stratégie de contrôle en temps réel maître-esclave dans l'espace cartésien pour un nouveau robot chirurgical pour peu

1. Introduction

2. Architecture du système de robot

Figure 1. Architecture du système de robot: (a) manipulateurs esclaves. (B) la console principale. (C) manipulateur de l'instrument. (D) l'équipement maître.

3. La stratégie de contrôle en temps réel maître-esclave

Pour plus d'efficacité et de sécurité de la chirurgie mini-invasive, la stratégie de contrôle en temps réel doit garantir que le manipulateur esclave suit rapidement et avec précision les mouvements de l'équipement maître et ne pourrait jamais faire des actions inattendues. Chirurgien manipule des équipements de maître, et le système de contrôle acquiert la position et d'orientation des équipements de base en temps réel. Prendre une manipulation de l'instrument, par exemple, la matrice de position et l'orientation de l'équipement maître est transformé à la matrice de manipulateur esclave par cartographie maître-esclave sur le principe de cohérence (après atténuation du tremblement de la main). Le principe de cohérence exige que la position et l'orientation de l'équipement maître doit correspondre à la position et l'orientation de l'instrument. Ensuite, le système de commande permet de résoudre la cinématique inverse de manipulateur d'instrument et envoie le déplacement de chaque joint de commande de moteur sur le manipulateur de l'instrument. Les servomoteurs entraînent le manipulateur de l'instrument pour suivre le mouvement de l'équipement maître. Pendant ce temps, le système de commande acquiert des informations de capteur en temps réel et calcule géométrique direct de manipulateur d'instrument pour mettre en oeuvre une commande en boucle fermée. Le retour visuel est acquis par le laparoscope et affiché dans l'écran 3D, ce qui améliore l'immersion du chirurgien dans la procédure chirurgicale. La structure de la stratégie de contrôle en temps réel est illustré à la figure 2.

Afin d'accomplir la chirurgie mini-invasive, le système de robot doit posséder certaines fonctions auxiliaires telles que re-mapping et l'atténuation des tremblements de la main peropératoire.

3.1. Procédé de commande maître-esclave dans l'espace cartésien

méthode de contrôle maître-esclave dans l'espace cartésien a les caractéristiques de l'intuition et de précision, ce qui est au prix de plus de difficulté que la méthode de contrôle dans l'espace commun. Le principe de cohérence, la méthode peut être exprimée comme suit: (1)

où ST T est la matrice de transformation homogène du manipulateur esclave de coordonnées de l'outil de coordonnées, LS T est la matrice de transformation de laparoscope coordonnées de manipulateur esclave de coordonnées, MH T est la matrice de transformation à partir de l'équipement principal de coordonnées pour traiter de coordonnées, et DM T est la transformation matrice de coordonnées afficheur à maîtriser coordonnées équipement. Habituellement MH T est l'entrée et ST T est la sortie. L'ensemble de ces quatre matrices doivent être calculées à partir de ou à des déplacements mixtes par transformation cinématique pour mettre en oeuvre le procédé de commande. Robot isomérique maître-esclave, la transformation cinématique est un élément crucial. Des systèmes de coordonnées sur manipulateur d'instruments sont construits comme le montre la figure 3. La prise est pas prise en compte des ddl au total.

La cinématique avant est simple et peut être exprimé comme suit: (2)

où A1 -A9 sont des matrices communes, respectivement, et sont tous connus.

Selon les caractéristiques structurelles du manipulateur d'instruments, les axes des articulations 4-6, non articulations du poignet, interagissent à un moment donné, de sorte que le manipulateur ne se conforme pas au principe Pieper. Cependant, si à en juger par la direction inverse, les articulations sont 4-6 articulations du poignet et les articulations sont des articulations 10/07 du manipulateur. Il y a solution sous forme fermée, de sorte que nous inverser la matrice d'entrée pour obtenir la solution sous forme fermée.

