一种微创外科手术机器人远心定位执行机构及设计方法技术

一种微创外科手术机器人远心定位执行机构及设计方法，它涉及一种远心定位执行机构及设计方法，具体涉及一种微创外科手术机器人远心定位执行机构及设计方法。本发明专利技术为了解决现有远心运动机构方式安全性和刚度较低，加工精度，整体尺寸大的问题。本发明专利技术包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一连杆的一端与基座连接，第一连杆的另一端与第二连杆的一端连接，第三连杆的一端与第二连杆2的另一端连接，第一连杆的横截面是由两个正方形组成的回字形。本发明专利技术用于微创外科手术。

【技术实现步骤摘要】
一种微创外科手术机器人远心定位执行机构及设计方法
本专利技术涉及一种远心定位执行机构及设计方法，具体涉及一种微创外科手术机器人远心定位执行机构及设计方法，属于医疗器械领域。
技术介绍
目前微创手术是医疗技术研究热点，是未来手术发展的趋势，这主要是由于微创医疗有诸多优点：诸如创伤小、住院时间短、恢复快、术后并发症少等。但是传统内窥镜手术有诸多弊端，例如操作精度低，视野范围小，操作自由度小，医生容易疲劳和颤抖。随着科学技术的发展，机器人医疗辅助技术能够很好的解决这些问题。机器人辅助技术能够提供3D视野，便于医生操作，微型医疗器械大大增加了手术操作的灵活性，医生能够进行更精细的操作，同时加入人机工程学方面的设计，能够减少医生的疲劳。现有微创外科手术机器人共有四种远心运动机构方式，分别是被动关节方式、多关节联动方式，平行四边形机构、球型机构。被动关节容易受到体表作用力的影响，降低机器人运动精度。多关节联动方式是通过控制方式来实现远心运动，安全性较低，平行四边形机构共有两种运动方式实现远心运动，一种是同步带约束形式，该方式的缺点是安装调试比较麻烦，需要借助其他装置对准寻找远心，且整体刚度较低；第二种方式是复合平行四边形机构，该机构的缺点是对零件加工精度要求比较高，当零件加工精度较低时会导致机构锁死不能正常工作，另外该机构整体尺寸较大；球型机构采用将驱动后置的方式，通过钢丝绳将运动传递给前端，这样会导致整体机构的刚度较低，且需要另外设计解耦机构或算法，增加设计难度。
技术实现思路
本专利技术为解决现有远心运动机构方式安全性和刚度较低，加工精度，整体尺寸大的问题，进而提出一种微创外科手术机器人远心定位执行机构及设计方法。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一连杆的一端与基座连接，第一连杆的另一端与第二连杆的一端连接，第三连杆的一端与第二连杆2的另一端连接连接，第一连杆的横截面是由两个正方形组成的回字形，第一连杆的外径为81mm，第一连杆的内径为71mm，第三连杆的横截面是由两个正方形组成回字形，第三连杆的内径为73mm，第三连杆的外径为63mm，第二连杆的横截面为工字形，所述工字形的高度为81mm，所述工字形顶边的长度为70mm，所述工字形中间的宽度为6mm，所述工字形顶边的宽度为6mm。本专利技术的有益效果是：本专利技术结构简单，刚度高，且不需要借助其他的辅助装置，易于装配，装配完成之后可确定远心点；本专利技术优化中将碰撞几率作为约束条件首次应用在机构优化中；本专利技术的优化方案能够得到多组数据，设计者可根据自己的侧重点进行选择。附图说明图1是远心定位机构原理图，图2是远心定位机构D-H坐标图，图3是成人人体尺寸图，图4是第一种工作模式图，(a)是俯视图，(b)是正视图，图5是第一种工作模式原理图，图6是第一种工作模式极限工作状态图，图7是第一种工作模式下的两种视图，(a)是侧视图，(b)是俯视图，图8是第一种工作模式下的两种视图，(a)是侧视图，(b)是俯视图，图9第一种工作模式下的特殊工作状态，(a)是θ1∈(π-α2π),θ2＝0.5π，(b)是θ1∈(π-α2π),θ2≠0.5π，(c)是(b)图中箭头所示的方向，图10是第二种工作模式图，(a)是俯视图，(b)是正视图，图11是第一种工作模式极限工作状态图，图12是远心定位机构工作空间示意图，(a)是α1+β0≤0.5π时的示意图，(b)是