[發(fā)明專利]對(duì)醫(yī)療機(jī)器人控制器中虛擬柔性針的區(qū)間2型模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010461438.5
• 申請(qǐng)日: 2020-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN111650831A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張輝;劉春璐;章小平;梁華庚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué);華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;A61B17/34;A61B34/20
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 冀學(xué)軍

本發(fā)明公開了對(duì)醫(yī)療機(jī)器人控制器中虛擬柔性針的區(qū)間2型模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)，屬于自動(dòng)穿刺手術(shù)裝置的改進(jìn)，具體包括對(duì)模糊化器，規(guī)則庫，推理引擎，降型器和解模糊化器的設(shè)計(jì)，首先，在慣性坐標(biāo)系XOY下建立虛擬柔性針的動(dòng)力學(xué)模型，得到虛擬柔性針針尖的相關(guān)參數(shù)作為區(qū)間2型模糊邏輯控制器的輸入，經(jīng)過模糊化器，規(guī)則庫的推理引擎，降型和解模糊化，得到最終的絕對(duì)速度v和柔性針偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度輸出，作為虛擬柔性針的輸入，進(jìn)行虛擬柔性針的靶向追蹤，并計(jì)算與預(yù)定軌跡的位置偏差和角度偏差，將兩個(gè)偏差反饋給區(qū)間2型模糊邏輯控制器進(jìn)行控制。本發(fā)明利用區(qū)間2型模糊邏輯控制器進(jìn)行靶點(diǎn)追蹤控制，計(jì)算量減小，計(jì)算速度加快，響應(yīng)更快。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于自動(dòng)穿刺手術(shù)裝置的改進(jìn)，涉及對(duì)控制模塊算法的改進(jìn)，具體是對(duì)醫(yī)療機(jī)器人控制器中虛擬柔性針的區(qū)間2型模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)

近年來，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)成了重點(diǎn)研究對(duì)象。如，出版于2005年1月第27卷第1期，《機(jī)器人ROBOT》，名稱為“用于髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖釘手術(shù)的矯形外科機(jī)器人系統(tǒng)”，作者趙永濤、王田苗、胡磊。此文介紹了矯形外科機(jī)器人系統(tǒng)包括有5自由度PPRRR型機(jī)器人、系統(tǒng)規(guī)劃的工作站和機(jī)器人控制工作站組成。為了方便說明具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，請(qǐng)參考圖1所示。如，專利申請(qǐng)?zhí)?01380055516.X，申請(qǐng)日2013年08月27日，發(fā)明名稱“用于成像制導(dǎo)和機(jī)器人輔助的手術(shù)的機(jī)器人裝置和系統(tǒng)軟件、硬件和方法”，此文中介紹了利用三腔模型的可兼容MR的機(jī)器人和內(nèi)在被共同配準(zhǔn)的MRS數(shù)據(jù)。為了清楚地說明從一處到另一處的區(qū)域性生物感測(cè)的概況，請(qǐng)參考圖2所示。

開發(fā)模糊邏輯控制器(FLC)，在確定設(shè)計(jì)要求和進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)之后，建立知識(shí)庫(KB)，該庫包括規(guī)則庫、結(jié)構(gòu)、條件集合定義和比例系數(shù)等。有效的知識(shí)庫能夠使存儲(chǔ)要求的運(yùn)行搜索時(shí)間最小，并在目標(biāo)微處理器開發(fā)。如，專利申請(qǐng)?zhí)?01080028525.6，申請(qǐng)日2010年06月11日，發(fā)明名稱“提供包括延伸出進(jìn)入引導(dǎo)器遠(yuǎn)端的可聯(lián)接器械的運(yùn)動(dòng)限制范圍的輔助視圖的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)”，此文中介紹了利用醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中，用于控制和選擇性地關(guān)聯(lián)裝置操縱者操控左和右手可操縱的輸入裝置操控的組件。為了清楚地說明，請(qǐng)參考圖3所示。

對(duì)于傳統(tǒng)穿刺術(shù)作為微創(chuàng)外科手術(shù)中的典型技術(shù)，在藥物放置、組織活檢、局部麻醉和近距離放射等方面有著顯著作用。穿刺術(shù)的柔性針針尖采用非對(duì)稱斜面，在穿刺時(shí)受到組織施加的非均勻的力，針尖會(huì)朝著受力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)柔性針控制針尖朝向來控制柔性針的偏轉(zhuǎn)方向，使柔性針按照預(yù)定軌跡進(jìn)行穿刺。而由于組織的各向異性和個(gè)體差異性，在柔性針進(jìn)給時(shí)無法保證轉(zhuǎn)角與目標(biāo)轉(zhuǎn)角相同，所以在實(shí)際手術(shù)中一定會(huì)存在靶向誤差。為了解決這一技術(shù)問題，本發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)岢隽藢?duì)醫(yī)療機(jī)器人的控制模塊進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新的柔性針控制器，即對(duì)醫(yī)療機(jī)器人控制器中虛擬柔性針的區(qū)間2型模糊邏輯控制器。本發(fā)明能夠使柔性針能夠盡可能快速、準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)定靶點(diǎn)，最終誤差控制在可接受范圍內(nèi)。

所述的對(duì)醫(yī)療機(jī)器人控制器中虛擬柔性針的區(qū)間2型模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)，包括對(duì)模糊化器，規(guī)則庫，推理引擎，降型器和解模糊化器的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)過程如下：

1)、對(duì)模糊化器的設(shè)計(jì)如下：

首先，在慣性坐標(biāo)系XOY下建立虛擬柔性針的動(dòng)力學(xué)模型，得到模型的相關(guān)參數(shù)；

動(dòng)力學(xué)模型對(duì)虛擬柔性針的針軸與針頭斜面的交點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；

相關(guān)參數(shù)包括：虛擬柔性針針尖的絕對(duì)速度v，虛擬柔性針偏轉(zhuǎn)角度虛擬柔性針偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度轉(zhuǎn)角偏差和位置偏差S；

虛擬柔性針動(dòng)力學(xué)模型如下：

是慣性坐標(biāo)系XOY下x軸方向的速度，是慣性坐標(biāo)系XOY下y軸方向的速度；