【摘要】 近年來，機器人輔助遠程手術(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)療資源和遠程救治方面具有良好的應(yīng)用前景。但是，由于遠程手術(shù)不可避免的存在網(wǎng)絡(luò)時延，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至會對患者生命安全造成威脅。因此，研究遠程手術(shù)在Internet下的時延控制對于遠程手術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。為了對遠程手術(shù)時延控制進行研究，搭建了遠程手術(shù)實驗平臺，實現(xiàn)了主從兩端在不同協(xié)議下穩(wěn)定和準確的網(wǎng)絡(luò)通信。根據(jù)實驗平臺的特點，采用RTT方法精確測量了本地時延和Internet時延，得到了本地時延在CAN總線結(jié)構(gòu)下的時延特性曲線，以及Internet時延在兩種傳輸協(xié)議下的時延特性曲線，并分析了時延的特點。根據(jù)本地時延相對穩(wěn)定和可控的特點，同時采用了多線程技術(shù)和多事件驅(qū)動技術(shù)降低了本地時延，得到了穩(wěn)定、可控和較小的本地時延。同時，采用了極限逼近導(dǎo)數(shù)的思想，改進了原有的重力補償算法，減少了算法耗時，進一步降低了本地時延，保證了本地時延下主操作端的穩(wěn)定性。根據(jù)Internet時延的時變不可控的特點，提出了基于數(shù)據(jù)標簽的數(shù)據(jù)丟包和亂序處理策略，取得了較高的數(shù)據(jù)預(yù)測準確率。針對Internet變時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，設(shè)計了PID加反饋環(huán)節(jié)控制的改進型內(nèi)�？刂破�，并利用改進的粒子群算法對系統(tǒng)參數(shù)進行了優(yōu)化。通過實驗驗證了改進型內(nèi)模控制器在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力方面均優(yōu)于普通的內(nèi)�？刂破�。最后，通過局域網(wǎng)實驗驗證了主從遙操作的可行性，同時在局域網(wǎng)條件下模擬了網(wǎng)絡(luò)變時延，驗證了主從遙操作在模擬網(wǎng)絡(luò)時延下較好的穩(wěn)定性和快速性。通過廣域網(wǎng)主從遙操作實驗，初步驗證了遠程手術(shù)在Internet環(huán)境下實施的可行性，同時也驗證了在真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，基于數(shù)據(jù)標簽的數(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 

機器人輔助遠程手術(shù)是一門發(fā)展十分迅速的遠程醫(yī)療技術(shù)，它是生物學、信息學、機器人學和增強現(xiàn)實等多學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地區(qū)，外科醫(yī)生短時間內(nèi)難以到達，這就可能會使患者喪失最佳的救治時機。另外，當患者處于惡劣的環(huán)境中，如高輻射和高致命性細菌傳染的環(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。機器人輔助遠程手術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問題了提供了一個全新的途徑。 

機器人輔助遠程手術(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)和遠程通信將優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療資源輻射到偏遠地區(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救治。其次，由于遠程手術(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)生在進行手術(shù)時消除了對自身安全的擔憂，能更加專注的保證手術(shù)的順利進行。最后，在手術(shù)質(zhì)量方面，機器人輔助遠程手術(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)中無法到達的病灶位置，可以使用遠程手術(shù)機器人以微創(chuàng)手術(shù)的形式到達，減小了手術(shù)開口，降低了患者的痛苦。另外，機器人輔助遠程手術(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。 

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

1.1.2  課題的研究目的和意義 

機器人輔助遠程手術(shù)中變時延的存在給遠程手術(shù)帶來了很多問題。首先本地操作端發(fā)送的位置姿態(tài)等控制指令無法實時的到達遠程手術(shù)端，在時間上，遠程手術(shù)端的手術(shù)機器人動作執(zhí)行產(chǎn)生了一個滯后。從控制理論角度看，變時延的存在會使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴重時會導(dǎo)致遠程手術(shù)機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，這都給遠程手術(shù)的控制系統(tǒng)提出了很高的要求。另外，由于變時延的存在，手術(shù)操作者感受到的遠端的反饋力、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考驗。因此，網(wǎng)絡(luò)時延的存在使得遠程手術(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)生了負面影響。 

