臂關節間阻力越低，測試結果如圖3所示。

根據圖3可知，第一次導絲前送操作后，手柄平移距離為88.70 mm，導絲平移距離為87.50 mm，誤差為1.20 mm；第二次導絲前送操作后，手柄總平移距離為150.90 mm，導絲總平移距離為150.10 mm，平移誤差為0.80 mm。在手術操作中，由于摩擦和阻力的影響會對導絲平移產生一定干擾，但是隨著操作進行誤差逐漸減小。這是因為文章方法對定子三相繞組的坐標進行轉換，更準確地跟蹤和控制機器人推進機構驅動中的導管、導絲、支架結構組件的位置和姿態，進而降低了平移誤差，提高微創介入手術的安全性。

2.2.2"微創介入手術機器人的補償力矩測試

在模擬腹腔手術操作過程中，設置微創手術機器人操作臂關節以0.5 rad/s的速度勻速轉動，以特定的關節位置作為測試點。推進機構會根據微創介入手術機器人操作臂關節實際運動位置輸出補償力矩，輔助操作者完成手術。測量推進機構電樞電流，即可獲取微創介入手術機器人操作臂關節在正轉和反轉條件下的補償力矩和阻力矩，具體如圖4所示。

根據圖4可知，在模擬腹腔手術操作過程中操作臂關節受到推進機構驅動阻力較小，僅在控制開始時電流產生輕微震動，整個過程中的關節正轉和反轉均平穩無異常，未發生過驅動現象。這是因為對重力矩、慣性力矩和摩擦力矩進行補償，抵消了重力、慣性、摩擦力對操作臂關節的影響，減小操作臂關節受到的推進機構驅動阻力，進而避免了力矩突變使起動過度，提高了反向驅動效果。

2.2.3"微創介入手術機器人的遞送精度測試

根據圖2可知，微創手術機器人操作平臺中起始點a為手術切口，三維坐標為（17.50，-124.30，-226.94）；目標點b為病變組織，三維坐標為（27.77，41.43，-45.65）。微創介入手術機器人從起始點a到目標點b需要將操作臂關節旋轉至不同角度完成手術操作，且推進機構沿Y軸完成導絲前送。獲取不同旋轉角度下的微創介入手術機器人的遞送精度，結果如圖5所示。

根據圖5可知，隨著旋轉角度的增加，微創介入手術機器人的遞送精度呈現整體下降的趨勢。在20°旋轉時，微創介入手術機器人的遞送精度最高，平均誤差為0.20 mm。而在120°旋轉時，微創介入手術機器人的遞送精度下降至最低，平均誤差為1.60 mm。此后，隨著旋轉角度的繼續增加，微創介入手術機器人的遞送精度雖有波動，但整體上呈現逐漸回升的趨勢。這是因為文章方法以操作臂重力矩、慣性力矩和摩擦力矩作為控制目標，對力矩進行有效的補償和抑制，進而顯著提高了微創介入手術機器人的運動準確性。同時，通過連續波脈沖器輸出，可以更加精細化地控制微創介入手術機器人操作臂運動狀態，從而降低平均誤差，提高其遞送精度。

3"結語

為了能夠最大限度提高微創介入手術機器人的應用性能，保障其運行的穩定性和安全性，文章提出微創介入手術機器人推進機構驅動阻力自適應控制方法。在充分考慮微創介入手術機器人驅動結構基礎上，補償推進機構驅動的重力矩、慣性力矩和摩擦力矩，構建微創介入手術機器人推進機構等效阻力矩模型，完成驅動阻力自適應控制。測試結果表明，文章方法平移距離誤差較小、補償力矩效果較優、遞送精度較高，切實實現了降低驅動力矩的目的。在之后的研究中，將結合文章結果對微創介入手術機器人推進機構驅動過程中的能量轉換進行分析，進一步提高控制精度。

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責任編輯：肖祖銘

Research on Adaptive Control of Driving Resistance of MinimallyInvasive Surgical Robot Propulsion Mechanism

ZHU Ping1， YU Jiali2

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Anhui Technical College of Industry and Economy， Hefei 230000， China;

2.School of Iron and Steel， Soochow University， Suzhou 215000， China）

Abstract：Due to the drive resistance between the joints of the operating arm， and the increase in wire translation and delivery accuracy errors， caused by the multidimensional nature of the corresponding coordinate system of the catheter， guide wire and stent structure in the drive of the robot propulsion mechanism， the adaptive control method of the minimally invasive surgery is proposed. The spherical coordinates of the target point are converted into the stator threephase winding coordinate system to improve the accuracy of the target position information. According to the conversion results of the robot propulsion mechanism drive coordinates， the heavy torque， inertia torque and friction torque of the propulsion mechanism drive are compensated. The compensation torque is taken as the control target， and the system state observer is built by the output of individual adaptation by the continuous wave pulse device to complete the construction of the equivalent torque model of the minimally invasive surgery robot propulsion mechanism， and realize the adaptive control of the minimally invasive surgery robot propulsion mechanism. The test results show that the total error of the guide wire is 0.80mm， and the average error of the delivery accuracy is 0.20mm. This paper proves that this method can improve the reverse driving effect of minimally invasive surgery robot， and it has good stability.

Keywords： minimally invasive surgery robot; stator threephase winding coordinate system; compensation torque; equivalent resistance torque model; reverse drive