摘"要：由于機器人推進機構(gòu)驅(qū)動中導管、導絲、支架結(jié)構(gòu)對應坐標系統(tǒng)的多維性，導致操作臂關節(jié)間產(chǎn)生驅(qū)動阻力，增加導絲平移和遞送精度誤差，為此文章提出微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)驅(qū)動阻力自適應控制方法。將目標點的球面坐標轉(zhuǎn)換為定子三相繞組坐標系，提高目標位置信息精確度。根據(jù)機器人推進機構(gòu)驅(qū)動坐標的轉(zhuǎn)換結(jié)果，補償推進機構(gòu)驅(qū)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(xù)波脈沖器輸出個體適應度搭建系統(tǒng)狀態(tài)觀測器，完成微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)等效阻力矩模型構(gòu)建，實現(xiàn)微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)驅(qū)動阻力自適應控制。測試結(jié)果表明，文章方法導絲總平移誤差為0.80 mm；關節(jié)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)平穩(wěn)；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(chuàng)介入手術機器人的反向驅(qū)動效果，并具有較好的穩(wěn)定性。

關鍵詞：微創(chuàng)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(qū)動

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

微創(chuàng)介入手術機器人作為一種無線信息傳輸方式，其推進機構(gòu)驅(qū)動運行過程中主要借助連續(xù)波驅(qū)動脈沖器實現(xiàn)，該機器人最突出的優(yōu)勢就是在成本適中的前提下，可以實現(xiàn)穩(wěn)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(chuàng)介入手術機器人執(zhí)行精度的要求影響，對推進機構(gòu)驅(qū)動阻力控制的研究仍然存在進一步提升空間。微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)驅(qū)動階段連續(xù)波脈沖器分為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[3]和定子結(jié)構(gòu)[4]。在具體運行過程中，電機驅(qū)動微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)中的轉(zhuǎn)子發(fā)生周期性運轉(zhuǎn)，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(jīng)網(wǎng)絡滑?？刂破鳛榛A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(tài)的影響，微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)驅(qū)動的連續(xù)波脈沖器需要借助轉(zhuǎn)閥對驅(qū)動強度進行調(diào)整，以此保障能夠在最小力轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下實現(xiàn)對目標任務操作的順利執(zhí)行[7]。在此基礎上，文章提出微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)驅(qū)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(gòu)驅(qū)動阻力自適應控制方法

1.1"機器人推進機構(gòu)驅(qū)動坐標轉(zhuǎn)換

在微創(chuàng)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(xié)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(tài)和功能。因此，在考慮機器人推進機構(gòu)驅(qū)動中導管、導絲、球囊、支架結(jié)構(gòu)對應坐標系統(tǒng)多維性的基礎上[8]，對機器人連續(xù)波脈沖器的定子三相繞組坐標進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)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(fā)癥。

將目標點從直角坐標系轉(zhuǎn)換為球面坐標系[9]，便于對手術操作進行更為精確規(guī)劃，各相繞組末端的X點、Y點以及Z點的球面坐標系轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為定子三相繞組坐標系，便于醫(yī)生隨時掌握目標位置的精確信息。機器人推進機構(gòu)驅(qū)動坐標位置信息在空間中的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)參數(shù)；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(xiàn)對機器人推進機構(gòu)驅(qū)動坐標轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的機器人推進機構(gòu)驅(qū)動阻力自適應控制提供執(zhí)行基礎。

1.2"機器人推進機構(gòu)驅(qū)動阻力自適應控制

首先，構(gòu)建自適應整體數(shù)學模型，自適應控制可以讓系統(tǒng)在運行過程中自動調(diào)整其參數(shù)，實現(xiàn)驅(qū)動阻力自適應控制，以適應手術操作外部環(huán)境的變化[10-12]。因此，本節(jié)結(jié)合1.1部分對機器人推進機構(gòu)驅(qū)動坐標的轉(zhuǎn)換結(jié)果，主要通過不斷調(diào)整控制參數(shù)來適應微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)所處外部環(huán)境的動態(tài)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(qū)動效果。

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

Q（t）=μ∫DjUMzsgnu（t）dt（3）

由此，通過調(diào)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(wěn)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(xiàn)微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)驅(qū)動阻力的自適應控制。

重力矩是微創(chuàng)介入手術機器人受到重力在旋轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)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(gòu)驅(qū)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(chuàng)介入手術中，機器人的運動需要非常平緩和穩(wěn)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(gòu)驅(qū)動的慣性力矩補償為：

