[发明专利]一种血管介入手术机器人的主从位置自适应跟踪控制方法

权利要求书

1.一种血管介入手术机器人的主从位置自适应跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据主手端操作机构的结构，构建主手端操作机构的轴向运动动力学模型和旋转运动动力学模型，轴向运动动力学模型为施加在滑动套筒上的轴向推力F_m和递送机构滑动套筒轴向位移x_m之间的关系模型，其表达式为：

其中，F_m为施加在滑动套筒上的轴向推力，m_m为滑动套筒质量，J_mx1为同步带轮转动惯量，J_mx2为磁粉制动器输入轴转动惯量，J_mx3为导轮转动惯量，J_mx4为弹性联轴器转动惯量，J_c为编码器转动惯量，x_m为递送机构滑动套筒轴向位移，μ_m为滑动套筒与操作轴间滚动摩擦力系数，f_n为紧定螺钉的压力，r_m为同步带轮半径，T_mxr为磁粉制动器反馈力矩；

2)根据从手端递送机构的结构，构建考虑不确定扰动的轴向运动动力学模型以及从手端递送机构的旋转运动动力学模型；

3)确定自适应滑模控制律，并构建自适应滑模控制器，结合主手端操作机构的滑动套筒动作产生的旋捻位移指令和推进位移指令进行从手端递送机构的自适应跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的一种血管介入手术机器人的主从位置自适应跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，旋转运动动力学模型为主手操作滑动套筒的旋转力矩M_m和主手操作旋转角度θ_mθ之间的关系模型，其表达式为：

其中，M_m为主手操作滑动套筒的旋转力矩，J_mθ1为滑动套筒转动惯量，J_mθ2为旋转轴转动惯量，J_mθ3为同步带主动轮转动惯量，i_mθ为同步带传动比，J_mθ4为同步带从动轮转动惯量，J_c为编码器转动惯量，θ_mθ为主手操作旋转角度。

3.根据权利要求1所述的一种血管介入手术机器人的主从位置自适应跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，轴向运动动力学模型为进给电机驱动力矩T_sx和轴向推进位移x_s之间的关系模型，其表达式为：

其中，T_sx为进给电机驱动力矩，p为滚珠丝杠导程，J_s为伺服电机转动惯量，J_sx1为弹性联轴器转动惯量，J_sx2为滚珠丝杠的转动惯量，m_t为移动指质量，η₁为滚珠丝杠正效率，x_s为轴向推进位移，μ_v为滑块直线导轨的黏性摩擦系数，B_s为电机阻尼系数，μ_c为滑块直线导轨的库伦摩擦系数，Δ为不确定扰动项。

4.根据权利要求1所述的一种血管介入手术机器人的主从位置自适应跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，旋转运动动力学模型为旋转伺服电机的驱动力矩T_sθ与导管/导丝旋转角度之间的关系模型，其表达式为：

其中，T_sθ为旋转伺服电机的驱动力矩，J_s为伺服电机转动惯量，J_sθ1为弹性联轴器转动惯量，J_sθ2为主动带轮转动惯量，i_sθ1为主动带轮和从动带轮之间传动比，i_sθ2为从动带轮和夹持爪之间传动比，J_sθ3为所有从动带轮转动惯量，J_sθ4为夹持爪转动惯量，θ_sθ1为主动带轮旋转角度，θ_sθ2为从动带轮旋转角度，B_s为电机阻尼系数。

5.根据权利要求3所述的一种血管介入手术机器人的主从位置自适应跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，自适应滑模控制律表现为PID控制规律和加速度、速度前馈的复合控制律的形式，其控制函数表达式为：

k_acc＝A₁

k_vel＝k₁

k_p＝-k₁c-μ sgn(σ(t))

k_i＝-μ sgn(σ(t))

k_d＝(B₁-A₁·c-k₁)

T_smc＝i_smc×k_t

其中，x_d为初始位移，k₁为控制律参数，且k₁＞0，c为常数，μ为正数，k_acc、k_vel、k_p、k_i、k_d均为中间参量，σ(t)为滑模面函数，sgn(·)为信号函数，i_smc为电机电流，k_t为电机转矩常数。