[發明專利]基于數據驅動控制框架的外科手術機器的力控制方法

有效

• 申請號: 201710360752.2
• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN107349013B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 李永強;潘一源;馮遠靜;歐林林;禹鑫燚
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種基于數據驅動控制框架的外科手術機器系統，其特征在于：所述系統的力控制方法包括以下步驟：

1)將力F_r的控制問題描述為輸出調節問題：

直線電機動子線性運動會轉化成抓取鉗鉗額開合運動，鉗額角度θ由直線電機動子的位置X決定；鉗額對組織施加的力F_j由電機施加給傳動桿的力F_r決定，該力可以通過力傳感器測量得到；

2)采集充分且完備的數據集合：

從采集自被控對象的數據集合中獲取被控對象的動態特性，期望獲取的數據集合表示為：

其中，Π表示數據集合，N表示數據集合中數據點的個數，i表示數據集合中數據點的標號，u^d表示控制輸入信號，x^d＝(x₁，x₂)^T表示系統狀態，x₁＝X,X表電機動子的位置；F_r^d為電機施加給傳動桿的力，x_f^d是由未知函數f關于x^d，u^d，F_r^d的求解值，同時也表示時間離散化后x(k)下一時刻的狀態x(k+1)；

3)將輸出調節問題轉化為鎮定問題；

4)數據驅動鎮定控制器設計及閉環吸引域最大化，過程如下：

4.1)給定Lyapunov函數，利用數據估計控制輸入-狀態空間中的負定域

從數據集合中找到使正定函數差分負定的數據點，這些數據點組成的集合稱為負定數據集合；然后將感興趣的控制輸入-狀態空間進行劃分，即劃分成有限個相鄰但不相交的子集合，每個子集合稱為單元；最后，負定域的估計由包含負定數據集合中數據點的單元組成；

4.2)通過選取合適的Lyapunov函數最大化閉環吸引域估計

將(u-x)負定域的估計正交投影到狀態空間，得到x負定域的估計；然后，找到屬于x負定域估計的最大的水平集作為閉環吸引域的估計；尋找最大水平集的優化過程需要處理區域包含的約束；

利用Lyapunov函數估計吸引域，得到的吸引域估計的大小只與Lyapunov函數有關；那么給定一個參數化的Lyapunov函數候選集合，就可以構造優化問題，從候選集合中選取一個使得吸引域估計最大的Lyapunov函數；該優化問題的優化變量為確定Lyapunov函數的參數，指標函數為吸引域估計的大小；平方和多項式的正定子集作為Lyapunov函數候選集合。

2.如權利要求1所述的基于數據驅動控制框架的外科手術機器系統，其特征在于：所述步驟1)中，直線電機的動態描述為：

其中，m為動子的質量；K_f(X,i)表示電流i產生的電磁力，由于漣波效應該力與位置X有關；為X關于時間的二次導數，F_cg(X)為齒槽力；為摩擦力；F_r為電機施加給傳動桿的力；

通過時間離散化，動態(1)表示為

其中,x＝(x₁,x₂)^T表示狀態，x₁＝X,u＝i表示控制輸入；y表示輸出；f:為未知函數，由函數K_f,F_cg,F_f和動態(1)確定；

給定力F_r的期望值控制目標為設計反饋控制器μ：

使得誤差

隨時間趨于零。

3.如權利要求2所述的基于數據驅動控制框架的外科手術機器系統，其特征在于：所述步驟3)中，對于被控對象(2)，滿足方程

狀態x_s,e0和控制輸入u_s,e0是誤差等于零時的穩態狀態和穩態控制輸入，分別稱為零誤差限制狀態和零誤差限制控制輸入；定義

將被控對象(2)轉化為被控對象：

容易驗證被控對象(5)滿足因此只要找到可漸進鎮定被控對象(5)的反饋控制器

就可以得到使誤差e(k)隨時間趨于零的控制器(3)，即

因為被控對象(2)中的函數f未知，只能利用數據集合Π求解零誤差限制狀態x_s,e0和零誤差限制控制輸入u_s,e0；可行的處理方法是，從數據集合中找到使得最小的數據點分別以相應的和作為零誤差限制狀態x_s,e0和零誤差限制控制輸入u_s,e0；

利用狀態變換和控制輸入變換(4)由被控對象(2)的數據集合Π獲得被控對象(5)的數據集合