一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法技术

本发明专利技术提供一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法，包括如下步骤：建立同一传动丝所联接的各个关节之间的映射关节；通过快换装置驱动轮的检测角获取微创手术机器人的关节角；构建快换装置驱动轮检测角与微创手术机器人关节角之间的函数关系，获取微创手术机器人的运动轨迹。本发明专利技术根据丝传动微创手术机器人的丝传动布置形式和运动特性，通过构建了驱动轮检测角的微创手术机器人关节角函数关系，实现了进行微创手术机器人运动轨迹分析的目的，解决了丝传动微创手术机器人很难通过关节角检测实现其运动轨迹分析的难题。

Trajectory detection method for wire driven minimally invasive surgical robot

The invention provides a wire transmission of minimally invasive surgical robot trajectory detection method, which comprises the following steps: the mapping between the joint of each joint establishment of the same transmission wire connection; minimally invasive surgery robot gets through the detection of the fast changing device driving wheel angle joint angle; construction of quick change device to drive the function relationship between wheel detection angle and minimally invasive surgery the robot joint angle, trajectory for minimally invasive surgical robot. According to the arrangement of wire transmission and motion characteristics of wire transmission of minimally invasive surgical robot, through the construction of the driving joint minimally invasive surgical robot wheel angle detection function, realizes the analysis of the trajectory of minimally invasive surgical robot to solve the wire transmission of micro invasive surgery robot is very difficult to achieve the detection problem by trajectory analysis joint angle.

