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1、1柔性針穿刺的幾何控制理論研究摘要隨著微創(chuàng)技術(shù)介入臨床醫(yī)學(xué)治療,穿刺在經(jīng)皮手術(shù)治療、組織取樣等手術(shù)中被廣泛應(yīng)用,柔性針因相對(duì)組織有足夠的柔性能夠靈活準(zhǔn)確的到達(dá)傳統(tǒng)鋼針達(dá)不到的靶點(diǎn)位置,因此對(duì)柔性針穿刺的路徑規(guī)劃研究對(duì)于準(zhǔn)確穿刺有重要意義。本文討論了斜尖柔性針穿刺的路徑規(guī)劃問(wèn)題以及基于不確定參數(shù)的柔性針模型,設(shè)計(jì)自適應(yīng)輸出反饋控制器去處理柔性針路徑導(dǎo)向問(wèn)題。首先,在剛性組織假設(shè)前提下,分別討論了柔性針在二維和三維有障礙環(huán)境中的路徑規(guī)劃問(wèn)題
2、。在二維有障礙環(huán)境中,過(guò)入針點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)向障礙圓做切線,求出切線交點(diǎn)坐標(biāo),過(guò)入針點(diǎn)、切線交點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)的圓弧即為可行路徑,通過(guò)弧長(zhǎng)最短確定最優(yōu)路徑。在三維有障礙環(huán)境中,首先通過(guò)快速搜索隨機(jī)樹(shù)法找到可行路徑,考慮路徑長(zhǎng)度最短及與障礙的間隙盡可能大,建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),從而找到最優(yōu)路徑,并通過(guò)增大障礙球的半徑進(jìn)行障礙規(guī)避。仿真結(jié)果表明這兩種路徑規(guī)劃均能找到最優(yōu)路徑,驗(yàn)證了此規(guī)劃方法的有效性。其次,對(duì)約化后的柔性針系統(tǒng)進(jìn)行反饋線性化,在反饋線性化系
3、統(tǒng)中增加不確定參數(shù),通過(guò)濾波變換將系統(tǒng)變換為自適應(yīng)跟蹤型,設(shè)計(jì)自適應(yīng)輸出反饋跟蹤控制律,可以隨時(shí)跟蹤時(shí)變參考輸出信號(hào),實(shí)現(xiàn)柔性針與靶點(diǎn)的距離跟蹤。3GEOMETRICCONTROLTHEYFTHEPUNCTUREOFSTEERINGFLEXIBLENEEDLEABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTAsminimallyinvasivetechniquesinvolvedinclinicalmedicaltrea
4、tmentneedlepunctureiswidespreadinmanyproceduresincludingpercutaneousproceduresrequiringtherapydeliverytosampleremovalfromaspecificlocation.Whenflexibleneedlewithabeveltippushesthroughsofttissuetheasymmetryofthetipcausest
5、heneedletobendcouldreachthetargetwhichthetraditionalneedlecannotreach.Sotheresearchofpathplanningofflexibleneedleissignificantfaccuratepuncture.Inthisthesisthepathplanningtheadaptiveoutputfeedbacktrackingcontrolarediscus
6、sedftheflexibleneedle.Firstlyundertheassumptionofrigidtissuethepathplanningofflexibleneedlein2D3Denvironmentwithobstaclesarediscussed.In2Dtochoosethetangentfrominitialpointtotargetpointcalculatethecodinatesofthetangentst
7、henthecirculararcspassingthroughinitialpoint、thetangentpointtargetpointisthefeasiblepaththeshtestarcistheoptimalpath.In3DbasedontheRapidlyexplingRomTrees(RRTs)method,asetoffeasiblepathsarefoundthenanoptimalpathwhichcould
8、avoidobstaclesbyminimizingtheoptimizationcriterionisgiven.Simulationresultsshowthatbothofthetwopathplanningmethodscouldfindtheoptimalpathswhichillustratetheeffectivenessofthepathplanningmethods.Secondlytheflexibleneedlec
9、anbefeedbacklinearizedviaatransfmationofstateinputcodinates.Whilesubjectedtoparametricuncertaintythesystemistransfmedtoadaptivetrackingfmbyafilteredtransfmation.Theadaptiveoutputfeedbacktrackingcontrollerisdesignedtotrac
10、ktimevaryingreferenceoutputsignalswhichrealizethetrackingbetweenflexibleneedlethetargetpoint.ZhouLi(Appliedmathematics)SupervisedbyKangJianlingKEYWDS:nonholonomicsystems;flexibleneedles;pathplanning;rapidlyexplingromtree
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