سامانه ‏های غیرخطی در مهندسی برق

سامانه ‏های غیرخطی در مهندسی برق

هدایت زمان-متناهی سوزن جرّاحی رباتیک در بافت پروستات بر اساس رویکرد کنترل غیرخطی مقاوم-تطبیقی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشگاه یزد، دانشکده مهندسی برق
چکیده
 در این مقاله، سه نوع کنترل‌کننده‌ی غیرخطی زمان-متناهی برای هدایت سوزن جرّاحی رباتیک در داخل بافت پروستات با وجود نامعیّنی پارامتری، عدمقطعیّت مدل‏سازی و اغتشاش پیشنهاد میشوند. گشتاور تولیدی توسط هر کدام از این کنترلکنندهها به ساختار حلقهبستهی سوزن جرّاحی رباتیک اعمال شده و باعث میگردد متغیّرجابجایی مکانی سیستم حلقهبسته بعد از گذشت مدّت زمان متناهی قابل تنظیمی دقیقاً به مسیر مورد نظر درون بافت همگرا شود. برای طرّاحی کنترل‏ کننده‏ های مذکور از تعمیم روش کنترل مد لغزشی پایاندار (به عنوان راهکار اساسی کنترلی غیرخطی-مقاوم) و تلفیق آن با مفاهیم کنترل تطبیقی (به منظور طرّاحی قوانین بهروزرسانی و تخمین پارامترهای ثابت نامعلوم) استفاده می‌شود. شایان ذکر است که تفاوت اساسی میان سه ساختار کنترلی پیشنهادی در تعریف خمینه‏ های لغزشی غیرخطی است. با به‎ کارگیری تئوری پایداری لیاپانوف و استفاده از چندین لم کاربردی به صورت ریاضیاتی اثبات میگردد که هر سه راهکارکنترلی معرّفی شده ضمن برآورده ساختن هدف هدایت سوزن، پایداری زمان-متناهی کلّی را برای سیستم حلقه‌بسته‌ی سوزن-بافت تضمین می‏ دهند. قوانین به‌روزرسانی که در هر سه راهکار کنترلی وجود دارند، مقادیر ثابت‏ های فیزیکی نامعلوم سیستم حلقهبسته را به صورت لحظهای و پیوسته تخمین می‏ زنند. در فرآیند تحلیل پایداری، به عنوان نتیجه ‏ی جنبی نشان داده می‏ شود که پاسخ‏ های زمانی مرتبط با این تخمین‌ها بعد از گذشت مدّت زمان متناهی دقیقاً به مقادیر ثابتی میرسند. در انتها، با استفاده از نرمافزار MATLAB هر سه نوع کنترل‌کننده‌ پیشنهادی، بر روی سیستم سوزن-بافت مرتبه‏ ی دوّم مورد شبیه‌سازی عددی قرار می‌گیرند تا عملکرد مناسب آن‌ها آشکار گردد.
کلیدواژه‌ها

[1] N. Abolhassani, R. Patel, and M. Moallem, “Needle insertion into soft tissue: A survey,” Medical
Engineering & Physics, vol. 29, no. 4, pp. 413-431, 2007.
[2] B. Xu and S. Y. Ko, “3D Feedback control using fuzzy logic for a curvature-controllable steerable
bevel-tip needle,” Mechatronics, vol. 68, no. 1, pp. 102368 (1-10), 2020.
[3] A. Segato, M. D. Marzo, S. Zucchelli, S. Galvan, R. Secoli, and E. D. Momi, “Inverse reinforcement
learning intra-operative path planning for steerable needle,” IEEE Transactions on Biomedical
Engineering, vol. 69, no. 6, pp. 1995-2005, 2022.
[4] A. Nejati Aghdam and P. X. Liu, “A novel path planner for steerable bevel-tip needles to reach
multiple targets with obstacles,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 69,
no. 10, pp. 7636-7645, 2020.
[5] M. Khadem, C. Rossa, N. Usmani, R. S. Sloboda, and M.Tavakoli, “Geometric control of 3D needle
steering in soft-tissue,” Automatica, vol. 101, no. 1, pp. 36-43, 2019.
[6] B. Qi, Z. Yu, Z. K. Varnamkhasti, Y. Zhou, and J. Sheng, “Toward a telescopic steerable robotic
needle for minimally invasive tissue biopsy,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 6, no. 2,
pp. 616-627, 2021.
[7] L. Quagliato and S. C. Ryu, “FEA modeling of soft tissue interaction for active needles with a
rotational tip joint,” IEEE Access, vol. 10, no. 1, pp. 46291-46301, 2022.
[8] M. Pinzi, T. Watts, R. Secoli, S. Galvan, and F. R. Y. Baena, “Path replanning for orientationconstrained
needle steering,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 68, no. 5, pp.
1459-1466, 2021.
[9] M. Motaharifar, H. A. Talebi, F. Abdollahi, and A. Afshar, “Nonlinear adaptive output feedback
controller design for guidance of flexible needles,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,
vol. 20, no. 4, pp. 1912-1919, 2014.
[10] J. Carriere, M. Khadem, C. Rossa, N. Usmani, R. Sloboda, and M. Tavakoli, “Surgeon-in-the-loop
3D needle steering through ultrasound-guided feedback control,” IEEE Robotics and Automation
Letters, vol. 3, no. 1, pp. 469-476, 2018.
[11] E. Franco, T. Brown, A. Astolfi, and F. R. Y Baena, “Adaptive energy shaping control of robotic
needle insertion,” Mechanism and Machine Theory, vol. 155, no. 1, pp. 104060 (1-16), 2021.
[12] S. Hans, F. Orlando, and M. Joseph, “Robust control of a bevel-tip needle for medical interventional
procedures,” IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 7, no. 1, pp. 244-256, 2019.
[13] M.S. Qureshi, P. Swarnkar, and S. Gupta, “A supervisory on-line tuned fuzzy logic based sliding
mode control for robotics: An application to surgical robot,” Robotics and Autonomous Systems,
vol. 109, no. 1, pp. 68-85, 2018.
[14] S. Hans, F. Orlando, and M. Joseph, “Control of a flexible bevel-tipped needle using super-twisting
controller based sliding mode observer,” ISA Transactions, vol. 69, no. 109, pp. 186-198, 2021.
[15] N. Akbari, S. Mobayen, F. Bayat, and A. Fekih, “Finite-time control of myringotomy surgical
device based on nonsingular terminal sliding disturbance observer,” IEEE Access, vol. 9, no. 1, pp.
72412-72419, 2021.
[16] P. Biswas, H. Dehghani, S. Sikander, and S. E. Song, “Kinematic and mechanical modelling of a
novel 4-DOF robotic needle guide for MRI-guided prostate intervention,” Biomedical Engineering
Advances, vol. 4, no. 1, pp. 100036 (1-11), 2022.
[17] B. Fallahi, C. Rossa, R. Slobda, N. Usmani, and M. Tavakoli, “Sliding-based image-guided 3D
needle steering in soft tissue,” Control Engineering Practice, vol. 63, no. 1, pp. 34-43, 2017.
[18] P. Kulkarni, S. Sikander, P. Biswas, S. Frawley, and S. E. Song, “Review of robotic needle guide
systems for percutaneous intervention,” Annals of Biomedical Engineering, vol. 47, no. 1, pp. 2489-
2513, 2019.
[19] A. Maghsoudi and M. Jahed, “Model-based needle control in prostate percutaneous procedures,”
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in
Medicine, vol. 227, no. 1, pp. 58-71, 2013.
[20] E. Franco and A. Donaire, “Energy shaping nonlinear control of under-actuated needle insertion,”
Control Engineering Practice, vol. 128, no. 1, pp. 105326 (1-12), 2022.
[21] A. Maghsoudi and M. Jahed, “Needle dynamics modelling and control in prostate brachytherapy,”
ISA Transactions, vol. 6, no. 11, pp. 1671-1681, 2012.
[22] F. Sedghi, M. M. Arefi, A. Abooee, and S. Yin, “Distributed adaptive-neural finite-time consensus
control for stochastic nonlinear multi-agent systems subject to saturated inputs,” IEEE Transactions
on Neural Networks and Learning Systems, DOI: 10.1109/TNNLS.2022.3145975, 2022.
