[发明专利]基于大脑情感学习智能控制算法的柔性针平面穿刺控制装置及方法

权利要求书

1.一种用于控制柔性针平面穿刺的装置，其特征在于，包括：

两个直流电机，一个是用于控制柔性针进给速度的进给电机，一个用于控制柔性针尖旋转的旋转电机；

传感器，用于获取柔性针的位置和航向角信息并传输给计算机；

计算机，包括路径离散化模块和智能控制器；

路径离散化模块，用于将预先规划的柔性针行进路径离散化，得到目标点集合；

智能控制器，用于：(1)根据输入的柔性针当前的位置坐标，与下一个目标点的位置坐标比较，生成感知输入信号SI和情感激励信号EC，然后将SI三个分量中最大的一个直接输入杏仁体，将其他分量在延时一个采样周期Δt后，和情感激励信号EC同时输入杏仁体和眶额皮质层，在杏仁体和眶额皮质层中对输入的信号进行加权求和，最终将杏仁体和眶额皮质层的输出做差得到u，智能控制器给进给电机加上电压u；

所述的感知输入信号SI＝[e_r,de_r/dt,∫e_rdt]，其中，e_r是电机转速误差，t表示时间；计算电机转速误差e_r如下：

其中，e_X、e_Y分别是下一个目标点的位置与柔性针当前的位置在X方向和Y方向的误差；

智能控制器内的杏仁体中有4个节点，对应接收SI三个分量以及A_t，A_t为SI三个分量中最大的一个分量，眶额皮质层中有3个节点，对应接收SI三个分量；

杏仁体中对输入的信号进行加权求和，输出信号K_Aj是杏仁体中第j个节点信号A_j的权值；

眶额皮质层中对输入的信号进行加权求和，输出信号K_Oi是眶额皮质层中第i个节点信号B_i的权值；

得到电压u＝A-O；

杏仁体和眶额皮质层中的节点权值的调节律分别如下：

ΔK_Aj＝αmax(0,EC-A)A_j

ΔK_Oj＝β(u-EC)O_j

其中，ΔK_Aj为杏仁体中第j个节点的权值的调节量，ΔK_Oj为眶额皮质层中第j个节点的权值的调节量；α和β分别是杏仁体和眶额皮质层的学习率，0＜α,β＜1；

(2)将柔性针当前的航向角与下一个目标点的航向角做差，如果两个角度之差不为零，通过旋转电机控制针尖旋转180°，否则不旋转；

所述的智能控制器，根据设置的允许累积航向角误差极限l来判断是否旋转，设U是电机旋转的命令，值为1时表示旋转，值为0时表示不旋转，则：

其中，是航向角误差，E是累积的航向角误差，l的正负和E相同。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的智能控制器，把针尖类似成一个独轮车，建立柔性针的运动控制学模型，具体是：

柔性针的路径跟踪过程中，针尖做定半径的圆周运动，建立针尖运动的数学模型如下：

其中，(X,Y)是针尖的位置坐标，是针尖的航向角，v是针尖前进的速度，是当前位置的航向角；是上一个位置的航向角；Δt是采样周期；θ是针尖圆周运动的圆心角；ρ是针尖轨迹的曲率半径；r是针尖圆周运动的半径；α是针尖相对于路径切线的角度，针尖逆时针运动时为0，顺时针运动时为180°。

3.一种用于控制柔性针平面穿刺的控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器；

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如下所述的方法：步骤1，将预先规划的路径离散化，得到目标点集；步骤2，传感器获将柔性针当前的位置和航向角信息传输给计算机；步骤3，基于大脑情感学习的智能控制器执行如下步骤：

步骤3.1，将下一个目标点的位置坐标与柔性针当前的位置坐标做差，得到位置误差；

步骤3.2，生成感知输入信号SI和情感激励信号EC；

SI＝[e_r,de_r/dt,∫e_rdt]

EC＝w₁e_r+w₂∫e_rdt+w₃u

其中，e_r是电机转速误差，t表示时间；u是智能控制器的输出，作为进给电机的输入电压；w₁,w₂,w₃是三个参量系数；

计算电机转速误差e_r如下：

其中，e_X、e_Y分别是下一个目标点的位置与柔性针当前的位置在X方向和Y方向的误差；

步骤3.3，智能控制器将SI三个分量中最大的一个直接输入杏仁体，将其他分量在延时一个采样周期Δt后，和情感激励信号EC同时输入杏仁体和眶额皮质层，在杏仁体和眶额皮质层中分别对输入的信号进行加权求和，最终将杏仁体和眶额皮质层的输出做差得到u；

杏仁体中有4个节点，对应接收SI三个分量以及A_t，A_t为SI三个分量中最大的一个分量，眶额皮质层中有3个节点，对应接收SI三个分量，则：

杏仁体中对输入的信号进行加权求和，输出信号K_Aj是杏仁体中第j个节点信号A_j的权值；

眶额皮质层中对输入的信号进行加权求和，输出信号K_Oi是眶额皮质层中第i个节点信号B_i的权值；

得到电压u＝A-O；

杏仁体和眶额皮质层中的节点权值的调节律分别如下：

ΔK_Aj＝αmax(0,EC-A)A_j

ΔK_Oj＝β(u-EC)O_j

其中，ΔK_Aj为杏仁体中第j个节点的权值的调节量，ΔK_Oj为眶额皮质层中第j个节点的权值的调节量；α和β分别是杏仁体和眶额皮质层的学习率，0＜α,β＜1；

步骤3.4，智能控制器给进给电机加上电压u，驱动柔性针前进；

步骤3.5，智能控制器将柔性针当前的航向角与下一个目标点的航向角做差，如果两个角度之差不为零，通过旋转电机控制针尖旋转180°，否则不转；

根据设置的允许累积航向角误差极限l来判断是否旋转，设U是电机旋转的命令，值为1时表示旋转，值为0时表示不旋转，则：

其中，是航向角误差，E是累积的航向角误差，l的正负和E相同。