[發明專利]一種微創外科手術機器人簡化運動學模型的建模方法

有效

• 申請號: 201710630714.4
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107374727B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發明（設計）人: 肖喬木;梁東;徐登
• 申請（專利權）人: 重慶金山醫療器械有限公司;重慶金山醫療機器人有限公司
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B34/30;G06F17/50
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 王學強

1.一種微創外科手術機器人簡化運動學模型的建模方法，其特征在于，包括：

建立主手末端腕點相對于基坐標系的主手齊次變換矩陣；

根據預設的主從手之間的基座標旋轉映射矩陣、比例映射系數和所述主手齊次變換矩陣得到從手位置；

根據從手中控制位置運動關節的齊次變換矩陣與從手腕點的位置建立等式，求解出從手中控制位置運動關節的角度值和/或位置值；

根據主手在其腕點的姿態角度與從手腕點的姿態角度一一對應的關系建立等式，求解出從手中控制姿態運動關節的角度值和/或位置值。

2.根據權利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述建立主手末端腕點相對于基坐標系的主手齊次變換矩陣的步驟具體為：

依據空間變換的原理得到主手構型中相鄰兩個關節之間齊次變換矩陣：

依據上式建立的各個相鄰關節軸之間的變換，計算出主手末端執行器坐標系相對于基坐標系的齊次變換矩陣

依據上式可得到主手在某關節角度下末端執行器相對于基坐標系的位置P；令：

在主手的末端執行器的位置點建立相應的動態坐標系，利用Z-Y-X歐拉角的方式來描述主手的末端執行器的姿態：

R_m＝R_Z(θ₄,θ₆)*R_Y(θ₅)*R_X(θ₇)。

3.根據權利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述根據預設的主從手之間的基座標旋轉映射矩陣、比例映射系數和所述主手齊次變換矩陣得到從手位置的步驟具體為：

將公式寫成：

其中R_m為姿態矩陣，P_m為位置坐標，假設主從手之間的基坐標旋轉映射矩陣為T_r，比例映射系數為K，則映射后得到從手的齊次變換矩陣為：

4.根據權利要求3所述的建模方法，其特征在于，根據從手中控制位置運動關節的齊次變換矩陣與從手腕點的位置建立等式，求解出從手中控制位置運動關節的角度值和/或位置值的具體步驟：

根據所述從手的齊次變換矩陣得到從手位置

根據D-H坐標法得到從手中控制位置運動運動關節的齊次變換矩陣其中中的各元素是由從手中控制位置運動運動關節參數(θ₁,θ₂,d₃)表達，建立如下等式：

p_x＝x_f

p_y＝y_f；

p_z＝z_f

根據上述三個方程即可求解出從手中控制位置運動運動關節的未知數(θ₁,θ₂,d₃)。

5.根據權利要求4所述的建模方法，其特征在于，所述根據從手齊次變換矩陣建立從手姿態矩陣與從手中控制姿態運動關節的等式，求解出從手中控制姿態運動關節的角度值和/或位置值的步驟具體為：

根據所述從手的齊次變換矩陣得到從手姿態矩陣R_f；

根據Z-Y-X旋轉的歐拉角表示的從手中控制姿態運動運動關節的旋轉矩陣因子利用主從關系建立如下的等式：

根據等式求得未知參數α、β、γ，根據歐拉角旋轉規則得到如下關系：

α＝θ₄，

γ＝θ₅，

其中：為主手電子夾持手的角度，為已知量；

依據上述四個方程即可求得從手中控制姿態運動運動關節的控制量(θ₄,θ₅,θ₆,θ₇)。

6.根據權利要求1～5任意一項所述的建模方法，其特征在于，所述建立主手末端腕點相對于基坐標系的主手齊次變換矩陣的步驟之前，還包括：

根據從手構型確定從手中控制位置運動關節以及控制姿態運動關節；

其中：從手中控制姿態運動關節是指在在醫生的控制下能夠滿足醫生控制運動的需求，且無需做到運動精度的精確映射的運動關節。