微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明一種微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置及方法，屬于微創(chuàng)血管介入手術機器人控制領域，該裝置包括主手裝置、上位機、從端DSP處理器、第一電機、第二電機、第三電機和姿態(tài)傳感器，本發(fā)明針對PID控制方法和二維模糊控制方法在控制導管操作機器人時存在的不足，提出了三維模糊控制方法，提高導管操作機器人的控制精度，進而提高對導管的操作精度，降低患者呼吸心跳等環(huán)境因素對導管運動的影響，減少操作者操作導管時產生的超調，使手術更精確、安全。
【專利說明】微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微創(chuàng)血管介入手術機器人控制領域，具體涉及一種微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]血管介入手術具有傷口小、出血少、術后恢復快且并發(fā)癥少等優(yōu)點，廣泛應用于心腦血管疾病的治療。在傳統(tǒng)的血管介入手術中，操作者直接操作導管，在醫(yī)學影像的輔助下，經(jīng)血管把導管送到病灶處，進行診斷和治療。但是導管操作需要有經(jīng)驗的操作者經(jīng)過反復嘗試才能獲得良好的效果，這樣操作者和病人長時間接觸射線，長期工作會對操作者造成一定損傷。隨著醫(yī)療輔助機器人技術的發(fā)展，主從導管介入的思想已經(jīng)引入微創(chuàng)血管介入手術領域。采用這種操作方式，操作者能夠脫離手術現(xiàn)場避免射線輻射傷害。手術中，操作者脫離現(xiàn)場，通過控制導管操作機器人間接操作導管到達病灶處，實現(xiàn)對病灶部位的治療?，F(xiàn)有的研究中導管操作機器人的控制通常采用PID控制方法。然而導管是一個高度柔性的設備，難以給出精確的運動學模型，且導管工作在復雜的體內環(huán)境中，系統(tǒng)參數(shù)會發(fā)生變化。PID控制器的參數(shù)選定后不能改變，它的適應性較差。因此，需要一種更有效的方法來提高導管操作機器人的控制性能。模糊控制不需要知道被控對象的精確的數(shù)學模型，對過程參數(shù)變化不敏感，應用于非線性系統(tǒng)時具有很強的魯棒性和良好的控制品質。然而，二維模糊控制在消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差方面的性能較差。

【發(fā)明內容】

[0003]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置及方法，以達克服傳統(tǒng) PID和二維模糊控制方法的不足，提高導管定位的精確度，提高導管的控制精度和系統(tǒng)的魯棒性，使手術更精確、安全的目的。
[0004]一種微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置，包括主手裝置、上位機、從端DSP處理器、第一電機、第二電機、第三電機和姿態(tài)傳感器，其中，
[0005]主手裝置:用于設置導管末端的目標位置，并將該目標位置發(fā)送至上位機中；
[0006]上位機:
[0007](I)當接收到導管末端的初始位置信號時，用于根據(jù)導管末端的目標位置和初始位置，計算獲得兩者的偏差量；將偏差量與初始姿態(tài)信息發(fā)送至從端DSP處理器中；
[0008](2)當接收到實時采集的導管末端位置信號時，用于根據(jù)實際導管末端位置，計算獲得與目標位置的位置誤差，將該位置誤差和導管的實時姿態(tài)信息發(fā)送至從端DSP處理器；
[0009]從端DSP處理器:
[0010](I)當接收到導管末端目標位置與初始位置的偏差量和初始姿態(tài)信息時，用于根據(jù)導管遠端彎曲段的初始姿態(tài)信息獲得雅克比矩陣，再根據(jù)逆雅克比矩陣和導管末端目標位置與初始位置的偏差量，將位置偏差量變換為導管的軸向距離偏差值、旋轉角度偏差值和彎曲角度偏差值，并將上述三個量依次轉換為第一電機的角位移量、第二電機的角位移量和第三電機的角位移量，控制電機帶動導管運動；
[0011](2)當接收到導管末端的位置誤差信號和導管的實時姿態(tài)信息時，用于計算獲得導管末端的位置誤差變化率和位置誤差變化率的微分值，并將位置誤差、位置誤差變化率和位置誤差變化率的微分值作為其內部的三維模糊控制器的輸入，三維模糊控制器根據(jù)推理規(guī)則公式進行計算獲得導管末端位置的補償量，并根據(jù)逆雅克比矩陣，將導管末端位置補償量變換成導管軸向位移補償量、導管旋轉角度補償量和導管彎曲段彎曲角度補償量，將上述三個量依次發(fā)送至第一電機、第二電機和第三電機；
[0012]第一電機:用于控制導管的軸向位移；
