螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法技术

一种螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法，属于控制技术领域。本发明专利技术的目的是充分考虑血管机器人的姿轨耦合和重力‑浮力的影响，且提高控制精度的螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法。本发明专利技术步骤是：建立螺旋型血管机器人的姿轨一体化运动学和动力学模型；设计重力‑浮力补偿器，对竖直方向重力‑浮力的下沉作用进行补偿；设计基于重力‑浮力补偿的滑模控制器；基于步骤三设计的滑模控制器，设计自适应滑模控制。本发明专利技术可以更好的抑制滑模控制的抖动现象，提高姿态轨迹跟踪控制精度。对血管机器人在微创手术中得以应用具有很大的实际价值和理论意义。

【技术实现步骤摘要】
螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法
本专利技术属于控制

技术介绍
近年来，在科技蓬勃发展的同时，不规律的生活习惯使越来越多的人们被心脑血管疾病所困扰。由于传统的手术治疗具有辐射伤害大、术后创口大且恢复缓慢的缺点，而微创手术独有的特点使其可以克服传统手术治疗的不足，从而成为了医学界关注的热点。将微创手术与机器人技术结合起来已经是医学界的主流发展趋势，有着广阔的发展前景。血管机器人是针对心脑血管疾病问题尝试的一种新方法，血管机器人是指工作在血管环境中且可通过外部控制器实现工作要求的一种微型机器人。在生活中，不仅可以用血管机器人对癌变组织进行靶向治疗，在病患处精准投放药物；血管机器人还可以用来定时清除胆固醇和脂肪等血液沉积物，预防心脑血管疾病。同时血管机器人还具有相应的检测功能，可对人体的各个器官与组织进行诊断与检测。医生可以基于血管机器人的检测数据采取合理的治疗办法，最终大幅度地减少手术操作并减轻对患者的手术伤害。另外血管机器人还具有清除寄生虫和细菌，清洁伤口，粉碎结石等功能，既可以高效的解决患者的疾病问题，又能方便本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法，其特征在于：其步骤是：/n步骤一：采用对偶四元数对螺旋型血管机器人的姿态和轨迹运动同时进行描述，建立螺旋型血管机器人的姿轨一体化运动学和动力学模型；/n步骤二：针对螺旋型血管机器人在血液中运动时，会受到重力-浮力的影响，导致实际运动轨迹下沉偏移，而脱离期望轨迹，设计重力-浮力补偿器，对竖直方向重力-浮力的下沉作用进行补偿；/n步骤三：基于步骤一建立的螺旋型血管机器人模型和步骤二设计的重力-浮力补偿器，设计基于重力-浮力补偿的滑模控制器；/n步骤四：基于步骤三设计的滑模控制器，设计自适应滑模控制；/n步骤一所述的姿轨一体化运动学和动力学模...

【技术特征摘要】
1.一种螺旋型血管机器人姿轨一体化自适应滑模跟踪控制方法，其特征在于：其步骤是：
步骤一：采用对偶四元数对螺旋型血管机器人的姿态和轨迹运动同时进行描述，建立螺旋型血管机器人的姿轨一体化运动学和动力学模型；
步骤二：针对螺旋型血管机器人在血液中运动时，会受到重力-浮力的影响，导致实际运动轨迹下沉偏移，而脱离期望轨迹，设计重力-浮力补偿器，对竖直方向重力-浮力的下沉作用进行补偿；
步骤三：基于步骤一建立的螺旋型血管机器人模型和步骤二设计的重力-浮力补偿器，设计基于重力-浮力补偿的滑模控制器；
步骤四：基于步骤三设计的滑模控制器，设计自适应滑模控制；
步骤一所述的姿轨一体化运动学和动力学模型建立的具体过程为：
单位对偶四元数描述的血管机器人本体坐标系ObXbYbZb相对于期望坐标系OdXdYdZd的姿轨误差为：



其中，和分别为利用单位对偶四元数表示的血管机器人期望坐标系OdXdYdZd和本体坐标系ObXbYbZb分别相对于惯性坐标系OXYZ的姿轨，“*”表示对偶四元数的乘法，表示对偶四元数的共轭；
血管机器人本体坐标系ObXbYbZb相对于期望坐标系OdXdYdZd的速度旋量误差在坐标系ObXbYbZb下表示为：



其中，为血管机器人本体坐标系ObXbYbZb相对于惯性坐标系OXYZ的速度旋量在机器人本体坐标系ObXbYbZb中的表示，为血管机器人期望坐标系OdXdYdZd相对于惯性坐标系OXYZ的速度旋量在期望坐标系OdXdYdZd中的表示，(·)*表示对偶四元数的共轭；
进而通过推导可以得到基于的姿轨一体化运动学及动力学方程：






其中，Mb为对偶质量特性惯性矩阵，表示坐标系ObXbYbZb中作用点为血管机器人质心的对偶力旋量，“×”表示对偶四元数的叉乘运算，表示矩阵和对偶四元数的一种运算，对于对偶四元数定义的运算为ε表示对偶单位；定义的运算为为任一对偶四元数；
步骤二所述的重力-浮力补偿器具体设计过程为：
当血管机器人在血液中运动时，定义血管机器人的期望运动速度为在血液中的血管机器人主要受到总驱动力机器人的重力-浮力流体阻力的作用；
总驱动力的表达式为：



其中，表示在三维旋转磁场作用下血管机器人螺旋尾部旋转产生的驱动力，为磁梯度产生的磁拉力，n为血管机器人螺旋尾部的旋转圈数，d为血管机器人磁性球形头部直径，α1为血管机器人尾部螺旋升角，为血管机器人旋转角速度，V为血管机器人体积，M为磁化强度，为磁场梯度，ζ⊥为垂直于螺旋尾部的轴向阻力系数，且ζ11为平行于螺旋尾部的轴向阻力系数，且η为血液粘度系数，κ为血管机器人螺旋尾部直径；
流体阻力由血管机器人头部和螺旋尾部受血流冲击所产生的流体阻力组成，表示为：



机器人重力-浮力是重力G和浮力作用在竖直方向上的合力，其表达式为：



其中，ρ为血管机器人的密度，ρf为血液的密度，为重力加速度；
抵消重力-浮力对血管机器人的作用效果，需要流体阻力和总驱动力的共同作用，即：



其中
为设计重力-浮力补偿器，建立血管机器人的姿态坐标系p，坐标系的原点Op位于血管机器人重心，坐标系xp轴与血管机器人实际指向相重合，zp轴垂直于血管机器人实际指向为血管机器人为抵消重力-浮力影响的运动速度，
根据式(8)得：



将血管机器人期望运动速度分解为水平分量和竖直分量可知血管机器人期望运动速度的水平分量与的水平分量相等，即有
血管机器人旋转角速度和三维旋转磁场的旋转角速度Ω1有如下关系：



根据上述分析可得：



其中，为单位矢量；
当时，根据式(9)和(10)可得：



当时，将分解为两个力，即平行于...

【专利技术属性】
技术研发人员：周淼磊，张晨，张颖，韩志武，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22