U=kb+kcσs（5）

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

由于摩擦產(chǎn)生最大作用力矩，影響操作臂在不同姿態(tài)和運動狀態(tài)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(gòu)驅(qū)動的摩擦力矩補償為：

Mz=hζme+Fzd（6）

其中，ζ表示摩擦因數(shù)；m表示連桿質(zhì)量[13]；e表示旋轉(zhuǎn)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(xù)波脈沖器輸出個體適應度：

G（f）=DjUfMzλ（7）

其中，f表示連續(xù)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(shù)下的回歸系數(shù)。

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

M=χ1G（f）（8）

其中，χ表示補償力矩，通過調(diào)整力矩來控制機器人的運動。

結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)觀測器傳遞微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)運動信息，估計推進機構(gòu)受到的阻力矩，構(gòu)建微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)等效阻力矩模型：

Q=Mκmglsinθτ（9）

其中，κ表示關節(jié)的轉(zhuǎn)動角度；l表示絲杠導程；τ表示關節(jié)轉(zhuǎn)矩。利用等效阻力矩模型調(diào)節(jié)控制策略，減小操作臂關節(jié)間的阻力，提高反向驅(qū)動性能，從而實現(xiàn)更精確和穩(wěn)定的控制。

2"測試與分析

2.1"測試環(huán)境設置

在對文章設計的微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)驅(qū)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(chuàng)手術機器人作為具體的控制對象。測試旨在模擬微創(chuàng)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(tǒng)監(jiān)測導引導絲的位置和姿態(tài)信息，同時采集微創(chuàng)介入手術機器人的連續(xù)波脈沖器輸出信息，評估機器人推進機構(gòu)驅(qū)動阻力自適應控制性能和手術操作的精度。微創(chuàng)介入手術機器人推進機構(gòu)自適應控制構(gòu)架如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，等效阻力矩模型通過對關節(jié)的轉(zhuǎn)動角度、絲杠導程和關節(jié)轉(zhuǎn)矩等因素進行建模，根據(jù)實際手術情況進行調(diào)節(jié)慣性力矩補償，抵消微創(chuàng)手術機器人工作過程中由于慣性力產(chǎn)生的影響，保證驅(qū)動系統(tǒng)的響應性能。推進機構(gòu)電樞是微創(chuàng)手術機器人執(zhí)行器的核心組件之一，將輸入信號轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，控制輸入電流調(diào)節(jié)推進機構(gòu)。推進機構(gòu)電樞與編碼器連接，通過編碼器反饋微創(chuàng)手術機器人當前位置和速度信息，根據(jù)反饋信息完成調(diào)節(jié)重力矩補償和調(diào)節(jié)摩擦力矩補償，抵消重力對驅(qū)動系統(tǒng)運動的影響，補償關節(jié)摩擦力矩，優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)的運動性能。通過調(diào)整增益系數(shù)改變驅(qū)動系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)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(diào)節(jié)慣性力矩補償、推進機構(gòu)電樞、編碼器、調(diào)節(jié)重力矩補償、調(diào)節(jié)摩擦力矩補償和增益等技術的綜合應用，使微創(chuàng)手術機器人能夠根據(jù)實時的手術變化情況對驅(qū)動系統(tǒng)進行自動調(diào)整和補償，提高了系統(tǒng)的適應性和靈敏性，確保機器人在不同手術環(huán)境和操作條件下的可靠性和穩(wěn)定性。

腹腔微創(chuàng)手術機器人通過機器人操控臺實現(xiàn)操作臂關節(jié)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(tǒng)。微創(chuàng)介入手術機器人的推進機構(gòu)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(jié)果與分析

2.2.1"微創(chuàng)介入手術機器人的平移距離誤差測試

在操作微創(chuàng)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(jié)轉(zhuǎn)動角度，產(chǎn)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(jié)間阻力越低，測試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)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(chǎn)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(zhuǎn)換，更準確地跟蹤和控制機器人推進機構(gòu)驅(qū)動中的導管、導絲、支架結(jié)構(gòu)組件的位置和姿態(tài)，進而降低了平移誤差，提高微創(chuàng)介入手術的安全性。

