CN112947059A - 一种基于模糊pid控制器的主从同步控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置，其中，方法包括：在系统开始工作前，检测系统的主端与从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级。基于指令传输时延等级，确定与系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；确定机器人主端与从端位移之间，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将偏差和偏差变化率作为输入变量；发送P、I、D参数初值和输入变量至模糊PID控制器，以使模糊PID控制器在设定P、I、D参数初值后，对输入变量进行处理，得到用于控制机器人从端的清晰控制量；按照清晰控制量控制从端运动。通过本方案可以提高采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动一致性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，特别是涉及一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置。
背景技术
血管介入手术是利用现代高科技手段进行的一种微创性治疗，通常是在遥操作的主从式控制方式下，操作者即医生通过血管介入手术机器人系统包括的机器人主端的操作装置，操控该系统所包括的机器人从端的执行装置，以将介入导丝/导管插入到特定分支血管的病灶位置，而后对体内病态进行特定的介入治疗。这种特定介入治疗可应用于冠状动脉球囊扩张/支架植入、经皮冠脉血管成形和心房震颤/心动过速的心脏射频消融等适应症。血管介入手术因具有手术创伤小、患者痛苦少、术后恢复快、医生与患者的辐射损伤低等优势，成为了临床医学新的发展趋势。
在血管介入手术过程中，血管介入手术机器人系统需要实现手术器械跟随医生手部以相同的趋势运动,使得医生能够手眼协调操作，因此对主从同步控制的一致性的要求很高。
但是，由于现有血管介入手术机器人系统采用遥操作的主从式控制方式，其通信网络的时延所带来的不稳定性影响系统的稳定性，导致现有血管介入手术机器人系统主从运动一致性的控制并不理想。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置，以提高采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动一致性。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述方法包括：
检测血管介入手术机器人系统的机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；
基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；
确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；
发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；
按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。
可选的，所述基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值，包括：
从预先建立的PID初始参数匹配库，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；
其中，所述PID初始参数匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。
可选的，所述机器人主端设有控制装置，所述机器人从端设有执行装置；
所述确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，包括：
获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；
利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
可选的，在所述获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，所述方法还包括：
按照预设主从运动映射比例，放大或缩小所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
所述利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，包括：
利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
可选的，在所述得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与机器人从端位移、角度之间的偏差和偏差变化率之前，所述方法还包括：
判断所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值是否超过预设阈值；
若超过预设阈值，利用前一控制过程所获取的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，更新该超过预设阈值的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值。
第二方面，本发明实施例提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制装置，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述装置包括：
时延检测模块，用于检测血管介入手术机器人系统机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；
初值确定模块，用于基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；
变量确定模块，用于确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；
模糊推理模块，用于发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；
从端执行模块，用于按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。
可选的，所述初值确定模块，具体用于从预先建立的PID初始参数匹配库中，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；
其中，所述PID初始参数匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。
可选的，所述机器人主端设有控制装置，所述机器人从端设有执行装置；
所述变量确定模块，具体用于获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；
利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
