بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به گسترش روزافزون استفاده از سیستم های تله اپراتوری در جراحی های پزشکی، آموزش نیروهای جراح متخصص برای انجام عمل جراحی با استفاده از این سیستم ها بسیار ضروری است. یکی از کارآمد و موثرترین روش های آموزش جراحی رباتیک استفاده از سیستم های تله اپراتوری دوکاربره است. دراین مطالعه به دنبال ارائه روشی برای طراحی یک کنترلر مناسب برای این سیستم ها به نحوی که پایداری آن ها در حضور تاخیر زمانی کانال های ارتباطی تضمین گردد هستیم. در این پژوهش ابتدا برای رباتهای راهبر با استفاده از تئوری فیدبک خطیساز و کنترل امپدانسی یک کنترلر برای هر کدام از ربات ها طراحی شده است.
همچنین برای ربات پیرو نیز یک کنترلر ترکیبی فازی مدلغزشی معرفی شده است. به این صورت که ابتدا یک کنترلر مد لغزشی پیوسته برای سیستم طراحی شده و از سیستم فازی برای تخمین توابع غیرخطی نامعلوم سیستم تحت کنترل استفاده شده است تا هم دیگر نیازی به دانستن مقدار تأخیر نباشد و هم میزان چترینگ به میزان قابل توجهی کاهش یابد.برای اثبات بهبودی روش ارائه شده نسبت به روش کلاسیک، نتایج با یک کنترلر لغزشی مقایسه شده است.
مقدمه
به هرحال با افزایش پیچیدگی در نتیجه محدود بودن فضای کاری، نیاز به هماهنگی دقیق دست و چشم و... انجام عمل جراحی رباتیک بسیار چالش برانگیزتر از روش های جراحی های قدیمی است. برای یک جراحی موفق نیاز به سطح بالای مهارت های جراح می باشد که این امر ضرورت آموزش جراحان کارآموز به یک جراح ماهر برای کاهش خطرات بالقوه جراحی به کمک ربات ها را نشان می دهد.[1] برای حل چنین مشکلی به سراغ سیستم های تله اپراتوری با چند راهبر و تک پیرو می رویم و به طور خاص برای آموزش جراحی رباتیک به سیستم های تله اپراتوری دوکاربره که زیر مجموعه ای از سیستم هایی با چند راهبر و تک پیرو است می پردازیم.
دراین سیستم ها دو اپراتور با همکاری یکدیگر یک وظیفه خاص را از طریق دو ربات راهبر و توسط یک ربات پیرو انجام می دهند. برای هر اپراتور سطحی از اختیار تعریف می شود که به وسیله ی آن می تواند بر روی ربات پیرو تاثیرگذار باشد که این سطح اختیار توسط عامل تاثیرگذاری تعیین می شود.[2] با کمک چنین سیستم هایی پزشک جراح همزمان با انجام عمل جراحی می تواند به جراح کارآموز نیز آموزش دهد و به او این اجازه داده می شود تا در یک عمل جراحی رباتیکی واقعی تحت نظارت یک جراح متخصص شرکت کند.
این نوع از آموزش باعث می شود تا علاوه بر افزایش سطح توانایی های کارآموز، سطح مهارت روانی او نیز به طور قابل توجهی افزایش یابد.[3] از دیدگاه کنترل، در چنین سیستم هایی همواره باید پایداری وشفافیت برقرار باشد، ولی عواملی مانند تاخیر در کانال های ارتباطی و تداخل دستورات اپراتورها باعث از دست رفتن شفافیت و یا حتی ناپایدار شدن سیستم می شوند.[4] با توجه به موارد گفته شده نیاز به یک کنترلر جدید برای تضمین پایداری و شفافیت در حضور تاخیر در کانال های ارتباطی است که در عین حال بتواند عامل تاثیرگذاری را برای کاربرد آموزش جراحی از راه دور تعیین کند.
برخلاف کارهای انجام شده در زمینه سیستم های تک راهبر- تک پیرو تحقیقات صورت گرفته در زمینه سیستم های تله اپراتوری مشارکتی - تعداد راهبرها یا پیروها بیش از یکی باشد - بسیار اندک بوده و این سیستم ها به تازگی مورد توجه قرار گرفته اند. در [5]، به کنترل سیستم های تله اپراتوری دوکاربره به عنوان یکی از مهمترین دسته های سیستم های چند راهبر- تک پیرو پرداخته شده است.
