[发明专利]基于数据驱动控制框架的外科手术机器的力控制方法

摘要

一种基于数据驱动控制框架的外科手术机器的力控制方法，包括以下步骤：1)将力Fr的控制问题描述为输出调节问题：直线电机动子线性运动会转化成抓取钳钳额开合运动，钳额角度θ由直线电机动子的位置X决定；钳额对组织施加的力Fj由电机施加给传动杆的力Fr决定，该力可以通过力传感器测量得到；2)采集充分且完备的数据集合：3)将输出调节问题转化为镇定问题；4)数据驱动镇定控制器设计及闭环吸引域最大化，过程如下：4.1)给定Lyapunov函数，利用数据估计控制输入‑状态空间中的负定域；4.2)通过选取合适的Lyapunov函数最大化闭环吸引域估计。本发明精度较高、可靠性较好。

主权项

一种基于数据驱动控制框架的外科手术机器的力控制方法，其特征在于：所述力控制方法包括以下步骤：1)将力Fr的控制问题描述为输出调节问题：直线电机动子线性运动会转化成抓取钳钳额开合运动，钳额角度θ由直线电机动子的位置X决定；钳额对组织施加的力Fj由电机施加给传动杆的力Fr决定，该力可以通过力传感器测量得到；2)采集充分且完备的数据集合：从采集自被控对象的数据集合中获取被控对象的动态特性，期望获取的数据集合表示为：Π={(xf,id,xid,uid,Fr,id),i=1,...,N|xf,id=f(xid,uid,Fr,id)}.]]>其中，Π表示数据集合，N表示数据集合中数据点的个数，i表示数据集合中数据点的标号，ud表示控制输入信号，xd＝(x1,x2)T表示系统状态，x1＝X,X表电机动子的位置；Frd为电机施加给传动杆的力，xfd是由未知函数f关于xd,ud,Frd的求解值，同时也表示时间离散化后x(k)下一时刻的状态x(k+1)；3)将输出调节问题转化为镇定问题；4)数据驱动镇定控制器设计及闭环吸引域最大化，过程如下：4.1)给定Lyapunov函数，利用数据估计控制输入‑状态空间中的负定域从数据集合中找到使正定函数差分负定的数据点，这些数据点组成的集合称为负定数据集合；然后将感兴趣的控制输入‑状态空间进行划分，即划分成有限个相邻但不相交的子集合，每个子集合称为单元；最后，负定域的估计由包含负定数据集合中数据点的单元组成；4.2)通过选取合适的Lyapunov函数最大化闭环吸引域估计将(u‑x)负定域的估计正交投影到状态空间，得到x负定域的估计；然后，找到属于x负定域估计的最大的水平集作为闭环吸引域的估计；寻找最大水平集的优化过程需要处理区域包含的约束；利用Lyapunov函数估计吸引域，得到的吸引域估计的大小只与Lyapunov函数有关；那么给定一个参数化的Lyapunov函数候选集合，就可以构造优化问题，从候选集合中选取一个使得吸引域估计最大的Lyapunov函数；该优化问题的优化变量为确定Lyapunov函数的参数，指标函数为吸引域估计的大小；平方和多项式的正定子集作为Lyapunov函数候选集合。