[发明专利]一种远程介入手术控制系统的时滞与误差的改进方法

权利要求书

1.一种远程介入手术控制系统的时滞与误差的改进方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)对主端操作者的操作的控制量轴向直线位移进行采集；

(2)将步骤(1)中得到的手术过程中主端直线的推送位移量通过串口通信，发送到主端控制器；

(3)将从端光电编码器测量的电机运动位移量与主端直线位移传感器测出的值进行比较，通过计算主从位移运动量的差值得出位移误差e和位移误差变化率ec，将这二者的值作为模糊控制器的两个输入量；

(4)确定论域及量化因子，包括：(4-1)将主从位移运动量的差值得出位移误差输入语言设置为E，位移的误差变化率输入语言设置为EC，输出的量为Δkp,Δk_i,Δk_d，即构成“两输入三输出”结构的模糊控制器；其中，Δk_p是位移误差和位移误差变化率的论域的量化参数，Δk_i是位移误差和位移误差变化率的离散点的量化参数，Δk_d是位移误差和位移误差变化率的量化因子的量化参数；

(4-2)在误差的允许范围内，确定位移误差和位移误差变化率的论域、离散点和量化因子，并依据确定的三者，选定一组与位移误差和位移误差变化率的论域、离散点和量化因子分别对应的量化参数Δkp,Δk_i,Δk_d；

(5)选择输入输出变量的语言变量模糊集合；

(6)利用隶属度三角形函数图求出位移误差值e和位移误差变化率ec在量化区间E和EC上的隶属度，将主从位移运动量的差值得出位移误差输入语言设置为E，位移的误差变化率输入语言设置为EC；根据得到的位移误差值e和位移误差变化率ec隶属度进行参数规整；

(7)利用面积重心法对步骤(6)得到的PID控制系统的三个参数的修正值Δkp,Δki,Δkd的模糊调整值进行解模糊化处理，以得到Δkp、Δki、Δkd的精确数值，并对PID控制器的三个参数Kp,K_i,Kd不断进行调整，直至系统达到稳定状态后停止调整；

(8)因为在远程主从血管介入手术机器人系统中，主从两端是分别连接PC上位机通过TCP/IP协议，实现主端操作器和从端操作器的通信，所以主端数据及从端数据的传输与接收，以及反馈信息经过网络就会产生延时控制量，利用拉氏变换的延时定理将时域里的延时量进行转换，控制数据从主端PC机发送到从端PC机产生的时延即为前向通道中时延从端PC机发往主端的反馈数据时存在的时延即为反馈通路中的时延及系统本身因为电机响应及算法处理产生的純滞后即为系统本身纯滞后e^-τs；在被控对象的传递函数和控制器节点分别并联一个Smith预估补偿模型，此模型即为模糊PID-改进的Smith算法模型，然后由预估器对时滞进行补偿和消除，从而消除时延及纯滞后对控制系统性能的影响，提高控制系统性能；

(9)在模糊PID-改进的Smith算法的作用下，使被延迟了的被调量超前反映到调节器中，进而使调节器提前动作，从而对从端电机的运动进行控制，实现较好的主从跟踪效果。

2.根据权利要求1所述一种远程介入手术控制系统的时滞与误差的改进方法，其特征在于所述步骤(1)中对手术过程中主端的轴向直线位移检测是由主端直线位移传感器采用直接测量的方式实现的。

3.根据权利要求1所述一种远程介入手术控制系统的时滞与误差的改进方法，其特征在于所述步骤(5)中选择输入输出变量的语言变量模糊集合具体是指：

(5-1)对于位移误差e，在其论域上定义模糊子集，将模糊子集设置为{NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL}，集合中的参量NL、NM、NS、ZE、PS、PM及PL分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中及正大，其对应的论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，输出为Δkp,Δk_i,Δk_d；

(5-2)同理，对于位移误差变化率ec，在其论域上定义模糊子集，其中，模糊集为{NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL}，集合中的参量分别代表了负大、负中、负小、零、正小、正中及正大；论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}。