[发明专利]一种主从微创手术机器人系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，特别涉及一种主从微创手术机器人系统及控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，微创手术在心脑血管疾病内的应用越来越广泛。传统血管介入微创手术中，导管被插入到股动脉中，在血管中运动直到目标点，通过胶囊或支架，实现心脑血管中的血栓溶解，血管扩充以及堵塞畸形血管等功能。由于介入创口微乎其微，损伤程度比传统手术远远要轻，减轻病人痛苦，术后恢复更快。但是也存在着许多缺点：导管介入完全依赖于医生的专业性和熟练度；导管末端与血管壁碰撞的摩擦力医生不能准确估计，而过大的力导致血管穿孔，大量出血；手术时间长，而且医生要暴露在射线下忍受仪器的强烈辐射，对医生身体带来伤害。

针对上述问题，国内外进行了大量研究，并提出主从微创手术机器人系统应用于微创手术中。但多数主从系统中，对驱动器的控制方式较为单一，大多采用常规PID控制，而实际导管驱动系统中存在许多非线性因素，如系统的摩擦力、血流的阻力、死区、时滞效应、导管自身参数及其运动环境条件不断变化等，致使系统的动态特性不够理想，一定程度上制约了主从控制的操作性能。模糊PID控制，能够对PID参数进行在线调整，提高PID的跟踪性能，增强介入手术的安全性。然而保证控制系统的精度往往是通过增加语言变量和控制规则的数目，制定足够多的控制规则既不现实又不便于在微创手术中的应用；随着控制过程的进行，误差逐渐变小，向隶属度函数的零位移动，此时使用原有的误差隶属度函数致使精度不足。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于主从微创手术机器人系统装置的控制方法，以达到提高主从微创手术安全性的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种主从微创手术机器人系统，包括：

主手：用于实现医生对导管位置的控制。主手接收医生给出的导管移动位置的期望值，并且通过映射将主手手柄移动的位置信息转换为导管运动关节量；

导管：用于主从微创手术中向病灶处输送胶囊或支架；

检测装置：用于检测导管末端和目标点的位姿；

上位机：用于接收主手和检测装置传送的位置信号，将信号进行处理，并将结果传送给伺服驱动装置；

伺服驱动装置：用于接收上位机传送的位置信号，驱使导管对医生给出的导管移动位置的期望值进行跟踪；

成像装置：用于图像处理和人机交互，将导管和血管姿态呈现，使医生更加直观地了解手术进行情况；

在所述上位机中还进一步包括：

位置运动转换器：用于将上位机接收到的来自主手和检测装置的位置信息转换为导管期望关节量和导管实际关节量；

变论域模糊控制器：用于将导管期望关节量和导管实际关节量之间的误差及误差变化率进行模糊处理，经模糊化，带有变论域过程的模糊推理，去模糊化过程，将对导管关节量误差和误差变化率的控制作用转换为PID控制的比例控制、积分控制、微分控制作用，并实现PID控制的比例参数、积分参数、微分参数在线调整；

PID控制器：用于根据接收到的变论域模糊控制器的输出信号完成导管关节量的跟踪。

一种对主从微创手术机器人系统的导管进行控制的方法，包括以下步骤：

步骤1：首先，用户在主从微创手术机器人系统的主手端设置导管移动位置的期望位置；其次用户操作主手手柄控制导管向期望位置移动，在主手手柄的初始位置建立坐标系，把主手手柄最终移动到的位置信息映射到导管所处任务空间，通过映射得到的坐标，利用雅克比逆矩阵最终确定导管运动关节量，确定导管运动关节量，包括导管的进退量、旋转量和弯曲量；

步骤2：位姿传感器测得导管实际对应的运动关节量，对导管位置进行调整；

步骤2-1：期望关节量与实际关节量比较，计算二者的误差e，将误差e和误差变化率ec作为输入送入变论域模糊控制器中，确定变论域模糊控制器输入和输出的模糊子集，具体为：

在变论域模糊控制器内，首先定义各个关节量误差的语言变量E和误差变化率的语言变量EC；然后，用户自定义误差的论域e和误差变化率ec的论域，并在误差的论域范围内将误差的语言变量离散化，在误差变化率的论域范围内将误差变化率的语言变量离散化，确定误差对应的模糊子集和误差变化率对应的模糊子集，表达式均为：

{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}

式中，NB代表负大，NM代表负中，NS代表负小，O代表零，PS代表正小，PM代表正中，PB代表正大；