[发明专利]基于狼群算法的穿刺机器人柔性针运动路径规划装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于狼群算法的穿刺机器人柔性针运动路径规划装置及方法，属于智能医疗机器人控制与决策领域。本发明路径规划装置主要包括图像采集器和位于计算机上的路径规划模块。路径规划模块包括路径模型和目标函数构建模块、狼群算法参数输入和初始化模块、狼群算法执行模块和最优路径判断模块。本发明方法基于图像采集器及计算机程序模块，建立柔性针的穿刺路径模型和路径优化的目标函数，生成到靶点的路径作为人工狼，以路径的目标函数值作为更新标准，更新头狼位置，根据设置的最大迭代次数和穿刺路径模型的约束条件，来获得最优路径。本发明快速解决了应用于穿刺针的路径规划问题，缩短了路径规划耗时，获得满足要求的规划路径。

主权项

1.一种基于狼群算法的穿刺机器人柔性针运动路径规划装置，其特征在于，包括：图像采集器，用于获得柔性针所要穿刺的环境图像，并从图像中确定靶点、障碍物位置；位于计算机上的路径规划模块根据靶点和障碍物位置，进行路径规划，包括：路径模型和目标函数构建模块，用于建立柔性针的穿刺路径模型，设置路径优化的目标函数；所述的穿刺路径模型其中，n表示路径中的总段数，是路径中直线段和圆弧段的总数；L_i表示第i段路径的函数，P_i为第i段路径的起点，V_i为第i段路径的圆弧切线方向或直线方向，r_i为第i段路径的圆弧半径，若第i段路径是直线段则r_i的值为0，l_i为第i段路径的长度；所述的路径的目标函数表示为Y，Y＝u₁Y_n+u₂Y_l+u₃Y_d；其中，u₁，u₂，u₃分别是Y_n，Y_l，Y_d的加权系数，Y_n是描述路径复杂程度的子函数，Y_l是描述路径长度的子函数，Y_d是描述路径与障碍物最短距离的子函数；狼群算法参数输入和初始化模块，用于设置狼群算法中的参数，初始化狼群，随机选取N条到靶点的路径作为人工狼；狼群算法执行模块，对狼群执行狼群算法，以路径的目标函数值作为更新标准，更新头狼位置，头狼位置就是当前最优路径；最优路径判断模块，用于判断当前狼群算法的迭代数是否达到所设置的最大迭代次数，若否，继续调用狼群算法执行模块，若是，判断当前最优路径是否符合穿刺路径模型的约束条件，约束条件包括：(1)每段路径长度小于等于穿刺针总长度，且分段路径之和小于等于穿刺针总长度；(2)曲线路径曲率在柔性针刚度要求的弯曲曲率范围内；(3)曲线路径与直线路径连接时必须相切且不存在两直线路径直接相连；若符合，输出当前最优路径，若不符合，则结束路径规划，或者调用狼群算法参数输入和初始化模块，调整狼群算法中的参数，重新选取人工狼，再调用狼群算法执行模块选取最优路径。