عنوان

کنترل نیرو برای سوندهای پزشکی در اعمال جراحی قلب با استفاده از فیدبک تصویر

Number

‭۳۶۸۷پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

کنترل نیرو برای سوندهای پزشکی در اعمال جراحی قلب با استفاده از فیدبک تصویر

First Statement of Responsibility

/امین ضیائی

Name of Publisher, Distributor, etc.

تبریز : دانشگاه تبریز ، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر

Specific Material Designation and Extent of Item

‮‭۹۹‬ ص‬

Text of Note

چاپی

Dissertation or thesis details and type of degree

کارشناسی ارشد

Discipline of degree

مهندسی برق

Date of degree

‮‭۱۳۹۱/۰۳/۲۵‬

Body granting the degree

تبریز : دانشگاه تبریز ، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر

Text of Note

اولین قدم در کنترل سیستم‌صهای مکانیکی مدل‌صسازی مناسب این سیستم‌صها می باشد .یک مدل مناسب از دیدگاه کنترلی مدلی است که علاوه بر دقت کافی در توصیف سیستم، ویژگی‌صهای لازم برای قابل اعمال بودن روش‌صهای کنترلی را داشته باشد .مدلسازی سوندهای پزشکی) کاتتر ( به جهت ساختار انعطاف‌صپذیرشان در چهارچوب سیستم‌صهای صلب امکان‌صپذیر نیست .در واقع کاتترها جزو کلاس خاصی از سیستم‌صهای رباتیکی تحت عنوان ربات‌صهای انعطاف‌صپذیر طبقه‌صبندی می‌صشوند .در کنار مشکلات موجود برای پارامتریزه کردن هندسی حرکت این نوع ربات‌صها که برای مدل‌صسازی سینماتیکی لازم می‌صباشد، مدل‌صسازی دینامیکی سیستم‌صهای انعطاف‌صپذیر نیز به معادلات انتگرالی نامنتهاهی البعد و یا معادلات دیفرانسیلی با مشتقات جزئی منجر می‌صشود .این نوع معادلات عموما جواب بسته ای ندارند و برای حل به متدصهای عددی نیاز دارند که این امر با اهداف کنترلی سازگار نمی‌صباشد .علاوه بر مشکلات مدل‌صسازی، هر سه محرک موجود در سیستم کاتتر دارای خصلت هیسترزیس و اصطکاک می‌صباشند .این دو ویژگی ذاتی به شدت باعث ایجاد خطا در عملکرد کنترلی می‌صشوند .در این پایان‌صنامه سعی شده است تا اهداف کنترلی مورد نظر برای کاتتر، با استفاده از متدهای تحلیلی و قدرتمند کنترل غیرخطی ربات‌صها حل گردند .روشهای کنترلی ارائه شده در این پایان‌صنامه بر مبنای مدل انحنای ثابت می‌صباشند .این روش مدل‌صسازی، از پارامتر انحنا برای توصیف یکجای مجموعه نقاط واقع بر قسمت منحنی الشکل انتهایی استفاده می‌صکند .در این متد فرض بر این است که تمامی نقاط واقع بر این بخش بر روی یک قوس یکسان واقع‌ص‍ هستند که البته انحنای این قوس در طول زمان تغییر می‌صنماید .از این روی این مدل، مدل انحنای ثابت نامیده می‌صشود .بررسی انجام شده در این پایان‌صنامه نشان می‌صدهد که مدل انحنای ثابت ویژگی‌صهای عمومی مدل‌صهای لاگرانژین را داراست .این ویژگی‌صها باعث می‌صشوند بتوان کنترلرهایی را برای یک سیستم غیرخطی طراحی نمود که دارای خواص پایدارسازی سراسری هستند .به عبارت دیگر ناحیه جذب کنترلرهای مذکور کل فضای حالت می‌صباشد .استفاده از مدل انحنای ثابت امکان طراحی کنترل‌صکننده‌صهای غیرخطی و یا سایر کنترلرهای رایج اعم از کنترلرهای تطبیقی و مقاوم را فراهم می‌صآورد .توانایی بالقوه این استراتژی‌صهای کنترلی در جبران خطاهای مدلسازی،نامعینی‌صها و اغتشاشات محیطی می‌صتواند به صورت موثری در زمینه کنترل کاتتر و سایر رباتهای انعطاف‌صپذیر به کار گرفته‌ادامه چکیده‌شود .بر این مبنا استفاده از روشهای قدرتمند کنترلی می‌صتواند خطاهای ناشی از اعمال فرض انحنای ثابت را بهبود بخشیده و امکان تعمیم تکنیک‌صهای گوناگون رباتیکی به کنترل کاتتر را فراهم می‌صآورد.ازآنجاییکه که مدل انحنای ثابت بر مبنای فرمول‌صبندی لاگرانژ بدست می‌صآید لذا ویژگی‌صهای عمومی مدل‌صهای لاگرانژین را داراست .در تحقیق پیش روی برای تامین هدف تعقیب مسیر در فضای مفصلی ، کنترل کننده‌ص‍ دینامیک معکوس و کنترل کننده مبتنی بر روش لیاپانوف طراحی گردیده‌صاند .کنترل‌صکننده مبتنی بر روش لیاپانوف یک کنترلر دو وجهی متعلق به خانواده کنترل کننده‌صهای پسیو می‌صباشد، درحالیکه کنترلر دینامیک معکوس بر مبنای خطی‌صسازی فیدبک بنا شده است .برای جبران‌صسازی اثر اصطکاک از روش‌صهای کنترل مقاوم استفاده گردیده است .با توجه به اهمیت کنترل سیستم‌صها در فضای کاری، کنترل کاتتر در فضای کاری و آنالیز تکینگی ژاکوبین نیز مورد بررسی قرار گرفته‌صاند .مهم‌صترین مزیت این روش بر سایر روش‌های جبران‌صسازی اصطکاک، عدم نیاز به مدل‌صهای بسیار پیچیده‌صای است که برای مدل‌صسازی اصطکاک پیشنهاد شده‌صاند .کنترلرصهای عمل انتگرالی برای حذف اغتشاشات ثابت بسیار مؤثر هستند، هر چند با توجه به ماهیت متغیر با زمان اصطکاک قابل اعمال به کاتتر نیستند .کنترل‌صکننده لیپانوف با جمله ناپیوسته از خانواده کنترل‌صکننده‌صهای مد لغزشی است که به خوبی اثر اصطکاک را در کاتتر حذف می‌صنماید .برای جلوگیری از مشکلات ناشی از پدیده چترینگ ، کنترل‌صکننده اشباعی متناظر نیز طراحی گردیده است .جبران‌صسازی هیسترزیس نیز از طریق اصلاح مسیر مرجع کنترلر بر مبنای حلقه هیسترزیس صورت می‌صگیرد .کنترل نیروی مجری نهایی کاتتر بوسیله روش کنترل موقعیت حلقه داخلی صورت می‌صگیرد .در مقایسه با سایر روش‌صهای پیچیده کنترل نیرو، این روش می تواند به خوبی مساله کنترل نیروی کاتتر را حل نماید .علت این امر این‌ص‍ است که مشکلات ذاتی سیستم) اصطکاک و هیسترزیس (در حلقه کنترل موقعیت جبران می‌صشوند و حلقه کنترل خارجی نیرو به سادگی مساله تنظیم نیرو را حل می‌صکند .حال آنکه سایر روشهای کنترل نیرو توانایی تنظیم نیرو در سیستم-های دارای اصطکاک و هیسترزیس را ندارند .لازم به ذکر است که فیدبک مورد نیاز برای اندازه‌صگیری مقدار لحظه‌صای انحنا و طول موثر کاتتر در داخل قلب از طریق پردازش تصویر ارسالی از دستگاه‌صهای اسکن بدن بیمار تامین می‌صشود و بدین ترتیب حلقه کنترلی سیستم کاتتر بسته می‌صشود .در نهایت بوسیله شبیه‌صسازی، کارایی کنترلرهای پیشنهادی بر روی کاتتر مورد بحث و بررسی قرار می‌صگیرد

