柔性针穿刺的几何控制理论研究

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随着微创技术介入临床医学治疗,穿刺在经皮手术治疗、组织取样等手术中被广泛应用,柔性针因相对组织有足够的柔性能够灵活准确的到达传统钢针达不到的靶点位置,因此对柔性针穿刺的路径规划研究对于准确穿刺有重要意义。本文讨论了斜尖柔性针穿刺的路径规划问题以及基于不确定参数的柔性针模型,设计自适应输出反馈控制器去处理柔性针路径导向问题。  首先,在刚性组织假设前提下,分别讨论了柔性针在二维和三维有障碍环境中的路径规划问题。在二维有障碍环境中,过入针点和目标点向障碍圆做切线,求出切线交点坐标,过入针点、切线交点、目标点的圆弧即为可行路径,通过弧长最短确定最优路径。在三维有障碍环境中,首先通过快速搜索随机树法找到可行路径,考虑路径长度最短及与障碍的间隙尽可能大,建立优化目标函数,从而找到最优路径,并通过增大障碍球的半径进行障碍规避。仿真结果表明这两种路径规划均能找到最优路径,验证了此规划方法的有效性。  其次,对约化后的柔性针系统进行反馈线性化,在反馈线性化系统中增加不确定参数,通过滤波变换将系统变换为自适应跟踪型,设计自适应输出反馈跟踪控制律,可以随时跟踪时变参考输出信号,实现柔性针与靶点的距离跟踪。
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