8、基于力的监督控制辅助手术：原理、设计与实验验证

基于力的监督控制辅助手术：原理、设计与实验验证

1. 手术系统的基础控制架构

在基于力的监督控制辅助手术中，手术设备的运动主要由超声电机（USM）驱动，而超声电机的运动则由运动控制系统进行精确控制，以实现满足手术要求的精确且定制化的运动轨迹，完成切口和插入操作。

运动控制系统采用了精确且高性能的反馈控制设计，主要由两部分构成：
- 2 - DOF 控制器 ：采用比例 - 积分 - 微分（PID）反馈控制器与前馈控制器相结合的方式，作为主控制器。
- 非线性补偿控制器 ：包含逆摩擦模型函数和滑模控制器，用于补偿非线性动态并消除不确定性。

此外，通过将施加在设备上的力视为外部干扰，基于 Hunt - Crossley 接触力模型的干扰观测器可进一步抑制该力对运动控制系统的影响。

2. 监督控制器设计

监督控制器的主要设计目标是根据指定任务设计实例关联器中的逻辑和映射关系，它是位于位置控制器之上的更高级别控制器，可命令位置控制器根据当前实例采取所需的动作。下面介绍两种针对不同任务的监督控制器。

2.1 整体手术过程的监督控制器

手术过程中存在五个不同的里程碑：
1. 工具组刚接触到膜。
2. 切割器刚穿透膜。
3a. 管接触到膜。
3b. 管插入到膜上（管的内凸缘置于膜后方）。
4. 整个工具组撤回。

基于力传感器的输出和这些里程碑的顺序，可以识别和区分与这些里程碑对应的时间实例，从而实现设备各种功能的同步，自动完成鼓膜切开术和管插入，