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龍圖騰網(wǎng)恭喜吉林大學(xué)申請的專利螺旋型血管機(jī)器人姿軌一體化自適應(yīng)滑模跟蹤控制方法獲國家發(fā)明授權(quán)專利權(quán)，本發(fā)明授權(quán)專利權(quán)由國家知識產(chǎn)權(quán)局授予，授權(quán)公告號為：CN111904486B 。

龍圖騰網(wǎng)通過國家知識產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)在2025-05-30發(fā)布的發(fā)明授權(quán)授權(quán)公告中獲悉：該發(fā)明授權(quán)的專利申請?zhí)?專利號為：202010418859.X，技術(shù)領(lǐng)域涉及：A61B17/00；該發(fā)明授權(quán)螺旋型血管機(jī)器人姿軌一體化自適應(yīng)滑模跟蹤控制方法是由周淼磊;張晨;張穎;韓志武設(shè)計研發(fā)完成，并于2020-05-18向國家知識產(chǎn)權(quán)局提交的專利申請。

本螺旋型血管機(jī)器人姿軌一體化自適應(yīng)滑模跟蹤控制方法在說明書摘要公布了：一種螺旋型血管機(jī)器人姿軌一體化自適應(yīng)滑模跟蹤控制方法，屬于控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是充分考慮血管機(jī)器人的姿軌耦合和重力?浮力的影響，且提高控制精度的螺旋型血管機(jī)器人姿軌一體化自適應(yīng)滑模跟蹤控制方法。本發(fā)明步驟是：建立螺旋型血管機(jī)器人的姿軌一體化運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型；設(shè)計重力?浮力補(bǔ)償器，對豎直方向重力?浮力的下沉作用進(jìn)行補(bǔ)償；設(shè)計基于重力?浮力補(bǔ)償?shù)幕？刂破鳎换诓襟E三設(shè)計的滑模控制器，設(shè)計自適應(yīng)滑模控制。本發(fā)明可以更好的抑制滑模控制的抖動現(xiàn)象，提高姿態(tài)軌跡跟蹤控制精度。對血管機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)中得以應(yīng)用具有很大的實際價值和理論意義。

本發(fā)明授權(quán)螺旋型血管機(jī)器人姿軌一體化自適應(yīng)滑模跟蹤控制方法在權(quán)利要求書中公布了：1.一種螺旋型血管機(jī)器人姿軌一體化自適應(yīng)滑模跟蹤控制方法，其特征在于：其步驟是：步驟一：采用對偶四元數(shù)對螺旋型血管機(jī)器人的姿態(tài)和軌跡運(yùn)動同時進(jìn)行描述，建立螺旋型血管機(jī)器人的姿軌一體化運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型；步驟二：針對螺旋型血管機(jī)器人在血液中運(yùn)動時，會受到重力-浮力的影響，導(dǎo)致實際運(yùn)動軌跡下沉偏移，而脫離期望軌跡，設(shè)計重力-浮力補(bǔ)償器，對豎直方向重力-浮力的下沉作用進(jìn)行補(bǔ)償；步驟三：基于步驟一建立的螺旋型血管機(jī)器人模型和步驟二設(shè)計的重力-浮力補(bǔ)償器，設(shè)計基于重力-浮力補(bǔ)償?shù)幕？刂破鳎徊襟E四：基于步驟三設(shè)計的滑模控制器，設(shè)計自適應(yīng)滑模控制器；步驟一所述的姿軌一體化運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型建立的具體過程為：單位對偶四元數(shù)描述的血管機(jī)器人本體坐標(biāo)系ObXbYbZb相對于期望坐標(biāo)系OdXdYdZd的姿軌誤差為： 其中，和分別為利用單位對偶四元數(shù)表示的血管機(jī)器人期望坐標(biāo)系OdXdYdZd和本體坐標(biāo)系ObXbYbZb分別相對于慣性坐標(biāo)系OXYZ的姿軌，“*”表示對偶四元數(shù)的乘法，表示對偶四元數(shù)的共軛；血管機(jī)器人本體坐標(biāo)系ObXbYbZb相對于期望坐標(biāo)系OdXdYdZd的速度旋量誤差在坐標(biāo)系ObXbYbZb下表示為： 