微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力的自適應(yīng)控制研究

摘"要：由于機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中導(dǎo)管、導(dǎo)絲、支架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)的多維性，導(dǎo)致操作臂關(guān)節(jié)間產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)阻力，增加導(dǎo)絲平移和遞送精度誤差，為此文章提出微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制方法。將目標(biāo)點(diǎn)的球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為定子三相繞組坐標(biāo)系，提高目標(biāo)位置信息精確度。根據(jù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，補(bǔ)償推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的重力矩、慣性力矩和摩擦力矩。將補(bǔ)償力矩作為控制目標(biāo)，通過(guò)連續(xù)波脈沖器輸出個(gè)體適應(yīng)度搭建系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器，完成微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)等效阻力矩模型構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制。測(cè)試結(jié)果表明，文章方法導(dǎo)絲總平移誤差為0.80 mm；關(guān)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(shù)機(jī)器人的反向驅(qū)動(dòng)效果，并具有較好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人；定子三相繞組坐標(biāo)系；補(bǔ)償力矩；等效阻力矩模型；反向驅(qū)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH77""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""""文章編號(hào)：20959699（2024）03002806

微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人作為一種無(wú)線信息傳輸方式，其推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中主要借助連續(xù)波驅(qū)動(dòng)脈沖器實(shí)現(xiàn)，該機(jī)器人最突出的優(yōu)勢(shì)就是在成本適中的前提下，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能輸出，并且對(duì)于制造工藝要求較低[1-2]。但是值得關(guān)注的是，受微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人執(zhí)行精度的要求影響，對(duì)推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力控制的研究仍然存在進(jìn)一步提升空間。微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子發(fā)生周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而使對(duì)應(yīng)定子位置不斷改變。文獻(xiàn)[5]以實(shí)時(shí)自避碰為導(dǎo)向的雙臂機(jī)器人力矩控制策略提高了控制的精度，但是自適應(yīng)能力偏低。文獻(xiàn)[6]提出以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制器為基礎(chǔ)的機(jī)器人力矩控制方法，控制性能較好，但是同樣在自適應(yīng)方面存在不足。

受客觀脈沖信號(hào)傳輸性能和傳輸狀態(tài)的影響，微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)波脈沖器需要借助轉(zhuǎn)閥對(duì)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，以此保障能夠在最小力轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)任務(wù)操作的順利執(zhí)行[7]。在此基礎(chǔ)上，文章提出微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制方法，通過(guò)對(duì)比測(cè)試分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用效果。

1"推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制方法

1.1"機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在微創(chuàng)介入手術(shù)中，導(dǎo)管主要起到引導(dǎo)和支撐的作用，能夠沿著血管或腔道前進(jìn)，為手術(shù)提供清晰的路徑；導(dǎo)絲協(xié)助導(dǎo)管前進(jìn)，特別是在通過(guò)彎曲或狹窄的血管或腔道時(shí)能夠幫助導(dǎo)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(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中導(dǎo)管、導(dǎo)絲、球囊、支架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)多維性的基礎(chǔ)上[8]，對(duì)機(jī)器人連續(xù)波脈沖器的定子三相繞組坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)精確定位、精確操作，減少對(duì)周?chē)＝M織的損傷，提高手術(shù)效果，減少并發(fā)癥。

將目標(biāo)點(diǎn)從直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為球面坐標(biāo)系[9]，便于對(duì)手術(shù)操作進(jìn)行更為精確規(guī)劃，各相繞組末端的X點(diǎn)、Y點(diǎn)以及Z點(diǎn)的球面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式為：

X=ρsinφcosθY=ρsinφsinθZ=ρcosφ（1）

其中，ρ表示從原點(diǎn)到點(diǎn)X，Y，Z的距離，即目標(biāo)點(diǎn)在球面坐標(biāo)系下的徑向距離；φ表示目標(biāo)點(diǎn)在垂直方向上的投影與Z軸正方向的夾角，即目標(biāo)點(diǎn)在球面坐標(biāo)系下的極角；θ表示目標(biāo)點(diǎn)在水平面上的投影與X軸正方向的夾角，即目標(biāo)點(diǎn)在球面坐標(biāo)系下的方位角。

在手術(shù)過(guò)程中，將目標(biāo)點(diǎn)的球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為定子三相繞組坐標(biāo)系，便于醫(yī)生隨時(shí)掌握目標(biāo)位置的精確信息。機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)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(duì)應(yīng)X點(diǎn)、Y點(diǎn)以及Z點(diǎn)的移動(dòng)距離；R表示減速比；Δω、Δα和Δβ分別表示導(dǎo)管、導(dǎo)絲、支架角度分量的旋轉(zhuǎn)參數(shù)；ΔX、ΔY和ΔZ分別表示X點(diǎn)、Y點(diǎn)以及Z點(diǎn)的位置偏心分量。

按照上述所示方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

1.2"機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制

首先，構(gòu)建自適應(yīng)整體數(shù)學(xué)模型，自適應(yīng)控制可以讓系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整其參數(shù)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制，以適應(yīng)手術(shù)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(duì)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，主要通過(guò)不斷調(diào)整控制參數(shù)來(lái)適應(yīng)微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)所處外部環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。以重力矩Dj、慣性力矩U和摩擦力矩Mz作為多個(gè)補(bǔ)償目標(biāo)，提高反向驅(qū)動(dòng)效果。

設(shè)驅(qū)動(dòng)阻力估計(jì)結(jié)果為Q（t），輸出信號(hào)結(jié)果為u（t），自適應(yīng)算法的學(xué)習(xí)速率為μ，由此構(gòu)建自適應(yīng)整體目標(biāo)數(shù)學(xué)模型為：

Q（t）=μ∫DjUMzsgnu（t）dt（3）

由此，通過(guò)調(diào)控補(bǔ)償重力矩Dj、慣性力矩U和摩擦力矩Mz，以保持輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，在確定輸出個(gè)體適應(yīng)度的條件下，獲取等效阻力矩模型，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力的自適應(yīng)控制。

重力矩是微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人受到重力在旋轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的力矩。通過(guò)重力矩補(bǔ)償可以對(duì)機(jī)器人的重心位置進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的重力矩補(bǔ)償為：

Dj=∑nj=1ljgrc（4）

其中，n表示導(dǎo)管長(zhǎng)度；lj表示導(dǎo)管半徑；g表示重力加速度；rc表示導(dǎo)管插入血管的深度。

慣性力矩反映了操作臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的慣性阻力。在微創(chuàng)介入手術(shù)中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需要非常平緩和穩(wěn)定，因此對(duì)機(jī)器人的慣性阻力要求較高。通過(guò)慣性力矩補(bǔ)償可以更好地指導(dǎo)機(jī)器人工作，機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的慣性力矩補(bǔ)償為：

U=kb+kcσs（5）

其中，kb表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；kc表示負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的操作精度。設(shè)定操作臂受力最遠(yuǎn)端支撐點(diǎn)到遠(yuǎn)心點(diǎn)的長(zhǎng)度為h，機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的摩擦力矩補(bǔ)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(yùn)動(dòng)的縮放因子；Fz表示傳動(dòng)總效率。

在此基礎(chǔ)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(biāo)，通過(guò)連續(xù)波脈沖器輸出個(gè)體適應(yīng)度：

G（f）=DjUfMzλ（7）

其中，f表示連續(xù)波脈沖器輸出控制信號(hào)的頻率；λ表示正弦電流信號(hào)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(cè)器具有估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)的功能，其通過(guò)輸入系統(tǒng)的輸出和狀態(tài)變量估計(jì)系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)。根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度傳遞函數(shù)搭建系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器，估計(jì)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免外部干擾，從而實(shí)現(xiàn)更有效的控制：

M=χ1G（f）（8）

其中，χ表示補(bǔ)償力矩，通過(guò)調(diào)整力矩來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器傳遞微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)信息，估計(jì)推進(jìn)機(jī)構(gòu)受到的阻力矩，構(gòu)建微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)等效阻力矩模型：

Q=Mκmglsinθτ（9）

其中，κ表示關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；l表示絲杠導(dǎo)程；τ表示關(guān)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(guān)節(jié)間的阻力，提高反向驅(qū)動(dòng)性能，從而實(shí)現(xiàn)更精確和穩(wěn)定的控制。

