提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，包括以下步驟：1)建立遠(yuǎn)端患者病灶組織數(shù)學(xué)模型，并對模型參數(shù)進(jìn)行辨識；2)根據(jù)步驟1)得到的模型參數(shù)，在醫(yī)生操作臺的主端控制器中建立虛擬人體模型，模擬人體組織動力學(xué)特性；同時依據(jù)無源控制理論，建立遙操作系統(tǒng)的無源觀測器，依次判斷遙操作系統(tǒng)是否有源；3)當(dāng)遙操作系統(tǒng)為無源時，直接將具有時延的遠(yuǎn)端手術(shù)操作作用力通過網(wǎng)絡(luò)通道反饋給主端控制器的操作者；如果遙操作系統(tǒng)為有源時，根據(jù)主端控制器的虛擬人體模型而計算出的作用力反饋給主端控制器的操作者。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性同時，最大限度的保證系統(tǒng)的透明性等優(yōu)點?！緦＠f明】提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明涉及一種主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)，尤其是涉及一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]近年來，主從式遙操作結(jié)構(gòu)的機(jī)器人技術(shù)被引入到微創(chuàng)手術(shù)中，極大地提高了微創(chuàng)手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。在使用主從式結(jié)構(gòu)的手術(shù)機(jī)器人的時候，為了實現(xiàn)更加安全、精細(xì)的微創(chuàng)手術(shù)操作，在主端操作臺上的外科手術(shù)醫(yī)生非常希望能夠感覺到從端手術(shù)器具末端的手術(shù)操作作用力。這種要求在遙操作技術(shù)中被定義為主從系統(tǒng)的透明性。主從式遙操作系統(tǒng)的另一個要求為系統(tǒng)穩(wěn)定性。遙操作系統(tǒng)面對一些不確定因素的時候，如操作者引入的抖動、通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延時、傳感器噪聲等，遙操作系統(tǒng)能夠保證穩(wěn)定，對這些系統(tǒng)不確定因素具有魯棒性。然而，遙操作系統(tǒng)的透明性要求和穩(wěn)定性要求是一對矛盾體的兩個方面。當(dāng)前的所有遙操作控制技術(shù)都是在犧牲系統(tǒng)的透明性的條件下提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這使得遙操作系統(tǒng)操作起來非常笨重，主端的操作者不能夠準(zhǔn)確的感受到從端機(jī)器人與環(huán)境的作用力。[0003]在實際的應(yīng)用中，尤其在主從式機(jī)器人系統(tǒng)被分別安置在不同的區(qū)域，相隔一段距離的時候，在主從控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中時延現(xiàn)象已經(jīng)成為導(dǎo)致遙操作系統(tǒng)不穩(wěn)定的最重要的問題。文獻(xiàn)["BilateralControlofTeleoperationwithTimeDelay'，（R.J.Anderson,M.W.Spong,IEEETransactionsonAutomaticControl，1989,34(5):494-501)]基于無源理論首先提出了解決遙操作系統(tǒng)時延問題的控制方法，但是該控制方法提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性是以降低系統(tǒng)透明性為代價。隨后，這一基于無源理論的控制方法被文獻(xiàn)["5七&13164(^。1：；^61616(^6抑1：；[011"（6.附611165^1'，]\J.E.Slotine,IEEEJournalofOceanicEngineering,1999,16(I):152-162)]進(jìn)一步延伸，提出了基于波變量理論的遙操作控制方法。相比較于原來的無源理論，波變量理論在確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下提高了系統(tǒng)的透明性，但是該方法會導(dǎo)致較大的位置跟蹤偏差和反饋力噪聲。