Master-Slave-Echtzeit-Steuerungsstrategie in cartesianischen Raum für einen neuartigen Operationsroboter für minimal

1. Einleitung

2. Roboter-Systemarchitektur

Abbildung 1. Robotersystemarchitektur: (a) Slave-Manipulatoren. (B) Hauptkonsole. (C) Instrumentenmanipulator. (D) Hauptausrüstung.

3. Master-Slave-Echtzeit-Steuerungsstrategie

Aus Gründen der Effizienz und die Sicherheit der minimal-invasiver Chirurgie, die Steuerstrategie in Echtzeit muss gewährleisten, dass der Slave-Manipulator schnell und genau die Bewegungen des Master-Equipment verfolgt und konnte nie unerwartete Aktionen machen. Chirurgen manipuliert Master Ausrüstungen, und das Steuersystem erfasst Positions- und Orientierungsinformationen der Master-Geräte in Echtzeit. Unter einem Instrumente Manipulator beispielsweise die Position und Orientierung der Master-Matrix-Geräte an die Matrix von Slave-Manipulators durch Mapping Master-Slave-Prinzip auf Konsistenz überführt wird (nach dem Zittern der Hand Dämpfung). Die Konsistenz Prinzip verlangt, dass die Position und Orientierung der Master-Geräte mit der Position und Ausrichtung des Instruments entsprechen. Dann löst das Steuerungssystem inverse Kinematik des Instrumentenmanipulator und sendet die Verschiebung jedes Gelenk Motortreiber auf der Instrumentenmanipulator. Servomotoren treiben das Instrument Manipulator die Bewegung der Master-Geräte zu verfolgen. Inzwischen erwirbt Steuerungssystem Geberinformationen in Echtzeit und berechnet Vorwärtskinematik des Instruments Manipulator Regelung zu implementieren. Die visuelle Rückkopplung wird durch das Laparoskop und angezeigt in 3D-Bildschirm erworben, die Chirurgen Eintauchen in chirurgischem Eingriff verbessert. Die Struktur von Echtzeit-Steuerstrategie ist in Abbildung 2 dargestellt.

Um die minimal invasive Chirurgie zu erreichen, soll das Robotersystem einige Hilfsfunktionen, wie beispielsweise intraoperative Neuabbildung und Zittern der Hand Dämpfung besitzen.

3.1. Master-Slave-Steuerverfahren in kartesischen Raum

Master-Slave-Steuerverfahren in kartesischen Raum hat die Eigenschaften der Intuition und Genauigkeit, die auf Kosten von mehr Schwierigkeiten als Steuerungsverfahren in Gelenkraum. Auf Konsistenz Prinzip kann das Verfahren ausgedrückt werden: (1)

wobei ST T die homogene Transformationsmatrix von Slave-Manipulator-Koordinaten Werkzeug-Koordinaten, LS T die Transformationsmatrix aus Laparoskop Koordinatenmanipulator an Slave-Koordinate ist MH T die Transformationsmatrix von Master-Equipment koordinieren zu hand koordinieren und DM T ist die Transformation Matrix aus displayer Koordinaten Ausrüstung Koordinate zu meistern. Normalerweise MH T ist der Eingang und die ST-T ist der Ausgang. Alle diese vier Matrices sollte oder Gelenkverstellungen durch Kinematik Transformation berechnet werden, um das Steuerverfahren zu implementieren. Für Master-Slave-isomeren Roboter ist die Kinematik Transformation eine entscheidende Rolle. Koordinatensysteme auf dem Instrumentenmanipulator sind, wie gezeigt in Abbildung 3. Die Greif gebaut nicht auf das Konto des Gesamt DOFs genommen wird.

Die Vorwärts-Kinematik ist einfach und kann wie folgt ausgedrückt werden: (2)

wobei A1 -A9 sind gemeinsame Matrizes sind, und sind alle bekannt.

Nach den strukturellen Merkmalen des Instrumentenmanipulator, wobei die Achsen der Gelenke 4-6, nicht Handgelenken, an einer Stelle in Wechselwirkung treten, so daß der Manipulator an den Pieper Prinzip nicht entspricht. Wenn jedoch aus entgegengesetzter Richtung zu urteilen, Gelenke 4-6 sind Handgelenken und Gelenke 7-10 sind Manipulators Gelenke. Es gibt geschlossene Lösung, so dass wir inversen die Eingangsmatrix die geschlossene Lösung zu erhalten.