23 [ عباس کریمینیا و حسن زرآبادیپور، ”طرّاحی کنترل مد لغزشی مرتبه کسری مبتنی بر قانون تطبیق غیرخطی برای پایدارسازی و [
، همزمانسازی کلاسی از سیستم آشوبناک مرتبه کسری“ مجله علمی و پژوهشی سامانههای غیرخطی در مهندسی برق، جلد 8، شماره 2
.1401 ،62- صفحات 38
24 [ جواد مولائی، اکبر شرقی و رضا آقایی طوق، ”طرّاحی کنترل مدلغزشی ترمینال زمان-ثابت برای ربات با چرخهای مکانوم“ مجله علمی و [
.1401 ،37- پژوهشی سامانههای غیرخطی در مهندسی برق، جلد 8، شماره 2، صفحات 19
[25] A. Abooee, M. Hayeri Mehrizi, M. M. Arefi, and S. Yin, “Finite-time sliding mode control for a 3-
DOF fully actuated autonomous surface vehicle,” Transactions of the Institute of Measurement and
Control, vol. 43, no. 2, pp. 371-389, 2021.
[26] T. Yu, H. Wang, J. Cao, and C.F. Xue, “Finite-time stabilization of memristive neural networks via
two-phase method,” Neurocomputing, vol. 491, no. 1, pp. 24-33, 2022.
[27] F. Sedghi, M. M. Arefi, A. Abooee, and O. Kaynak, “Adaptive robust finite-time nonlinear control
of a typical autonomous underwater vehicle with saturated inputs and uncertainties,” IEEE/ASME
Transactions on Mechatronics, vol. 26, no. 5, pp. 2517-2527, 2021.
[28] J. Yang, X. Yu, L. Zhang, and S. Li, “A Lyapunov-based approach for recursive continuous higher
order non-singular terminal sliding-mode control,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol.
66, no. 9, pp. 4424-4431, 2021.
29 [ علی ابویی” ارائهی ساختار کنترلی تلفیقی نوآورانه برای وسیلهی دریایی خودکار تحریک کامل “ مجله علمی و پژوهشی سامانههای
. غیرخطی در مهندسی برق، پذیرش شده برای چاپ، 1401
30 [ علی ابویی، مهران اسلامی و محمد حائری، ”طرّاحی کنترلکنندههای غیرخطی زمان-محدود مقاوم برای زیردریایی شش درجه آزادی به [
.1399 ،113- منظور ردیابی مسیر“ مجله علمی و پژوهشی کنترل، جلد 14 ، شماره 1، صفحات 93
[31] A. Abooee and M. M. Arefi, “Robust finite-time stabilizers for a connected chain of nonlinear
double-integrator systems,” IEEE Systems Journal, vol. 13, no. 1, pp. 833-841, 2019.
[32] H. Fakharizade Bafghi, M.R. Jahed-Motlagh, A. Abooee, and A. Moarefianpur, “Robust finite-time
tracking for a square fully-actuated class of nonlinear systems,” Nonlinear Dynamics, vol. 103, no.
21, pp. 1-15, 2021.
[33] T. Yu, J. Cao, L. Rutkowski, and Y. P. Luo, “Finite-time synchronization of complex-valued
memristive-based neural networks via hybrid control,” IEEE Transactions on Neural Networks and
Learning Systems, vol. 33, no. 8, pp. 3938-3947, 2022.
34 [ مینا قهستانی، احمدرضا ولی و مهدی سیاهی، ”طرّاحی کنترلکننده غیرخطی به منظور پایدارسازی زمان-محدود سیستم تعلیق [
.1401 ،116- الکترومغناطیسی“ مجله علمی و پژوهشی سامانههای غیرخطی در مهندسی برق، جلد 8، شماره 2، صفحات 98
[35] T. Yu, J. Cao, and K. Lu, “Finite-time synchronization control of networked chaotic complexvalued
systems with adaptive coupling,” IEEE Transactions on Network Science and Engineering,
vol. 9, no. 4, pp. 2510-2520, 2022.
[36] X. Yu, Y. Feng, and Z. Man, “Terminal sliding mode control: An overview,” IEEE Open Journal
of the Industrial Electronics Society, vol. 2, no. 1, pp. 36-52, 2021.
[37] K. Zhang, L. Wang, and X. Fang, “High-order fast nonsingular terminal sliding mode control of
permanent magnet linear motor based on double disturbance observer,” IEEE Transactions on
Industry Applications, vol. 58, no. 3, pp. 3696-3705, 2022.
[38] Y. Sun, Y. Gao, Y. Zhao, Z. Liu, J. Wang, J. Kuang, F. Yan, and J. Liu, “Neural network-based
tracking control of uncertain robotic systems: Predefined-time nonsingular terminal sliding-mode
approach,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 69, no. 10, pp. 10510-10520, 2022.

  • تاریخ دریافت 22 تیر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 22 تیر 1404
  • تاریخ انتشار 01 مهر 1401