引用本文:霍本岩,赵新刚,韩建达,徐卫良.基于可达性决策的柔性针穿刺控制方法[J].控制理论与应用,2014,31(10):1423~1430.[点击复制]
HUO Ben-yan,ZHAO Xin-gang,HAN Jian-da,XU Wei-liang.A control method for puncture with flexible needle based on reachable decision[J].Control Theory and Technology,2014,31(10):1423~1430.[点击复制]
基于可达性决策的柔性针穿刺控制方法
A control method for puncture with flexible needle based on reachable decision
摘要点击 2541  全文点击 937  投稿时间:2014-01-17  修订日期:2014-09-29
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DOI编号  10.7641/CTA.2014.40047
  2014,31(10):1423-1430
中文关键词  非线性系统  柔性针  穿刺术  无色卡尔曼滤波
英文关键词  nonlinear system  flexible needle  puncture  unscented Kalman filter
基金项目  国家自然科学基金资助项目(61273356).
作者单位E-mail
霍本岩* 中国科学院 沈阳自动化研究所
中国科学院大学 
huobenyan@sia.cn 
赵新刚 中国科学院 沈阳自动化研究所  
韩建达 中国科学院 沈阳自动化研究所  
徐卫良 中国科学院 沈阳自动化研究所
奥克兰大学 机械工程学院 
 
中文摘要
      穿刺术具有创口小、恢复快的优势, 是一种广泛使用的微创手术. 柔性针穿刺是对传统穿刺术的改进. 本文首先分析柔性针运动学模型, 使用无色卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)对穿刺过程中柔性针针尖位置和姿态进行估计. 然后根据柔性针的运动学特点提出一种基于柔性针可达范围的控制方法, 分析控制系数对穿刺轨迹的影响, 并通过仿真和明胶穿刺实验验证该控制方法的效果. 在穿刺深度为100 mm的情况下, 本文提出的控制方法能够将穿刺误差保持在0.5 mm以下. 仿真实验也表明当模型参数与实际值的误差在一定范围内时, 该控制方法仍能够实现高精度的穿刺.
英文摘要
      Because of the tiny trauma and rapid recovery, punctures have been widely adopted in clinics. The flexible needle is an improvement of the traditional steel needle. We firstly build the kinematic model of a flexible needle and use unscented Kalman filter (UKF) to estimate the states of the flexible needle tip. Then, a control method based on the reachable region of flexible needle is developed according to the characteristic of the kinematic model of the flexible needle. We analyze the reachable parameter.s effect on the puncture trail. Simulations and gelatin puncture tests show that this control method is precise and robust. The tip error will be confined to 0.5 mm when the insert distance is 100 mm. Simulation results also indicate that the control method can achieve high-precision puncture when the error between the model parameter and actual value is within a certain range.