α1+β0≥0.5πandα2≥α1+β0-0.5π时的示意图，图13是远心定位机构简化原理图，图14(a)是连杆1截面图，(b)是连杆2截面图，(c)是连杆3截面图，图15是两个目标函数值图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种微创外科手术机器人远心定位执行机构及设计方法包括第一连杆1、第二连杆2和第三连杆3，第一连杆1的一端与基座连接，第一连杆1的另一端与第二连杆2的一端连接，第三连杆3的一端与第二连杆2的另一端连接，第一连杆1的横截面是由两个正方形组成的回字形，第一连杆1的外径a为81mm，第一连杆2的内径b为71mm，第三连杆3的横截面是由两个正方形组成回字形，第三连杆3的内径a1为73mm，第三连杆3的外径b1为63mm，第二连杆2的横截面为工字形，所述工字形的高度h为81mm，所述工字形顶边的长度bb为70mm，所述工字形中间的宽度t2为6mm，所述工字形顶边的宽度t1为6mm。具体实施方式二：结合图1至图14说明本实施方式，本实施方式所述一种微创外科手术机器人远心定位执行机构及设计方法设计方法是通过如下步骤实现的：步骤一、远心定位执行机构的正运动学公式为：公式(1)中P表示远心定位执行机构执行端的位置坐标，Px表示远心定位执行机构执行端在X轴上的坐标，Py表示远心定位执行机构执行端在Y轴上的坐标，Pz表示远心定位执行机构执行端在Z轴上的坐标，d表示远心定位执行机构执行端的平移量，c1＝cosθ1，θ1表示旋转关节1运动角度，s1＝sinθ1，c2＝cosθ2，s2＝sinθ2，θ2表示表示旋转关节2运动角度，cα0＝cosα0，sα0＝sinα0，α0＝(γ0+0.5π)，γ0表示旋转关节1与旋转关节2轴线夹角，cα1＝cosα1，sα1＝sinα1，α1表示表示旋转关节1与旋转关节2轴线夹角，cα2＝cosα2，sα2＝sinα2，α2表示表示旋转关节2与平移关节3轴线夹角；步骤二、远心定位执行机构的逆运动学公式为：k＝(pysα0-pzcα0+dcα1cα2)/(dsα1sα2)......(3)θ2＝arccos(k)orθ2＝2π-arccos(k)......(4)θ1＝acot(k1/k2)orθ1＝pi+acot(k1/k2)......(5)k1＝pxsα2s2-(pycα0+pzsα0)(cα1sα2c2+sα1cα2)......(6)k2＝px(cα1sα2c2+sα1cα2)+scα1sα2c2+sα2s2(pycα0+pzsα)......(7)公式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)中，d表示远心定位执行机构执行端的平移量，θ1表示旋转关节1运动角度，θ2表示表示旋转关节2运动角度；步骤三、远心定位执行机构的雅克比矩阵为：公式(8)中J表示远心定位机构前两个旋转运动的雅克比矩阵；步骤四、优化远心定位执行机构的灵活性全局性能指标和全局刚度性能指标：灵活性性能指标为：公式(9)、(10)中m表示雅克比矩阵的行秩，n表示雅克比矩阵的列秩，ωω是正定矩阵，主要用于压科比矩阵归一化处理，tr表示表示矩阵的迹，；灵活性全局性能指标为：ζ＝∫wkJdw/∫wdw......(11)公式(11)中ζ表示灵活性全局性能指标，kJ表示灵活性能指标，w表示工作空间；串联机械臂第i部分基于基坐标的等效柔度矩阵为：公式(12)中，表示串联机械臂第i部分基于基座标的等效柔度矩阵，表示机械臂第i部分相对于基座标的旋转变换矩阵，iPT表示串联机械臂第i部分基于基座标的位置向量，P＝(Px,Py,Pz),(P×)＝(0-PzPy；Pz0-Px；-PyPx0),表示串联机械臂第i部分相对自身参考坐标系的等效柔度矩阵；整体的刚度矩阵为：公式(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微创外科手术机器人远心定位执行机构，其特征在于：所述一种微创外科手术机器人远心定位执行机构包括第一连杆(1)、第二连杆(2)和第三连杆(3)，第一连杆(1)的一端与基座连接，第一连杆(1)的另一端与第二连杆(2)的一端连接，第三连杆(3)的一端与第二连杆2的另一端连接，第一连杆(1)的横截面是由两个正方形组成的回字形，第一连杆1的外径a为81mm，第一连杆2的内径b为71mm，第三连杆3的横截面是由两个正方形组成回字形，第三连杆3的内径a1为73mm，第三连杆3的外径b1为63mm，第二连杆2的横截面为工字形，所述工字形的高度h为81mm，所述工字形顶边的长度bb为70mm，所述工字形中间的宽度t2为6mm，所述工字形顶边的宽度t1为6mm。

