一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置，其中，方法包括：在系统开始工作前，检测系统的主端与从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级。基于指令传输时延等级，确定与系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；确定机器人主端与从端位移之间，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将偏差和偏差变化率作为输入变量；发送P、I、D参数初值和输入变量至模糊PID控制器，以使模糊PID控制器在设定P、I、D参数初值后，对输入变量进行处理，得到用于控制机器人从端的清晰控制量；按照清晰控制量控制从端运动。通过本方案可以提高采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动一致性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置
本专利技术涉及医疗
，特别是涉及一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置。
技术介绍
血管介入手术是利用现代高科技手段进行的一种微创性治疗，通常是在遥操作的主从式控制方式下，操作者即医生通过血管介入手术机器人系统包括的机器人主端的操作装置，操控该系统所包括的机器人从端的执行装置，以将介入导丝/导管插入到特定分支血管的病灶位置，而后对体内病态进行特定的介入治疗。这种特定介入治疗可应用于冠状动脉球囊扩张/支架植入、经皮冠脉血管成形和心房震颤/心动过速的心脏射频消融等适应症。血管介入手术因具有手术创伤小、患者痛苦少、术后恢复快、医生与患者的辐射损伤低等优势，成为了临床医学新的发展趋势。在血管介入手术过程中，血管介入手术机器人系统需要实现手术器械跟随医生手部以相同的趋势运动,使得医生能够手眼协调操作，因此对主从同步控制的一致性的要求很高。但是，由于现有血管介入手术机器人系统采用遥操作的主从式控制方式，其通信网络的时延所带来的不稳定性影响系统的稳定性，导致现有血管介入手术机器人系统主从运动一致性的控制并不理想。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置，以提高采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动一致性。具体技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述方法包括：检测血管介入手术机器人系统的机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。可选的，所述基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值，包括：从预先建立的PID初始参数匹配库，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述PID初始参数匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。可选的，所述机器人主端设有控制装置，所述机器人从端设有执行装置；所述确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，包括：获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。可选的，在所述获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，所述方法还包括：按照预设主从运动映射比例，放大或缩小所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；所述利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，包括：利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。可选的，在所述得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与机器人从端位移、角度之间的偏差和偏差变化率之前，所述方法还包括：判断所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值是否超过预设阈值；若超过预设阈值，利用前一控制过程所获取的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，更新该超过预设阈值的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值。第二方面，本专利技术实施例提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制装置，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述装置包括：时延检测模块，用于检测血管介入手术机器人系统机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；初值确定模块，用于基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；变量确定模块，用于确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；模糊推理模块，用于发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；从端执行模块，用于按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。可选的，所述初值确定模块，具体用于从预先建立的PID初始参数匹配库中，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述PID初始参数匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。可选的，所述机器人主端设有控制装置，所述机器人从端设有执行装置；所述变量确定模块，具体用于获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法，其特征在于，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述方法包括：/n检测血管介入手术机器人系统的机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；/n基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；/n确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；/n发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；/n按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法，其特征在于，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述方法包括：
检测血管介入手术机器人系统的机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；
基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；
确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；
发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；
按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值，包括：
从预先建立的PID初始参数匹配库，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；
其中，所述PID初始参数匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述机器人主端设有控制装置，所述机器人从端设有执行装置；
所述确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，包括：
获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；
利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，所述方法还包括：
按照预设主从运动映射比例，放大或缩小所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
所述利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，包括：
利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与机器人从端位移、角度之间的偏差和偏差变化率之前，所述方法还包括：
判断所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值是否超过预设阈值；
若超过预设阈值，利用前一控制过程所获取的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卫民，李亿发，吴永乐，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11