近年來，文獻(xiàn)["ImprovingHapticFeedbackFidelityinWaveVariableBasedTeleoperationOrientatedtoTelemedicalApplications"（Y.Ye,P.X.Liu,IEEE-ASMETransactionsonMechatronics,2009,58(8):2847-2855)]n文南犬["ReducingWaveBasedTeleoperatorReflectionsforUnknownEnvironments(L.Bate,C.D.Cook,Z.Li,IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2011，58(2):392-397)]和文獻(xiàn)["AchievingStableTrackinginWaveVariableBasedTeleoperation(H.Li,K.Kawashima,IEEE-ASMETransactionsonMechatronics，2014,19(5):1574-1582)]等分別提出了基于無源理論的波變量位置跟蹤和作用力反饋效果的改進(jìn)方法，但是都沒有完全消除掉位置跟蹤誤差和作用力反饋噪聲。文獻(xiàn)《基于真實力反饋的四通道雙邊遙操作控制系統(tǒng)》（中國發(fā)明專利申請?zhí)枺?01210349978.X)設(shè)計了一種四通道雙邊控制方法來滿足非線性系統(tǒng)的位置和力跟蹤性能，但是該方法僅能解決遙操作系統(tǒng)的定常性時延問題。文獻(xiàn)《具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)位置和力跟蹤控制系統(tǒng)》（中國專利申請?zhí)枺?01410100599.6)針對具有時變延時的非線性遙操作系統(tǒng)設(shè)計了一種位置和力跟蹤控制系統(tǒng)，但是該方法沒有給出遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性和透明性具體指標(biāo)?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法。[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：[0006]-種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，包括以下步驟：[0007]1)建立遠(yuǎn)端患者病灶組織數(shù)學(xué)模型，并對模型參數(shù)進(jìn)行辨識；[0008]2)根據(jù)步驟1)得到的模型參數(shù)，在醫(yī)生操作臺的主端控制器中建立虛擬人體模型，模擬人體組織動力學(xué)特性；同時依據(jù)無源控制理論，建立遙操作系統(tǒng)的無源觀測器，計算遙操作系統(tǒng)的能量進(jìn)出關(guān)系，依次判斷遙操作系統(tǒng)是否有源；[0009]3)依據(jù)步驟2)中的無源觀測器而計算得出的遙操作系統(tǒng)是否有源，進(jìn)而選擇遙操作系統(tǒng)的力反饋信息反饋通道，即當(dāng)遙操作系統(tǒng)為無源時，直接將具有時延的遠(yuǎn)端手術(shù)操作作用力通過網(wǎng)絡(luò)通道反饋給主端控制器的操作者；如果遙操作系統(tǒng)為有源時，說明系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，那么系統(tǒng)根據(jù)主端控制器的虛擬人體模型而計算出的作用力反饋給主端控制器的操作者，從而確保具有延時的遙操作系統(tǒng)的透明性和穩(wěn)定性。[0010]所述的步驟1)建立遠(yuǎn)端患者病灶組織數(shù)學(xué)模型具體為：[0011]根據(jù)人體模型精度的不同要求，建立人體組織線性KelVin-Voigt模型或者非線性Hunt-Crossley模型。[0012]所述的人體組織線性Kelvin-Voigt模型具體為：[0013]將人體組織類比為由理想的粘彈性材料組成的彈性體，具體的動力學(xué)特性由線性彈簧和線性阻尼通過并聯(lián)方式而組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)表示，如果有作用力F作用于此類線性人體組織上，那么人體組織模型可以用下式表示：[0014]⑴[0015]其中，為手術(shù)器具擠壓人體組織的速度，K和B分別為組織器官的彈性系數(shù)和粘性系數(shù)，F(xiàn)(t)為手術(shù)器具施加于人體組織上的作用力。[0016]所述的人體組織非線性Hunt-Crossley模型具體為：[0017]如果采用非線性Hunt-Crossley模型對人體組織進(jìn)行建模時，所得到的人體組織模型可用下式表示：[0018](2)[0019]其中，指數(shù)η為一個實數(shù)，在實際微創(chuàng)手術(shù)操作中，隨著手術(shù)器具不斷擠壓人體組織，造成人體組織變形量X不斷增大，指數(shù)項η用于精確表示隨著人體組織擠壓面的增大而導(dǎo)致的人體組織剛度變化量；k為非線性彈性系數(shù)；b為非線性粘性系數(shù)，F(xiàn)(t)同樣為手術(shù)器具施加于人體組織上的作用力。[0020]所述的模型參數(shù)辨識過程具體如下：[0021]完成人體組織模型建立之后，就對人體組織參數(shù)進(jìn)行在線辨識，對于線性模型，需要辨識的參數(shù)為剛度參數(shù)K和粘性參數(shù)B;而對于非線性模型，需要辨識的參數(shù)為非線性彈性系數(shù)k、非線性粘性系數(shù)b和指數(shù)項η;[0022]在上述模型參數(shù)辨識過程中，不管是采用哪種模型來建立人體組織，只要已知模型中的三個量就夠?qū)δＰ蛥?shù)進(jìn)行辨識。