[發明專利]對醫療機器人控制器中虛擬柔性針的區間2型模糊邏輯控制器的設計

在審

• 申請號: 202010461438.5
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111650831A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 張輝;劉春璐;章小平;梁華庚
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;A61B17/34;A61B34/20
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

1.對醫療機器人控制器中虛擬柔性針的區間2型模糊邏輯控制器的設計，是柔性針控制器的設計，其特征在于，包括對模糊化器，規則庫，推理引擎，降型器和解模糊化器的設計，具體設計過程如下：

1)、對模糊化器的設計如下：

首先，在慣性坐標系XOY下建立虛擬柔性針的動力學模型，得到模型的相關參數，包括：虛擬柔性針針尖的絕對速度v，虛擬柔性針偏轉角度虛擬柔性針偏轉的轉動角速度轉角偏差和位置偏差S；

然后、利用運動學模型的位置偏差S、位置偏差變化率轉角偏差和轉角偏差變化率作為區間2型模糊邏輯控制器的輸入，針尖的絕對速度v和柔性針偏轉的轉動角速度為輸出；

最后、精確輸入量x經過模糊化器后，模糊成用語言變量描述的2型模糊集；

2)、對規則庫的設計如下：

首先、建立IF-THEN的規則庫，具體形式為：規則庫包括絕對速度v的規則和轉動角速度的規則，兩者的規則條數不定；設定NB、NS、Z、PS、PB五個語言變量，即負大、負小、零、正小、正大五個等級；由于位置偏差始終不小于零，所以有絕對速度v的相關規則3×5＝15個和轉動角速度的相關規則5×5＝25個，規則庫共40個規則；

3)、對推理引擎的設計如下：

規則庫中的40條規則作用于推理引擎，依照規則庫中的40條規則，在不同的條件下，推理引擎對2型輸入模糊集合進行計算，將2型模糊集經過規則庫的推理引擎得到區間2型的輸出模糊集，并輸出2型輸出模糊集合；

4)、對降型器的設計如下：

降型器的輸入是經過推理引擎推理后得到的輸出2型模糊集合，采用面積中心法，輸出是1型模糊集合，降型器傳達了經過2型模糊集合的不確定性度量；

5)對解模糊化器的設計如下：

在對于一個區間2型模糊邏輯系統，精確的輸出量就是降型后集合的中心；對于一個區間2型模糊邏輯系統，輸入和前件操作的觸發強度是一個區間1型模糊集，并且只取決于它的最左點f^l和最右點所以輸出u₁∈U被表示為：

fⁱ：最小區間1型模糊集Fⁱ中的元素；

輸出的區間2型模糊集的形心；

針尖的絕對速度v的最小值用u_1l表示，即：

相似的，針尖的絕對速度v的最大值用u_1r表示，即：

用u_1l和u_1r的平均值來表示它的解模糊結果，即輸出為

同理，u₂即轉動角速度的計算方法與u₁相同。

2.如權利要求1所述的對醫療機器人控制器中虛擬柔性針的區間2型模糊邏輯控制器的設計，其特征在于，所述的動力學模型是對虛擬柔性針的針軸與針頭斜面的交點進行運動學分析；

虛擬柔性針動力學模型如下：

是慣性坐標系XOY下x軸方向的速度，是慣性坐標系XOY下y軸方向的速度；

根據虛擬柔性針偏轉角度計算虛擬柔性針的針偏轉動角速度

其中r為虛擬柔性針的曲率半徑；

虛擬柔性針的轉角偏差為：

虛擬柔性針的位置偏差S根據虛擬柔性針的預定軌跡和實際軌跡進行計算：

為虛擬柔性針的預定軌跡,為虛擬柔性針的實際軌跡。

3.如權利要求1所述的對醫療機器人控制器中虛擬柔性針的區間2型模糊邏輯控制器的設計，其特征在于，所述的2型模糊集用不確定標準差高斯隸屬函數表示。

4.如權利要求1所述的對醫療機器人控制器中虛擬柔性針的區間2型模糊邏輯控制器的設計，其特征在于，規則庫具體形式為：

……

即絕對速度v的第一條規則：如果位置偏差S為零，位置偏差變化率為正值且絕對值大，則絕對速度v為負值且絕對值大；絕對值的大小范圍根據人為設定；

……

轉動角速度的第一條規則：如果轉角偏差為正值且絕對值大，轉角偏差變化率為正值且絕對值大，則偏轉角度為負值且絕對值大；

以此類推，按照規則庫中所給值進行計算。

5.如權利要求1所述的對醫療機器人控制器中虛擬柔性針的區間2型模糊邏輯控制器的設計，其特征在于，所述的區間2型模糊邏輯控制器對推理出的輸出模糊集進行降型和解模糊化后，得到最終的絕對速度v和柔性針偏轉的轉動角速度輸出，作為虛擬柔性針的輸入，進行虛擬柔性針的靶向追蹤；根據柔性針的靶向追蹤得到柔性針輸出的實際軌跡并計算與預定軌跡的位置偏差和角度偏差，將兩個偏差反饋給區間2型模糊邏輯控制器后作為輸入進行控制，直至位置偏差為0或達到目標位置。