基于无模型自适应算法的多爪针自动穿刺控制装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于无模型自适应算法的多爪针自动穿刺装置及控制方法，用于控制多爪针运动。本发明专利技术的多爪针自动穿刺装置，包括控制模块和执行机构；控制模块解析上位机传输的路径跟踪控制指令，生成电机控制量输出；执行机构包括传动驱动模块和多爪针体，根据电机控制量，驱动多爪针体运动。本发明专利技术的控制方法从传感器获取主针和所有子针的针尖位置、电机位置，从上位机的指令中获取期望的针尖位置，基于紧格式动态性线性化数据模型的MFAC控制方法计算输出电机控制量，控制多爪针的穿刺动作，跟踪目标路径。本发明专利技术改进了穿刺装置行进的不确定性，降低传统控制方法对模型的依赖性，提高穿刺装置对复杂环境的适应性。

【技术实现步骤摘要】
基于无模型自适应算法的多爪针自动穿刺控制装置及控制方法
本专利技术涉及软组织穿刺器械
，特别涉及一种基于无模型自适应(Model-FreeAdaptiveControl，MFAC)算法的多爪针自动穿刺控制装置及控制方法。
技术介绍
软组织穿刺器械是一种重要的临床手术器械，其优点是手术创伤小、操作方便、实用性强，手术费用低等，广泛应用于临床诊断、治疗、肿瘤化疗与放疗、局部麻醉等领域。目前，穿刺手术通常是医疗人员基于医疗影像的引导下进行经皮穿刺，将穿刺针穿入目标部位，进行相应的手术操作。但传统穿刺针是刚性的，每次只能定位一个靶点，因此穿刺路径较为单一，多次活检需要进行反复穿刺会引起患者较大不适。另外实际手术中受医疗人员体力、经验等因素的影响制约穿刺针难以精准操控。为解决上述问题，对穿刺器械的结构优化和自动控制在医疗辅助设备的应用开展进一步深入研究以实现精准定位，最大程度提高穿刺质量，减少病人痛苦。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对穿刺针的精准操控需求，提出一种基于数据驱动算法的实现自动控制的多爪针自动穿刺控制装置，并开发了对应的控制方法，以克服穿刺过程的环境干扰，提高穿刺定位精度。本专利技术提供了一种基于无模型自适应算法的多爪针自动穿刺控制装置，包括控制模块和执行机构。其中，控制模块包括微处理单元和电机控制单元；微处理单元用于解析上位机传输来的路径跟踪控制指令，生成电机控制量，输出给电机控制单元；电机控制单元对电机控制量进行放大，输出给执行机构；所述的执行机构包括传动驱动模块和多爪针体；传动驱动模块包括传动机构和驱动电机，多爪针体通过传动机构与驱动电机连接，驱动电机根据电机控制量，驱动多爪针体运动；多爪针体包括刚性主针和柔性子针束，子针束在非工作状态嵌套在主针内，在工作状态时，主针的驱动电机推动主针打开导向缝，子针束的驱动电机控制各柔性子针伸缩，使子针呈发散状作用于靶点位置。本专利技术提供的一种基于无模型自适应算法的多爪针自动穿刺的控制方法，包括如下：步骤1，多爪针自动穿刺控制装置从传感器获取主针和所有子针的针尖位置、电机位置，从上位机的指令中获取期望的针尖位置，并输出电机控制量；其中，将电机控制量表示为输入物理量u(k)，u(k)包括k时刻的主针、各子针束的驱动电机的位置控制量；将k时刻的主针和所有子针的针尖位置表示为输出物理量y(k)；将历史的输出物理量和输入物理量与下一时刻的输出物理量，用多输入多输出的非线性离散时间系统表示；步骤2，将步骤1的非线性离散时间系统转化为紧格式动态性线性化数据模型；步骤3，为了保证获得期望的输出物理量，设计控制输入准则函数来获取控制律；控制律如下：其中，u(k-1)为k-1时刻的输入物理量；权重因子λ>0；步长因子ρ∈(0,1]；y*(k+1)为期望的k+1时刻的输出物理量；Φc(k)为非线性离散时间系统在k时刻的伪雅克比矩阵；为矩阵Φc(k)的转置；步骤4，估计伪雅克比矩阵Φc(k)；步骤5，根据伪雅克比矩阵的估计值获取k时刻的控制律：其中，是矩阵的转置；计算出的u(k)就是控制模块在k时刻输出的电机控制量。相对于现有技术，本专利技术的优点和积极效果在于：(1)本专利技术实现了一种多爪针自动穿刺控制装置及控制方法，目前多爪针是手动控制的，大大影响穿刺精度，本专利技术实现了多爪针的自动控制，通过控制电机和齿轮实现多爪针主针和各子针的前进和伸缩。(2)本专利技术对多爪针的自动穿刺控制方法，避免了多爪针在组织内运动模型较难建立的问题，对多爪针的电机驱动无需建模，降低了对模型的依赖性，建立了基于自动穿刺辅助装置，精确控制自动多爪针完成软组织穿刺，改进了人工穿刺的不确定性，提高了对复杂环境的适应性。附图说明图1为本专利技术的自动穿刺系统的组成结构原理图；图2为本专利技术的多爪针体的结构示意图；图3为本专利技术的自动控制多爪针的系统原理图；图4为本专利技术的基于MFAC自动多爪针控制方法的示意图。具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术的技术方案作进一步的详细说明。