【摘要】 近年來，機器人輔助遠程手術不斷發(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用前景。但是，由于遠程手術不可避免的存在網絡時延，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至會對患者生命安全造成威脅。因此，研究遠程手術在Internet下的時延控制對于遠程手術的發(fā)展具有重要的意義。為了對遠程手術時延控制進行研究，搭建了遠程手術實驗平臺，實現(xiàn)了主從兩端在不同協(xié)議下穩(wěn)定和準確的網絡通信。根據實驗平臺的特點，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總線結構下的時延特性曲線，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和多事件驅動技術降低了本地時延，得到了穩(wěn)定、可控和較小的本地時延。同時，采用了極限逼近導數的思想，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Internet時延的時變不可控的特點，提出了基于數據標簽的數據丟包和亂序處理策略，取得了較高的數據預測準確率。針對Internet變時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，設計了PID加反饋環(huán)節(jié)控制的改進型內�？刂破�，并利用改進的粒子群算法對系統(tǒng)參數進行了優(yōu)化。通過實驗驗證了改進型內�？刂破髟谙到y(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力方面均優(yōu)于普通的內�？刂破鳌Ｗ詈�，通過局域網實驗驗證了主從遙操作的可行性，同時在局域網條件下模擬了網絡變時延，驗證了主從遙操作在模擬網絡時延下較好的穩(wěn)定性和快速性。通過廣域網主從遙操作實驗，初步驗證了遠程手術在Internet環(huán)境下實施的可行性，同時也驗證了在真實的網絡環(huán)境下，基于數據標簽的數據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是一門發(fā)展十分迅速的遠程醫(yī)療技術，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。在傳統(tǒng)的外科手術中，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)外科手術面臨的問題。機器人輔助遠程手術的出現(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首先解決了患者和外科手術醫(yī)生在地理上的隔離，通過信息技術和遠程通信將優(yōu)質的醫(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)生在進行手術時消除了對自身安全的擔憂，能更加專注的保證手術的順利進行。最后，在手術質量方面，機器人輔助遠程手術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，提高了手術的安全性。由于手術器械自由度的增加，使得在普通外科手術中無法到達的病灶位置，可以使用遠程手術機器人以微創(chuàng)手術的形式到達，減小了手術開口，降低了患者的痛苦。另外，機器人輔助遠程手術對于戰(zhàn)場上的傷員救治和外科手術醫(yī)生的培訓方面都具有十分重要的意義。 

機器人輔助遠程手術系統(tǒng)主要包括三個方面：本地主操作端、遠程通信網絡和遠程手術端。其中，遠程通信網絡帶來了變時延問題，這會導致遠程手術的穩(wěn)定性、透明性和手術精度受到影響。本文以機器人輔助遠程骨科手術為背景，針對遠程手術中變時延的存在，提出合理的時延控制方法，對遠程手術系統(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中變時延的存在給遠程手術帶來了很多問題。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端，在時間上，遠程手術端的手術機器人動作執(zhí)行產生了一個滯后。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，嚴重時會導致遠程手術機器人的誤操作或失控。其次，由于 Internet 存在固有的數據丟包或亂序的現(xiàn)象，這使得遠程手術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)生對手術過程的判斷，同時也造成了外科手術醫(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，網絡時延的存在使得遠程手術在手術精度、穩(wěn)定性和對醫(yī)生的心理作用等方面都產生了負面影響。 

1.2  遠程手術及時延控制研究現(xiàn)狀 

網絡遙操作發(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，經過60多年的發(fā)展，遙操作已經延伸到太空機械臂、醫(yī)用水下機器人、工業(yè)機器人、火星車、遠程手術等多個領域[16]。其中遠程手術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。由于網絡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域都是相通的。因此，本節(jié)將首先介紹網絡遙操作的國內外研究現(xiàn)狀，重點介紹在遠程手術上的應用，然后對網絡遙操作中的時延控制理論的發(fā)展進行詳細介紹。 

1.2.1  國內外遠程手術研究現(xiàn)狀 

在網絡遙操作領域，世界第一臺網絡遙操作機器人于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，最初設計為使用戶通過互聯(lián)網控制遠端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備，但卻標志著網絡遙操作時代的到來。 

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備，控制一臺ABB生產的工業(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木塊或抓取一些其他物品。這也是迄今為止在網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，遠程控制望遠鏡轉動角度，并且能對鏡頭焦距進行調整，觀測結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絡協(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名操作者通過網絡同時控制機器人動作，機器人內部會每隔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 遠程手術時延特性分析 

2.1  引言 

對遠程手術時延特性進行分析，是時延控制的基礎。為了對遠程手術時延特性進行分析，首先要研究時延的組成。遠程手術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系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力等問題。  

Internet 時延是指在網絡中處理和傳輸數據所耗費的時間，根據網絡覆蓋范圍不同可分為局域網時延和廣域網時延。一般來說，同一實驗室或在同一學校，距離在數千米以內的網絡統(tǒng)稱為局域網。而跨越較大的、地域性的由計算機組成的網絡集合，比如跨省、市，以至覆蓋國家的網絡集合稱為廣域網。一般來說廣域網時延遠大于局域網時延，并且廣域網時延具有更大的隨機性和時變特性。 

