主從控制

主從控制，即建立主手和從手之間的映射關係，並根據此映射關係設計相應的控制方法實現主手對從手的完全控制。

基本介紹

• 中文名：主從控制
• 外文名：Master-slave control
• 類別：控制科學與工程
• 對象：機械手
• 系統組成：操作者、主手、從手
• 安全保護：安全保護

研究現狀

隨著目前機器人機械手的套用越來越廣泛，需要面對與處理的情況越來越複雜，即便科技已高度發達，但是要其完全獨立的處理這些複雜任務仍是一個非常有挑戰性的工作。正是在這種情況下，主從控制充分將人的高度智慧型、強大的學習能力用於機械手的任務規劃及實時處理之中。國內外的專家學者對其產生了濃厚的興趣並進行了廣泛的研究。比如在實際套用當中，像太空作業、核輻射工業、深海等極端環境不適合人類的實際操作，存在著溫度極高、壓強大、輻射強等危險，主從控制充分的結合了我們人的智慧型與機械的優越性能，廣泛的套用於航空航天、假肢手的康復訓練、深海作業、機器人排爆、假肢手的擬人化設計當中，以及在外科手術當中也引起了強烈的重視。假肢手的控制可以分為主從控制、自主控制及兩者的結合控制。遙操作是當前主從控制的套用最廣的方式。

隨著科技的進步，人類的作業領域不斷增大，常常需要人類在一些高危險或難以接近的環境中進行作業，因此研究開發能夠主動適應環境變化的智慧型機器人代替人類進行這些作業具有重大的意義。主從操作機器人正是在這種需求下孕育發展起來。主從操作機器人從二十世紀六十年代出現，經過將近半個世紀的發展，己經取得了很大的成就，其成果己經廣泛被運用於工業，民用的各個領域，並帶來了巨大的經濟效益，而且隨著科學技術的進一步發展，它的套用前景將更加廣闊。

遙操作機器人是指在人的操縱下能在人難以接近(距離遙遠、對人有害或操作有難度)的環境中完成比較複雜的精細操作的一種遠距離作業系統，而主從操作機器人是指以雙向操作為主體的遙控機器人。主從操作機器人系統由以下幾個部分組成:操作者、主手、從手、感知系統、控制系統等。主手由操作者直接控制，主手根據操作者的操作向在現場的從手發出指令，使從手進行作業，同時從手將現場的信息如視覺、觸覺、聽覺等通過感測器反饋回操作者。

迄今，絕大多數主從操作機器人的主手和從手的結構是相同的或者近似相同的，在醫療機器人領域也是如此。例如，美國NASA實驗室的眼科手術機器人，日本東京大學研製的遙操作顯微血管縫合機器人，均採用主從同構的結構形式。這種結構的優點是主從運動直觀性強，運動控制簡單，操作簡單;但是，主從同構機器人的設計要同時兼顧主手和從手雙方的特點，不能充分滿足各自的需要。然而，在系統中引入計算機之後，主從同構機器人的這種不能滿足各自需要的束縛就可以擺脫了。此時，主手和從手的設計可以分別按照各自的功能和特殊的要求來考慮，設計為結構上異構，而實際的操作控制可以達到同構效果的主從形式。

這種主從操作機器人，除了具有同構主從機器人的優點之外，一方面能夠使主手完全適應操作者的需要，另一方面還能夠使從手更好的完成操作任務，其技術難點往往在於如何實現其主從控制。在計算機飛速發展的今天，這種主從機器人的控制問題己經可以實現，因此，對於主從操作機器人來說，結構上的異構，而實際的操作控制可以達到同構效果得主從機器人是其研究與開發的方向。

從手設計則應當適應作業內容、作業負荷和作業環境的要求。隨著主從操作機器人套用領域的不斷擴大，從手的結構趨向於多樣化。空間套用、水下天然氣開採和某些核套用的從手往往是大型的、尺寸常遠遠大於主手，醫學上使用的主從操作手通常尺寸較小，甚至是微型的。而主手可以直接選用商業主手產品，這樣不僅利用現有產品提高了開發效率，同時商業主手人性化的設計也便於操作者的操作。

總之，主手和從手結構上的差異，擴大了主從操作機器人的套用範圍和使用的方便性。在主從操作機器人的設計過程中，在硬體方面，在滿足作業要求的前提下，主從結構框架應儘可能對應，自由度完全相同，運動方式基本對應;在控制系統方面，通過運動學方程實現運動的匹配映射。最終軟硬體結合，實現異構結構達到同構的實際操作控制效果。