可选的，所述装置还包括：主从运动比例映射模块；
所述主从运动比例映射模块，用于在所述获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，按照预设主从运动映射比例，放大或缩小所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
所述变量确定模块，具体用于利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
可选的，所述装置还包括：错误数据过滤模块；
所述错误数据过滤模块，具体用于在所述得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与机器人从端位移、角度之间的偏差和偏差变化率之前，判断所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值是否超过预设阈值；
若超过预设阈值，利用前一控制过程所获取的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，更新该超过预设阈值的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值。
本发明实施例提供的方案，在采用模糊PID控制器进行模糊推理进而得到清晰控制量之前，基于检测得到血管介入手术机器人系统的主从端的交互指令在通信网络中的传输时延等级，确定与系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值，能够使模糊PID控制器在同步控制的启动阶段就在与系统的传输函数相匹配的P、I、D参数初值下工作，从而避免了模糊PID控制器在运行过程中过长时间调整P、I、D参数值至与系统的传输函数相匹配的P、I、D参数值的过程，因此，有效提高了采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动一致性，进一步提高了血管介入手术的成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为采用遥操作的血管介入手术机器人系统的结构示意图；
图2为采用遥操作的血管介入手术机器人系统的系统架构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的另一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种基于模糊PID控制器的主从同步控制装置的结构示意图；
图6为本发明实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行描述。
发明人发现，采用遥操作的血管介入手术机器人控制系统的机器人主端与机器人从端之间指令通过通信网络进行交互时，存在传输时延，因此该控制系统传输函数存在时延环节。此外，指令的传输时延大小会随传输距离以及通信网络拥塞程度的增大而增大。因此，控制系统传输函数中的时延环节亦会跟随变化。进一步地，控制系统传输函数中大小变化的时延环节会造成整个控制系统传输函数发生变化。这使得原本针对某一特定通信网络环境下建立的手术机器人控制系统传输函数上，对模糊PID控制器三个参数：比例系数P，积分时间常数I和微分时间常数D的初始值设定，已不完全适用与因通信网络环境发生变化而导致传输函数发生较大变化的手术机器人控制系统。而目前系统中模糊PID控制器在同步控制的启动阶段的P、I、D参数初值通常是某一确定的系统的传输函数所规定的固定值，其并不与系统当前的传输函数相匹配。在实际工作中，系统中模糊PID控制器要在固定P、I、D参数初值的基础上运行一段时间，才能将P、I、D参数调整至与其系统的传输函数相匹配的P、I、D参数初值。而在模糊PID控制器初始运行、调整P、I、D参数初值的过程中，模糊PID控制器对系统主从运动一致性的控制并不理想，影响了血管介入手术的成功率。
因此，针对该种情况，本发明是实施例提供了一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法及装置。
下面首先对本发明实施例提供的一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法进行介绍。其中，该方法应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，参见图1和图2，系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器。
其中，机器人主端设有控制装置，控制装置包括滑环、位置编码器、转环、角度编码器等。机器人从端设有执行装置，执行装置包括递送机构、导丝/导管、位置编码器、角度编码器等。可以理解的是，编码器的类型很多，位置编码器可以采用移动光电式位置编码器，角度编码器可以采用转动光电式角度编码器，当然并不局限于此。
在进行血管介入手术时，操作者通过操控机器人主端的控制装置，即推拉滑环、扭转转环改变滑环的位置以及转环的角度，来控制机器人从端执行装置的递送机构递送导丝/导管，执行相应的手术动作。
下面结合附图，对本发明实施例所提供的一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法进行介绍。
如图3所示，本发明实施例提供的一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法，包括：
S101，检测血管介入手术机器人系统的机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级。
本发明实施例中，可以通过带有时间戳的时延测试指令确定主从交互指令的传输时延等级。具体而言，血管介入手术机器人系统开始进行同步控制之前，机器人主端将封装有内容为当前系统时间的时间戳的时延测试指令发送至机器人从端，机器人从端接收到时延测试指令后将该指令发送回机器人主端。机器人主端接收到返回的指令后，获取其中的时间戳内容部分，并与当前系统时间作差，得出该条指令的往返传输时延。
上述过程可以往复多次，例如往复50次，得到多份指令传输往返时延，通过对多份指令传输往返时延取平均值，得出机器人在该通信网络环境下的指令传输平均往返时延。对该平均时延进行整定，例如将其与数值10求整，得出的整数即为机器人当前交互指令的传输时延等级。
S102，基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值。
其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数。如图2所示，与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值为kp_0、ki_0、kd_0。
目前，系统中模糊PID控制器在同步控制的启动阶段的P、I、D参数初值通常是某一确定的系统的传输函数所规定的固定值，其并不完全与系统当前的传输函数相匹配。因此，发明人提出在模糊PID控制器进行同步控制之前，先确定出于系统的传输函数相匹配的P、I、D参数初值。该P、I、D参数初值相较于某一固定P、I、D参数初值进行了优化，可以使后续步骤中采用模糊PID控制器进行同步控制时避免调整固定P、I、D参数初值的过程，而使模糊PID控制器在同步控制的启动阶段直接工作在较为理想的状态，从而提高了采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动的一致性。