Cet algorithme peut obtenir la solution analytique à moindre coût de calcul, parce qu'il n'y a pas besoin de compensation d'erreur ou la résolution de la matrice jacobine inverse, et en choisissant les fonctions anti-trigonométriques appropriées selon la gamme de mouvement de chaque joint peut éviter le problème multi-solution. calcul de la fonction trigonométrique est très rapide pour ordinateur moderne, donc cet algorithme est applicable pour le contrôle en temps réel.

0 T9 = ST T est la matrice d'entrée. Étant donné que les joints sont verrouillés 1-3 durant la procédure chirurgicale, la matrice de transformation homogène à partir du système de coordonnées de référence au système de coordonnées commun 3, 0 T3 est connue. multipliez gauche 0T3 - 1 et obtenir (3): (3)

où 0T3 - 1 c 0T9 est connu, de sorte que (0T3 - 1 c 0T 9) - 1 est connu et peut être exprimée en tant que (4)

Transformer l'équation (3) et d'obtenir (5) (5)

De (4) et (5), il y a des équations comme suit: (6)

les éléments correspondants des deux côtés de (5) sont égaux. Trouvez des paires simples ne contenant θ8, θ9 et d6. (7)

Transformez l'équation (5) et d'obtenir (11) (11)

0T 3 - 1 C; 0T 9c (A8 A9) - 1 est connu maintenant. les éléments correspondants des deux côtés de (11) sont égales. Trouvez des paires simples: (12) (13)

multiplier droite A7 - 1 sur les deux côtés (11) et d'obtenir (14) (14)

De tous les angles connus, la matrice de transformation homogène à partir du système de coordonnées de référence à RCM, T5 est connue, et la matrice de transformation homogène à partir du système de coordonnées de référence à la première articulation du poignet, T6 est également connue. T5 et T6 peuvent être exprimés en: (16) (17)

Ainsi, le déplacement du joint 6 peut être résolu comme suit: (18)

Maintenant, l'ensemble des déplacements conjoints actifs est résolu. Chacun de la fonction anti-trigonométrique ci-dessus donne une seule solution dans la plage de mouvement de chaque joint, ce qui évite le problème de multi-solution. En utilisant la solution analytique, le procédé de commande maître-esclave dans l'espace cartésien est établi.

3.2. re-mappage intra-opératoire

Lorsque l'équipement maître se déplace à proximité de la limite de l'espace de travail ou dans la zone d'opération inconfortable, le mappage maître-esclave doit être coupée jusqu'à ce que l'équipement maître est adaptée à la zone de fonctionnement approprié, avec le maintien des instruments chirurgicaux encore, ce qui améliore la flexibilité du robot chirurgical. Le principe de cohérence, la position et l'orientation de l'équipement maître après ajustement doivent être considérés comme correspondant à la position et l'orientation du manipulateur esclave après ajustement (il ne fait bouge pas). Toute la procédure est comme la souris de levage de bureau et de le mettre dans une nouvelle position. Pour mettre en œuvre cette fonction, la position et l'orientation par incréments de l'équipement maître sont adoptés comme l'entrée de la cartographie, alors que les situations de position et l'orientation sont un peu différentes.

Comme la position dans l'espace linéaire cartésien, la position de référence est simplement substitué par acquise nouveau comme suit: (19) où HM P0 est la position de la main de référence dans le système de coordonnées équipement maître, HM Paquired est la position acquise après ajustement, HMP (t + 1) est la position acquise sur t + 1 instants après ajustement, d (HMP (t + 1)) est l'incrément de position sur t + 1 heure, d (HMP (t + 1)) est l'incrément de position de l'outil dans l'esclave manipulateur système de coordonnées de tracé à partir de d (HMP (t + 1)), TSP (t) est la position de l'outil sur le moment t, et TSP (t + 1) est la position de l'outil sur le moment t + 1.

