[發明專利]用于具有三角形遠心點機構的串聯機械臂逆運動學數值解法

有效

• 申請號: 201510975500.1
• 申請日: 2015-12-22
• 公開（公告）號: CN105629880B
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 潘博;付宜利;曲效鋒;王樹國;艾躍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

用于具有三角形遠心點機構的串聯機械臂逆運動學數值解法，它涉及一種串聯機械臂逆運動學數值解法，具體涉及一種用于具有三角形遠心點機構的串聯機械臂逆運動學數值解法。本發明為了解決現有微創手術機械臂控制系統精度較低、實時性較差的問題。本發明的具體步驟為：假設機械臂末端點與腕部起點O₄重合，即忽略手腕處三個關節，這是假設A；根據假設A，輸入量末端點位姿矩陣的位置分量與O₀坐標系下的遠心點位置矢量相減即為O₀坐標系下的第三關節的位移量q₃的空間矢量，求出第三關節位移量q₃的中間計算值，命名為q₁₃。本發明屬于微創醫療器械領域。

技術領域

本發明涉及一種串聯機械臂逆運動學數值解法，具體涉及一種用于具有三角形遠心點機構的串聯機械臂逆運動學數值解法，屬于微創醫療器械領域。

背景技術

微創手術與傳統的開口手術相比具有手術切口小、術后疤痕小、恢復時間快等優點，因此微創手術被廣泛地應用于臨床手術。采用主從控制形式的微創手術機器人提高了微創手術的精度和應用范圍，故而有廣闊的市場前景。微創手術機器人的機械臂通常采用遠心定點運動機構來實現手術器械在人體內的定位。三角形遠心機構依靠關節軸線相交于定點的方式來實現機構的遠心運動。前兩個關節是轉動關節，軸線相交于遠心點，最后一個關節是移動關節，軸線通過遠心點。在遠心機構后面串聯腕部三個關節，實現手術器械的運動。在遠心點機構前面可串聯數個被動關節，用于手術前調整遠心點的位置，手術中鎖死。機械臂逆運動學求解是根據機械臂在空間內的末端位置姿態矩陣，求解各個關節的位移量。逆運動學求解是實現機械臂定位控制和軌跡跟蹤控制的基礎，且逆運動學算法直接影響機械臂的運動控制器的性能。逆運動學方程是非線性超越方程，其求解過程非常復雜，而且可能存在多解、無解或者奇異等問題。對于六自由度串聯機械臂，僅當其結構滿足準則——機械臂腕部三個相鄰的關節軸相交于一點，或者機械臂腕部三個相鄰的關節的軸線相互平行，此時三個相鄰關節的位置和姿態是解耦的，可以求出機械臂逆運動學的封閉解。但一般情況下，考慮到使用性能和設計制造和裝配過程中的困難和誤差，機械臂都不滿足這一準則。故而需要釆用數值解法完成機械臂的逆運動學求解。一般采用的數值解法的基本原理是根據機械臂當前的關節角度求解正運動學的計算結果，通過比較其與目標位置姿態值的差值，對關節角度進行修正，反復試探并控制定位誤差計算關節角度最優值。這樣的方法計算量大，不利于控制系統的實時性。

發明內容

本發明為解決現有微創手術機械臂控制系統精度較低、實時性較差的問題，進而提出具有三角形遠心點機構的串聯機械臂逆運動學數值解法。

本發明為解決上述問題采取的技術方案是：本發明的具體步驟如下：

步驟一、假設機械臂末端點與腕部起點O₄重合，即忽略手腕處三個關節，這是假設A；

步驟二、根據假設A，輸入量末端點位姿矩陣的位置分量與O₀坐標系下的遠心點位置矢量相減即為O₀坐標系下的第三關節的位移量q₃的空間矢量，求出第三關節位移量q₃的中間計算值，命名為q₁₃；

步驟三、根據假設A，由移動第三關節的軸線方向可以唯一地確定第一關節位移量q₁和第二關節位移量q₂的大小，依次求出第一關節中間計算值q₁₁和第二關節中間計算值q₁₂；

步驟四、在不忽略第四關節、第五關節、第六關節的情況下，利用輸入量末端點位姿矩陣的姿態信息和根據假設A求出的第一關節中間計算值q₁₁、第二關節中間計算值q₁₂、第三關節中間計算值q₁₃依次求出第四關節中間計算值q₁₄、第五關節中間計算值q₁₅、第六關節中間計算值q₁₆；