[發明專利]一種遠程介入手術控制系統的時滯與誤差的改進方法

有效

• 申請號: 202010767879.8
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN111856942B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 郭健;郭書祥;莊子祥
• 申請（專利權）人: 深圳市愛博醫療機器人有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;A61B34/35
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種遠程介入手術控制系統的時滯與誤差的改進方法，其特征在于它包括以下步驟：

(1)對主端操作者的操作的控制量軸向直線位移進行采集；

(2)將步驟(1)中得到的手術過程中主端直線的推送位移量通過串口通信，發送到主端控制器；

(3)將從端光電編碼器測量的電機運動位移量與主端直線位移傳感器測出的值進行比較，通過計算主從位移運動量的差值得出位移誤差e和位移誤差變化率ec，將這二者的值作為模糊控制器的兩個輸入量；

(4)確定論域及量化因子，包括：(4-1)將主從位移運動量的差值得出位移誤差輸入語言設置為E，位移的誤差變化率輸入語言設置為EC，輸出的量為Δkp,Δk_i,Δk_d，即構成“兩輸入三輸出”結構的模糊控制器；其中，Δk_p是位移誤差和位移誤差變化率的論域的量化參數，Δk_i是位移誤差和位移誤差變化率的離散點的量化參數，Δk_d是位移誤差和位移誤差變化率的量化因子的量化參數；

(4-2)在誤差的允許范圍內，確定位移誤差和位移誤差變化率的論域、離散點和量化因子，并依據確定的三者，選定一組與位移誤差和位移誤差變化率的論域、離散點和量化因子分別對應的量化參數Δkp,Δk_i,Δk_d；

(5)選擇輸入輸出變量的語言變量模糊集合；

(6)利用隸屬度三角形函數圖求出位移誤差值e和位移誤差變化率ec在量化區間E和EC上的隸屬度，將主從位移運動量的差值得出位移誤差輸入語言設置為E，位移的誤差變化率輸入語言設置為EC；根據得到的位移誤差值e和位移誤差變化率ec隸屬度進行參數規整；

(7)利用面積重心法對步驟(6)得到的PID控制系統的三個參數的修正值Δkp,Δki,Δkd的模糊調整值進行解模糊化處理，以得到Δkp、Δki、Δkd的精確數值，并對PID控制器的三個參數Kp,K_i,Kd不斷進行調整，直至系統達到穩定狀態后停止調整；

(8)因為在遠程主從血管介入手術機器人系統中，主從兩端是分別連接PC上位機通過TCP/IP協議，實現主端操作器和從端操作器的通信，所以主端數據及從端數據的傳輸與接收，以及反饋信息經過網絡就會產生延時控制量，利用拉氏變換的延時定理將時域里的延時量進行轉換，控制數據從主端PC機發送到從端PC機產生的時延即為前向通道中時延從端PC機發往主端的反饋數據時存在的時延即為反饋通路中的時延及系統本身因為電機響應及算法處理產生的純滯后即為系統本身純滯后e^-τs；在被控對象的傳遞函數和控制器節點分別并聯一個Smith預估補償模型，此模型即為模糊PID-改進的Smith算法模型，然后由預估器對時滯進行補償和消除，從而消除時延及純滯后對控制系統性能的影響，提高控制系統性能；

(9)在模糊PID-改進的Smith算法的作用下，使被延遲了的被調量超前反映到調節器中，進而使調節器提前動作，從而對從端電機的運動進行控制，實現較好的主從跟蹤效果。

2.根據權利要求1所述一種遠程介入手術控制系統的時滯與誤差的改進方法，其特征在于所述步驟(1)中對手術過程中主端的軸向直線位移檢測是由主端直線位移傳感器采用直接測量的方式實現的。

3.根據權利要求1所述一種遠程介入手術控制系統的時滯與誤差的改進方法，其特征在于所述步驟(5)中選擇輸入輸出變量的語言變量模糊集合具體是指：

(5-1)對于位移誤差e，在其論域上定義模糊子集，將模糊子集設置為{NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL}，集合中的參量NL、NM、NS、ZE、PS、PM及PL分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中及正大，其對應的論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，輸出為Δkp,Δk_i,Δk_d；

(5-2)同理，對于位移誤差變化率ec，在其論域上定義模糊子集，其中，模糊集為{NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL}，集合中的參量分別代表了負大、負中、負小、零、正小、正中及正大；論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。