其中，為血管機(jī)器人本體坐標(biāo)系ObXbYbZb相對于慣性坐標(biāo)系OXYZ的速度旋量在機(jī)器人本體坐標(biāo)系ObXbYbZb中的表示，為血管機(jī)器人期望坐標(biāo)系OdXdYdZd相對于慣性坐標(biāo)系OXYZ的速度旋量在期望坐標(biāo)系OdXdYdZd中的表示，·*表示對偶四元數(shù)的共軛；進(jìn)而通過推導(dǎo)可以得到基于的姿軌一體化運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)方程： 其中，Mb為對偶質(zhì)量特性慣性矩陣，表示坐標(biāo)系ObXbYbZb中作用點(diǎn)為血管機(jī)器人質(zhì)心的對偶力旋量，“×”表示對偶四元數(shù)的叉乘運(yùn)算，表示矩陣和對偶四元數(shù)的一種運(yùn)算，對于對偶四元數(shù)定義的運(yùn)算為ε表示對偶單位；定義的運(yùn)算為為任一對偶四元數(shù)；步驟二所述的重力-浮力補(bǔ)償器具體設(shè)計過程為：當(dāng)血管機(jī)器人在血液中運(yùn)動時，定義血管機(jī)器人的期望運(yùn)動速度為在血液中的血管機(jī)器人主要受到總驅(qū)動力機(jī)器人的重力-浮力流體阻力的作用；總驅(qū)動力的表達(dá)式為： 其中，表示在三維旋轉(zhuǎn)磁場作用下血管機(jī)器人螺旋尾部旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的驅(qū)動力，為磁梯度產(chǎn)生的磁拉力，n為血管機(jī)器人螺旋尾部的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，d為血管機(jī)器人磁性球形頭部直徑，α1為血管機(jī)器人尾部螺旋升角，為血管機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角速度，V為血管機(jī)器人體積，M為磁化強(qiáng)度，為磁場梯度，ζ⊥為垂直于螺旋尾部的軸向阻力系數(shù)，且ζ11為平行于螺旋尾部的軸向阻力系數(shù)，且η為血液粘度系數(shù)，κ為血管機(jī)器人螺旋尾部直徑；流體阻力由血管機(jī)器人頭部和螺旋尾部受血流沖擊所產(chǎn)生的流體阻力組成，表示為：機(jī)器人重力-浮力是重力G和浮力作用在豎直方向上的合力，其表達(dá)式為： 其中，ρ為血管機(jī)器人的密度，ρf為血液的密度，為重力加速度；抵消重力-浮力對血管機(jī)器人的作用效果，需要流體阻力和總驅(qū)動力的共同作用，即：其中為設(shè)計重力-浮力補(bǔ)償器，建立血管機(jī)器人的姿態(tài)坐標(biāo)系p，坐標(biāo)系的原點(diǎn)Op位于血管機(jī)器人重心，坐標(biāo)系xp軸與血管機(jī)器人實際指向相重合，zp軸垂直于血管機(jī)器人實際指向為血管機(jī)器人為抵消重力-浮力影響的運(yùn)動速度，根據(jù)式8得： 將血管機(jī)器人期望運(yùn)動速度分解為水平分量和豎直分量可知血管機(jī)器人期望運(yùn)動速度的水平分量與的水平分量相等，即有血管機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角速度和三維旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)角速度Ω1有如下關(guān)系： 根據(jù)上述分析可得： 其中，為單位矢量；當(dāng)時，根據(jù)式9和10可得： 當(dāng)時，將分解為兩個力，即平行于xp軸的分量與垂直于xp軸的分量在方向沒有分量，又由于磁場梯度方向的不確定性和多變性，假設(shè)作用xpzp平面上且方向與血管機(jī)器人期望運(yùn)動速度關(guān)于xp軸對稱，則類似于的受力分析，可以分解為平行于xp軸的分量與垂直于xp軸的分量在方向沒有分量，則有： 