1.2  遠程手術(shù)及時延控制研究現(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)延伸到太空機械臂、醫(yī)用水下機器人、工業(yè)機器人、火星車、遠程手術(shù)等多個領(lǐng)域[16]。其中遠程手術(shù)在最近十年期間取得了很快的發(fā)展。當前專門針對遠程手術(shù)時延控制研究的比較少，而對于一般的遙操作時延控制研究的比較深入。由于網(wǎng)絡(luò)時延的隨機和時變的特點，使得對時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，重點介紹在遠程手術(shù)上的應(yīng)用，然后對網(wǎng)絡(luò)遙操作中的時延控制理論的發(fā)展進行詳細介紹。 

1.2.1  國內(nèi)外遠程手術(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)遙操作機器人于1993年在美國南加州大學誕生，它來源于一個名叫Merury Project的項目，最初設(shè)計為使用戶通過互聯(lián)網(wǎng)控制遠端SCARA機器人完成一些簡單動作，比如在一個半圓的沙坑里挖掘物品，如圖1-1所示。雖然這只是基于Web的遠程控制，也沒有主操作端的人體學輸入設(shè)備，但卻標志著網(wǎng)絡(luò)遙操作時代的到來。 

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

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

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

第2 章 遠程手術(shù)時延特性分析 

2.1  引言 

對遠程手術(shù)時延特性進行分析，是時延控制的基礎(chǔ)。為了對遠程手術(shù)時延特性進行分析，首先要研究時延的組成。遠程手術(shù)時延包括本地時延和 Internet時延兩個方面。本地時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遠程手術(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力等問題。  

Internet 時延是指在網(wǎng)絡(luò)中處理和傳輸數(shù)據(jù)所耗費的時間，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不同可分為局域網(wǎng)時延和廣域網(wǎng)時延。一般來說，同一實驗室或在同一學校，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、地域性的由計算機組成的網(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)時延遠大于局域網(wǎng)時延，并且廣域網(wǎng)時延具有更大的隨機性和時變特性。 

2.2 遠程手術(shù)平臺的搭建 

遠程手術(shù)系統(tǒng)主要由三部分組成：一、由操作者操作的主控端，一般為一個隨動的主操作手或其他符合人體工程學的位姿輸入裝置；二、通信通道，能夠進行信息的傳輸，包括位姿指令的發(fā)出和遠端信息的返回；三、遠程手術(shù)端，根據(jù)不同手術(shù)類型而專門設(shè)計的執(zhí)行手術(shù)操作的裝置，通過接收主操作端的控制指令進行運動，比如骨科手術(shù)機器人、腹腔鏡手術(shù)機器人、腦外科手術(shù)機器人等。在本研究課題中，主操作端和遠程手術(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行介紹。 

2.2.1  主操作端分析 

本地操作端采用的是一個串并聯(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)部分采用改進的 Delta 機構(gòu)實現(xiàn) 3 維平動自由度，串聯(lián)部分采用旋轉(zhuǎn)軸匯交機構(gòu)，實現(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，還增加了一個旋轉(zhuǎn)冗余自由度，使得串聯(lián)部分有4 個自由度，使操作者對主手的操作更加靈活方便。 

主操作端實現(xiàn)的主要功能有四個：一是保持自身的重力平衡，二是力反饋的實現(xiàn)，三是位姿和速度等信息的顯示，四是向遠端發(fā)送控制指令和接收來自遠端的反饋信息。其中，主手自身重力平衡是實現(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。 

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)首先進行處理，然后通過 Internet 發(fā)送到遠程手術(shù)端。其中，本地時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)動電機執(zhí)行動作，通過CAN 總線與上位機進行通信。Elmo 驅(qū)動器是以色列生產(chǎn)的一款功能強大的伺服電機驅(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)行時間僅有 1ms 左右，因此，Elmo驅(qū)動器具有高集成度和高運算速度，非常適合精密伺服電機的控制。而 CAN總線傳輸速度較快，可靠性高，抗干擾能力強，并且具有很好的實時性。 

在進行重力補償?shù)倪^程中，實時性是決定重力補償效果的一個重要因素。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，因此最終掛接在 CAN 總線上的共有 6 個驅(qū)動器，這六個驅(qū)動器就通過 CAN 總線組成了一個小范圍的網(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。上位機采用廣播的形式發(fā)送控制指令，每個指令前都有對應(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的指令進行相應(yīng)動作。 