2.2 遠程手術平臺的搭建 

遠程手術系統(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、遠程手術端，根據不同手術類型而專門設計的執(zhí)行手術操作的裝置，通過接收主操作端的控制指令進行運動，比如骨科手術機器人、腹腔鏡手術機器人、腦外科手術機器人等。在本研究課題中，主操作端和遠程手術端采用同構的操作手，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)結合的 7 自由度操作手。結構如圖 2-1 所示。其中，并聯(lián)部分采用改進的 Delta 機構實現(xiàn) 3 維平動自由度，串聯(lián)部分采用旋轉軸匯交機構，實現(xiàn)3 維轉動自由度。為了提升主手姿態(tài)轉動的靈巧度，還增加了一個旋轉冗余自由度，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，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，對采集的數據首先進行處理，然后通過 Internet 發(fā)送到遠程手術端。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)的軟硬件結構共同決定的。本操作手的硬件系統(tǒng)采用 Elmo 驅動器驅動電機執(zhí)行動作，通過CAN 總線與上位機進行通信。Elmo 驅動器是以色列生產的一款功能強大的伺服電機驅動器，它具有豐富的API 函數，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。 

在進行重力補償的過程中，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 個驅動器，這六個驅動器就通過 CAN 總線組成了一個小范圍的網絡控制系統(tǒng)(Network Control  System，NCS)，如圖 2-2 所示。從圖 2-2 可以看出，每個驅動器都具有唯一的 ID 編號，以此來區(qū)別于其他的驅動器。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的 ID 號，這樣只有 ID 號相同的驅動器才能接收到上位機的指令進行相應動作。 

第 3 章  本地時延控制研究 ..........20 

3.1  引言 .........20 

3.2  基于多線程技術的本地時延控制 ............20 

3.3  基于多事件驅動的本地時延控制 ............... 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 ...........30 

第 4 章  INTERNET 時延控制研究 ........31 

4.1  引言 ...........31 

4.2  數據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�？刂频� NCS 系統(tǒng)研究 ..................35 

4.5  基于粒子群算法的內模控制參數優(yōu)化 ..................36 

4.5.1  粒子群算法的選取 ............36 

4.5.2  目標函數及粒子范圍的確定 ..............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1f 的優(yōu)化 ..................39 

4.6.3  函數2f 的優(yōu)化 ........... 41 

4.6.4  系統(tǒng)抗干擾性能研究 ................44

第 5 章  基于局域網和廣域網的實驗研究 ................ 45 

5.1  引言 .......... 45 

5.2  基于局域網的實驗研究 ......... 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  基于廣域網的實驗研究 ................ 51 

5.3.1  基于廣域網的實驗方案設計 .................51 

5.3.2  遠程實驗結果及分析............... 52

5.4  本章小結 ............... 55 

第5 章 基于局域網和廣域網的實驗研究 

5.1  引言      

第二章已經完成了對遠程手術實驗平臺的搭建，這是進行實驗研究的基礎。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�？刂葡到y(tǒng)的設計包括硬件和軟件的設計，其中硬件部分采用模塊化設計方法，控制軟件的設計采用多線程編程思想。本章將基于局域網和廣域網對系統(tǒng)進行實驗研究，主要考察系統(tǒng)在變時延下的穩(wěn)定性和數據丟包和亂序處理策略的有效性。 

5.2  基于局域網的實驗研究 

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)議的局域網時延只有 0.3ms 左右，因此，在局域網條件下最主要的時延產生于本地時延，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進行了介紹。從手采用的一個同構的主操作手，如圖5-1 所示。 

由圖 5-1 可以看出，從手是一個并聯(lián)結構，但是上支鏈的連接采用的是虎克鉸，與采用 Delta 機構的主手相比，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)機構每個轉角達到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)機構轉角 180°處。 

（3）  主手進行網絡初始化，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，位置數據自動開始以設定的周期向從手發(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，接收到前十個數據，根據主手并聯(lián)機構轉角的變化對從手轉角進行微調。此時零位標定結束。 

結   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用示范”，針對 Internet 下遠程手術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 時延的內模控制、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾分析等諸多研究內容，通過上述研究工作得出以下結論： 

（1）在遠程手術時延特性分析方面，針對本地時延，精確測量了驅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，得到了局域網和廣域網下的Internet 時延特性曲線，并且在不同時間段內 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。 

（2）采用多線程技術和多事件驅動技術對本地時延進行了有效控制，測試結果表明本地時延穩(wěn)定且數值較小。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）采用數據標簽對數據亂序和丟包進行處理，仿真結果表明數據處理策略取得了較高的數據預測準確率。針對變時延下系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，設計了 PID和反饋復合控制的改進型內�？刂破鳎�并且利用粒子群優(yōu)化算法對控制參數進行整體優(yōu)化，仿真結果表明改進型內模控制器在調節(jié)時間、超調量和抗干擾性能方面都要優(yōu)于普通內膜控制器。 

（4）基于局域網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。并且在局域網下模擬網絡時延，驗證了系統(tǒng)在固定時延和變時延下的穩(wěn)定性�；�于廣域網的主從遙操作實驗驗證了數據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。 

結合已經完成的研究工作，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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