[发明专利]螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法

说明书

一种螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法，属于控制技术领域。本发明的目的是充分考虑血管机器人的姿轨耦合和重力‑浮力的影响，且提高控制精度的螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法。本发明步骤是：建立螺旋型血管机器人的姿轨一体化运动学和动力学模型；设计重力‑浮力补偿器，对竖直方向重力‑浮力的下沉作用进行补偿；设计基于重力‑浮力补偿的滑模控制器；基于步骤三设计的滑模控制器，设计自适应滑模控制。本发明可以更好的抑制滑模控制的抖动现象，提高姿态轨迹跟踪控制精度。对血管机器人在微创手术中得以应用具有很大的实际价值和理论意义。

技术领域

本发明属于控制技术领域。

背景技术

近年来，在科技蓬勃发展的同时，不规律的生活习惯使越来越多的人们被心脑血管疾病所困扰。由于传统的手术治疗具有辐射伤害大、术后创口大且恢复缓慢的缺点，而微创手术独有的特点使其可以克服传统手术治疗的不足，从而成为了医学界关注的热点。将微创手术与机器人技术结合起来已经是医学界的主流发展趋势，有着广阔的发展前景。

血管机器人是针对心脑血管疾病问题尝试的一种新方法，血管机器人是指工作在血管环境中且可通过外部控制器实现工作要求的一种微型机器人。在生活中，不仅可以用血管机器人对癌变组织进行靶向治疗，在病患处精准投放药物；血管机器人还可以用来定时清除胆固醇和脂肪等血液沉积物，预防心脑血管疾病。同时血管机器人还具有相应的检测功能，可对人体的各个器官与组织进行诊断与检测。医生可以基于血管机器人的检测数据采取合理的治疗办法，最终大幅度地减少手术操作并减轻对患者的手术伤害。另外血管机器人还具有清除寄生虫和细菌，清洁伤口，粉碎结石等功能，既可以高效的解决患者的疾病问题，又能方便人们的生活。在血管机器人的辅助下可以大量减少传统手术带来的伤害，因而对血管机器人的研究逐渐演变为医学界的重要研究方向。

螺旋结构的血管机器人由磁性材料头部和螺旋型的尾部组成，由外部的三维旋转磁场提供动力。由于机器人螺旋运动产生的动压润滑效应可以有效地避免机器人与血管壁接触保护血管，经过综合考虑安全性和能源供给方式的稳定性与可实现性，外部旋转磁场驱动的具有螺旋结构的血管机器人具有较高的学术研究价值与广阔的医疗应用前景。因此本发明针对的对象即为螺旋型血管机器人。传统上，研究人员采用分别对血管机器人的运动轨迹和姿态进行建模，但血管机器人运动实际是会受到姿态轨迹耦合的影响。根据血管机器人的工作要求，必须保证血管机器人不会损伤人体血管壁。但在实际工作过程中，由于竖直方向重力-浮力的影响，血管机器人往往会发生相对于期望运动轨迹而下沉偏移的现象。而且传统控制方法对血管机器人的控制效果不佳。为了避免上述问题，在进行血管机器人的建模和控制时，应将上述实际情况考虑在内，因此，找到一种可以充分考虑血管机器人的姿轨耦合影响的建模解决方案，和可以考虑重力-浮力补偿的控制方案，对血管机器人在微创手术中的应用具有很大的意义。

发明内容

本发明的目的是充分考虑血管机器人的姿轨耦合和重力-浮力的影响，且提高控制精度的螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法。

本发明步骤是：

步骤一：采用对偶四元数对螺旋型血管机器人的姿态和轨迹运动同时进行描述，建立螺旋型血管机器人的姿轨一体化运动学和动力学模型；

步骤二：针对螺旋型血管机器人在血液中运动时，会受到重力-浮力的影响，导致实际运动轨迹下沉偏移，而脱离期望轨迹，设计重力-浮力补偿器，对竖直方向重力-浮力的下沉作用进行补偿；

步骤三：基于步骤一建立的螺旋型血管机器人模型和步骤二设计的重力-浮力补偿器，设计基于重力-浮力补偿的滑模控制器；

步骤四：基于步骤三设计的滑模控制器，设计自适应滑模控制；

步骤一所述的姿轨一体化运动学和动力学模型建立的具体过程为：