第 3 章  本地時延控制研究 ..........20 

3.1  引言 .........20 

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

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

3.4  本地時延下重力補償算法分析 ..........24 

3.4.1  重力補償周期的測定及分析 .............25 

3.4.2 重力補償算法的改進 ..........25 

3.4.3  改進重力補償算法的性能測試.......... 28 

3.5  本章小結(jié) ...........30 

第 4 章  INTERNET 時延控制研究 ........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  基于改進型內(nèi)�？刂频� NCS 系統(tǒng)研究 ..................35 

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

4.5.1  粒子群算法的選取 ............36 

4.5.2  目標函數(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)的實驗研究 ................ 45 

5.1  引言 .......... 45 

5.2  基于局域網(wǎng)的實驗研究 ......... 45 

5.2.1  不同采樣周期下主從操作實驗.............45 

5.2.2  模擬 Internet 時延實驗研究 ........... 48 

5.3  基于廣域網(wǎng)的實驗研究 ................ 51 

5.3.1  基于廣域網(wǎng)的實驗方案設(shè)計 .................51 

5.3.2  遠程實驗結(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)的實驗研究 

5.1  引言      

第二章已經(jīng)完成了對遠程手術(shù)實驗平臺的搭建，這是進行實驗研究的基礎(chǔ)。通過本地時延控制及 Internet 時延控制的研究為主從遙操作實驗提供了理論依據(jù)�？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計包括硬件和軟件的設(shè)計，其中硬件部分采用模塊化設(shè)計方法，控制軟件的設(shè)計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)進行實驗研究，主要考察系統(tǒng)在變時延下的穩(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)的實驗研究 

5.2.1  不同采樣周期下主從操作實驗 

通過第二章的時延特性分析可知，在局域網(wǎng)條件下，本地時延相比于Internet 時延要大的多。本地時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)時延只有 0.3ms 左右，因此，在局域網(wǎng)條件下最主要的時延產(chǎn)生于本地時延，本次實驗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。 

本次實驗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，在第二章實驗平臺搭建中已經(jīng)進行了介紹。從手采用的一個同構(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。由于進行的是驗證性試驗，因此，從手只配置了三個平移自由度，通過并聯(lián)部分的三個電機實現(xiàn)。 

在主從操作進行之前，需要對主從兩端進行零位標定，只有完成了零位標定，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)。零位標定的過程如下： 

（1）  主手初始化自身控制系統(tǒng)，進行自歸零操作。規(guī)定主操作手的零位在并聯(lián)機構(gòu)每個轉(zhuǎn)角達到180°處。 

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

（3）  主手進行網(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）主手在重力補償下保持位置不變，從手進行再歸零操作，接收到前十個數(shù)據(jù)，根據(jù)主手并聯(lián)機構(gòu)轉(zhuǎn)角的變化對從手轉(zhuǎn)角進行微調(diào)。此時零位標定結(jié)束。 

結(jié)   論 

本文基于國家“863”項目“面向新疆邊遠地區(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 下遠程手術(shù)中時延控制進行了研究。研究工作涉及時延特性分析、本地時延的控制策略研究、Internet 時延的內(nèi)�？刂啤⑾到y(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）在遠程手術(shù)時延特性分析方面，針對本地時延，精確測量了驅(qū)動器指令耗時和采樣周期，得到了本地時延穩(wěn)定可控的特點，并且發(fā)現(xiàn)本地時延值較大，有進一步減小的空間。針對 Internet 時延，得到了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)下的Internet 時延特性曲線，并且在不同時間段內(nèi) Internet 時延呈現(xiàn)明顯的差異，這為進行 Internet 下的遠程操作實驗提供了參考依據(jù)。 

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

（3）采用數(shù)據(jù)標簽對數(shù)據(jù)亂序和丟包進行處理，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)測準確率。針對變時延下系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，設(shè)計了 PID和反饋復(fù)合控制的改進型內(nèi)�？刂破�，并且利用粒子群優(yōu)化算法對控制參數(shù)進行整體優(yōu)化，仿真結(jié)果表明改進型內(nèi)�？刂破髟谡{(diào)節(jié)時間、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)的主從操作實驗驗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)時延，驗證了系統(tǒng)在固定時延和變時延下的穩(wěn)定性�；�于廣域網(wǎng)的主從遙操作實驗驗證了數(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，未來還需要進一步研究主手運動速度較快時從手的跟蹤性能，保證從手的運動精度和快速性。
 

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