[發(fā)明專利]一種主從微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310508004.6
• 申請日: 2013-10-23
• 公開（公告）號: CN103536367A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙希梅;任成一;游健康;姜明明;朱江生
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: A61B19/00
• 分類號: A61B19/00;G05D3/12;G05B13/02
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，特別涉及一種主從微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微創(chuàng)手術(shù)在心腦血管疾病內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)血管介入微創(chuàng)手術(shù)中，導(dǎo)管被插入到股動脈中，在血管中運(yùn)動直到目標(biāo)點(diǎn)，通過膠囊或支架，實(shí)現(xiàn)心腦血管中的血栓溶解，血管擴(kuò)充以及堵塞畸形血管等功能。由于介入創(chuàng)口微乎其微，損傷程度比傳統(tǒng)手術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)要輕，減輕病人痛苦，術(shù)后恢復(fù)更快。但是也存在著許多缺點(diǎn)：導(dǎo)管介入完全依賴于醫(yī)生的專業(yè)性和熟練度；導(dǎo)管末端與血管壁碰撞的摩擦力醫(yī)生不能準(zhǔn)確估計，而過大的力導(dǎo)致血管穿孔，大量出血；手術(shù)時間長，而且醫(yī)生要暴露在射線下忍受儀器的強(qiáng)烈輻射，對醫(yī)生身體帶來傷害。

針對上述問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，并提出主從微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)中。但多數(shù)主從系統(tǒng)中，對驅(qū)動器的控制方式較為單一，大多采用常規(guī)PID控制，而實(shí)際導(dǎo)管驅(qū)動系統(tǒng)中存在許多非線性因素，如系統(tǒng)的摩擦力、血流的阻力、死區(qū)、時滯效應(yīng)、導(dǎo)管自身參數(shù)及其運(yùn)動環(huán)境條件不斷變化等，致使系統(tǒng)的動態(tài)特性不夠理想，一定程度上制約了主從控制的操作性能。模糊PID控制，能夠?qū)ID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，提高PID的跟蹤性能，增強(qiáng)介入手術(shù)的安全性。然而保證控制系統(tǒng)的精度往往是通過增加語言變量和控制規(guī)則的數(shù)目，制定足夠多的控制規(guī)則既不現(xiàn)實(shí)又不便于在微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用；隨著控制過程的進(jìn)行，誤差逐漸變小，向隸屬度函數(shù)的零位移動，此時使用原有的誤差隸屬度函數(shù)致使精度不足。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種用于主從微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)裝置的控制方法，以達(dá)到提高主從微創(chuàng)手術(shù)安全性的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種主從微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括：

主手：用于實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對導(dǎo)管位置的控制。主手接收醫(yī)生給出的導(dǎo)管移動位置的期望值，并且通過映射將主手手柄移動的位置信息轉(zhuǎn)換為導(dǎo)管運(yùn)動關(guān)節(jié)量；

導(dǎo)管：用于主從微創(chuàng)手術(shù)中向病灶處輸送膠囊或支架；

檢測裝置：用于檢測導(dǎo)管末端和目標(biāo)點(diǎn)的位姿；

上位機(jī)：用于接收主手和檢測裝置傳送的位置信號，將信號進(jìn)行處理，并將結(jié)果傳送給伺服驅(qū)動裝置；

伺服驅(qū)動裝置：用于接收上位機(jī)傳送的位置信號，驅(qū)使導(dǎo)管對醫(yī)生給出的導(dǎo)管移動位置的期望值進(jìn)行跟蹤；

成像裝置：用于圖像處理和人機(jī)交互，將導(dǎo)管和血管姿態(tài)呈現(xiàn)，使醫(yī)生更加直觀地了解手術(shù)進(jìn)行情況；

在所述上位機(jī)中還進(jìn)一步包括：

位置運(yùn)動轉(zhuǎn)換器：用于將上位機(jī)接收到的來自主手和檢測裝置的位置信息轉(zhuǎn)換為導(dǎo)管期望關(guān)節(jié)量和導(dǎo)管實(shí)際關(guān)節(jié)量；

變論域模糊控制器：用于將導(dǎo)管期望關(guān)節(jié)量和導(dǎo)管實(shí)際關(guān)節(jié)量之間的誤差及誤差變化率進(jìn)行模糊處理，經(jīng)模糊化，帶有變論域過程的模糊推理，去模糊化過程，將對導(dǎo)管關(guān)節(jié)量誤差和誤差變化率的控制作用轉(zhuǎn)換為PID控制的比例控制、積分控制、微分控制作用，并實(shí)現(xiàn)PID控制的比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)在線調(diào)整；

PID控制器：用于根據(jù)接收到的變論域模糊控制器的輸出信號完成導(dǎo)管關(guān)節(jié)量的跟蹤。

一種對主從微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的導(dǎo)管進(jìn)行控制的方法，包括以下步驟：

步驟1：首先，用戶在主從微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的主手端設(shè)置導(dǎo)管移動位置的期望位置；其次用戶操作主手手柄控制導(dǎo)管向期望位置移動，在主手手柄的初始位置建立坐標(biāo)系，把主手手柄最終移動到的位置信息映射到導(dǎo)管所處任務(wù)空間，通過映射得到的坐標(biāo)，利用雅克比逆矩陣最終確定導(dǎo)管運(yùn)動關(guān)節(jié)量，確定導(dǎo)管運(yùn)動關(guān)節(jié)量，包括導(dǎo)管的進(jìn)退量、旋轉(zhuǎn)量和彎曲量；

步驟2：位姿傳感器測得導(dǎo)管實(shí)際對應(yīng)的運(yùn)動關(guān)節(jié)量，對導(dǎo)管位置進(jìn)行調(diào)整；

步驟2-1：期望關(guān)節(jié)量與實(shí)際關(guān)節(jié)量比較，計算二者的誤差e，將誤差e和誤差變化率ec作為輸入送入變論域模糊控制器中，確定變論域模糊控制器輸入和輸出的模糊子集，具體為：

在變論域模糊控制器內(nèi)，首先定義各個關(guān)節(jié)量誤差的語言變量E和誤差變化率的語言變量EC；然后，用戶自定義誤差的論域e和誤差變化率ec的論域，并在誤差的論域范圍內(nèi)將誤差的語言變量離散化，在誤差變化率的論域范圍內(nèi)將誤差變化率的語言變量離散化，確定誤差對應(yīng)的模糊子集和誤差變化率對應(yīng)的模糊子集，表達(dá)式均為：

{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}

式中，NB代表負(fù)大，NM代表負(fù)中，NS代表負(fù)小，O代表零，PS代表正小，PM代表正中，PB代表正大；