【技术实现步骤摘要】
一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法
：本专利技术属于微创手术机器人
，具体涉及一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法。
技术介绍
：微创手术机器人系统可以协助医生完成更精细的手术动作，减少手术时由于疲劳或手部震颤造成的损伤。同时手术损伤小、愈合快为患者带来更理想的手术结果。目前，美国的达芬奇微创手术机器人系统已在临床广泛应用。小型化和低成本微创手术机器人系统是未来的发展趋势，同时触觉力反馈在微创外科手术中发挥着极其重要的作用。手术机器人系统的小型化可以节省操作空间，安装运行方便，但是也为手术机器人系统机械臂小型化提出了更高要求。微创手术机器人系统一般包括控制台、微创手术机器人与微创手术工具。医生通过控制台实现对微创手术机器人的控制，微创手术机器人通过采用具有远端运动中心的结构(RemoteCenterofMotion简称RCM)，微创手术工具是具体实施手术操作的各类微创手术器械，如手术剪、手术钳、手术夹、镊子等。微创手术机器人是通过微创手术工具对患者进行微创手术操作，微创手术工具是微创手术机器人系统的具体操作机构。通过记录手术医生的操作轨迹，形成微创手术操作专家数据库是进行自主微创手术机器人研究的基础，而如何对微创手术机器人的运动轨迹分析针是当前需要解决的问题。
技术实现思路
：综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本专利技术提供了一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法，它能够实现微创手术机器人的运动轨迹分析。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法，包括如下步骤：建立同一传动丝所联接的各个关节之间的映射关节；通过快换装置驱动轮的检测角获取微创手术机器人的关节角；构建快换装置驱动轮检测角与微创手术机器人关节角之间的函数关系，获取微创手术机器人的运动轨迹。优选的，所述快换装置驱动轮的检测角包括为实现关节主动控制的主动转角和为实现关节运动解耦的反向运动补偿转角。优选的，快换装置驱动轮i的总的反向运动补偿角等于其相对其它各个快换装置驱动轮的反向运动补偿角之和，即：δ6＝0δ5＝δ6,5δ4＝δ6,4δ3＝δ6,3+δ4,3δ2＝δ6,2+δ4,2δ1＝δ6,1对于每个快换装置驱动轮，其主动角等于检测角与反向补偿角之差，即：由以上可得：将所检测到的快换装置驱动轮检测角代入以上公式，可求得微创手术机器人机构中，由快换装置驱动轮i的主动旋转产生的、经由i钢丝绳驱动的两个驱动轮的旋转角度θi,i、θ'i,i(i＝1,...,6)；αi(i＝1,...,6)表示快换装置驱动轮i的主动转角；表示快换装置驱动轮i的检测角；δi,j(i＝1,...,6、j＝1,...,6)表示快换装置驱动轮j的反向运动补偿角，所述反向运动补偿角可以抵消第j钢丝绳所联接的驱动轮由于快换装置驱动轮i的主动旋转而形成的耦合运动；θi,j、θ'i,j(i＝1,...,6、j＝1,...,6)分别表示j钢丝绳所连接的两个驱动轮由于快换装置驱动轮i的主动旋转而产生的旋转角。优选的，快换装置驱动轮检测角与丝传动微创手术机器人关节角之间的函数关系为：θ1＝θ6,6θ1'＝θ'6,6θ2＝θ5,5θ2'＝θ'5,5θ3＝θ4,4-θ5,5θ3'＝θ'4,4-θ'5,5θ4＝θ1,1θ4'＝θ'1,1将关节角θi、θi'(i＝1,...,5)代入以上公式，即可得出手柄、手术剪的运动轨迹；θi、θi'(i＝1,...,5)分别表示微创手术机器人关节角，其中，θ1表示杆IV相对于杆V偏转角，θ1'表示杆VI相对于杆V偏转角；θ2表示杆III相对于杆IV偏转角，θ2'表示杆VII相对于杆VI偏转角；θ3表示杆II相对于杆III偏转角，θ3'表示杆VIII相对于杆VII偏转角；θ4表示杆I相对于杆II偏转角，θ4'表示杆IX相对于杆VIII偏转角；θ5表示手柄的平分线相对于杆I的偏转角，θ5'表示执行器的平分线相对于杆IX的偏转角。本专利技术的有益效果为：通过记录手术医生的操作轨迹，形成微创手术操作专家数据库是进行自主微创手术机器人研究的基础，基于直观操作的手术医生微创手术操作轨迹检测是构建专家数据库的理想元素。本专利技术根据丝传动微创手术机器人的丝传动布置形式和运动特性，通过构建了驱动轮检测角的微创手术机器人关节角函数关系，实现了进行微创手术机器人运动轨迹分析的目的，解决了丝传动微创手术机器人很难通过关节角检测实现其运动轨迹分析的难题。本专利技术不仅可实现具有力反馈的微创手术操作，还可实现手术医生直观微创手术操作轨迹的检测，对于进行自主微创手术机器人的研究有重要意义。由于丝传动微创手术机器人径向尺寸小、关节多、运动复杂，因此很难通过关节角检测实现其运动轨迹分析。本专利技术根据丝传动布置形式和对称运动特性，构建了基于驱动轮检测角的微创手术机器人关节角模型，实现了根据快换装置驱动轮检测角进行微创手术机器人运动轨迹分析的目的，基于运动轨迹的分析和学习，从而有效的提高微创手术机器人系统的手术操作能力，提高手术效果。附图说明：图1为一种丝传动微创手术机器人的坐标图；图2为丝传动布置形式示意图；图3为丝传动微创手术机器人的结构示意图；图4为丝传动微创手术机器人各个零部件拆装示意图；图5为丝传动微创手术机器人的动作原理示意图；图6为丝传动微创手术机器人的初始状态示意图；图7为丝传动微创手术机器人的手柄与执行器同向俯仰动作状态示意图；图8为丝传动微创手术机器人的手柄与执行器的同向横滚运动状态示意图；图9为丝传动微创手术机器人的手柄与执行器的同向偏转状态示意图；图10为丝传动微创手术机器人的手柄与执行器的镜向X向移动状态示意图；图11为丝传动微创手术机器人的手柄与执行器的镜向Y向移动状态示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。如图1-6所示，组成微创手术机器人的杆件为空心杆件，其内部通过钢丝绳实现手柄、手术剪和各个关节之间的联接，从而实现手柄、手术剪之间的运动控制、力传递，实现二者之间的特定运动映射。如图2所示，中心有叉号的椭圆表示驱动轮，中心没有叉号的椭圆表示支承轮，驱动轮可驱动轴旋转，支承轮可以绕轴自由转运；驱动轮包括快换装置驱动轮101、快换装置驱动轮快换装置102、驱动轮快换装置驱动轮103、快换装置驱动轮104、快换装置驱动轮105和快换装置驱动轮106。同理，杆端部带叉号椭圆表示杆端为驱动轮、不带叉号椭圆表示杆端为支承轮。在微创手术机器人的10个关节中，关节I2与关节X20，关节II4与关节IX18，关节III6与关节VIII16为对应的姿态关节，通过丝传动实现中心对称运动映射；关节IV8与关节VII14，关节V10与关节VI12为对应的位置关节，通过丝传动实现镜向对称运动映射。该系统即可用于手动微创手术，又可用于自动微创手术。在手动微创手术中，手术医生通过手柄控制手术剪完成手术操作。此时即可提高手术操作直观性，又可实现直接力反馈；在自动操作中，RCM机构臂通过快换装置驱动轮、传动丝实现手术剪的运动控制。根据图2所示丝传动布置形式和图1所示的坐标系，定义αi(i＝1,...,6)表示快换装置驱动轮i的主动转角；表示快换装置驱动轮i的检测角，即实际转角；δi,j(i＝1,...,6、j＝1,...,6)表示快换装置驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法，其特征在于：包括如下步骤：建立同一传动丝所联接的各个关节之间的映射关节；通过快换装置驱动轮的检测角获取微创手术机器人的关节角；构建快换装置驱动轮检测角与微创手术机器人关节角之间的函数关系，获取微创手术机器人的运动轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法，其特征在于：包括如下步骤：建立同一传动丝所联接的各个关节之间的映射关节；通过快换装置驱动轮的检测角获取微创手术机器人的关节角；构建快换装置驱动轮检测角与微创手术机器人关节角之间的函数关系，获取微创手术机器人的运动轨迹。2.根据权利要求1所述的一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法，其特征在于：所述快换装置驱动轮的检测角包括为实现关节主动控制的主动转角和为实现关节运动解耦的反向运动补偿转角。3.根据权利要求2所述的一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法，其特征在于：通过检测到的快换装置驱动轮检测角获取由快换装置驱动轮i的主动旋转产生的、经由i钢丝绳驱动的两个驱动轮的旋转角度θi,i、θ′i,i(i＝1,...,6)；αi(i＝1,...,6)表示快换装置驱动轮i的主动转角；表示快换...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳龙旺，冯腾飞，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：河南,41