這三個量分別為：人體組織變形量X、手術(shù)器具擠壓人體組織的速度量i和人體組織所承受的擠壓作用力大小F。其中位置量X可以通過安裝在手術(shù)器具執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端的位置傳感器，如編碼器等位置傳感器來直接獲取，而速度量無可以直接通過對上述速度量的微分來獲取。而擠壓作用力則可以通過力-力矩傳感器來檢測。[0023]通常，如果一個系統(tǒng)可以由常值參數(shù)βe、已知函數(shù)Φ(?)?Rffi和j(i)eR通過線性組合而構(gòu)成，即：Φα)ΤΘ=y(t)，那么ΘβΜ"中含有的參數(shù)稱為是可辨識的。其中，Φ⑴=[Φi⑴，Φ2⑴，...，Φm⑴]為已知的時間的函數(shù)向量，Θ=[ejt)，...，θηα)]為需要辨識的未知參數(shù)，y(t)為已知的時間標(biāo)量函數(shù)。[0024]采用最小二乘法進(jìn)行辨識時，人體組織模型參數(shù)辨識的更新方程如下：[0025](3)[0026](4)[0027](5)[0028](6)[0029]其中η為離散域內(nèi)的時間位，為未知的需要被辨識的參數(shù)，在此處為人體組織模型參數(shù)量，包括組織的彈性系數(shù)K和粘性系數(shù)B或非線性彈性系數(shù)k和非線性粘性系數(shù)b為已知的輸入量，在此處為通過測量獲得的手術(shù)器械關(guān)節(jié)位移量和關(guān)節(jié)速度量；y(η)為期望的輸出量，在此處為通過力檢測元件獲取的接觸力信息；[0030]e(n)為依據(jù)參數(shù)辨識精度要求而預(yù)先設(shè)置的誤差值；L(n)為自適應(yīng)增益量，為協(xié)方差矩陣，λ為遺忘因子；結(jié)合式（3)-(6)即可計算出人體組織模型參數(shù)。[0031]所述的步驟2)具體為：[0032]依據(jù)步驟1)辨識獲得的人體組織模型參數(shù)，在醫(yī)生操作臺的主端控制器建立一個虛擬人體組織模型，依據(jù)所選擇的模型不同，得到如下線性虛擬模型：[0033](7)[0034]或者非線性虛擬模型：[0035](8)[0036]從上兩式的虛擬模型，當(dāng)系統(tǒng)由于遙操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延時而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的時候，用此虛擬模型的作用力作為反饋給主端控制器的手術(shù)操作作用力，從而忽略網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)的影響，從而實現(xiàn)系統(tǒng)較高的透明性；[0037]同時，利用無源理論建立無源觀測器如下式：[0038](.9:)[0039]上式中E(t)表示為在時刻t遙操作系統(tǒng)此時刻的總能量；H⑴表示系統(tǒng)輸入輸出口的網(wǎng)絡(luò)能量；E(O)表示在初始時刻系統(tǒng)預(yù)存的能量；通過不斷計算遙操作系統(tǒng)每一時刻的系統(tǒng)總能量E(t)，來判斷系統(tǒng)是否有源，即當(dāng)E(t)多0時表示系統(tǒng)為無源，當(dāng)E(t)彡0表示系統(tǒng)有源；當(dāng)系統(tǒng)為有源的時候，確定系統(tǒng)是穩(wěn)定的，而當(dāng)系統(tǒng)為無源時，系統(tǒng)為不穩(wěn)定。[0040]所述的步驟3)具體為：[0041]依據(jù)步驟2中式（9)來判斷整個遙操作系統(tǒng)的有源性，進(jìn)而得出具有網(wǎng)絡(luò)時延的遙操作系統(tǒng)是否穩(wěn)定；[0042]如果在某一時刻，E⑴多0,從而判斷此時遙操作系統(tǒng)不受網(wǎng)絡(luò)時延的影響，或者說網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響非常小，此時將遠(yuǎn)端的手術(shù)器具與人體組織的直接作用力作為反饋作用力反饋給在主端控制器的操作者，使得操作者對遠(yuǎn)端環(huán)境具有臨場感，即稱此時的系統(tǒng)具有高透明性；[0043]相反，如果在某一時刻，系統(tǒng)無源觀測器E(t)彡0,判定由于網(wǎng)絡(luò)時延的存在使得此時的遙操作系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，就不能直接將遠(yuǎn)端的操作力反饋給操縱者，而是將虛擬環(huán)境模型的輸出作用力/>(/)作為反饋力提供給主端控制器的操作者。這樣情況下，即使由于網(wǎng)絡(luò)延時的存在使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，操作者也能感受到穩(wěn)定的從端操作作用力，使得遙操作系統(tǒng)的透明性不受影響，系統(tǒng)任然具有較高的透明性。