[发明专利]微创血管介入手术导管机器人三维模糊控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于微创血管介入手术机器人控制领域，具体涉及一种微创血管介入手术导管机器人三维模糊控制装置及方法。

背景技术

血管介入手术具有伤口小、出血少、术后恢复快且并发症少等优点，广泛应用于心脑血管疾病的治疗。在传统的血管介入手术中，操作者直接操作导管，在医学影像的辅助下，经血管把导管送到病灶处，进行诊断和治疗。但是导管操作需要有经验的操作者经过反复尝试才能获得良好的效果，这样操作者和病人长时间接触射线，长期工作会对操作者造成一定损伤。随着医疗辅助机器人技术的发展，主从导管介入的思想已经引入微创血管介入手术领域。采用这种操作方式，操作者能够脱离手术现场避免射线辐射伤害。手术中，操作者脱离现场，通过控制导管操作机器人间接操作导管到达病灶处，实现对病灶部位的治疗。现有的研究中导管操作机器人的控制通常采用PID控制方法。然而导管是一个高度柔性的设备，难以给出精确的运动学模型，且导管工作在复杂的体内环境中，系统参数会发生变化。PID控制器的参数选定后不能改变，它的适应性较差。因此，需要一种更有效的方法来提高导管操作机器人的控制性能。模糊控制不需要知道被控对象的精确的数学模型，对过程参数变化不敏感，应用于非线性系统时具有很强的鲁棒性和良好的控制品质。然而，二维模糊控制在消除系统稳态误差方面的性能较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种微创血管介入手术导管机器人三维模糊控制装置及方法，以达克服传统PID和二维模糊控制方法的不足，提高导管定位的精确度，提高导管的控制精度和系统的鲁棒性，使手术更精确、安全的目的。

一种微创血管介入手术导管机器人三维模糊控制装置，包括主手装置、上位机、从端DSP处理器、第一电机、第二电机、第三电机和姿态传感器，其中，

主手装置：用于设置导管末端的目标位置，并将该目标位置发送至上位机中；

上位机：

（1）当接收到导管末端的初始位置信号时，用于根据导管末端的目标位置和初始位置，计算获得两者的偏差量；将偏差量与初始姿态信息发送至从端DSP处理器中；

（2）当接收到实时采集的导管末端位置信号时，用于根据实际导管末端位置，计算获得与目标位置的位置误差，将该位置误差和导管的实时姿态信息发送至从端DSP处理器；

从端DSP处理器：

（1）当接收到导管末端目标位置与初始位置的偏差量和初始姿态信息时，用于根据导管远端弯曲段的初始姿态信息获得雅克比矩阵，再根据逆雅克比矩阵和导管末端目标位置与初始位置的偏差量，将位置偏差量变换为导管的轴向距离偏差值、旋转角度偏差值和弯曲角度偏差值，并将上述三个量依次转换为第一电机的角位移量、第二电机的角位移量和第三电机的角位移量，控制电机带动导管运动；

（2）当接收到导管末端的位置误差信号和导管的实时姿态信息时，用于计算获得导管末端的位置误差变化率和位置误差变化率的微分值，并将位置误差、位置误差变化率和位置误差变化率的微分值作为其内部的三维模糊控制器的输入，三维模糊控制器根据推理规则公式进行计算获得导管末端位置的补偿量，并根据逆雅克比矩阵，将导管末端位置补偿量变换成导管轴向位移补偿量、导管旋转角度补偿量和导管弯曲段弯曲角度补偿量，将上述三个量依次发送至第一电机、第二电机和第三电机；

第一电机：用于控制导管的轴向位移；

第二电机：用于控制导管的旋转角度；

第三电机：用于控制导管的弯曲角度；

姿态传感器：用于采集导管远端弯曲段的轴向位移、旋转角度和弯曲角度。

主手装置的输出端连接上位机的一路输入端，上位机的输出端连接从端DSP处理器的一路输入端，从端DSP处理器的一路输出端连接第一电机的输入端，从端DSP处理器的另一路输出端连接第二电机的输入端，从端DSP处理器的又一路输出端连接第三电机的输入端，第一电机的输出端连接从端DSP处理器的另一路输入端，第二电机的输出端连接从端DSP处理器的又一路输入端，第三电机的输出端连接从端DSP处理器的再一路输入端，第一电机的输出轴、第二电机的输出轴和第三电机的输出轴均连接导管；姿态传感器设置于导管上，其输出端连接上位机的另一路输入端。

采用微创血管介入手术导管机器人三维模糊控制装置进行控制的方法，包括以下步骤：

步骤1、通过主手装置设置导管末端的目标位置，并将该目标位置发送至上位机中，将该位置变换到导管坐标系中确定目标位置坐标；