Text of Note

Modeling is the first step in the procedure of developing a control scheme for any system. Catheters are considered as a flexible manipulator. Modeling and control of flexible manipulators is a challenge and many of the advanced model-based control strategies are not applicable to this category of robots. This is due to the fact that many of the derived models are either infinite dimensional integral equations or have the form of differential equations without a closed-form solution. It is important to notice that a robotic system is a MIMO nonlinear system and controlling such systems is very difficult without any straight forward procedure. The fact that many rigorous control theories have been proved for rigid link robots is due to the properties that the dynamic equations in Lagrange form posses. Based on such properties, the design procedure is facilitated and global stabilizing controllers can be developed for robotic systems. These facts motivate us to use the techniques of rigid link robots by modeling our catheter as close as possible to the standard Lagrange representation of dynamic equations The dynamic model used in this thesis is called the constant curvature model.This model assumes that all the points on the distal section of catheter are on an identical curve whose radius can vary by time. Analytical studies prove that the constant curvature model satisfies the general properties of the Lagrangian systems. These properties facilitate the design of globally stabilizing nonlinear controllers i.e. the basin of attraction of system is all of the state space. Using constant curvature model enables us to use rigorous adaptive and robust approaches in robotics literature. Capabilities of nonlinear control methods for compensating modeling errors, uncertainties and disturbances can improve the performace of control systems. Consequently, using nonlinear control methods for control of caridac catheters can compensate the modeling errors imposed by contant curvature assumption.In this thesis, we have used inverse dynamics controller and Lyapunov based controller to achieve tracking in joint space. Lyapunov based controller is a completely nonlinear controller while inverse dynamics controller is based on feedback linearization. As the next step, Lyapunov based controller has been designed in task space and singularity analysis of Jacobian has been done. To compensate the effects of friction on system performance, robust control approaches have been used. The main advantage of this method over other frition compensation methods is that this method does not need a precise model of friction. While integral action controller can compensate the effect of constant additive terms, we have used a discontinuous controller due to the time-varying nature of friction. The discontinuous Lyapunov based controller can compensate the effect of unknown, bounded and time varying additive terms. To solve the chattering effect problem, saturation approximation of the sign Rest of abstract:function has been proposed. Compensation of the hystresis effect can be effectively done via modification of the reference trajectory of the system. This method modifies the reference trajectory based on the width of hystresis curve.Regulation of the force exerted by the end effector on the target tissue is done by inner position loop method. This method can solve the force control problem for cathter very effectively. This is due to the fact that this method can simultaneously regulate the force along with compensating backlash and friction. In the inner position control loop, friction and backlash are compensated and the outer force control loop regulates the end effector force. It is impprtant to metion that the instant value of the curvature and insertion of catheterr can be easily obtained via image processing. Also, we have assumed that the value of the force exerted by the end effector on the target can be measured by an appropriate force sensor. Finally, the developed control methods are examined on a nominal tracking problem. The results of the simulations demonstrate the effectiveness of our proposed control methods

Dynamic modeling

model-based control

inverse dynamics controller

Lyapunov controller

position and force control

ضیائی، امین

خان‌صمحمدی، سهراب، استاد راهنما

قائمی، سحرانه، استادراهنما

جنابی شریفی، فرخ، استاد مشاور

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی