[发明专利]微创血管介入手术导管机器人系统控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种微创血管介入手术导管机器人系统控制装置及方法。

背景技术

随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，各种疾病也相伴相生，其中心脑血管疾病已成为威胁人类健康的主要病症之一。根据卫生部统计数据，我国心血管患者超过2亿人，每年约有300万人死于心血管疾病。

微创血管介入手术是治疗心血管疾病的有效方法。微创血管介入手术是医生操纵导管沿人体血管到达体内较远的病变部位，进而对病变部位进行治疗的手术。与传统手术相比，微创血管介入手术具有出血少、创伤小、并发症少、安全可靠和术后恢复快等优点。然而医生手动进行介入手术也存在明显的不足：首先它对医生的技能和操作经验要求较高，因而培养有经验的医生需要较长的时间和精力；其次，在手术过程中医生需要长时间工作在X射线下，对医生自身健康危害较大；此外，手术过程中，医生的误操作很容易造成血管刺穿，危害病人的身心健康。

机器人技术与血管介入技术有机结合是解决上述问题的重要途径。机器人进行介入手术具有以下优势：机器人进行介入手术具有定位精确,安全性高的特点；通过遥控操作技术和力反馈技术的相结合，医生可远程操作，避免了医生遭受X射线辐射；机器人进行介入手术插管速度相对较快，降低了操作时间，减轻了病人的痛苦；结合视觉反馈可进一步提高插管精度，提高了手术的安全性。

目前应用于血管介入手术中的多为主从式导管机器人系统，其控制方法多采用传统的PID控制。然而，介入手术中采用的导管是柔性的，非线性的，导管在血管中运动存在血流的阻力、血管的摩擦力等环境因素，同时主从手之间存在时延效应，故不容易建立精确的导管模型。所以主从式导管机器人系统的从手采用PID控制，往往不能很好的跟踪主手的期望信号，且动态快速性和控制精度通常不能兼顾，有时会出现较大的超调量。因而PID控制应用在微创血管介入手术中可能存在安全隐患，危害病人的身心健康。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种微创血管介入手术导管机器人系统控制装置及方法，以达到克服采用PID控制方法导致的跟踪性能差、超调大，解决动态快速性与控制精度不能兼顾问题的目的。

一种微创血管介入手术导管机器人系统控制装置，包括主手控制装置、第一控制器、第一电机、导管夹持装置、第二控制器、第二电机、第一光电编码器和第二光电编码器，所述的第一控制器中包括第一模糊控制器和第一PID控制器，所述的第二控制器中包括第二模糊控制器和第二PID控制器；

其中，

主手控制装置：用于设定导管的期望轴向位移值和导管的期望旋转角度值，并将导管的期望轴向位移值发送至第一控制器中，将导管的期望旋转角度值发送至第二控制器中；

第一控制器：用于将期望位移值与实际导管轴向运动位移值相减，将获得的位移误差分别发送至控制器内部的第一模糊控制器和第一PID控制器内，同时将位移误差的微分值发送至第一模糊控制器内；第一模糊控制器通过模糊推理，得到第一比例系数、第一积分系数和第一微分系数，将上述系数发送至第一PID控制器；第一PID控制器根据位移误差、第一比例系数、第一积分系数和第一微分系数获得导管轴向运动位移的控制信号，并将控制信号发送至第一电机进行位移补偿；

第一电机：用于控制导管的轴向运动；

第二控制器：用于将期望旋转角度值与实际导管旋转角度值相减，将获得的旋转角度误差分别发送至控制器内部的第二模糊控制器和第二PID控制器内，同时将旋转角度误差的微分值发送至第二模糊控制器内；第二模糊控制器通过模糊推理，得到第二比例系数、第二积分系数和第二微分系数，将上述系数发送至第二PID控制器；第二PID控制器根据旋转角度误差、第二比例系数、第二积分系数和第二微分系数获得导管旋转角度的控制信号，并将控制信号发送至第二电机进行旋转角度补偿；

第二电机：用于控制导管的旋转角度；

第一光电编码器：用于采集第一电机输出轴的轴向位移值，即导管的轴向位移值，并将采集的数值返回发送至第一控制器中；

第二光电编码器：用于采集第二电机输出轴的旋转角度值，即导管的旋转角度值，并将采集的数值返回发送至第二控制器中。