[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

一種遠程介入手術控制系統的時滯與誤差的改進方法，基于主從血管介入手術遠程控制系統，解決了前向通道和反饋通道補償模型不匹配，進而導致系統響應速度慢，進入穩態時間長,跟蹤誤差大等問題，將前向通道的網絡時延移到閉環之外，反饋通路中的時延消除，消除了時延對控制系統性能的影響，提高控制系統性能，同時針對電機本身存在非線性，純滯后模型不匹配的一些問題，在控制器節點加入了模糊PID算法，自適應調節PID參數，降低了由于遠程控制系統中非線性和電機純滯后補償模型不匹配等帶來的影響，加強了系統響應速度，更快地使系統進入穩態。

技術領域

本發明屬于具有時延滯后的遠程醫療系統相關技術領域，尤其是一種遠程介入手術控制系統的時滯與誤差的改進方法，該方法利用改進的Smith算法對血管介入手術系統的時滯，進行預估并補償，起到了調節時滯系統的作用，同時利用模糊PID解決了主從位移跟蹤存在跟隨誤差較大及高度非線性等問題，特別適合用于介入手術機器人主從遠程控制系統實時性和準確性的提高。

背景技術

微創手術憑借著創傷小，痛苦輕，失血少等優勢備受醫生和患者的青睞，因此，輔助醫生進行微創血管介入手術機器人系統不斷被設計和發展。為了避免醫生遭受X射線輻射，血管介入手術機器人系統大多采用主從要操作的方式。然而，主從遙操作系統屬于網絡化控制，以及系統本身都存在時滯，這會導致控制系統不穩定，且具有誤差，進而導致主從介入手機器人跟蹤性能變差，嚴重威脅手術的安全性。以往的研究中，大多團隊都使用了PID控制算法，然而，血管介入手術控制系統本身存在主從位移跟蹤存在滯后性、實時性差、跟隨誤差較大及高度非線性等問題，單純地PID調節并不能很好地實現控制效果。由此，通過對一種用于提高遠程介入手術控制系統實時性與準確性的模糊PID和改進的Smith算法的設計，可以有效地解決因時滯帶來的系統影響，提升機器人的實時性與準確性，提高手術操作安全性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種遠程介入手術控制系統的時滯與誤差的改進方法，它可以克服了現有技術的不足，是一種結構簡單、可靠且容易實現的時滯補償系統及方法，能夠提高遠程介入手術控制系統實時性與準確性。

本發明的技術方案：

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；

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。

(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；

所述步驟(4)中論域及量化因子的確定具體是指：

(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；