[發(fā)明專利]一種繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力間接檢測(cè)模型的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011246405.5
• 申請(qǐng)日: 2020-11-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112353492B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-01-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王文杰;陳聰聰;曹玉婷;麻健偉;王曉華;張蕾;張凱兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安工程大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B34/00
• 分類號(hào): A61B34/00;A61B34/30
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 羅笛

本發(fā)明公開(kāi)的一種繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力間接檢測(cè)模型的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：建立繩索驅(qū)動(dòng)微器械系統(tǒng)完整動(dòng)力學(xué)模型；以微器械系統(tǒng)完整動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器及其參數(shù)變化模型；對(duì)無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器模型進(jìn)行分段辨識(shí)，建立無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器動(dòng)態(tài)參數(shù)庫(kù)；建立無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器的參數(shù)自主選擇模型；將無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器參數(shù)自主選擇模型的輸出與有外力情況下微器械系統(tǒng)完整動(dòng)力學(xué)模型輸出的位置估計(jì)值做差，將差值看作外力引起的擾動(dòng)建立繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力間接檢測(cè)模型。本發(fā)明設(shè)計(jì)方法得到的檢測(cè)模型大大提高繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力檢測(cè)的精確度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力間接檢測(cè)模型的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

微器械的外力檢測(cè)能力是實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人力感知和力反饋的基礎(chǔ)，有助于讓醫(yī)生感知和施加正確的手術(shù)操作力，增加臨場(chǎng)感。現(xiàn)有的手術(shù)機(jī)器人力檢測(cè)能力主要分為直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩種，考慮到手術(shù)微器械的消毒方式和耗材屬性的影響，直接檢測(cè)的方式很難在實(shí)際手術(shù)中應(yīng)用，而現(xiàn)有的間接檢測(cè)方式多半由驅(qū)動(dòng)電流或者系統(tǒng)模型來(lái)間接估計(jì)，由于電流對(duì)應(yīng)的分辨率及遲滯效應(yīng)等因素的影響，外力檢測(cè)精度不高，尤其是在系統(tǒng)啟動(dòng)和停止階段具有較大誤差和遲滯效應(yīng)。通過(guò)模型估計(jì)的方法通常忽略間隙、摩擦等非線性因素的影響，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化或者線性化處理導(dǎo)致繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力檢測(cè)精度不高。因此，展開(kāi)繩索驅(qū)動(dòng)微器械精確的外力間接檢測(cè)方法的研究至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力間接檢測(cè)模型的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的檢測(cè)模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)微器械的外力間接檢測(cè)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力間接檢測(cè)模型的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1、建立繩索驅(qū)動(dòng)微器械系統(tǒng)完整動(dòng)力學(xué)模型；

步驟2、以微器械系統(tǒng)完整動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器及其參數(shù)變化模型；

步驟3、對(duì)無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器模型進(jìn)行分段辨識(shí)，建立無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器動(dòng)態(tài)參數(shù)庫(kù)；

步驟4、建立無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器的參數(shù)自主選擇模型；

步驟5、將無(wú)外力情況下微器械位置估計(jì)器參數(shù)自主選擇模型的輸出與有外力情況下微器械系統(tǒng)完整動(dòng)力學(xué)模型輸出的位置估計(jì)值做差，將差值看作外力引起的擾動(dòng)建立繩索驅(qū)動(dòng)微器械外力間接檢測(cè)模型。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

步驟1具體包括以下步驟：

步驟1.1、建立正、反向鋼絲繩索動(dòng)力學(xué)模型：

正向鋼絲繩索動(dòng)力學(xué)模型：

F_s1＝K_s1(y₁-x₁)+F_s10 (4)

式(4)中，K_s1是正向驅(qū)動(dòng)鋼絲繩索的彈性系數(shù)，y₁是正向驅(qū)動(dòng)鋼絲繩索與關(guān)節(jié)連接端的位移，x₁是正向驅(qū)動(dòng)鋼絲繩和滑塊連接端的位移，F(xiàn)_s10是正向驅(qū)動(dòng)鋼絲繩索的初始張力；

反向鋼絲繩索動(dòng)力學(xué)模型：

F_s2＝K_s2(y₂-x₂)+F_s20 (3)