其中，和分別表示在zp軸與xp軸投影的數(shù)量值，和在zp軸與xp軸投影的數(shù)量值，分別表示zp軸方向與xp軸方向的單位向量；將式10和13代入到式9，可得： 由于定義血管機(jī)器人期望俯仰角為將速度投影到xp軸，zp軸方向，并根據(jù)式14可得： 通過分析血管機(jī)器人姿態(tài)坐標(biāo)系p的力學(xué)幾何關(guān)系可得： 其中，β為血管機(jī)器人期望俯仰角向上傾斜的角度；類似于式16中對于的分析，同樣可得到以下關(guān)系： 根據(jù)式15，式16和式17，得到： 根據(jù)cosθ+β＝cosθcosβ-sinθsinβ，則由式18可得重力-浮力補(bǔ)償器輸出的血管機(jī)器人相比于理想俯仰角向上傾斜的角度β為： 通過式15，式16和式17可得，重力-浮力補(bǔ)償器輸出的三維旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)角速度Ω1為：步驟三所述的基于重力-浮力補(bǔ)償?shù)幕？刂破鳛椋河浹軝C(jī)器人期望運(yùn)動軌跡為[xdt,ydt,zdt]T，設(shè)機(jī)器人初始滾轉(zhuǎn)角速度則血管機(jī)器人期望偏航角ψ與期望俯仰角θ分別為： 假設(shè)血管機(jī)器人的滾轉(zhuǎn)角速度與三維旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)角速度Ω1一致，則在重力-浮力補(bǔ)償器作用下血管機(jī)器人的偏航角ψs、俯仰角θs、滾轉(zhuǎn)角速度為： 最后將上述血管機(jī)器人期望運(yùn)動軌跡[xdt,ydt,zdt]T與血管機(jī)器人經(jīng)過重力-浮力補(bǔ)償后的姿態(tài)角進(jìn)行對偶四元數(shù)變換，得到對偶四元數(shù)框架下的運(yùn)動描述從而將血管機(jī)器人期望坐標(biāo)系的對偶四元數(shù)運(yùn)動作為控制系統(tǒng)的輸入；血管機(jī)器人的控制目標(biāo)為：通過控制血管機(jī)器人本體坐標(biāo)系ObXbYbZb相對于期望坐標(biāo)系OdXdYdZd的姿軌誤差使血管機(jī)器人的實際運(yùn)動狀態(tài)漸進(jìn)收斂到期望坐標(biāo)系下的運(yùn)動狀態(tài)基于步驟一中建立的血管機(jī)器人姿軌一體化運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程式3和式4，設(shè)計如下滑模面： 其中，為對偶數(shù)的積運(yùn)算，為控制器參數(shù)，且ksi＞0， 設(shè)計滑模控制律為： 其中，為滑模變量，sgn·為符號函數(shù)，且為控制器參數(shù)，且kεi＞0，為控制器參數(shù)，且kui＞0，為對偶矢量的一種積運(yùn)算，為對偶干擾力；步驟四所述的自適應(yīng)滑模控制器為：為便于設(shè)計自適應(yīng)滑模控制器，將式27中帶有Mb的項用下式表示： 其中，為對偶質(zhì)量特性慣性矩陣Mb的另一種表達(dá)方式；且Π∈R3×1，通過對偶極子運(yùn)算的特殊性質(zhì)ε2＝0可以進(jìn)一步得到為三維對偶向量；由于對偶質(zhì)量特性慣性矩陣Mb的特殊性可知Π易得，而關(guān)于的計算，可由式29-31推導(dǎo)得出：對于任意x∈R3×1,y∈R3×1，有： 其中，δx,y＝δ1x+δ2y，且δ1x，δ2y的計算方式如下： 由于血管機(jī)器人復(fù)雜的工作環(huán)境及多變的工作內(nèi)容，在血管機(jī)器人建模過程中，其質(zhì)量與慣量往往具有不確定性與多變性，因此為對偶質(zhì)量特性慣性矩陣和對偶干擾力的估計值設(shè)計參數(shù)自適應(yīng)律如下： 其中，為控制器參數(shù)，為控制器參數(shù)，且： 將式32和式33帶入式27的滑模控制律，則可得到自適應(yīng)滑模控制律為：

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