[发明专利]血管机器人耦合建模及鲁棒自适应控制方法

说明书

一种血管机器人耦合建模及鲁棒自适应控制方法，属于控制技术领域。本发明的目的是基于螺旋理论、对偶四元数建立血管机器人姿轨一体化运动学、动力学耦合模型，设计重力‑浮力补偿装置，并充分分析血液脉动流场效应的影响，最后设计具有一定控制精度鲁棒自适应控制方案的血管机器人耦合建模及鲁棒自适应控制方法。本发明建立血管机器人姿轨一体化运动学、动力学耦合模型；建立重力‑浮力补偿装置；结合血管壁运动对血液流速的影响最终对血管机器人所受阻力进行分析；设计鲁棒自适应控制器。本发明可在血液中不接触血管进行螺旋游动，从而实现血管机器人对血管组织无损伤的效果，对血管机器人在医疗领域的应用有着重要的意义。

技术领域

本发明属于控制技术领域。

背景技术

随着社会的发展，人民收入越来越高，人们也越来越重视身体健康。作为人类健康三大杀手的心脑血管疾病也越来越受重视。目前而言，治疗心脑血管疾病最完善、最先进的方法是微创血管介入手术。微创血管介入手术需要医护人员处于X射线下对心脑血管病患进行诊断，在引导装置下，需插入导管导丝并通过控制导丝末端使导丝能够在人体中实现动作。因医护人员需暴露在射线下工作，会对医护人员的身体造成无法避免的伤害；导丝导管需长时间且长距离的进入到患者体内，对患者产生极大创伤；医护人员通过导丝末端进行手动操作，高度依赖医生的经验，因此稍微的操作失误，都会对病患产生不可逆的伤害，这便使血管介入手术对医护人员的操作准确性及经验要求更高。

发明内容

本发明的目的是基于螺旋理论、对偶四元数建立血管机器人姿轨一体化运动学、动力学耦合模型，设计重力-浮力补偿装置，并充分分析血液脉动流场效应的影响，最后设计具有一定控制精度鲁棒自适应控制方案的血管机器人耦合建模及鲁棒自适应控制方法。

本发明步骤是：

S1、建立血管机器人姿轨一体化运动学、动力学耦合模型；

误差对偶四元数被定义为：

其中，表示对偶四元数相乘；

血管机器人需要由本体坐标系先进行姿态转换q_BD，再平移到达目标坐标系所在位置，螺旋理论及对偶四元数的血管机器人姿态与轨迹耦合运动学方程：

其中，是血管机器人本体坐标系相对于惯性系的角速度在血管机器人本体坐标系下的表示；

对偶角动量可以表示为：

其中，表示为刚体对偶惯量矩阵；

依据欧拉方程得到：

其中，为血管机器人所受到的对偶合力，其表达式为：

其中，为作用在血管机器人质心上的合力，且/为驱动力，/为重力与浮力的合力，/为流体阻力，/为所受的扰动力，

为作用在质心处所受的合力矩；

式(1036)化简得到：

螺旋理论及对偶四元数的血管机器人姿态与轨迹耦合动力学方程：

其中，耦合项为第二项与第四项，由此来分析姿态运动与轨迹运动的耦合影响；

血管机器人动力学姿态和轨迹耦合模型的第二项为：

其中，为速度旋量的叉乘因子，/与/分别为血管机器人角速度矢量和线速度矢量的叉乘因子；将其具体表达式代入式(1040)中可得到：