[0044]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：[0045]1)本發(fā)明通過在線辨識方法對遠(yuǎn)端操作環(huán)境進(jìn)行模型參數(shù)辨識，從而避免了對遠(yuǎn)端操作環(huán)境采用離線建模而造成的建模誤差，使得所建模型更貼近實際環(huán)境動力學(xué)；[0046]2)本發(fā)明在每一個采樣時刻都判斷遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性同時，最大限度的保證系統(tǒng)的透明性，使得在主端的操作者始終能夠獲得遠(yuǎn)端操作作用力。【附圖說明】[0047]圖1為具有時延的主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)簡圖；[0048]圖2為主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖；[0049]圖3為本發(fā)明主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)提高透明性和穩(wěn)定性的控制框圖。【具體實施方式】[0050]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。[0051]實施例[0052]如圖1所示，主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)包括操作者動力學(xué)模型1、主端操作手柄2、主端關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)3、網(wǎng)絡(luò)時延環(huán)節(jié)4、從端控制器5、從端驅(qū)動電機(jī)6、從端機(jī)構(gòu)執(zhí)行器7和遠(yuǎn)端環(huán)境模型8。主端操作手柄2與主端關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)3相固連，主端的操作者1通過移動主端操作手柄2,從而帶動主端關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)3轉(zhuǎn)動，安裝在電機(jī)軸上的位置檢測傳感器檢測到位移量后，將此位移量通過網(wǎng)絡(luò)時延環(huán)節(jié)4傳遞給從端控制器5,該控制器對比從端機(jī)構(gòu)當(dāng)前位移量與從主端發(fā)來的位移量，對從端驅(qū)動電機(jī)6產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動力矩信號，從而驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，最終帶動安裝在電機(jī)軸上的從端機(jī)構(gòu)執(zhí)行器7與遠(yuǎn)端環(huán)境模型8相接觸；從端機(jī)構(gòu)執(zhí)行器8與遠(yuǎn)端環(huán)境模型8接觸后產(chǎn)生的接觸力再次通過網(wǎng)絡(luò)延時環(huán)節(jié)4,反饋給主端驅(qū)動電機(jī)3,對主端驅(qū)動電機(jī)3產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動力信號，帶動主端操作手柄2向操作者1期望的運動的相反方向運動，從而給操作者一個逆向作用力。從而形成一個完整的遙操作系統(tǒng)的信號流動過程。[0053]圖2所示以控制系統(tǒng)框圖形式對圖1所述的主從式遠(yuǎn)程遙操作系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行表述。操作者動力學(xué)模型1等效于圖2中的模塊9,操作者1施加的作用fh與從端反饋作用力fsd相合并之后得到施加給主端機(jī)器人10的作用力。此處，主端機(jī)器人10包括圖1中的主端操作手柄2和主端關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)3兩個模塊。主端機(jī)器人10在操作力匕作用下，關(guān)節(jié)發(fā)生運動從而產(chǎn)生位移量％，該位移量通過網(wǎng)絡(luò)延時環(huán)節(jié)模塊11.1后變成信號4·!發(fā)送給從端，該位移信號與從端機(jī)器人13(從端機(jī)器人13包括圖1中的從端關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)6和從端機(jī)構(gòu)執(zhí)行器7兩個模塊）的當(dāng)前位移量先相比較，得到的比較值傳遞給從端控制器模塊12,從端控制器12計算獲得的作用力匕分成兩路，一路信號通過網(wǎng)絡(luò)延時模塊11.2后變成fsd信號，傳遞給主端操作者9;作用力f3的另一路信號通過與環(huán)境模型L的作用力信號相比較后得到從端機(jī)器人13的驅(qū)動作用力fs。，從而使得從端機(jī)器人13產(chǎn)生運動信號Q[0054]圖3所示為本發(fā)明公開的一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的控制框圖。