需要说明的是，基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值的实现方式有多种。
可以通过键值对的方式进行建立PID初始参数匹配库，其中每个键值对的内容可以表示为：“传输时延等级A：PID初始参数组合abc”。其中时延等级可以根据实际情况进行分级，例如可以分为0-10级，分别对应传输往返时延大小为10ms、20ms、…、100ms。相应的，可以在仿真工具中(例如：Simulink)中先后建立时延环节为10ms、20ms、…、100ms的血管手术机器人控制系统模型。每套的控制系统的输入为方波信号，对模糊PID参数初值进行整定，使得系统的输出能在较短时间内较好地跟随输入。最终得出十个键为传输时延等级，值为PID初始参数组合的键值对，从而建立PID初始参数匹配库。
示例性的，在一种实施方式中，可以采用PID初始参数匹配库的方式，根据传输时延等级确定优化的P、I、D参数初值。示例性的，基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值，可以包括：
从预先建立的PID初始参数匹配库中，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；
其中，所述PID初始参数匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。
S103，确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；
本发明实施例所采用的主从同步控制方法是基于模糊PID控制器的，模糊PID控制器是采用模糊推理思想，将被控量的偏差及偏差变化率作为二维模糊控制器的输入变量，利用模糊控制规律得到用于控制的输出变量。
因此，在后续通过模糊PID控制器进行控制之前，需要确定机器人主端与机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
本发明实施例中，可以采用如下步骤确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
首先，获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
然后，获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；
最后，利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
S104，发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；
在采用模糊PID控制器进行控制之前，要对血管介入手术机器人系统的输入量及输出量进行模糊化描述。具体而言，首先经过主从同步控制实验之后，统计主从运动之间位置/角度的误差e和误差变化率ec，得出误差/误差变化率的取值范围，该范围即为模糊PID控制系统的物理论域，并对物理论域量化为离散论域。接着设定e、ec的模糊集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，并简记为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，定义输出变量kp，ki，kd。
示例性的，血管介入手术机器人系统的输出变量可以设定为：kp＝[-0.35 0.35]，ki＝[0.05 0.05]，kd＝[-3.5 3.5]。
此外，还需要对建立血管介入手术机器人系统的模糊化规则描述。
模糊控制非常重要的一点是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立核实的模糊调节规则表。在本发明实施例中，发明人根据以往专家的技术知识和实际操作并对血管介入手术机器人进行大量的科学实验和统计分析，考虑不同时刻kp，ki，kd参数在控制系统中的作用及相互之间的关联关系，建立了如下模糊调节规则表。
表1参数kp调节的模糊规则
表2参数ki调节的模糊规则
表3参数kd调节的模糊规则
模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，便可以将机器人主端与机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并作为输入变量，进行模糊化描述。之后，基于设置的模糊控制规则并采用Zadeh近似推理方法进行推导求解模糊关系方程，获得位移和角度输出模糊控制量。经过模糊推理后，获取的结果为一个模糊向量，再对其进行变换处理，求取机器人从端位移和角度的清晰控制量。
示例性的，本系统可以采用重心法来变换处理，进行去模糊化，其公式为：
其中，f为清晰控制量，C*表示模糊集合；
S105，按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。
按照上述模糊PID控制器所确定的清晰控制量，就可以控制机器人从端执行装置的递送机构以特定的速度和方向递送导丝/导管，即达到及时跟随机器人主端运动轨迹的效果，实现相应的手术动作。
本发明实施例提供的方案，在采用模糊PID控制器进行模糊推理进而得到清晰控制量之前，基于检测得到血管介入手术机器人系统的主从端的交互指令在通信网络中的传输时延等级，确定与系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值，能够使模糊PID控制器在同步控制的启动阶段就在与系统的传输函数相匹配的P、I、D参数初值下工作，从而避免了模糊PID控制器在运行过程中逐步调整P、I、D参数值至与系统的传输函数相匹配的P、I、D参数值的过程，因此，有效提高了采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动一致性，进一步提高了血管介入手术的成功率。
如图4所示，为了减少血管介入手术的时间以及增强手术操作的精细程度，本发明实施例所提供的另一种投屏控制方法，该方法可以包括如下步骤：
S201，检测血管介入手术机器人系统的机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级。
S202，基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值。
其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数。
本发明实施例中，S201～S202可与上述实施例中S101～S102的步骤相同，在此不再赘述。
S203，获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值。
S204，按照预设主从运动映射比例，放大或缩小所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值。
本发明实施例通过引入主从运动映射比例，可以减少血管介入手术的时间以及增强手术操作的精细程度。
根据医学上对血管粗细等级的三级划分，主从之间的运动映射比例可以设置为三种比例，分别是1：2，1：1和2：1，对应着导丝/导管在直径不同的一、二、三级的血管环境中运动的场景。实际应用中，可通过在血管介入手术机器人主端设置人机交互界面，选择合适的主从运动映射比。
