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基于终端滑模的变参数血管介入手术机器人力反馈控制

孙昊悦 胡陟

孙昊悦, 胡陟. 基于终端滑模的变参数血管介入手术机器人力反馈控制[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(1): 63-69. doi: 10.12299/jsues.23-0082
引用本文: 孙昊悦, 胡陟. 基于终端滑模的变参数血管介入手术机器人力反馈控制[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(1): 63-69. doi: 10.12299/jsues.23-0082
SUN Haoyue, HU Zhi. Force feedback control for variable parameter vascular interventional surgery robot based on terminal sliding mode[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(1): 63-69. doi: 10.12299/jsues.23-0082
Citation: SUN Haoyue, HU Zhi. Force feedback control for variable parameter vascular interventional surgery robot based on terminal sliding mode[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(1): 63-69. doi: 10.12299/jsues.23-0082

基于终端滑模的变参数血管介入手术机器人力反馈控制

doi: 10.12299/jsues.23-0082
基金项目: 国家自然基金青年项目资助(62003207);国家重点研发计划(2019YFC0119303)
详细信息
    作者简介:

    孙昊悦(1998−),女,硕士生,研究方向为医疗手术机器人。E-mail:1320569824@qq.com

    通讯作者:

    胡 陟(1985−),男,副教授,博士,研究方向为虚拟现实环境建模及力触觉渲染、多机器人协作与柔顺控制、数据化运动教学与康复训练系统。E-mail:huzhi26@126.com

  • 中图分类号: TP242.3

Force feedback control for variable parameter vascular interventional surgery robot based on terminal sliding mode

  • 摘要: 针对主从式血管介入手术机器人力反馈控制系统存在的变参数及外部扰动问题,提出一种含有连续函数特性的终端滑模控制方法。首先分别基于计算和力测量的方法对血管介入手术力反馈控制系统参数及其变化进行分析。然后在终端滑模控制方法的基础上,设计一种包含连续特性函数的终端滑模控制器,并使用Lyapunov稳定性分析方法,证明了控制器的稳定性。仿真验证表明,从跟踪效果和控制器输出两个角度分析,改进后的终端滑模控制方法不仅有效地抑制了抖振,还提高了信号的跟踪精度,证明了该策略在提升变参数系统稳定性和提升控制精度方面具有重要的应用价值。
  • 图  1  主从介入手术系统结构图

    Figure  1.  Structure of master-slave interventional surgery system

    图  2  力反馈设备动力学模型

    Figure  2.  Kinetic model of the force feedback device

    图  3  介入导丝在血管中的运动

    Figure  3.  Intervention guide wire movements in blood vessel

    图  4  导丝位于A点时力数据拟合

    Figure  4.  Force data fitting when guide wire at point A

    图  5  导丝位于B点时力数据拟合

    Figure  5.  Force data fitting (guide wire passing through point B)

    图  6  力反馈控制系统框图

    Figure  6.  Block diagram of force feedback control system

    图  7  基于连续函数的终端滑模设计

    Figure  7.  Terminal sliding mode design based on continuous function

    图  8  常规滑模和改进后终端滑模控制跟踪效果

    Figure  8.  Tracking effect of conventional sliding mode control and improved terminal sliding mode control

    图  9  控制器输出

    Figure  9.  Controller output

    图  10  输入近似阶跃信号的PID控制和改进后终端滑模控制跟踪效果

    Figure  10.  Tracking effect of PID control and improved terminal sliding mode control when inputting step signal

    图  11  输入近似斜坡信号的PID和改进后终端滑模控制跟踪效果

    Figure  11.  Tracking effect of PID control and improved terminal sliding mode control when inputting slope signal

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-05
  • 刊出日期:  2024-03-30

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