2"測(cè)試與分析

2.1"測(cè)試環(huán)境設(shè)置

在對(duì)文章設(shè)計(jì)的微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析時(shí)，以腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人作為具體的控制對(duì)象。測(cè)試旨在模擬微創(chuàng)介入手術(shù)中機(jī)器人操作主動(dòng)脈和冠狀動(dòng)脈的過(guò)程，通過(guò)電磁跟蹤系統(tǒng)監(jiān)測(cè)導(dǎo)引導(dǎo)絲的位置和姿態(tài)信息，同時(shí)采集微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的連續(xù)波脈沖器輸出信息，評(píng)估機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制性能和手術(shù)操作的精度。微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)自適應(yīng)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(guò)對(duì)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、絲杠導(dǎo)程和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩等因素進(jìn)行建模，根據(jù)實(shí)際手術(shù)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)慣性力矩補(bǔ)償，抵消微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人工作過(guò)程中由于慣性力產(chǎn)生的影響，保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)性能。推進(jìn)機(jī)構(gòu)電樞是微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人執(zhí)行器的核心組件之一，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，控制輸入電流調(diào)節(jié)推進(jìn)機(jī)構(gòu)。推進(jìn)機(jī)構(gòu)電樞與編碼器連接，通過(guò)編碼器反饋微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人當(dāng)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(bǔ)償和調(diào)節(jié)摩擦力矩補(bǔ)償，抵消重力對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響，補(bǔ)償關(guān)節(jié)摩擦力矩，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。通過(guò)調(diào)整增益系數(shù)改變驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性，進(jìn)而滿足不同手術(shù)場(chǎng)景下的精確定位和控制要求。

通過(guò)等效阻力矩模型、調(diào)節(jié)慣性力矩補(bǔ)償、推進(jìn)機(jī)構(gòu)電樞、編碼器、調(diào)節(jié)重力矩補(bǔ)償、調(diào)節(jié)摩擦力矩補(bǔ)償和增益等技術(shù)的綜合應(yīng)用，使微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的手術(shù)變化情況對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整和補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈敏性，確保機(jī)器人在不同手術(shù)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(shù)機(jī)器人通過(guò)機(jī)器人操控臺(tái)實(shí)現(xiàn)操作臂關(guān)節(jié)控制，搭載主控制器、3D手術(shù)圖像顯示平臺(tái)、信息語(yǔ)言交互系統(tǒng)。微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的推進(jìn)機(jī)構(gòu)配置情況如表1所示。具體操作平臺(tái)如圖2所示。

2.2"測(cè)試結(jié)果與分析

2.2.1"微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的平移距離誤差測(cè)試

在操作微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人時(shí)，通過(guò)機(jī)器人操控臺(tái)的手柄末端旋鈕控制連接主端的主動(dòng)輪和被動(dòng)輪，改變關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，產(chǎn)生手柄平移距離。導(dǎo)絲平移距離與手柄平移距離誤差越小，表明操作臂關(guān)節(jié)間阻力越低，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，第一次導(dǎo)絲前送操作后，手柄平移距離為88.70 mm，導(dǎo)絲平移距離為87.50 mm，誤差為1.20 mm；第二次導(dǎo)絲前送操作后，手柄總平移距離為150.90 mm，導(dǎo)絲總平移距離為150.10 mm，平移誤差為0.80 mm。在手術(shù)操作中，由于摩擦和阻力的影響會(huì)對(duì)導(dǎo)絲平移產(chǎn)生一定干擾，但是隨著操作進(jìn)行誤差逐漸減小。這是因?yàn)槲恼路椒▽?duì)定子三相繞組的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，更準(zhǔn)確地跟蹤和控制機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中的導(dǎo)管、導(dǎo)絲、支架結(jié)構(gòu)組件的位置和姿態(tài)，進(jìn)而降低了平移誤差，提高微創(chuàng)介入手術(shù)的安全性。

2.2.2"微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的補(bǔ)償力矩測(cè)試

在模擬腹腔手術(shù)操作過(guò)程中，設(shè)置微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作臂關(guān)節(jié)以0.5 rad/s的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，以特定的關(guān)節(jié)位置作為測(cè)試點(diǎn)。推進(jìn)機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人操作臂關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置輸出補(bǔ)償力矩，輔助操作者完成手術(shù)。測(cè)量推進(jìn)機(jī)構(gòu)電樞電流，即可獲取微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人操作臂關(guān)節(jié)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)條件下的補(bǔ)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(shù)操作過(guò)程中操作臂關(guān)節(jié)受到推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力較小，僅在控制開(kāi)始時(shí)電流產(chǎn)生輕微震動(dòng)，整個(gè)過(guò)程中的關(guān)節(jié)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)均平穩(wěn)無(wú)異常，未發(fā)生過(guò)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。這是因?yàn)閷?duì)重力矩、慣性力矩和摩擦力矩進(jìn)行補(bǔ)償，抵消了重力、慣性、摩擦力對(duì)操作臂關(guān)節(jié)的影響，減小操作臂關(guān)節(jié)受到的推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力，進(jìn)而避免了力矩突變使起動(dòng)過(guò)度，提高了反向驅(qū)動(dòng)效果。

