基于模糊自适应pid控制的微创血管手术机器人驱动器控制研究_任成一

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1、基于模糊自适应PID控制的微创血管手术机器人驱动器控制研究任成一朱国昕（沈阳工业大学电气工程学院辽宁沈阳110870）摘要：机器人驱动器需要控制导管机器人系统快速响应以及对目标点实时跟踪，以确保微创手术的安全。传统PID控制中PID参数一经整定成为固定增益，不能适应环境变化，位置跟踪精度不足，神经网络控制提高了跟踪精度、抑制超调和抗干扰能力，但其算法复杂，实时性差，限制了在微创血管手术中的应用。本文采用模糊自适应PID控制方法，对PID参数进行在线调整，用以改善系统的响应速度、抗干扰能力和位置跟踪精度。经仿真并与神经网络控制相比较，验证了所

2、提算法在微创血管手术中的可行性与实用性。关键词：导管机器人，主从控制，模糊PID控制，位置跟踪，机器人驱动器1引言在微创血管手术中，导管机器人插管的运动精度以及实时性要求较高，这就要求驱动器控制系[1]统有快速响应能力、抗干扰能力以及较高的控制精度。哈佛医学院的PieereE.Dupont采用PID控[2]制器来控制机器人的驱动电机运动，由于PID参数一经整定成为固定增益，不能适应心跳、血流、死区、时滞效应、系统的摩擦力、导管自身参数变化等诸多非线性因素的变化而变化，致使位置跟[3]踪精度不足；天津大学李进华副教授采用神经网络改善系统的控制

3、精度和抗干扰能力，但神经网络算法复杂，实时性不足，在实际微创手术应用中受到很大限制。为了同时改善位置跟踪精度和响应速度，本文采用模糊PID控制，对PID参数进行在线自适应调整。仿真并与神经网络控制作比较，验证了这种算法在微创手术的可行性和优越性。2基于模糊PID控制的主从微创手术导管机器人系统主从微创导管机器人系统辅助医生完成手术，减少X射线辐射，增强了手术的安全性。它由主手手柄、上位机、伺服驱动装置、导管、检测装置和成像装置组成。医生通过操作主手手柄发出控制指令，上位机处理计算后送给伺服驱动装置，驱动导管完成进退、弯曲、旋转动作，实现对导

4、管末端的位置控制。检测装置检测导管末端和期望位置的位姿，成像装置主要进行图像处理和人机交互，使医生更加直观了解手术进行情况。2.1驱动器模型的建立[4]驱动器的性能直接影响位置跟踪的精度。本文采用超磁致伸缩致动器，它是一种应用于精密[5]工程领域的新型直线电机，具有分辨率高、响应快速等优点。做出假设以简化分析过程：1）Terfenol-D棒和线圈同长，棒内部磁场强度H、磁感应强度B、应变和应力均匀，棒输出位移yl，输出力FA，l、A分别为Terfenol-D棒的长度、横截面积。rrrr2）超磁致伸缩致动器在方向上认为单自由度的分

5、离元件弹簧、阻尼器、质量组成。3）考虑施压连接刚度，认为负载是一个质量-弹簧-阻尼负载。4）整个过程中，Terfenol-D棒一端位移为0，另一端始终与负载有相同的位移y，速度y和加速度y。致动器的动力学微分方程为HMyCyKyAE（1）ZrMZMrM1CCCr1KKrK1（2）MlA/3rrrCCA/lrDrrHKAE/lrrr其中l、、A、C分别为Terfenol-D棒的长度、质量密度、横截面积以及内部阻尼系数，K、rrDrC、M分别为D棒的等效阻尼刚度系数、等效阻尼系数、

6、等效质量，M、C、K分别为等效rr111质量、等效阻尼系数、等效刚度系数。对式（1）进行拉式变换，得到致动器的输出位移HAEry（3）2MsCsKZ2.2模糊PID控制器在导管机器人系统中，手术要求驱动器控制系统快速响应、高精度跟踪以及强抗干扰。上节给出的机器人驱动器模型只是近似的，忽略了实际导管系统中的许多非线性因素，因而采用传统PID[6]控制方法，难免会受到上述因素影响，致使位置跟踪精度不足。本文对驱动器采用模糊PID控制，在跟踪过程中对PID参数进行调节，以适应环境干扰和系统参数的变化，增强跟踪性能。首先确定输入量并对其进行

7、模糊化。导管机器人系统的输入为误差e和误差变化率ec，输出为PID参数的变化量k,k,k。e和ec的变化率的基本论域分别为e=[e,e]和pidmaxmaxe[e,e]。e和ec的模糊子集为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，分别代表负大，maxmax负中，负小，零，正小，正中，正大。k,k,k的模糊子集与输入相同。pid确定隶属度函数和模糊控制规则表。将模糊控制的两个输入三个输出NB取为Z型隶属度函数，PB设计S型隶属度函数，其余采用三角型隶属度函数。确定模糊规则如表1、表2、表3所示。表1Kp模糊规则表E

8、ECNBNMNSOPSPMPBNBPBPBPMPMPSOONMPBPBPMPSPSONSNSPMPMPMPSONSNSOPMPMPSONSNMNMPSPSPSONSNSNMNM