2.2.2"微創(chuàng)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(chuàng)手術機器人操作臂關節(jié)以0.5 rad/s的速度勻速轉(zhuǎn)動，以特定的關節(jié)位置作為測試點。推進機構(gòu)會根據(jù)微創(chuàng)介入手術機器人操作臂關節(jié)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(gòu)電樞電流，即可獲取微創(chuàng)介入手術機器人操作臂關節(jié)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)條件下的補償力矩和阻力矩，具體如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，在模擬腹腔手術操作過程中操作臂關節(jié)受到推進機構(gòu)驅(qū)動阻力較小，僅在控制開始時電流產(chǎn)生輕微震動，整個過程中的關節(jié)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)均平穩(wěn)無異常，未發(fā)生過驅(qū)動現(xiàn)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(jié)的影響，減小操作臂關節(jié)受到的推進機構(gòu)驅(qū)動阻力，進而避免了力矩突變使起動過度，提高了反向驅(qū)動效果。

2.2.3"微創(chuàng)介入手術機器人的遞送精度測試

根據(jù)圖2可知，微創(chuàng)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(chuàng)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(jié)旋轉(zhuǎn)至不同角度完成手術操作，且推進機構(gòu)沿Y軸完成導絲前送。獲取不同旋轉(zhuǎn)角度下的微創(chuàng)介入手術機器人的遞送精度，結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，微創(chuàng)介入手術機器人的遞送精度呈現(xiàn)整體下降的趨勢。在20°旋轉(zhuǎn)時，微創(chuàng)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(zhuǎn)時，微創(chuàng)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(zhuǎn)角度的繼續(xù)增加，微創(chuàng)介入手術機器人的遞送精度雖有波動，但整體上呈現(xiàn)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(chuàng)介入手術機器人的運動準確性。同時，通過連續(xù)波脈沖器輸出，可以更加精細化地控制微創(chuàng)介入手術機器人操作臂運動狀態(tài)，從而降低平均誤差，提高其遞送精度。

3"結(jié)語

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

參考文獻：

[1]邵蒙，李洪文，王建立，等.自適應光學千單元級高壓驅(qū)動系統(tǒng)的設計和性能分析[J].光學精密工程，2023，31（17）：2493-2504.

[2]李煒，陳婧婧，李亞潔.數(shù)據(jù)驅(qū)動與機理解析方法融合的ICPS自適應綜合安全控制[J/OL].控制與決策，1-11[2023-12-13].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1124.TP.202 30825.1138.001.html.

[3]姜濤，陳宇，周興閣.基于自適應滑模的欠驅(qū)動無人艇軌跡跟蹤控制算法[J/OL].計算機測量與控制，1-11[2023-12-13].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4762.TP.202308 16.1122.016.html.

[4]丁承君，施正，馮玉伯，等.四輪驅(qū)動AGV自適應反演終端滑模軌跡跟蹤控制[J].制造業(yè)自動化，2023，45（07）：139-144.

[5]李肖，李世其，韓可，等.面向?qū)崟r自避碰的雙臂機器人力矩控制策略[J].信息與控制，2023，52（02）：211-219，234.

[6]劉建華，夏志剛，周賢鋼，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡滑?？刂破鞯耐夤趋罊C器人力矩控制器設計[J].湘潭大學學報（自然科學版），2021，43（05）：41-50.

[7]孫浩男，陳世才，張鍵，等.基于速度觀測器的欠驅(qū)動船舶自適應滑?？刂芠J].艦船科學技術，2023，45（13）：48-52.

[8]魏洪乾，趙文強，艾強，等.輪轂電機獨立驅(qū)動電動汽車線性時變模型預測主動安全控制[J].機械工程學報，2023，59（14）： 190-201.

[9]王蘊馨，馬金奎，陳淑江，等.不同坐標系下滑動軸承動特性系數(shù)計算方法的相互轉(zhuǎn)換[J].潤滑與密封，2021，46（03）：137-143.

[10]王金健，祝長生.多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多頻傳遞力的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應PD控制[J].振動工程學報，2022，35（01）：148-158.

[11]陳強，胡如海，胡軼.一類非參數(shù)不確定運動系統(tǒng)的自適應空間重復學習控制[J].高技術通訊，2022，32（06）：565 -575.

[12]劉向軍，楊程，周煜源.基于多反饋參量的交流接觸器自適應吸持控制策略[J].電工技術學報，2023，38（02）：554 -562.

[13]李仕生，袁瓊.連桿結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計及其對發(fā)動機系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].機械設計與制造，2022（03）：55-59，65.

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