本专利技术设计了一种具有自动控制多爪针动作的穿刺执行机构，基于紧格式动态性线性化(compaceformdynamiclinearization，CFDL)数据模型的MFAC控制方法控制穿刺动作，跟踪目标路径，本专利技术改进了穿刺装置行进的不确定性，进而减少多次穿刺可能造成的损伤，降低传统控制方法对模型的依赖性，提高穿刺装置对复杂环境的适应性。本专利技术的多爪针自动穿刺系统，如图1所示，整体包括：规划模块、控制模块、传感模块、传动驱动模块、多爪针体以及上位机。其中，上位机的功能主要包括有人机交互、控制模块的参数配置、接收传感模块的设备状态并展示、穿刺针与组织的形态展示等。规划模块包括术前预规划单元及术中规划单元；术前预规划模块用于获取术前的人体内部环境信息，获取障碍、靶点信息，初步规划穿刺路径；术中规划单元是在穿刺过程中，由于人体组织变化或穿刺出现较大偏差，对预规划路径进行修正重规划。规划模块可设置在上位机或者其他主机上，本专利技术的重点在于根据规划路径来控制多爪针运动，对多爪针的路径规划可采用现有的路径规划技术实现。规划模块将规划路径根据预设的通讯协议转译为一系列路径跟踪控制指令，发送给控制模块，指导多爪针按规划路径逐步精准穿刺到达靶点位置。控制模块为一嵌入式模块，集成有微处理单元和电机控制单元。电机控制单元主要包含驱动功放电路。微处理单元在接收到关于规划路径的跟踪控制指令后，根据控制逻辑生成电机控制量，并将电压和电流量经由驱动功放电路放大，输出相应的PWM(脉冲宽度调制)的电压或电流量信号给传动驱动模块的电机，以驱动多爪针体运动。传动驱动模块和多爪针体被划分为执行机构。传动驱动模块包括传动机构和驱动电机等。多爪针体通过传动机构与驱动电机连接，驱动电机通过传动机构驱动多爪针体执行相应动作。传感模块用于实时采集针-组织状态及传动驱动模块中驱动电机的运动状态信息，并将信息传输给控制模块以便于后续多爪针体的路径调整。如图2所示，多爪针体包括刚性主针及多个柔性子针，图2所示实例中，柔性子针分为左子针束1和右子针束2。主针由外部保护鞘3及内部导向针4组成，主针用于粗定位及保护子针。子针为内部弯曲细长结构，用于到达不同目标位置的精定位。左、右子针束1,2各由两支结构相同的预弯穿刺针组成，用于扩大施针范围，实际应用时可根据具体所要作用的部位大小或靶点数量进行子针数量的调整。多爪针体有三个可控自由度，即主针导向针4、左子针束1、右子针束2的进给运动，如图2所示的，子针伸缩运动a、主针导向针的伸缩运动b、基于主穿刺系统的主针旋转运动c。整个多爪针体作为自动穿刺系统的操纵末端。对于图2所示的多爪针体，传动驱动模块包括主针导向针4的进给电机及传动机构，左子针束1的进给电机及传动结构，右子针束2的进给电机及传动机构。子针束1,2非工作状态时嵌套在主针本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无模型自适应算法的多爪针自动穿刺控制装置，其特征在于，包括控制模块和执行机构；/n所述的控制模块包括微处理单元和电机控制单元；微处理单元用于解析上位机传输来的路径跟踪控制指令，生成电机控制量，输出给电机控制单元；电机控制单元对电机控制量进行放大，输出给执行机构；/n所述的执行机构包括传动驱动模块和多抓针体；传动驱动模块包括传动机构和驱动电机，多抓针体通过传动机构与驱动电机连接，驱动电机根据电机控制量，驱动多抓针体运动；多抓针体包括刚性主针和柔性子针束，主针和各柔性子针束都连接单独的驱动电机；子针束在非工作状态嵌套在主针内，在工作状态时，主针的驱动电机推动主针打开导向缝，子针束的驱动电机驱动各柔性子针伸缩，使子针呈发散状作用于靶点位置；/n所述的控制模块的微处理单元根据历史的主针、各柔性子针的针尖位置以及历史的电机位置，来输出电机位置控制量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于无模型自适应算法的多爪针自动穿刺控制装置，其特征在于，包括控制模块和执行机构；
所述的控制模块包括微处理单元和电机控制单元；微处理单元用于解析上位机传输来的路径跟踪控制指令，生成电机控制量，输出给电机控制单元；电机控制单元对电机控制量进行放大，输出给执行机构；
所述的执行机构包括传动驱动模块和多抓针体；传动驱动模块包括传动机构和驱动电机，多抓针体通过传动机构与驱动电机连接，驱动电机根据电机控制量，驱动多抓针体运动；多抓针体包括刚性主针和柔性子针束，主针和各柔性子针束都连接单独的驱动电机；子针束在非工作状态嵌套在主针内，在工作状态时，主针的驱动电机推动主针打开导向缝，子针束的驱动电机驱动各柔性子针伸缩，使子针呈发散状作用于靶点位置；
所述的控制模块的微处理单元根据历史的主针、各柔性子针的针尖位置以及历史的电机位置，来输出电机位置控制量。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的多爪针自动穿刺控制装置，通过传感器获取驱动电机的位置和多抓针体的针尖位置。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的微处理单元对电机位置控制量的控制律如下：