[0013]第二電機:用于控制導管的旋轉角度；
[0014]第三電機:用于控制導管的彎曲角度；
[0015]姿態(tài)傳感器:用于采集導管遠端彎曲段的軸向位移、旋轉角度和彎曲角度。
[0016]主手裝置的輸出端連接上位機的一路輸入端，上位機的輸出端連接從端DSP處理器的一路輸入端，從端DSP處理器的一路輸出端連接第一電機的輸入端,從端DSP處理器的另一路輸出端連接第二電機的輸入端，從端DSP處理器的又一路輸出端連接第三電機的輸入端，第一電機的輸出端連接從端DSP處理器的另一路輸入端，第二電機的輸出端連接從端DSP處理器的又一路輸入端，第三電機的輸出端連接從端DSP處理器的再一路輸入端，第一電機的輸出軸、第二電機的輸出軸和第三電機的輸出軸均連接導管；姿態(tài)傳感器設置于導管上，其輸出端連接上位機的另一路輸入端。
[0017]采用微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置進行控制的方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1、通過主手裝置設置導管末端的目標位置，并將該目標位置發(fā)送至上位機中，將該位置變換到導管坐標系中確定目標位置坐標；
[0019]步驟2、采用設置于導管遠端彎曲段的位姿傳感器獲得導管遠端的初始姿態(tài)信息和導管末端的初始位置，并將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機中，所述的姿態(tài)信息包括導管遠端彎曲角度、旋轉角度和軸向位移；
[0020]步驟3、上位機根據(jù)導管末端的目標位置坐標和初始位置坐標，計算獲得兩者的偏差量，將偏差量與初始姿態(tài)信息發(fā)送至從端DSP處理器中，從端DSP處理器根據(jù)導管遠端初始彎曲角度、初始旋轉角度和初始軸向位移獲得雅克比矩陣，再根據(jù)逆雅克比矩陣和導管末端目標位置坐標與初始位置坐標的偏差量，將位置偏差量變換為導管的軸向距離偏差值、旋轉角度偏差值和彎曲角度偏差值，并根據(jù)軸向距離偏差值計算第一電機的角位移量，發(fā)送至第一電機，根據(jù)旋轉角度偏差值計算第二電機的角位移量，發(fā)送至第二電機，根據(jù)彎曲角度偏差計算第三電機的角位移量，發(fā)送至第三電機，帶動導管運動；
[0021]步驟4、采用位姿傳感器實時采集導管遠端彎曲段的姿態(tài)信息和導管末端位置，并發(fā)送至上位機中，上位機根據(jù)實際導管末端位置，計算獲得與目標位置的位置誤差，將該位置誤差和姿態(tài)信息發(fā)送至從端DSP處理器；
[0022]步驟5、從端DSP處理器計算獲得導管末端的位置誤差變化率和位置誤差變化率的微分值；
[0023]步驟6、從端DSP處理器采用三維模糊控制器對導管末端位置誤差、位置誤差變化率和位置誤差變化率的微分值進行離散化處理，并結合設定的論域范圍對上述三個量進行模糊化處理，將模糊化后的變量進行模糊推理并采用重心法將推理所得結果去模糊化，即獲得導管末端位置的補償量；
[0024]步驟7、從端DSP處理器根據(jù)逆雅克比矩陣，將導管末端位置補償量變換成導管的三個自由度的補償量，即導管軸向位移補償量、導管旋轉角度補償量、導管彎曲段彎曲角度補償量，將導管軸向位移補償量發(fā)送至第一電機，將導管旋轉角度補償量發(fā)送至第二電機，將導管彎曲段彎曲角度補償量發(fā)送至第三電機，帶動導管向目標位置移動；
[0025]步驟8、判斷導管末端是否到達期望位置，若到達，則停止并等待下一期望位置信號，否則，返回執(zhí)行步驟4。
[0026]步驟6所述的離散化處理，所采用的離散量化等級公式如下:
【權利要求】
1.一種微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置，其特征在于:包括主手裝置、上位機、從端DSP處理器、第一電機、第二電機、第三電機和姿態(tài)傳感器，其中， 主手裝置:用于設置導管末端的目標位置，并將該目標位置發(fā)送至上位機中； 上位機: (1)當接收到導管末端的初始位置信號時，用于根據(jù)導管末端的目標位置和初始位置，計算獲得兩者的偏差量；將偏差量與初始姿態(tài)信息發(fā)送至從端DSP處理器中； (2)當接收到實時采集的導管末端位置信號時，用于根據(jù)實際導管末端位置，計算獲得與目標位置的位置誤差，將該位置誤差和導管的實時姿態(tài)信息發(fā)送至從端DSP處理器； 從端DSP處理器: (O當接收到導管末端目標位置與初始位置的偏差量和初始姿態(tài)信息時，用于根據(jù)導管遠端彎曲段的初始姿態(tài)信息獲得雅克比矩陣，再根據(jù)逆雅克比矩陣和導管末端目標位置與初始位置的偏差量，將位置偏差量變換為導管的軸向距離偏差值、旋轉角度偏差值和彎曲角度偏差值，并將上述三個量依次轉換為第一電機的角位移量、第二電機的角位移量和第三電機的角位移量，控制電機帶動導管運動； (2)當接收到導管末端的位置誤差信號和導管的實時姿態(tài)信息時，用于計算獲得導管末端的位置誤差變化率和位置誤差變化率的微分值，并將位置誤差、位置誤差變化率和位置誤差變化率的微分值作為其內部的三維模糊控制器的輸入，三維模糊控制器根據(jù)推理規(guī)則公式進行計算獲得導管末端位置的補償量，并根據(jù)逆雅克比矩陣，將導管末端位置補償量變換成導管軸向位移補償量、導管旋轉角度補償量和導管彎曲段彎曲角度補償量，將上述三個量依次發(fā)送至第一電機、第二電機和第三電機； 第一電機:用于控制導管的軸向位移； 第二電機:用于控制導管的旋轉角度； 第三電機:用于控制導管的彎曲角度； 姿態(tài)傳感器:用于采集導管遠端彎曲段的軸向位移、旋轉角度和彎曲角度。
2.根據(jù)權利要求1所述的微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置，其特征在于:主手裝置的輸出端連接上位機的一路輸入端，上位機的輸出端連接從端DSP處理器的一路輸入端，從端DSP處理器的一路輸出端連接第一電機的輸入端,從端DSP處理器的另一路輸出端連接第二電機的輸入端，從端DSP處理器的又一路輸出端連接第三電機的輸入端，第一電機的輸出端連接從端DSP處理器的另一路輸入端，第二電機的輸出端連接從端DSP處理器的又一路輸入端，第三電機的輸出端連接從端DSP處理器的再一路輸入端，第一電機的輸出軸、第二電機的輸出軸和第三電機的輸出軸均連接導管；姿態(tài)傳感器設置于導管上，其輸出端連接上位機的另一路輸入端。
3.采用權利要求1所述的微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制裝置進行控制的方法， 其特征在于:包括以下步驟: 步驟1、通過主手裝置設置導管末端的目標位置，并將該目標位置發(fā)送至上位機中，將該位置變換到導管坐標系中確定目標位置坐標； 步驟2、采用設置于導管遠端彎曲段的位姿傳感器獲得導管遠端的初始姿態(tài)信息和導管末端的初始位置，并將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機中，所述的姿態(tài)信息包括導管遠端彎曲角度、旋轉角度和軸向位移； 步驟3、上位機根據(jù)導管末端的目標位置和初始位置，計算獲得兩者的偏差量，將偏差量與初始姿態(tài)信息發(fā)送至從端DSP處理器中，從端DSP處理器根據(jù)導管遠端初始彎曲角度、初始旋轉角度和初始軸向位移獲得雅克比矩陣，再根據(jù)逆雅克比矩陣和導管末端目標位置坐標與初始位置坐標的偏差量，將位置偏差量變換為導管的軸向距離偏差值、旋轉角度偏差值和彎曲角度偏差值，并根據(jù)軸向距離偏差值計算第一電機的角位移量，發(fā)送至第一電機，根據(jù)旋轉角度偏差值計算第二電機的角位移量，發(fā)送至第二電機，根據(jù)彎曲角度偏差計算第三電機的角位移量，發(fā)送至第三電機，帶動導管運動； 步驟4、采用位姿傳感器實時采集導管遠端彎曲段的姿態(tài)信息和導管末端位置，并發(fā)送至上位機中，上位機根據(jù)實際導管末端位置，計算獲得與目標位置的位置誤差，將該位置誤差和姿態(tài)信息發(fā)送至從端DSP處理器； 步驟5、從端 DSP處理器計算獲得導管末端的位置誤差變化率和位置誤差變化率的微分值； 步驟6、從端DSP處理器采用三維模糊控制器對導管末端位置誤差、位置誤差變化率和位置誤差變化率的微分值進行離散化處理，并結合設定的論域范圍對上述三個量進行模糊化處理，將模糊化后的變量進行模糊推理并采用重心法將推理所得結果去模糊化，即獲得導管末端位置的補償量； 步驟7、從端DSP處理器根據(jù)逆雅克比矩陣，將導管末端位置補償量變換成導管的三個自由度的補償量，即導管軸向位移補償量、導管旋轉角度補償量、導管彎曲段彎曲角度補償量，將導管軸向位移補償量發(fā)送至第一電機，將導管旋轉角度補償量發(fā)送至第二電機，將導管彎曲段彎曲角度補償量發(fā)送至第三電機，帶動導管向目標位置移動； 步驟8、判斷導管末端是否到達期望位置，若到達，則停止并等待下一期望位置信號，否貝U，返回執(zhí)行步驟4。
4.根據(jù)權利要求3所述的微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制方法，其特征在于:步驟6所述的離散化處理，所采用的離散量化等級公式如下:
5.根據(jù)權利要求3所述的微創(chuàng)血管介入手術導管機器人三維模糊控制方法，其特征在于:步驟6所述的模糊推理，推理規(guī)則公式如下:
【文檔編號】A61B19/00GK103549994SQ201310512479
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權日:2013年10月23日
【發(fā)明者】趙希梅, 游健康, 任成一, 姜明明, 趙久威 申請人:沈陽工業(yè)大學