[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

说明书

本发明公开了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，属于自动穿刺手术装置的改进，具体包括对模糊化器，规则库，推理引擎，降型器和解模糊化器的设计，首先，在惯性坐标系XOY下建立虚拟柔性针的动力学模型，得到虚拟柔性针针尖的相关参数作为区间2型模糊逻辑控制器的输入，经过模糊化器，规则库的推理引擎，降型和解模糊化，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，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型模糊逻辑控制器进行控制。本发明利用区间2型模糊逻辑控制器进行靶点追踪控制，计算量减小，计算速度加快，响应更快。

技术领域

本发明属于自动穿刺手术装置的改进，涉及对控制模块算法的改进，具体是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。

背景技术

近年来，医疗机器人技术发展迅速，机器人辅助微创手术成了重点研究对象。如，出版于2005年1月第27卷第1期，《机器人ROBOT》，名称为“用于髓内钉远端锁钉手术的矫形外科机器人系统”，作者赵永涛、王田苗、胡磊。此文介绍了矫形外科机器人系统包括有5自由度PPRRR型机器人、系统规划的工作站和机器人控制工作站组成。为了方便说明具体系统结构，请参考图1所示。如，专利申请号201380055516.X，申请日2013年08月27日，发明名称“用于成像制导和机器人辅助的手术的机器人装置和系统软件、硬件和方法”，此文中介绍了利用三腔模型的可兼容MR的机器人和内在被共同配准的MRS数据。为了清楚地说明从一处到另一处的区域性生物感测的概况，请参考图2所示。

开发模糊逻辑控制器(FLC)，在确定设计要求和进行系统辨识之后，建立知识库(KB)，该库包括规则库、结构、条件集合定义和比例系数等。有效的知识库能够使存储要求的运行搜索时间最小，并在目标微处理器开发。如，专利申请号201080028525.6，申请日2010年06月11日，发明名称“提供包括延伸出进入引导器远端的可联接器械的运动限制范围的辅助视图的医疗机器人系统”，此文中介绍了利用医疗机器人系统中，用于控制和选择性地关联装置操纵者操控左和右手可操纵的输入装置操控的组件。为了清楚地说明，请参考图3所示。

对于传统穿刺术作为微创外科手术中的典型技术，在药物放置、组织活检、局部麻醉和近距离放射等方面有着显著作用。穿刺术的柔性针针尖采用非对称斜面，在穿刺时受到组织施加的非均匀的力，针尖会朝着受力方向发生偏转，通过旋转柔性针控制针尖朝向来控制柔性针的偏转方向，使柔性针按照预定轨迹进行穿刺。而由于组织的各向异性和个体差异性，在柔性针进给时无法保证转角与目标转角相同，所以在实际手术中一定会存在靶向误差。为了解决这一技术问题，本发明专利申请提出了对医疗机器人的控制模块进行改进。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种新的柔性针控制器，即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。本发明能够使柔性针能够尽可能快速、准确地到达预定靶点，最终误差控制在可接受范围内。

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，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；

动力学模型对虚拟柔性针的针轴与针头斜面的交点进行运动学分析；

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；

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；