Dieser Algorithmus kann die analytische Lösung bei weniger Rechenaufwand erhalten, weil es keine Notwendigkeit zur Fehlerkompensation ist oder inverse Jacobean Matrix zu lösen, und die richtigen anti-trigonometrische Funktionen der Wahl zum Bewegungsbereich jeden Gelenkes nach kann das Multi-Lösung Problem vermeiden. Winkelfunktion Berechnung ist sehr schnell für moderne Computer, so dass dieser Algorithmus ist für die Echtzeitsteuerung.

0 T9 = ST T ist die Eingangsmatrix. Da 1-3 Gelenke während der chirurgischen Prozedur verriegelt sind, wird die homogene Transformationsmatrix vom Bezugssystem zum Gelenke 3 Koordinatensystem, 0 T3 bekannt. Linke mehrfach 0T3 - 1 und steigen Sie (3): (3)

wo 0T3 - 1 c 0T9 ist bekannt, so (0T3 - 1 c 0T 9) - 1 ist bekannt und kann ausgedrückt werden als (4)

Verwandeln Gleichung (3) und erhält (5) (5)

Aus (4) und (5), gibt es die Gleichungen wie folgt: (6)

Entsprechende Positionen auf beiden Seiten der Gleichung (5) gleich sind. Finden Sie nur einfache Paare enthalten θ8, θ9 und d6. (7)

Verwandeln Gleichung (5) und erhält (11) (11)

0T 3 - 1 C; 0T 9 C (A8 A9) - 1 ist nun bekannt. Entsprechende Positionen auf beiden Seiten der Gleichung (11) gleich sind. Finden einfache Paare: (12) (13)

Rechts multiplizieren A7 - 1 auf beiden Seiten (11) und erhält (14) (14)

Von allen bekannten Winkeln, die homogene Transformationsmatrix von dem Referenzkoordinatensystem zu RCM, T5 bekannt ist, und die homogene Transformationsmatrix von dem Referenzkoordinatensystem zu ersten Handgelenkes wird T6 ebenfalls bekannt. T5 und T6 können ausgedrückt werden als: (16) (17)

So kann die Verschiebung des Gelenks 6 gelöst werden als: (18)

Nun ist die ganze Reihe von aktiven Gelenkverstellungen ist gelöst. Jede der obigen anti-trigonometrischen Funktion liefert nur eine Lösung innerhalb des Bewegungsbereichs jedes Gelenk, das die Mehr Lösung Problem vermeidet. Durch die analytische Lösung verwendet wird, wird die Master-Slave-Steuerverfahren in kartesischen Raum etabliert.

3.2. Intraoperative Neuzuordnung

Wenn Master-Equipment an die Grenze von Arbeitsplatz oder in unbequemem Arbeitsbereich der Nähe bewegt, sollte der Master-Slave-Mapping abgeschnitten werden, bis Master-Equipment, um geeigneten Betriebsbereich eingestellt wird, mit dem Halten von chirurgischen Instrumenten nach wie vor, was die Flexibilität des chirurgischen Roboters verbessert. Auf Konsistenz Prinzip sollte die Position und Orientierung des Master-Geräte nach der Anpassung betrachtet nach der Einstellung auf die Position und Orientierung des Slave-Manipulators werden entsprechende (es tatsächlich nicht bewegen). Die ganze Prozedur ist wie Maus vom Schreibtisch anheben und nach unten in einer neuen Position setzen. Um diese Funktion, die Position und Orientierung der Master-Schritte Ausrüstung zu implementieren, werden als Eingang des Abbildens angenommen, während Situationen für die Position und Orientierung ein wenig unterschiedlich sind.

Da die Position in rechtwinkligem linearen Raum ist, wird Referenzposition einfach mit erworbenen neuen ersetzt, wie folgt: (19), in dem HM P0 das Positionskoordinatensystem in Master-Equipment Referenz Hand, HM Paquired die Position nach der Einstellung, HMP (t erworbene + 1) ist die Position auf t + 1 Moment nach der Einstellung erworben, d (HMP (t + 1)) ist die Position Inkrement auf t + 1 zur Zeit, d (HMP (t + 1)) ist das Werkzeug Positionsinkrement in Slave Manipulatorsystem von d (HMP (t + 1)) zugeordneten Koordinaten TSP (t) ist, die Werkzeugposition auf t Moment und TSP (t + 1) ist, die Werkzeugposition auf t + 1 Minute.