当导丝/导管在直径较大的一级血管中递送介入器械时，可以采取1：2的主从运动映射比例，实现缩短导丝/导管在血管中运动时间的目的。
当导丝/导管在三级血管此类狭窄或临近病变位置的部位时，可以采取2：1的主从运动映射比例，对机器人主端操作进行精细缩小，从而提高机器人从端对导管/导丝的操作精度。这样可以有效防止介入器械在推送和旋转过程中动作过快、幅度过大对血管造成损伤。
在主从运动映射比为1：1或2：1的情况下，若遇到机器人主端滑环移动到最大活动限位点后，还需推进机器人从端的导丝往前进时，可以在移动机器人主端滑环回到零点位置的同时，使机器人从端的递送装置松开导丝，然后移动到机器人从端的零点位置。接着使机器人从端的递送装置加紧导丝。这样就可继续移动机器人主端的滑环，机器人从端的递送装置可以继续接收主动发过来的指令递送导丝。
在主从运动映射比为1：2的情况下，若遇到机器人从端滑环移动到最大活动限位点，可以通过机器人从端的红外线位置传感器检测到递送装置到限位点了，则递送装置会自动松开导丝，而后递送装置空回到机器人从端的零点位置。接着加紧导丝，跟随机器人主端继续向前递送导丝。
考虑到导丝/导管在血管里若出现快速、大幅度动作，可能对患者血管造成损伤，甚至危急患者的生命危险，因此有必要设置相应的安全策略。
本发明实施例中，在所述得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与机器人从端位移、角度之间的偏差和偏差变化率之前，还可以包括如下步骤：
步骤一、判断所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值是否超过预设阈值；
步骤二、若超过预设阈值，利用前一控制过程所获取的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，更新该超过预设阈值的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值。
可以理解的是，调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值超过预设阈值，即异常数值时，把此时的位置数值或角度数值设为上一次合理的数值大小。这样，对不合理数据进行过滤，将不合理数值用上次控制时的合理数值进行覆盖，能够避免在机器人从端与机器人主端相比较后出现位置差过大的情况，从而使得机器人从端不会做出错误的跟随动作，避免出现导丝/导管损伤血管的危险情况，保证手术的安全性。
S205，获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值。
S206，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量。
S207，发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量。
S208，按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。
本发明实施例中，S208可与上述实施例中S105的步骤相同，在此不再赘述。
本发明实施例提供的方案，在采用模糊PID控制器进行模糊推理进而得到清晰控制量之前，基于检测得到血管介入手术机器人系统的通信网络的通信质量等级，确定与系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值，能够使模糊PID控制器在同步控制的启动阶段就在与系统的传输函数相匹配的P、I、D参数初值下工作，从而避免了模糊PID控制器在运行过程中逐步调整P、I、D参数值至与系统的传输函数相匹配的P、I、D参数值的过程，因此，有效提高了采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动一致性，进一步提高了血管介入手术的成功率。
综上，参见图2系统架构示意图，本申请实施例中通过通过调整P、I、D参数初值进行初值确定，以及结合模糊推理，可以使模糊PID控制器在同步控制的启动阶段就在与系统的传输函数相匹配的P、I、D参数初值下工作，有效提高了采用遥操作的血管介入手术机器人系统主从运动一致性。并且，结合主从运动比例映射和错误数据过滤还可以提高手术效率，有效保证手术的安全性。
相应于上述方法实施例，如图5所示，本发明实施例还提供一种基于模糊PID控制器的主从同步控制装置，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述装置包括：
时延检测模块501，用于检测血管介入手术机器人系统的机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；
初值确定模块502，用于基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；
变量确定模块503，用于确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；
模糊推理模块504，用于发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；
从端执行模块505，用于按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。
可选的，所述初值确定模块502，具体用于从预先建立的PID初值参数匹配库中，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；
其中，所述PID初值匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。
可选的，所述机器人主端设有控制装置，所述机器人从端设有执行装置；
所述变量确定模块503，具体用于获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；
利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
可选的，所述装置还包括：主从运动比例映射模块；
所述主从运动比例映射模块，用于在所述获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，按照预设主从运动映射比例，放大或缩小所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
所述变量确定模块503，具体用于利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
可选的，所述装置还包括：错误数据过滤模块；
所述错误数据过滤模块，具体用于在所述得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与机器人从端位移、角度之间的偏差和偏差变化率之前，判断所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值是否超过预设阈值；
若超过预设阈值，利用前一控制过程所获取的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，更新该超过预设阈值的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值。