方式研究

在高危和難以接近的環境中作業需要一種能夠適應環境的智慧型機械體，主從操作機器人孕育而生，它是指以雙向操作為主體的遙控機器人。主從作業系統由以下幾部分組成:主控端、控制系統、從控端、反饋系統等，如圖所示。操作者控制主手通過控制系統向從控端發出指令，從手跟隨作業的同時向操作者反饋視覺、觸覺、聽覺等信息。視覺反饋能夠將手術區域的信息反饋給醫生，使其能夠實時了解手術進程，為下一步操作提供信息。

微創手術機器人的控制一般採用主從控制方式，即醫生通過操控主手機械臂，使從手機械臂復現醫生的動作。該方式可以使醫生坐在主控台旁進行遠程手術，減輕了醫生的體力消耗。主從式控制模式能夠通過機械臂關節運動量傳遞醫生的手部動作，直接映射到從手機械臂完成手術動作。通過設定主從運動的行程映射比例，可實現醫生對複雜手術的精確操作。該種控制方式要求從手機械臂具有較高的靈活性和可控性，這對從手機械臂的構型具有一定的要求。

根據主手和從手的構型，可分為主從同構型和主從異構型。同構型即主手和從手的結構完全相同，只在尺寸上有所區別。該種方式的控制模式較為簡單，主從映射易實現，便於從手末端點位置和姿態的控制;缺點是主手參照從手設計，通用性較差，且操作者很難以舒適的姿勢進行長時間操作，不符合人因工程學。主從異構型即主手和從手結構相異，主手採用獨立設計。該種方式的優點是主手設計不受限制，既增加了通用性，又滿足了人因工程學相關要求;缺點是控制較為複雜，需要實時求解主從系統的正逆運動學甚至動力學。

對於主手系統的研究，最具代表性的有美國華盛頓大學研製的FREG(Force Feedback Endoscopic Surgical Grasper);美國Sensible Technologies公司研製的PHANTOM主手;還有Iwata實驗室研究的Iwata主手。FREG系統的特點在於主手和從手上均裝有位置感測器和驅動器，可以調節從手的夾持力。PHANTOM系統的特點在於主手具有單向力反饋功能，即只能由操作對象進行力信息反饋，不能由操作者對操作對象施加操作力。Iwata系統的特點在於其主手構型採用並在線上構，同時能夠感知力反饋信息。

機器人運動控制要求機器人能夠按照預定的控制指令和控制方式執行相應運動。常用的運動控制方式有三種:笛卡爾空間控制方式、關節空間控制方式、逆雅可比控制方式。在笛卡爾空間控制方式中，需要建立主從手笛卡爾空間坐標系之間的對應關係，將主手的運動信息傳遞至從手的笛卡爾空間中，根據正、逆運動學求解出關節的位置信息。該種控制方式適用於主從異構模型，在實際控制中還需實時調節主手對從手的不同行程映射係數。在關節空間控制方式中，主手各關節的運行信息一一對應的傳遞至從手各關節，其適用於主從同構式控制模型。逆雅可比控制方式，實質是對機器人進行速度控制，根據主手末端點的速度信息經過逆雅可比矩陣求解，得到從手各關節的速度信息。該種控制方式等效於笛卡爾空間控制方式，在某些層面上，兩者可以相互結合，使得控制更加精確。

設計的要求

主從控制，即建立主手和從手之間的映射關係，並根據此映射關係設計相應的控制方法實現主手對從手的完全控制。對於主從控制的研究主要集中於幾個方面:一是主手和從手裝置的配置，即結構組成，如果主手和從手之間的結構具有較高的相似度，則為同構配置;如果主手和從手裝置的結構不同，關節及運動關係存在較大差異，則為異構形式;二是對主從映射方式的研究，根據主從手的結構配置來制定相應的映射方式，分別增量映射和絕對映射，前者是將主手的各自由度的變化量轉換為從手的控制量實現控制，後者是實現從手對主手的各自由度的絕對位置跟蹤;三是根據建立好的映射方式，通過設計相應的控制方法或策略來實現主從控制，以實現主手對從手的精確控制和完全控制。

對主從控制設計及實現過程提出以下幾點要求:

(1)要求主從映射方式清晰且直觀，符合醫生的操作習慣，使醫生更快理解並掌握，能夠減輕操作者的工作量或減化操作流程，進而更有效且更快捷地進行導管介入操作。
(2)要求通過控制主從控制方式能夠代替傳統的人手操作方式，並能實現人手操作方式下的所有的導管介入操作，包括對導管的推\拉、彎曲\回復和旋轉，即從手各自由度運動均可由主手控制實現。
(3)要求主從控制方式有安全保護考慮，即包括介入裝置的位置限位，也包括導管的彎曲角度限位，防止因不當操作可能引起的不良後果。