其中參數(shù)辨識模塊15利用測量獲取的位移Xs、速度先和接觸力信息作為已知量來對遠(yuǎn)端環(huán)境模型14進(jìn)行參數(shù)辨識。設(shè)遠(yuǎn)端環(huán)境模型14用線性Kelvin-Voigt模型表示為：[0055](7)[0056]其中，為手術(shù)器具擠壓人體組織的速度；而K和B分別為組織器官的彈性系數(shù)和粘性系數(shù)；F(t)為手術(shù)器具施加于人體組織上的作用力。參數(shù)辨識模塊15選用最常用的遞歸最小二乘法。由于選擇了線性Kelvin-Voigt模型，那么參數(shù)辨識方程（5)中，未知參數(shù)向量，遞歸已知變I，.未知參數(shù)的辨識過程通過如下遞歸過程得出其中^為人體組織作用于手術(shù)器具上的作用力，在遞歸計算的每一個循環(huán)結(jié)束后，輸出參數(shù)辨識結(jié)果K和B，模型參數(shù)辨識結(jié)果用i,.來表示。得到的遠(yuǎn)端模型14的參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)延時環(huán)節(jié)模塊11.3發(fā)送到遙操作系統(tǒng)的主端，依據(jù)此模型在主端建立一個虛擬環(huán)境模型16,模型16接收來自主端機(jī)器人10的位置信息I并產(chǎn)生相應(yīng)的虛擬作用力信息_￡，該信息被無源觀測器17用作已知量來計算遙操作系統(tǒng)是否有源。[0057]在此系統(tǒng)中，無源觀測器9具體用下式表示：[0058](10)[0059]無源觀測器模塊17用于檢測遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)的有源性，當(dāng)系統(tǒng)為無源的時候，即E(t)多0,表示此時的遙操作系統(tǒng)為穩(wěn)定的，開關(guān)模塊18將系統(tǒng)切換開關(guān)調(diào)整到a端口，將經(jīng)過延時環(huán)節(jié)模塊11.2的作用力信號fsd反饋給主端機(jī)器人10.在下一個采樣時刻，系統(tǒng)通過計算表達(dá)式（10)，繼續(xù)判斷系統(tǒng)的有源性。如果通過（10)式的計算，系統(tǒng)變?yōu)橛性醇碋(t)<0,表示此時的遙操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)時延的影響下表現(xiàn)為不穩(wěn)定，那么無源觀測器模塊17將開關(guān)模塊18調(diào)整到b端口，使用虛擬環(huán)境模型16輸出的作用力作為反饋作用力義給主端機(jī)器人9。通過上述過程，在每一采樣時刻，都能確保遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)具有精確的反饋力信號給在主端的操作者9。【主權(quán)項】1.一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，包括W下步驟：1)建立遠(yuǎn)端患者病灶組織數(shù)學(xué)模型，并對模型參數(shù)進(jìn)行辨識；2)根據(jù)步驟1)得到的模型參數(shù)，在醫(yī)生操作臺的主端控制器中建立虛擬人體模型，模擬人體組織動力學(xué)特性；同時依據(jù)無源控制理論，建立遙操作系統(tǒng)的無源觀測器，計算遙操作系統(tǒng)的能量進(jìn)出關(guān)系，依次判斷遙操作系統(tǒng)是否有源；3)依據(jù)步驟2)中的無源觀測器而計算得出的遙操作系統(tǒng)是否有源，進(jìn)而選擇遙操作系統(tǒng)的力反饋信息反饋通道，即當(dāng)遙操作系統(tǒng)為無源時，直接將具有時延的遠(yuǎn)端手術(shù)操作作用力通過網(wǎng)絡(luò)通道反饋給主端控制器的操作者；如果遙操作系統(tǒng)為有源時，根據(jù)主端控制器的虛擬人體模型而計算出的作用力反饋給主端控制器的操作者，從而確保具有延時的遙操作系統(tǒng)的透明性和穩(wěn)定性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述的步驟1)建立遠(yuǎn)端患者病灶組織數(shù)學(xué)模型具體為：根據(jù)人體模型精度的不同要求，建立人體組織線性Kelvin-Voigt模型或者非線性化nt-化ossl巧模型。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述的人體組織線性Kelvin-Voigt模型具體為：將人體組織類比為由理想的粘彈性材料組成的彈性體，具體的動力學(xué)特性由線性彈黃和線性阻尼通過并聯(lián)方式而組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)表示，如果有作用力F作用于此類線性人體組織上，那么人體組織模型可W用下式表示：(1)其中，-中)為手術(shù)器具擠壓人體組織的速度，K和B分別為組織器官的彈性系數(shù)和粘性系數(shù)，F(xiàn)(t)為手術(shù)器具施加于人體組織上的作用力。