[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

说明书

本发明涉及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，首先，建立了主手端操作机构动力学模型和从手端递送机构动力学模型，然后将递送机构轴向运动模型的线性部分和非线性部分分开考虑，求解了滑模控制的等效控制量和鲁棒控制量，在滑模控制的基础上，针对不确定上下界的扰动，设计了自使用滑模控制方法，与现有技术相比，本发明能明显的减小系统的抖动和控制偏差，提高了控制效果，从而提高主从位置跟踪的性能。

技术领域

本发明涉及手术机器人控制领域，尤其是涉及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。

背景技术

现在综合性院校或相关血管介入手术医疗机械手研究机构，在建立血管介入 手术机器人主手端操作机构和从手端递送机构的动力学模型时，忽略了非线性的扰 动，如滚动轴承的摩擦力、滚珠丝杠的振动等。

血管介入手术机器人主从控制器是从手端递送机构追踪主手端操作机构获取 医生的操作运动的指令，来完成导管/导丝的递送。在其控制过程中实时接收移动 指的位移反馈信息根据误差自动调整控制指令，其控制输出的好坏直接决定了递送 精度。

采用经典或现代控制理论设计的主从控制算法，需要建立被控对象的准确的 数学模型，在此基础上合理的选择控制策略。然后导丝递送过程中由于导管/导丝 为柔性体而且是无限自由度的，递送过程中其形状是实时变化的，这种变形能会对 递送机构造成扰动；其递送过程中与血管壁产生摩擦，同时血流也会对导管/导丝 的造成扰动，这就会造成对递送机构造成非线性、不确定的扰动。所以很难通过简 单的方法建立准确的数学模型，这就导致了经典或现代控制方法不适用于血管介入 手术机器人主从控制。

导管/导丝为柔性体是无限自由度的，递送过程中其形状是实时变化的，这种 变形能会对递送机构造成扰动；其递送过程中与血管壁产生摩擦，同时血流也会对 导管/导丝的造成扰动，这就会造成对递送机构造成非线性、不确定的扰动。因此 递送机构会受到许多不确定的、非线性的外界扰动，会对系统的稳定性和性能品质 产生影响，这就需要一种能够抗外界干扰鲁棒性强的控制算法。滑模控制算法通过 开关控制量的切换使系统沿滑模面运动，所以其与外界的扰动无关，有很强的鲁棒 性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种血管介入手 术机器人的主从位置自适应跟踪控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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，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；

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。

所述的步骤1)中，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：