8、生物柔性探头路径跟踪控制：应对不确定性与干扰

生物柔性探头路径跟踪控制：应对不确定性与干扰

1 引言

生物启发的柔性探头在医疗领域备受关注，它能以最小的损伤进入皮肤，用于组织注射和采样。与传统的刚性探头和针头相比，柔性引导探头解决了外科医生在手术中面临的诸多问题，有助于实现治疗目标、探索新的治疗方法并降低并发症的发生率。

在生物启发的柔性探头中，其方向由可转向的尖端控制，通过改变探头不同部分之间的相对位置（即命令偏移）来改变探头运动的曲率半径。目前，研究者们提出了多种控制此类探头的方法，例如模糊控制方法、自适应控制律、鲁棒控制等。然而，现有方法大多需要已知扰动的上界，且状态变量通常独立控制，这在实际应用中会带来问题。

近年来，许多研究者对柔性探头和针头的控制进行了研究，如三维模型模拟、反步控制、粒子群优化方法、模糊逻辑反馈控制等。鲁棒滑模控制也逐渐受到更多关注，如超扭曲滑模控制方法用于减少抖振。但目前，考虑模型中同时存在不确定性和外部干扰，且干扰和不确定性的上界未知，特别是干扰上界不是标量值而是系统状态的函数且系数未知的情况，仍是该领域的一个开放问题。

本文的创新点主要包括：
1. 考虑不确定性和干扰，对生物启发的柔性探头进行控制，使其遵循期望路径。
2. 处理探头模型中具有未知上界的不确定性和干扰，并使用自适应规则估计该上界。
3. 将系统干扰的上界视为系统状态的函数，且系数未知，使用自适应规则估计该函数的系数。
4. 设计一种新的鲁棒自适应滑模控制律，用于生物探头的期望路径跟踪。

2 问题描述

生物启发的柔性探头的运动学模型可以用以下非线性方程表示：
[
\begin{bmatrix}
\