腹腔镜手术机械臂自适应PID控制方法

摘要

目的：为了有效优化腹腔镜手术机械臂在实际操作过程中的定位准确度和可靠性能，提出以自适应PID控制策略为基础的改良计划。方法：研究利用粒子群优化（PSO）算法实时在线调整PID控制器的比例（K_p）、积分（K_i）和微分（K_d）参数，依靠多自由度运动学模型搭建起腹腔镜手术机械臂仿真实验平台，借助典型路径规划以及模拟扰动测试予以证实。通过使用高精度传感器获取轨道偏差数据，在传统PID控制模式下进行控制并且在自适应PID控制模式下同样实施控制，比较均方根误差（RMSE）和响应时间。结果：自适应PID控制方法的轨迹跟踪误差RMSE平均值为0.853 mm，显著低于传统PID控制方法的2.665 mm；响应时间平均为4.34 s，相较于传统PID控制方法的5.64 s也明显缩短。自适应PID控制能有效抑制传统PID控制常见的超调及振荡现象，整体性能更加稳定可靠。结论：本研究提出的方法弥补了传统PID控制固有的缺陷，在复杂的动态手术环境中，提高腹腔镜手术机械臂操作的准确度和稳定性，为机器人辅助手术系统的设计优化提供重要的理论基础和技术支持，具有重要的临床应用价值和社会效益。

关键词

腹腔镜手术 / PID控制 / 自适应 / 机械臂