Motif de l'orientation est un peu délicat parce que l'orientation est pas dans l'espace linéaire. La cinématique inverse de l'équipement maître est résolu pour obtenir trois angles d'articulation correspondant à l'orientation du manipulateur esclave. Soustraire ces trois angles de trois angles acquis après ajustement seraient les nouveaux angles de référence de la façon suivante: (20)

où [α β η] 0 est l'ensemble des trois angles de référence, [α β η] acquis est l'ensemble des angles acquis après l'ajustement et avant de re-mappage, [α β η] résolu est l'ensemble des angles correspondant à l'esclave orientation du manipulateur après le réglage, [α β η] t + 1 est l'ensemble des angles acquises à t + 1 heure, 't + 1 [α β η] est l'ensemble des angles de cinématique directe, HMR (t + 1) est la matrice d'orientation calculé à partir de [α β η] 't + 1. et T 'R (t + 1) est la matrice d'orientation de l'outil de coordonnées en esclave instant t + 1.

3.3. atténuation des tremblements en temps réel

Tremor se prête au modèle de série de Fourier en raison de sa fonction à peu près périodique. Le signal de tremblement peut être estimée par l'adaptation d'amplitude et de phase de certains signaux sinusoïdaux de différentes fréquences de référence. Comme tremblement est environ dans la plage de 8 à 12 Hz, une plage d'intérêt (f1 f2) est réglée. Diviser la gamme en divisions N et choisir les points de division en tant que fréquences de référence, ce qui signifie qu'il y a N + 1 signaux de référence résumant en fonction du signal de tremblement. L'algorithme LMS est utilisé pour mettre à jour les coefficients de pondération. BMFLC peut être écrit comme suit: (21)

où N est le nombre de divisions et N = (f -F0) G. Sk est le signal d'entrée, ɛk est la valeur estimée de Sk. Wk est le vecteur de poids adaptatif et μ est un paramètre de gain adaptatif. Si μ est trop faible, les progrès de la convergence sera trop lent, et si μ est trop grande, la séquence sera divergente.

4. Expériences et discussion

4.1. Mouvement expérience de suivi de trajectoire

Afin de vérifier l'exactitude de la tâche stratégie de contrôle en temps réel maître-esclave, le toucher et le positionnement a été réalisée en continu par le système de robot sur le module de formation de positionnement 3D. Le module de formation est représentée sur la Figure 4 (a). Dans l'expérience, l'opérateur manipule l'effecteur de l'instrument chirurgical pour toucher des points de A à F et, à son tour a enregistré les trajectoires des deux équipements de maître et de l'effecteur de l'instrument chirurgical. Les trajectoires sont représentées sur la figure 4 (b). Il convient de noter que la trajectoire de l'équipement maître a été mis en correspondance dans l'espace de travail du manipulateur esclave.

Figure 4. Mouvement expérience de suivi de trajectoire: (a) module de formation; (B) deux trajectoires dans l'espace de travail du manipulateur.

Comme le montre la Figure 4 (b). la stratégie de contrôle pourrait répéter la mouvement de la main du chirurgien en temps réel. Il y avait un écart entre deux trajectoires. La principale raison est la différence de rendement des joints de manipulateur d'esclaves. Parce que l'instrument est entraîné par un fil d'acier, l'élasticité du fil d'acier contribue également à l'erreur. Le retard minuscule du système de contrôle est une autre cause de l'erreur. Par conséquent, les effets de la différence de rendement mécanique et l'élasticité du fil d'acier doit se concentrer sur l'avenir.

4.2. expérience remappage peropératoire

Figure 5. remappage intra-opératoire de commande maître-esclave.