Grund für die Orientierung ist ein wenig schwierig, weil Orientierung nicht im linearen Raum ist. Inverse Kinematik des Master-Equipment ist gelöst drei Gelenkwinkel zu erhalten, entsprechend der Slave-Manipulator Orientierung. Subtrahieren diese drei Winkel von drei Winkel nach der Einstellung übernommen würden die neuen Referenzwinkel wie folgt sein: (20)

wobei [α β η] 0 ist der Satz von drei Referenzwinkeln [α β η] erfaßt ist die Menge des Winkels nach der Einstellung und vor dem Wiederzuordnungs erworben, [α β η] ist gelöst, die Menge des Winkels zu der Slave entspricht Manipulator Ausrichtung nach der Einstellung, [α β η] t + 1 der Satz von Winkeln + 1 zur Zeit auf t erlangt, [α β η] 't + 1 der Satz von Winkeln für die Vorwärtskinematik ist, HMR (t + 1) die Orientierungsmatrix berechnet aus [α β η] 't + 1. und T S R (t + 1) ist, die Werkzeugorientierung Matrix in Slave auf t + 1 Moment koordinieren.

3.3. Echtzeit-Tremor Dämpfung

Tremor ist offen für die Fourier-Reihe Modell wegen seiner grob periodischen Funktion. Das Tremor Signal kann durch Anpassung der Amplitude und Phase der sinusförmigen Signale in einigen unterschiedlichen Referenzfrequenzen abgeschätzt werden. Als Tremor etwa im Bereich von 8-12 Hz ist, eingestellt ist ein Bereich von Interesse (f1 -f2). Unterteilen des Bereichs in N Teilungen und Teilungspunkte als Referenzfrequenzen wählen, was bedeutet, dass es N + 1-Referenzsignale Aufsummieren der Tremor Signal zu passen. Der LMS-Algorithmus verwendet, um die Gewichte zu aktualisieren. BMFLC kann wie folgt geschrieben werden: (21)

wobei N die Anzahl der Teilungen und N = (f -F0) G. Sk ist das Eingangssignal, ɛk der Schätzwert von sk ist. Wk ist das adaptive Gewichtungsvektor und μ ein adaptiver Verstärkungsparameter. Wenn μ zu klein ist, wird die Konvergenz der Fortschritt zu langsam sein, und wenn μ zu groß ist, wird die Sequenz divergent sein.

4. Experimente und Diskussion

4.1. Bewegung Trajektorienfolge Experiment

Um die Richtigkeit des Master-Slave-Echtzeit-Steuerungsstrategie, berührend und Positionieraufgabe zu überprüfen wurde von dem Robotersystem auf 3D-Positionierung Trainingsmodul kontinuierlich durchgeführt. Das Trainingsmodul ist in Abbildung 4 (a) gezeigt. In dem Experiment manipulierten Bediener das chirurgische Instrument Endeffektor Punkte von A bis F wiederum zu berühren und die aufgezeichnete Trajektorien der beiden Master-Equipment und chirurgisches Instrument Endeffektor. Die Trajektorien sind in Abbildung 4 (b) gezeigt. Es soll beachtet werden, dass die Flugbahn des Master-Equipment kartiert wurde im Slave-Manipulator-Arbeitsbereich zu sein.

Abbildung 4. Bewegungsbahnverfolgung Experiment: (a) Trainingsmodul; (B) zwei Trajektorien in Manipulators Arbeitsbereich.

Wie in Abbildung 4 (b). die Steuerstrategie könnte Chirurgen Handbewegungen in Echtzeit wiederholen. Es gab eine Abweichung zwischen zwei Bahnen. Der Hauptgrund dafür ist das Slave-Manipulator Gelenk Rückkehr Unterschied. Da das Instrument durch Stahldraht angetrieben wird, trägt die Elastizität des Stahldrahtes auch auf den Fehler. Die kleine Zeitverzögerung des Steuerungssystems ist eine weitere Ursache für den Fehler. Daher ist in die Zukunft gerichtet werden die Auswirkungen der mechanischen Rückstell Differenz und Stahldraht Elastizität sollte.

4.2. Intra-operative Wiederkartierungsexperiment

Abbildung 5: Intraoperative Neuabbildung von Master-Slave-Steuerung.