2.2.3"微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的遞送精度測(cè)試

根據(jù)圖2可知，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作平臺(tái)中起始點(diǎn)a為手術(shù)切口，三維坐標(biāo)為（17.50，-124.30，-226.94）；目標(biāo)點(diǎn)b為病變組織，三維坐標(biāo)為（27.77，41.43，-45.65）。微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人從起始點(diǎn)a到目標(biāo)點(diǎn)b需要將操作臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)至不同角度完成手術(shù)操作，且推進(jìn)機(jī)構(gòu)沿Y軸完成導(dǎo)絲前送。獲取不同旋轉(zhuǎn)角度下的微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)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(shù)機(jī)器人的遞送精度呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)。在20°旋轉(zhuǎn)時(shí)，微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的遞送精度最高，平均誤差為0.20 mm。而在120°旋轉(zhuǎn)時(shí)，微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)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(shù)機(jī)器人的遞送精度雖有波動(dòng)，但整體上呈現(xiàn)逐漸回升的趨勢(shì)。這是因?yàn)槲恼路椒ㄒ圆僮鞅壑亓亍T性力矩和摩擦力矩作為控制目標(biāo)，對(duì)力矩進(jìn)行有效的補(bǔ)償和抑制，進(jìn)而顯著提高了微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過(guò)連續(xù)波脈沖器輸出，可以更加精細(xì)化地控制微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而降低平均誤差，提高其遞送精度。

3"結(jié)語(yǔ)

為了能夠最大限度提高微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用性能，保障其運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，文章提出微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制方法。在充分考慮微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，補(bǔ)償推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的重力矩、慣性力矩和摩擦力矩，構(gòu)建微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)等效阻力矩模型，完成驅(qū)動(dòng)阻力自適應(yīng)控制。測(cè)試結(jié)果表明，文章方法平移距離誤差較小、補(bǔ)償力矩效果較優(yōu)、遞送精度較高，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了降低驅(qū)動(dòng)力矩的目的。在之后的研究中，將結(jié)合文章結(jié)果對(duì)微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析，進(jìn)一步提高控制精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]邵蒙，李洪文，王建立，等.自適應(yīng)光學(xué)千單元級(jí)高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能分析[J].光學(xué)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(dòng)與機(jī)理解析方法融合的ICPS自適應(yīng)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(yīng)滑模的欠驅(qū)動(dòng)無(wú)人艇軌跡跟蹤控制算法[J/OL].計(jì)算機(jī)測(cè)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(dòng)AGV自適應(yīng)反演終端滑模軌跡跟蹤控制[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2023，45（07）：139-144.

[5]李肖，李世其，韓可，等.面向?qū)崟r(shí)自避碰的雙臂機(jī)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(luò)滑模控制器的外骨骼機(jī)器人力矩控制器設(shè)計(jì)[J].湘潭大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，43（05）：41-50.

[7]孫浩男，陳世才，張鍵，等.基于速度觀測(cè)器的欠驅(qū)動(dòng)船舶自適應(yīng)滑模控制[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2023，45（13）：48-52.

[8]魏洪乾，趙文強(qiáng)，艾強(qiáng)，等.輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)線性時(shí)變模型預(yù)測(cè)主動(dòng)安全控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2023，59（14）： 190-201.

[9]王蘊(yùn)馨，馬金奎，陳淑江，等.不同坐標(biāo)系下滑動(dòng)軸承動(dòng)特性系數(shù)計(jì)算方法的相互轉(zhuǎn)換[J].潤(rùn)滑與密封，2021，46（03）：137-143.

[10]王金健，祝長(zhǎng)生.多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多頻傳遞力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PD控制[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2022，35（01）：148-158.

[11]陳強(qiáng)，胡如海，胡軼.一類(lèi)非參數(shù)不確定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的自適應(yīng)空間重復(fù)學(xué)習(xí)控制[J].高技術(shù)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(yīng)吸持控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2023，38（02）：554 -562.

[13]李仕生，袁瓊.連桿結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2022（03）：55-59，65.

責(zé)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