[发明专利]一种虚拟手术混合控制系统及其验证方法

说明书

一种虚拟手术混合控制系统及其验证方法，系统包括虚拟触觉手术仿真控制系统和FPAA承载的模拟控制器，所述模拟控制器并联在虚拟触觉手术仿真控制系统中的数字控制器的两端。验证方法：并联式混合控制系统建模；研究混合控制系统的稳定性判据；根据稳定性判据测定系统的稳定范围；定量实验分析系统力跟踪和位姿跟踪误差；定性实验检测任务成功率。该系统能在保证稳定性的前提下，有效地提高系统的控制增益，不仅可仿真较真实的软组织碰触实时反馈，也可以感知到可信的刚性时的触觉反馈，能完成多种类型的手术训练和仿真任务，该验证方法能便捷地验证该混合控制系统的稳定性和可靠性。

技术领域

本发明涉及双边遥操作系统，具体涉及一种虚拟手术混合控制系统及其验证方法。

背景技术

虚拟触觉手术仿真系统，可用于术前规划和医生培训，帮助医生熟悉手术操作流程，学习操作技巧，在减少不熟练的手术操作对病人损伤的同时，可重复使用的界面也节省了训练成本。其中，控制系统决定并监控着系统行为，其是整个仿真系统的大脑，因此如何提高控制系统的性能，同时保证系统的稳定性和透明性是十分必要的。

目前有关虚拟触觉手术仿真控制系统的研究，主要集中在缩短通讯延迟，保证终端无源及优化仿真模型算法等方面，而对控制器离散化所带来的影响研究较少。离散化的控制器会限制控制增益上限，降低系统透明性，影响系统性能。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种虚拟手术混合控制系统及其验证方法，该系统能在保证稳定性的前提下，有效地提高系统的控制增益，不仅可仿真较真实的软组织碰触实时反馈，也可以感知到可信的刚性时的触觉反馈，能完成多种类型的手术训练和仿真任务，该验证方法能便捷地验证该混合控制系统的稳定性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供一种虚拟手术混合控制系统，包括虚拟触觉手术仿真控制系统和FPAA承载的模拟控制器，所述模拟控制器并联在虚拟触觉手术仿真控制系统中的数字控制器的两端。

在该技术方案中，通过将FPAA模拟控制和数字控制部分并联，使得系统中同时存在模拟和数字的阻尼项和微分项，以此补偿了数字阻尼对控制增益的限制，提高了控制增益的上限，在稳定的前提下，改善了系统的透明性。不仅可仿真较真实的软组织碰触实时反馈，也可以感知到可信的刚性时的触觉反馈，能完成多种类型的手术训练和仿真任务。

一种虚拟手术混合控制系统的验证方法，包括以下步骤：

步骤一：并联式混合控制系统建模：根据非线性系统理论，将模拟控制阻尼项和微分项分别移动至机器人一侧和操作者一侧，从数学理论上仅在控制器里保留数字控制部分，整个过程保证闭环传递函数不变；

步骤二：研究混合控制系统的稳定性判据：推导混合控制方法下的稳定性判据，考虑网络延迟和终端是否有源等因素，在得到稳定性判据后，采用小增益定理方法理论验证结果；

步骤三：根据稳定性判据测定系统的稳定范围：首先选取一个采样频率，断开模拟控制部分，仅使用数字控制器，测定数字控制参数直至系统出现不稳定状态；然后保持采样频率不变，增加模拟比例项，达到最大值后再增加模拟阻尼项和微分项，最终获得在此采样频率下的最大混合控制增益值；随着采样频率从100赫兹增大到1000赫兹，重复上述过程，即可获得最大增益曲线；

步骤四：定量实验分析系统力跟踪和位姿跟踪误差：在每种自由度主机器人情况下，分别分析FPAA模拟控制器和数字控制方法对透明性的影响；首先选取合适的FPAA模拟PID控制参数，考虑当数字控制算法不同时对仿真任务的影响；其次选定前述算法中结果最优的数字控制方法，通过分析软件，设计FPAA动态模拟控制方法，分析任务结果；