其中，u(k)表示k时刻的电机控制量，包括主针、各柔性子针束的驱动电机的位置控制量；u(k-1)表示k-1时刻的电机控制量；权重因子λ>0；步长因子ρ∈(0,1]；y(k)表示实际的k时刻的多抓针体的针尖位置，包括所有子针和主针的针尖位置，由超声波探测获得；y*(k+1)为期望的k+1时刻的多抓针体的针尖位置，从上位机传输来的指令获得；Φc(k)为k时刻的伪雅克比矩阵，是Φc(k)的估计值，为矩阵的转置。


4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的微处理单元估计伪雅克比矩阵如下：
设计伪雅克比矩阵Φc(k)的估计准则函数如下：



其中，Δy(k)表示k时刻的输出物理量较上一时刻的输出物理量的增减值；Δu(k-1)表示k-1时刻的输入物理量较上一时刻的输入物理量的增减值；μ是设置的权重因子；
对式(2)关于Φc(k)求极值，得到估计值如下：



如果或‖Δu(k-1)‖≤ε或则其中，i＝1,2,…,p；
如果或则其中,i＝1,2,…,p；j＝1,2,…,q；
其中，ε,ε1,ε2都是正数；为矩阵中的元素；是设置的初值；sign(x)代表符号函数，当x大于0时，sign(x)＝1，否则sign(x)＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，祁智，章小平，梁华庚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，华中科技大学同济医学院附属协和医院，
类型：发明
国别省市：北京;11