[发明专利]对医疗机器人控制器中虚拟柔性针的区间2型模糊逻辑控制器的设计

权利要求书

1.对医疗机器人控制器中虚拟柔性针的区间2型模糊逻辑控制器的设计，是柔性针控制器的设计，其特征在于，包括对模糊化器，规则库，推理引擎，降型器和解模糊化器的设计，具体设计过程如下：

1)、对模糊化器的设计如下：

首先，在惯性坐标系XOY下建立虚拟柔性针的动力学模型，得到模型的相关参数，包括：虚拟柔性针针尖的绝对速度v，虚拟柔性针偏转角度虚拟柔性针偏转的转动角速度转角偏差和位置偏差S；

然后、利用运动学模型的位置偏差S、位置偏差变化率转角偏差和转角偏差变化率作为区间2型模糊逻辑控制器的输入，针尖的绝对速度v和柔性针偏转的转动角速度为输出；

最后、精确输入量x经过模糊化器后，模糊成用语言变量描述的2型模糊集；

2)、对规则库的设计如下：

首先、建立IF-THEN的规则库，具体形式为：规则库包括绝对速度v的规则和转动角速度的规则，两者的规则条数不定；设定NB、NS、Z、PS、PB五个语言变量，即负大、负小、零、正小、正大五个等级；由于位置偏差始终不小于零，所以有绝对速度v的相关规则3×5＝15个和转动角速度的相关规则5×5＝25个，规则库共40个规则；

3)、对推理引擎的设计如下：

规则库中的40条规则作用于推理引擎，依照规则库中的40条规则，在不同的条件下，推理引擎对2型输入模糊集合进行计算，将2型模糊集经过规则库的推理引擎得到区间2型的输出模糊集，并输出2型输出模糊集合；

4)、对降型器的设计如下：

降型器的输入是经过推理引擎推理后得到的输出2型模糊集合，采用面积中心法，输出是1型模糊集合，降型器传达了经过2型模糊集合的不确定性度量；

5)对解模糊化器的设计如下：

在对于一个区间2型模糊逻辑系统，精确的输出量就是降型后集合的中心；对于一个区间2型模糊逻辑系统，输入和前件操作的触发强度是一个区间1型模糊集，并且只取决于它的最左点f^l和最右点所以输出u₁∈U被表示为：

fⁱ：最小区间1型模糊集Fⁱ中的元素；

输出的区间2型模糊集的形心；

针尖的绝对速度v的最小值用u_1l表示，即：

相似的，针尖的绝对速度v的最大值用u_1r表示，即：

用u_1l和u_1r的平均值来表示它的解模糊结果，即输出为

同理，u₂即转动角速度的计算方法与u₁相同。

2.如权利要求1所述的对医疗机器人控制器中虚拟柔性针的区间2型模糊逻辑控制器的设计，其特征在于，所述的动力学模型是对虚拟柔性针的针轴与针头斜面的交点进行运动学分析；

虚拟柔性针动力学模型如下：

是惯性坐标系XOY下x轴方向的速度，是惯性坐标系XOY下y轴方向的速度；

根据虚拟柔性针偏转角度计算虚拟柔性针的针偏转动角速度

其中r为虚拟柔性针的曲率半径；

虚拟柔性针的转角偏差为：

虚拟柔性针的位置偏差S根据虚拟柔性针的预定轨迹和实际轨迹进行计算：

为虚拟柔性针的预定轨迹,为虚拟柔性针的实际轨迹。

3.如权利要求1所述的对医疗机器人控制器中虚拟柔性针的区间2型模糊逻辑控制器的设计，其特征在于，所述的2型模糊集用不确定标准差高斯隶属函数表示。

4.如权利要求1所述的对医疗机器人控制器中虚拟柔性针的区间2型模糊逻辑控制器的设计，其特征在于，规则库具体形式为：

……

即绝对速度v的第一条规则：如果位置偏差S为零，位置偏差变化率为正值且绝对值大，则绝对速度v为负值且绝对值大；绝对值的大小范围根据人为设定；

……

转动角速度的第一条规则：如果转角偏差为正值且绝对值大，转角偏差变化率为正值且绝对值大，则偏转角度为负值且绝对值大；

以此类推，按照规则库中所给值进行计算。

5.如权利要求1所述的对医疗机器人控制器中虚拟柔性针的区间2型模糊逻辑控制器的设计，其特征在于，所述的区间2型模糊逻辑控制器对推理出的输出模糊集进行降型和解模糊化后，得到最终的绝对速度v和柔性针偏转的转动角速度输出，作为虚拟柔性针的输入，进行虚拟柔性针的靶向追踪；根据柔性针的靶向追踪得到柔性针输出的实际轨迹并计算与预定轨迹的位置偏差和角度偏差，将两个偏差反馈给区间2型模糊逻辑控制器后作为输入进行控制，直至位置偏差为0或达到目标位置。