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述的人體組織非線性化nt-化OSSley模型具體為：如果采用非線性化nt-化OSSley模型對人體組織進(jìn)行建模時，所得到的人體組織模型可用下式表示：(2)其中，指數(shù)n為一個實數(shù)，在實際微創(chuàng)手術(shù)操作中，隨著手術(shù)器具不斷擠壓人體組織，造成人體組織變形量X不斷增大，指數(shù)項n用于精確表示隨著人體組織擠壓面的增大而導(dǎo)致的人體組織剛度變化量；k為非線性彈性系數(shù)；b為非線性粘性系數(shù)，F(xiàn)(t)同樣為手術(shù)器具施加于人體組織上的作用力。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述的模型參數(shù)辨識過程具體如下：完成人體組織模型建立之后，就對人體組織參數(shù)進(jìn)行在線辨識，對于線性模型，需要辨識的參數(shù)為剛度參數(shù)K和粘性參數(shù)B;而對于非線性模型，需要辨識的參數(shù)為非線性彈性系數(shù)k、非線性粘性系數(shù)b和指數(shù)項n;采用最小二乘法進(jìn)行辨識時，人體組織模型參數(shù)辨識的更新方程如下：(3)(4)(5)(6)其中n為離散域內(nèi)的時間位，省eK"為未知的需要被辨識的參數(shù)，在此處為人體組織模型參數(shù)量，包括組織的彈性系數(shù)K和粘性系數(shù)B或非線性彈性系數(shù)k和非線性粘性系數(shù)b為已知的輸入量，在此處為通過測量獲得的手術(shù)器械關(guān)節(jié)位移量和關(guān)節(jié)速度量；y(n)為期望的輸出量，在此處為通過力檢測元件獲取的接觸力信息；e(n)為依據(jù)參數(shù)辨識精度要求而預(yù)先設(shè)置的誤差值；L(n)為自適應(yīng)增益量，為協(xié)方差矩陣，A為遺忘因子；結(jié)合式（3)-化）即可計算出人體組織模型參數(shù)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述的步驟2)具體為：依據(jù)步驟1)辨識獲得的人體組織模型參數(shù)，在醫(yī)生操作臺的主端控制器建立一個虛擬人體組織模型，依據(jù)所選擇的模型不同，得到如下線性虛擬模型：(7)C8)從上兩式的虛擬模型，當(dāng)系統(tǒng)由于遙操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延時而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的時候，用此虛擬模型的作用力作為反饋給主端控制器的手術(shù)操作作用力，從而忽略網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)的影響，從而實現(xiàn)系統(tǒng)較高的透明性；同時，刺巧韋源巧換津畝韋源觀測器如下式：巧）上式中E(t)表示為在時刻t遙操作系統(tǒng)此時刻的總能量；H(t)表示系統(tǒng)輸入輸出口的網(wǎng)絡(luò)能量；E(O)表示在初始時刻系統(tǒng)預(yù)存的能量；通過不斷計算遙操作系統(tǒng)每一時刻的系統(tǒng)總能量E(t)，來判斷系統(tǒng)是否有源，即當(dāng)E(t)>0時表示系統(tǒng)為無源，當(dāng)E(t)《0表示系統(tǒng)有源；當(dāng)系統(tǒng)為有源的時候，確定系統(tǒng)是穩(wěn)定的，而當(dāng)系統(tǒng)為無源時，系統(tǒng)為不穩(wěn)定。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種提高主從式遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述的步驟3)具體為：依據(jù)步驟2中式（9)來判斷整個遙操作系統(tǒng)的有源性，進(jìn)而得出具有網(wǎng)絡(luò)時延的遙操作系統(tǒng)是否穩(wěn)定；如果在某一時刻，E(t)>0,從而判斷此時遙操作系統(tǒng)不受網(wǎng)絡(luò)時延的影響，或者說網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響非常小，此時將遠(yuǎn)端的手術(shù)器具與人體組織的直接作用力作為反饋作用力反饋給在主端控制器的操作者，使得操作者對遠(yuǎn)端環(huán)境具有臨場感，即稱此時的系統(tǒng)具有高透明性；相反，如果在某一時刻，系統(tǒng)無源觀測器E(t)《0,判定由于網(wǎng)絡(luò)時延的存在使得此時的遙操作系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將虛擬環(huán)境模型的輸出作用力/'(〇作為反饋力提供給主端控制器的操作者?！疚臋n編號】A61B19/00GK105982735SQ201510051150【公開日】2016年10月5日【申請日】2015年1月30日【發(fā)明人】李紅兵【申請人】上海交通大學(xué)