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. 位置控制器

在手术操作中，超声电机（USM）是工具组运动的主要驱动设备。它由一个运动控制系统控制，这个系统能为工具组提供精确且定制化的运动轨迹，以满足门诊手术中切割和插入的要求。

为了实现这一目标，设计了一个精确且高性能的反馈式运动控制系统，其主要由两部分构成：
- 2 - 自由度控制器 ：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，作为主要的控制器。
- 非线性补偿控制器 ：包含逆摩擦模型函数和滑模控制器，用于补偿系统的非线性动态特性并消除不确定性。

此外，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。它是一个更高级别的控制器，位于位置控制器之上，能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

在手术过程中，存在五个不同的关键节点：
1. 工具组刚接触到膜。
2. 切割器刚穿透膜。
3a. 管子接触到膜。
3b. 管子插入膜中（管子的内凸缘置于膜后）。
4. 整个工具组撤回。

基于力传感器的输出和这些关键节点的顺序，可以识别和区分与这些节点对应的时间实例。这使得设备的各种功能能够同步，从而自动完成鼓