[发明专利]基于数据驱动控制框架的外科手术机器的力控制方法

说明书

一种基于数据驱动控制框架的外科手术机器的力控制方法，包括以下步骤：1)将力F_r的控制问题描述为输出调节问题：直线电机动子线性运动会转化成抓取钳钳额开合运动，钳额角度θ由直线电机动子的位置X决定；钳额对组织施加的力F_j由电机施加给传动杆的力F_r决定，该力可以通过力传感器测量得到；2)采集充分且完备的数据集合：3)将输出调节问题转化为镇定问题；4)数据驱动镇定控制器设计及闭环吸引域最大化，过程如下：4.1)给定Lyapunov函数，利用数据估计控制输入‑状态空间中的负定域；4.2)通过选取合适的Lyapunov函数最大化闭环吸引域估计。本发明精度较高、可靠性较好。

技术领域

本发明涉及一种神经外科微创手术辅助机器人系统中的力控制方法。

背景技术

神经外科疾病是一类发病率很高的恶性疾病，如脑肿瘤等；据统计，我国神经外科类疾病患者达千万以上，神经外科微创手术是目前治疗神经外科疾病的重要手段，全国每年进行的神经外科手术达二十万次；由于有一些脑肿瘤生长在脑部较深区域或其生长部位靠近重要的血管、神经等，使得脑外科手术复杂而具有挑战性，而人手操作的空间精准性极大限制了该类手术；与人手相比，机器人在精准度，稳定性和灵巧性等方面都有人手难以比拟的优势；因此，机器人作为外科手术辅助工具吸引了广泛的关注。

尽管外科手术辅助机器人的潜在优势如此明显，但是将该技术实际应用于神经外科微创手术依然面临灭菌、硬件维护和手术精度可靠性等挑战；这里，手术精度可靠性难以达到要求的主要原因是现有的人机交互机构和机器人控制精度难以保证机器人在脑内运行时病人的安全；例如，目前对于脑胶质瘤切除手术提倡“雕刻式手术”的外科理念，即根据肿瘤生物学行为和受累组织结构、供血情况等，严格按照病灶与周围组织的界面和肿瘤沿白质纤维走行方向作顺势的“雕花镂空”式切除，争取尽可能多地切除肿瘤，并尽可能少地影响神经功能；可以看到，在脑神经外科手术中，对手术器械操控精度和精度可靠性的要求是极其严苛的，而现有的外科手术辅助机器人系统(如全球使用最广泛的达芬奇系统)还未达到神经外科手术的要求；在已有文献中，还未发现完全由手术辅助机器人完成神经外科手术的相关文献，只有尸体模拟手术的相关结果，如通过尸体模拟手术探索达芬奇系统在神经外科微创手术中的可行性和安全性。

发明内容

为了克服已有神经外科微创手术辅助机器人系统的精度较低、可靠性较低的不足，本发明提供了一种精度较高、可靠性较好的基于数据驱动控制框架的外科手术机器的力控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于数据驱动控制框架的外科手术机器的力控制方法，所述力控制方法包括以下步骤：

1)将力F_r的控制问题描述为输出调节问题：

直线电机动子线性运动会转化成抓取钳钳额开合运动，钳额角度θ由直线电机动子的位置X决定；钳额对组织施加的力F_j由电机施加给传动杆的力F_r决定，该力可以通过力传感器测量得到；

2)采集充分且完备的数据集合：

从采集自被控对象的数据集合中获取被控对象的动态特性，期望获取的数据集合表示为：