4.3. expérience d'atténuation Tremor

la capacité de traitement de l'ordinateur doit également être considéré lors du filtrage du signal d'entrée acquise par l'équipement maître avec l'algorithme BMFLC. Afin d'assurer la performance en temps réel du système, non seulement la fréquence d'échantillonnage de l'équipement maître ne peut pas être trop rapide, mais aussi l'intervalle de fréquence dans l'algorithme BMFLC ne peut pas être trop proche. Un ordinateur industriel (ARK-3510, Advantech) a été utilisé pour l'expérience. système d'exploitation en temps réel QNX a été utilisé pour l'acquisition d'équipement maître (omega.7, force Dimensions) Les données de sortie en temps réel. La fréquence d'échantillonnage a été fixé à 1 KHz. Les paramètres ont été configurés pour être f0 = 5, f = 15, L = 20, μ = 0,001. Le résultat de l'expérience est illustré à la figure 6. signal Tremor dans environ 10 Hz a été filtré et le signal volontaire à basse fréquence a été réservée.

Figure 6. Résultat de l'expérience de l'atténuation des tremblements.

4.4. expérimentation animale

Afin de vérifier la stabilité et la maniabilité de notre robot chirurgical, une expérience cholécystectomie animale a été réalisée sur un porc exploité par des chirurgiens professionnels. Le cochon pondéré environ 30 kg. L'anesthésiste anesthésié le porc 15 minutes avant l'intervention chirurgicale. Ensuite, nous avons eu les préparatifs pré-opératoires, y compris la fixation du porc sur la table, en établissant des incisions pour les instruments et la mise en place de configuration du robot. Le temps de fonctionnement était près de 2 heures. Le cochon se réveilla environ 30 minutes après la chirurgie et 10 heures a commencé à manger plus tard. La situation d'expérience est montré à la figure 7. Le robot chirurgical peut effectuer la résection précisément basée sur la manipulation du chirurgien, et l'atténuation remappage et les tremblements intra-opératoires fonctions auxiliaires a également bien fonctionné. Les résultats ci-dessus montrent que la méthode de contrôle en temps réel proposée est correcte et efficace.

Publié en ligne:

Figure 7. images d'expérimentation animale: (a) la préparation pré-opératoire et de l'anesthésie; (B) l'image du manipulateur esclave; (C) peropératoire d'image d'endoscopie; (D) de l'image principale de la console; (E) réséquée vésicule biliaire; (F) cochon après la chirurgie.

Figure 7. images d'expérimentation animale: (a) la préparation pré-opératoire et de l'anesthésie; (B) l'image du manipulateur esclave; (C) peropératoire d'image d'endoscopie; (D) de l'image principale de la console; (E) réséquée vésicule biliaire; (F) cochon après la chirurgie.

5. Discussion et conclusion

Dans le but d'équiper les chirurgiens avec manipulateurs d'affiner les interventions chirurgicales et de réduire la charge de travail, une nouvelle stratégie de contrôle en temps réel maître-esclave d'un système SIGR sous forme isomérique maître-esclave a été proposé. Les problèmes de transformation cinématique sur le principe de la cohérence, l'atténuation de remappage et les tremblements peropératoire en temps réel ont été résolus. Les résultats de l'expérience montrée sur la figure 4 indiquent que la méthode de commande maître-esclave dans l'espace cartésien peut réaliser le principe de cohérence. Les résultats présentés sur les figures 5 et 6 indiquent respectivement que les remappage intra-opératoire et atténuation secousse fonctions auxiliaires peuvent bien fonctionner. expérimentation animale a indiqué que notre système de robot avec la stratégie de commande maître-esclave proposé peut effectuer in vivo tâches chirurgicales. Par conséquent, la stratégie de contrôle maître-esclave dans l'espace cartésien est correct et efficace. Cette stratégie de contrôle peut être spécialisé pour ce genre de robots chirurgicaux ou appliqués dans d'autres industrie de la robotique avec contrôle maître-esclave et une forte demande pour le temps réel.

À l'avenir, nous allons nous concentrer sur la maniabilité et la sécurité du robot chirurgical pendant la chirurgie. Après une nouvelle amélioration de la performance du robot, nous procéderons à des essais cliniques.

déclaration:

Les auteurs rapportent aucun conflit d'intérêts. Les auteurs sont seuls responsables du contenu et de la rédaction de cet article.

Tableau 1. Les paramètres de liaison et les variables d'articulation du manipulateur de l'instrument.