در این ساختار کنترلی مقاومی ارائه شده است که بصورت نیرو- موقعیت سیستم را کنترل می نماید. در ساختار مذکور که مبتنی بر روش مقاوم می باشد ربات ها به صورت خطی درنظر گرفته شده اند و کنترلر طراحی شده فقط می تواند با نامعینی های دست اپراتورها و محیط مقابله نماید. علاوه براین، مسئله ی مهم تاخیر در این کار بررسی نشده است. مشکل دیگر این روش این است که دو اپراتور باید دارای امپدانس های مشابهی باشند که از لحاظ عملی غیرممکن است.
در[6]، یک ساختار مشارکتی ارائه شده است که درآن دو ربات راهبر به طور جداگانه بر روی محیط تاثیر می گذارند و برخلاف سیستم های دوکاربره فاکتور اثرگذاری در آن ها نادیده گرفته شده است. در[7]، ساختار کنترلی چهارکاناله ای برای سیستم های دوکاربره معرفی شده است. قانون کنترلی در این ساختار بر مبنای بهینه نمودن شفافیت ارائه شده است. این قانون به گونه ای بدست آمده که در صورتی که یک اپراتور اثرگذاری کامل را داشته باشد امپدانس محیط به طور کامل منتقل شود. مشکل اصلی این تحقیق نادیده گرفتن اثر مخرب تاخیر است.
در[8]، ساختار کنترلی برای سیستم با دو ربات راهبر و یک ربات پیرو به صورت سینماتیکی افزونه ارائه شده است. در این تحقیق ربات پیرو افزونه برای انجام دو عمل اولیه و ثانویه به کار گرفته شده است. بر خلاف سیستم دوکاربره که هر دو کاربر عملی مشترک را انجام می دهند، در این کار هریک از اپراتورها به صورت جداگانه به انجام اعمال اولیه و ثانویه می پردازند.
در[9]، یک ساختار کنترلی هماهنگ برای سیستم دوکاربره ارائه شده است ولی دو راهبر را بدون تداخل درنظر گرفته و به عامل اثرگذاری توجهی نشده است. در[10]، یک ساختار کنترلی مشارکتی بر مبنای برای کاربرد آموزش جراحی ارائه شده است، ولی از آنجا که ربات پیرو به صورت یک جانبه کنترل می شود هیچ بازخورد حرکتی از طرف محیط به کاربران وارد نمی شود.
در[11]، یک کنترلر مقاوم چندجانبه مبتنی بر آنالیز برای جبران سازی اثر مخرب تاخیر زمانی ثابت ارائه شده است. در این مطالعه از تاخیر بین راهبرها چشم پوشی شده است. در[12]، یک کنترلر امپدانسی بر اساس مد لغزشی در حضور تاخیر ناشناخته ارائه شده است. در این روش به منظور از بین بردن اثر تاخیر، کنترلر مستقل از تاخیر طراحی شده است. بنابراین با استفاده از این روش دیگر نیازی به دانستن و یا تخمین زمان تاخیر نیست.
در[13]، یک ساختار چند جانبه غیرمتمرکز برای سیستم دوکاربره در حضور تاخیر ارتباطی پیشنهاد می شود. در ساختار پیشنهاد شده با استفاده از رویکر کنترل امپدانس تطبیقی به منظور غلبه بر اثر مخرب زمان تاخیر بر روی سیستم مطلوب است. در این تحقیق کنترلر به روشی طراحی شده است که ضرورت تخمین تاخیر را به عنوان یکی از ویژگی های برجسته از بین می برد. در[14]، مجموعه ای جدید از اهداف مطلوب برای سیستم های دوکاربره در حضور تاخیر ارتباطی نامعلوم ارائه شده است. در این تحقیق از روش کنترل تطبیقی برای رسیدن به اهداف مطلوب ارائه شده است.
در[15]، با استفاده از رویکرد موج متغیر به تنظیم آنلاین فاکتور اثرگذاری در سیستم دوکاربره پرداخته است. در[16]، از رویکرد متغیر موج برای پایدارسازی سیستم تله اپراتوری دوکاربره با تنظیم متغیر با زمان فاکتور اثرگذاری در حضور تاخیر ثابت ارائه شده است و به تاخیرهای نامعلوم و متغیر با زمان توجهی نشده است. در[17]، از کنترل امپدانسی مبتنی بر مد لغزشی مرتبه بالا برای رسیدن به اهداف مطلوب در سیستم های تله اپراتوری دوکاربره استفاده شده است. در این تحقیق تاخیر کانال های ارتباطی به صورت ثابت ولی نامعین در نظر گرفته شده است.در این مقاله از رویکرد فازی برای پایدارسازی سیستم تله اپراتوری دوکاربره در حضور تاخیر زمانی و تعیین عامل تاثیرگذاری استفاده خواهد شد.