4.3. Tremor Dämpfung Experiment

Computer Verarbeitungsfähigkeit sollte auch berücksichtigt werden, wenn das Signal von Master-Equipment mit BMFLC Algorithmus erworben Eingangsfilterung. Um die Echtzeit-Performance des gesamten Systems, nicht nur die Abtastfrequenz von Master-Equipment, um sicherzustellen, kann nicht zu schnell sein, sondern auch das Frequenzintervall in BMFLC Algorithmus kann nicht zu nahe. Ein Industrie-PC (ARK-3510, Advantech) wurde für das Experiment verwendet. QNX Echtzeitbetriebssystem wurde verwendet, um Master-Equipment (Omega.7, Kraft Abmessungen) Ausgangsdaten in Echtzeit zu erwerben. Die Abtastfrequenz eingestellt wurde 1 KHz sein. Die Parameter wurden eingestellt f0 = 5, f = 15, L = 20, μ = 0,001 zu sein. Das Ergebnis des Experiments ist in etwa 10 Hz in Abbildung 6. Tremor gezeigte Signal wurde filtriert und freiwilliges Signal in Niedrigfrequenz vorbehalten war.

Abbildung 6. Versuchsergebnis des Tremors Dämpfung.

4.4. Tierversuch

Um auf einem Schwein zu überprüfen, wurde die Stabilität und Manövrierfähigkeit unseres chirurgischen Roboters, ein Tier Cholezystektomie Experiment von professionellen Chirurgen betrieben wird, durchgeführt. Das Schwein etwa 30 kg gewogen. Der Anästhesist betäubte das Schwein 15 Minuten vor dem chirurgischen Eingriff. Dann hatten wir die präoperative Vorbereitungen, einschließlich dem Schwein auf dem Tisch Festsetzung Festlegung Einschnitt für Instrumente und Roboterkonfiguration einrichten. Die Betriebszeit war fast 2 Stunden. Das Schwein erwachte etwa 30 Minuten nach der Operation und 10 Stunden später begannen zu essen. die Resektion durchführen kann genau anhand von Chirurgen Manipulation und die intra-operative Neuabbildung und Tremor Abschwächungshilfsfunktionen auch gut funktioniert das Experiment Situation ist in Abbildung 7. Chirurgischer Roboter gezeigt. Die obigen Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Echtzeit-Steuerungsverfahren korrekt und wirksam ist.

Online veröffentlicht

Abbildung 7. Tierexperiment Bilder: (a) die präoperative Vorbereitung und Anästhesie; (B) Slave-Manipulators Bild; (C) die intraoperative Endoskopiebild; (D) Hauptbild Konsole; (E) reseziert Gallenblase; (F) Schwein nach der Operation.

Abbildung 7. Tierexperiment Bilder: (a) die präoperative Vorbereitung und Anästhesie; (B) Slave-Manipulators Bild; (C) die intraoperative Endoskopiebild; (D) Hauptbild Konsole; (E) reseziert Gallenblase; (F) Schwein nach der Operation.

5. Diskussion und Schlussfolgerung

Mit dem Ziel, Chirurgen mit Manipulatoren Ausrüstung chirurgische Verfahren zu verfeinern und die Arbeitsbelastung zu reduzieren, wird eine neue Master-Slave-Echtzeit-Steuerungsstrategie für ein RMIS System in Master-Slave-isomerer Form vorgeschlagen. Die Probleme der Kinematik Transformation auf Konsistenz Prinzip, intraoperative Remapping und Tremor Dämpfung in Echtzeit wurden gelöst. Die Versuchsergebnisse in 4 gezeigt ist angegeben, dass Master-Slave-Steuerverfahren in kartesischen Raum kann die Konsistenz Prinzip realisieren. Die Ergebnisse in den 5 und 6 jeweils, dass die intraoperative Neuabbildung und Tremor Dämpfung könnten auch Hilfsfunktionen angezeigt gezeigt arbeiten. Tierversuch zeigte, dass unser Robotersystem mit der vorgeschlagenen Master-Slave-Steuerstrategie in vivo chirurgischen Aufgaben ausführen kann. Daher Steuerstrategie Master-Slave in Kartesischen Raum ist richtig und effektiv. Diese Regelstrategie kann für diese Art von chirurgischen Robotern oder angewandt in anderer Roboterindustrie mit Master-Slave-Steuerung und hohen Nachfrage nach Echtzeit spezialisiert sein.

In Zukunft werden wir uns auf die Wendigkeit und Sicherheit von chirurgischen Roboter während der Operation konzentrieren. Nach einer weiteren Verbesserung auf die Leistung des Roboters, werden wir einige klinische Studien durchzuführen.

Offenlegungserklärung

Die Autoren berichten, keine Interessenkonflikte. Die Autoren sind allein verantwortlich für den Inhalt und das Schreiben dieses Artikels.

Tabelle 1 Die Verbindungsparameter und die Gelenkvariablen des Instrumentenmanipulator.