基于输出调节器的心脏手术机器人的跟踪控制

发布时间：2017-11-10 05:31

  本文关键词：基于输出调节器的心脏手术机器人的跟踪控制

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【摘要】：近年来,冠心病的发病率和死亡率都在逐年上升,严重威胁着人类健康。冠状动脉旁路移植术是治疗冠心病的有效手段。这种手术可以用体外循环或者非体外循环这两种方式进行。为了避免后遗症一般会采用非体外循环的方式。非体外循环就是使用机械装置抑制心脏运动。但是被固定的心脏仍有明显的残余运动,这就使得外科医生的操作很难进行。为了解决这一问题,人们设计了能自动跟踪心脏运动的手术机器人。在机器人辅助手术中,带有摄像头的手术机器人与心脏表面的感兴趣点(POI)相对静止,外科医生通过视频观看手术场景,就会感觉心脏表面的POI是固定不动的。然而,心脏运动具有快速且不规律的特点,所以大多数控制方法并不能使手术机器人精确地跟踪心脏运动。针对这一问题,本论文采用了输出调节器的控制方法。首先,本文对心脏运动信号做了频谱分析和参数辨识。对心脏运动信号的频谱分析表明,心脏运动信号主要由呼吸和心跳分量及其耦合谐波组成。根据频谱分析的结果,我们采用了双谱傅里叶级数作为心脏运动信号的模型,并使用Levenberg Marquardt算法对心脏运动信号进行参数辨识。辨识所得到的基波频率信息将作为心脏运动模型的参数。同时,辨识结果表明,谐波个数相等的情况下,带有耦合项的傅里叶级数模型比不带耦合项的模型可以更精确地描述心脏运动信号。然后,本文根据机器人模型和心脏运动的动力模型设计了输出调节器。输出调节器包括状态和输出反馈两种方式,考虑到有一部分状态是可以通过直接测量得到,我们所采用的输出调节器介于这两者之间。这种输出调节器的有效性在本文中得到了理论上的证明。最后,本文通过Simulink仿真比较了输出调节器和其他控制方法,比如模型预测控制和PD控制。仿真结果表明,输出调节器的性能是优于模型预测控制和PD控制的。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH77;TP242

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