如图6所示，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器601、通信接口602、存储器603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信，
存储器603，用于存放计算机程序；
处理器601，用于执行存储器603上所存放的程序时，实现上述实施例中任一的基于模糊PID控制器的主从同步控制方法的步骤。
上述终端提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述终端与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例中任一的基于模糊PID控制器的主从同步控制方法的步骤。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于模糊PID控制器的主从同步控制方法，其特征在于，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述方法包括：
检测血管介入手术机器人系统的机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；
基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；
确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；
发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；
按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值，包括：
从预先建立的PID初始参数匹配库，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；
其中，所述PID初始参数匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述机器人主端设有控制装置，所述机器人从端设有执行装置；
所述确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，包括：
获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；
利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，所述方法还包括：
按照预设主从运动映射比例，放大或缩小所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
所述利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，包括：
利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与机器人从端位移、角度之间的偏差和偏差变化率之前，所述方法还包括：
判断所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值是否超过预设阈值；
若超过预设阈值，利用前一控制过程所获取的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，更新该超过预设阈值的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值。
6.一种基于模糊PID控制器的主从同步控制装置，其特征在于，应用于采用遥操作的血管介入手术机器人系统的控制器，所述系统包括机器人主端、通信网络、机器人从端、模糊PID控制器和控制器；所述装置包括：
时延检测模块，用于检测血管介入手术机器人系统机器人主端与机器人从端之间的交互指令在通信网络中的传输时延等级；
初值确定模块，用于基于所述传输时延等级，确定与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；其中，所述P、I、D参数为所述系统的模糊PID控制器的参数；
变量确定模块，用于确定所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率，并将所确定的偏差和偏差变化率作为输入变量；
模糊推理模块，用于发送所述P、I、D参数初值和所述输入变量至所述机器人从端的模糊PID控制器，以使所述模糊PID控制器在设定所述P、I、D参数初值后，按照预先建立的模糊调节规则，对所述输入变量进行模糊推理，得到位移和角度的输出模糊控制量；并对所述位移和角度的输出模糊控制量进行反模糊化，得到用于控制所述机器人从端位移和角度的清晰控制量；
从端执行模块，用于按照所述清晰控制量，控制所述机器人从端运动。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述初值确定模块，具体用于从预先建立的PID初始参数匹配库中，查找与所述传输时延等级对应的P、I、D参数初值,作为与所述系统当前的传输函数相匹配的P、I、D参数初值；
其中，所述PID初始参数匹配库记载有各传输时延等级与模糊PID控制器的P、I、D参数初值的对应关系，任一传输时延等级对应的P、I、D参数初值为与该传输时延等级下所述系统的传输函数相匹配的参数初值。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述机器人主端设有控制装置，所述机器人从端设有执行装置；
所述变量确定模块，具体用于获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
获取机器人从端执行装置的位置数值和角度数值；
利用所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：主从运动比例映射模块；
所述主从运动比例映射模块，用于在所述获取机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，按照预设主从运动映射比例，放大或缩小所述机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值；
所述变量确定模块，具体用于利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与所述机器人从端位移之间的偏差和偏差变化率，以及角度之间的偏差和偏差变化率。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：错误数据过滤模块；
所述错误数据过滤模块，具体用于在所述得到调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值之后，利用所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，以及所述机器人从端执行装置的位置数值和角度数值，计算所述机器人主端与机器人从端位移、角度之间的偏差和偏差变化率之前，判断所述调整后的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值是否超过预设阈值；
若超过预设阈值，利用前一控制过程所获取的机器人主端控制装置的位置数值和角度数值，更新该超过预设阈值的机器人主端控制装置的位置数值或角度数值。
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