机器人辅助远程骨科手术时延控制研究

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1、机器人辅助远程骨科手术时延控制研究-->第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义1.1.1课题背景机器人辅助远程手术是一门发展十分迅速的远程医疗技术，它是生物学、信息学、机器人学和增强现实等多学科交叉融合的一门新技术。在传统的外科手术中，患者可能处于一些交通不便的边远地区，外科医生短时间内难以到达，这就可能会使患者丧失最佳的救治时机。另外，当患者处于恶劣的环境中，如高辐射和高致命性细菌传染的环境，外科医生如何在保障自身生命安全的情况下，最大限度的救治患者，这些都是传统外科手术面临的问题。机器人辅助远程手术的出现为解决上述问题了

2、提供了一个全新的途径。机器人辅助远程手术首先解决了患者和外科手术医生在地理上的隔离，通过信息技术和远程通信将优质的医疗资源辐射到偏远地区，使稀缺的医疗资源得到最大程度的利用，让更多的人得到及时救治。其次，由于远程手术地理上的隔离，使得患者和医生避免了直接接触，这对于救治高辐射、高传染性等危险环境中的患者来说，完全保证了医生的生命安全，使医生在进行手术时消除了对自身安全的担忧，能更加专注的保证手术的顺利进行。最后，在手术质量方面，机器人辅助远程手术有非常高的定位精度，并且能够通过软件消除医生手部抖动，避免误操作的发生，提高了手术的

3、安全性。由于手术器械自由度的增加，使得在普通外科手术中无法到达的病灶位置，可以使用远程手术机器人以微创手术的形式到达，减小了手术开口，降低了患者的痛苦。另外，机器人辅助远程手术对于战场上的伤员救治和外科手术医生的培训方面都具有十分重要的意义。机器人辅助远程手术系统主要包括三个方面：本地主操作端、远程通信网络和远程手术端。其中，远程通信网络带来了变时延问题，这会导致远程手术的稳定性、透明性和手术精度受到影响。本文以机器人辅助远程骨科手术为背景，针对远程手术中变时延的存在，提出合理的时延控制方法，对远程手术系统的稳定性和抗干扰能力等

4、进行研究。1.1.2课题的研究目的和意义机器人辅助远程手术中变时延的存在给远程手术带来了很多问题。首先本地操作端发送的位置姿态等控制指令无法实时的到达远程手术端，在时间上，远程手术端的手术机器人动作执行产生了一个滞后。从控制理论角度看，变时延的存在会使系统出现不稳定的现象，严重时会导致远程手术机器人的误操作或失控。其次，由于Inter存在固有的数据丢包或乱序的现象，这使得远程手术端接收到的控制信息不完整或出现顺序混乱，这都给远程手术的控制系统提出了很高的要求。另外，由于变时延的存在，手术操感受到的远端的反馈力、视频图像等信息就会

5、出现延迟，影响医生对手术过程的判断，同时也造成了外科手术医生的临场感大大降低，这对医生的心理承受能力是一个考验。因此，网络时延的存在使得远程手术在手术精度、稳定性和对医生的心理作用等方面都产生了负面影响。1.2远程手术及时延控制研究现状网络遥操作发展非常迅速，并取得了很多丰硕的成果。从1948年第一台处理核废料的遥操作机器人开始，经过60多年的发展，遥操作已经延伸到太空机械臂、医用水下机器人、工业机器人、火星车、远程手术等多个领域[16]。其中远程手术在最近十年期间取得了很快的发展。当前专门针对远程手术时延控制研究的比较少，而对

6、于一般的遥操作时延控制研究的比较深入。由于网络时延的随机和时变的特点，使得对时延控制的研究在很多遥操作领域都是相通的。因此，本节将首先介绍网络遥操作的国内外研究现状，重点介绍在远程手术上的应用，然后对网络遥操作中的时延控制理论的发展进行详细介绍。1.2.1国内外远程手术研究现状在网络遥操作领域，世界第一台网络遥操作机器人于1993年在美国南加州大学诞生，它于一个名叫MeruryProject的项目，最初设计为使用户通过互联网控制远端SCARA机器人完成一些简单动作，比如在一个半圆的沙坑里挖掘物品，如图1-1所示。虽然这只是基于W

7、eb的远程控制，也没有主操作端的人体学输入设备，但却标志着网络遥操作时代的到来。1994年，西澳大利亚大学开展了一项实验，它允许操操通过Web浏览器，使用鼠标作为输入设备，控制一台ABB生产的工业机器人IRB1410（如图1-2所示）进行简单的操作，比如搬运工作台上的轻质木块或抓取一些其他物品。这也是迄今为止在网上运行时间最长也是最完备的遥操作机器人系统。1996年，英国布拉德福德大学对遥操作望远镜机器人系统BradfordRoboticTelescope进行研究，如图1-3所示。用户登录Web，远程控制望远镜转动角度，并且能对

8、镜头焦距进行调整，观测结果会通过邮件的形式发送给用户。2000年，加州大学伯克利分校又进行了一次网络协同遥操作机器人实验，这次实验采用了Adept604-S4轴机器人，如图1-4所示，它允许多达30名操通过网络同时控制机器人动作，机器人内部会每隔3s将这些控制指