【技术特征摘要】
1.一种微创外科手术机器人远心定位执行机构设计方法，所述执行机构包括第一连杆(1)、第二连杆(2)和第三连杆(3)，第一连杆(1)的一端与基座连接，第一连杆(1)的另一端与第二连杆(2)的一端连接，第三连杆(3)的一端与第二连杆(2)的另一端连接，第一连杆(1)的横截面是由两个正方形组成的回字形，第一连杆(1)的外径a为81mm，第一连杆(2)的内径b为71mm，第三连杆(3)的横截面是由两个正方形组成回字形，第三连杆(3)的内径a1为73mm，第三连杆(3)的外径b1为63mm，第二连杆(2)的横截面为工字形，所述工字形的高度h为81mm，所述工字形顶边的长度bb为70mm，所述工字形中间的宽度t2为6mm，所述工字形顶边的宽度t1为6mm；其特征在于：所述一种微创外科手术机器人远心定位执行机构设计方法是通过如下步骤实现的：步骤一、远心定位执行机构的正运动学公式为：公式(1)中P表示远心定位执行机构执行端的位置坐标，Px表示远心定位执行机构执行端在X轴上的坐标，Py表示远心定位执行机构执行端在Y轴上的坐标，Pz表示远心定位执行机构执行端在Z轴上的坐标，d表示远心定位执行机构执行端的平移量，c1＝cosθ1，θ1表示旋转关节1运动角度，s1＝sinθ1，c2＝cosθ2，s2＝sinθ2，θ2表示表示旋转关节2运动角度，cα0＝cosα0，sα0＝sinα0，α0＝(γ0+0.5π)，γ0表示旋转关节1与旋转关节2轴线夹角，cα1＝cosα1，sα1＝sinα1，α1表示表示旋转关节1与旋转关节2轴线夹角，cα2＝cosα2，sα2＝sinα2，α2表示表示旋转关节2与平移关节3轴线夹角；步骤二、远心定位执行机构的逆运动学公式为：k＝(pysα0-pzcα0+dcα1cα2)/(dsα1sα2)......(3)θ2＝arccos(k)orθ2＝2π-arccos(k)......(4)θ1＝acot(k1/k2)orθ1＝pi+acot(k1/k2)......(5)k1＝pxsα2s2-(pycα0+pzsα0)(cα1sα2c2+sα1cα2)......(6)k2＝px(cα1sα2c2+sα1cα2)+scα1sα2c2+sα2s2(pycα0+pzsα)......(7)公式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)中，d表示远心定位执行机构执行端的平移量，θ1表示旋转关节1运动角度，θ2表示表示旋转关节2运动角度；步骤三、远心定位执行机构的雅克比矩阵为：公式(8)中J表示远心定位机构前两个旋转运动的雅克比矩阵；；步骤四、优化远心定位执行机构的灵活性全局性能指标和全局刚度性能指标：灵活性性能指标为：公式(9)、(10)中m表示雅克比矩阵的行秩，n表示雅克比矩阵的列秩，ω表示正矩阵，tr表示表示矩阵的迹，；灵活性全局性能指标为：ζ＝∫wkJdw/∫wdw......(11)公式(11)中ζ表示灵活性全局性能指标，kJ表示灵活性能指标，w表示工作空间；；串联机械臂第i部分基于基坐标的等效柔度矩阵为：公式(12)中，表示串联机械臂第i部分基于基座标的等效柔度矩阵，表示机械臂第i部分相对于基座标的旋转变换矩阵，iPT表示串联机械臂第i部分基于基座标的位置向量，P＝(Px,Py,Pz),(P×)＝(0-PzPy；P...

【专利技术属性】
技术研发人员：付宜利，潘博，牛国君，张福海，封海波，王树国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23