【技术实现步骤摘要】
本申请涉及手术机器人，具体而言，涉及小型化混联穿刺机器人运动学解析方法。
技术介绍
1、关于穿刺手术机器人的运动学解析，包括逆运动学解析和正运动学解析，其中逆运动学解析为已知末端的位置和姿态，以及所有连杆的几何参数下，求解关节的位置。在相关技术中对于关节串联的机器人逆运动学解析方法较为成熟，但是对于特殊的一种既包括串联结构又包括并联结构的混联机器人进行逆运动学解析时难以运用。
技术实现思路
1、本申请的主要目的在于提供一种小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，以解决相关技术中的运动学解析方法不适用于对混联机器人进行运动学解析的问题。
2、为了实现上述目的，本申请提供了一种小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，应用至混联机器人中，所述混联机器人包括上层运动平台和下层运动平台，所述上层运动平台包括两个第一直线运动构件、第一水平支架、第一旋转连杆和滑块，两个所述第一直线运动构件并联后依次与所述第一水平支架、第一旋转连杆和滑块串联；
3、所述下层运动平台包括两个第二直线运动构件、第二水平支架、下层万向节，两个所述第二直线运动构件并联后依次与所述第二水平支架、下层万向节和末端支架串联，所述上层运动平台和所述下层运动平台通过滑块与末端支架上的导轨并联；
4、所述运动学解析方法包括：
5、步骤1：求解正运动学，得到末端套筒或穿刺针上任意点在基坐标系下的齐次变换矩阵表达式；
6、步骤2：给定目标位姿，初步判断机器人是否可达，若可达，则进行步骤
7、步骤3：联立步骤1和步骤2的齐次变换矩阵方程式，求解下层万向节的前端与后端的旋转角度；
8、步骤4：将下层万向节的前端与后端的旋转角代入步骤1中的齐次变换矩阵，计算下层运动平台中的关键点的位置坐标；
9、步骤5：基于步骤3和步骤4的结果，以及第一旋转连杆和下层万向节的旋转角度与上层运动平台和下层运动平台的运动关系确定上层运动平台中的关键点的位置坐标；
10、步骤6：基于几何法，建立第一直线运动构件和第二直线运动构件的解析表达式，根据所述解析表达式判断第一直线运动构件和第二直线运动构件是否满足运动需求。
11、进一步的，两个所述第一直线运动构件的第一端通过轴承铰接在安装平台上，其第二端通过轴承铰接至所述第一水平支架上；
12、两个所述第二直线运动构件的第二端通过轴承铰接在所述安装平台上，其第二端通过轴承铰接至所述第二水平支架上；
13、设两个所述第一直线运动构件第二端的铰接点的中心点为o2+，两个所述第二直线运动构件第二端的铰接点的中心点为o2-；
14、计算下层运动平台中的关键点的位置坐标，具体为：
15、计算所述o2-的位置坐标（x2-，y2-，z2-）；
16、确定上层运动平台中的关键点的位置坐标，具体为：
17、确定所述o2+的位置坐标（x2+，y2+，z2+）。
18、进一步的，基坐标系为以两个所述第一直线运动构件第一端的铰接点与两个所述第二直线运动构件第一端的铰接点的交叉点为原点建立的坐标系。
19、进一步的，求解正运动学，得到末端套筒或穿刺针上任意点在基坐标系下的齐次变换矩阵表达式，具体为：
20、设该任意点在套筒中心点o3-所在的坐标系下的位置坐标为（tx,ty,tz），采用几何法和dh建模方法结合，计算得到套筒的位姿矩阵为：
21、，
22、其中： ；
23、θwb-为下层万向节后端的旋转角度，θwf-为下层万向节前端的旋转角度；
24、；
25、设两个第二直线运动构件分别为第1号直线运动构件和第2号直线运动构件，两个第一直线运动构件分别为第3号直线运动构件和第4号直线运动构，lh为第1号直线运动构件和第2号直线运动构件中后端的轴承中心点的距离，同时，其与第3号直线运动构件和第4号直线运动构件中后端的轴承中心点的距离相等；
26、；为o2-到下层万向节前端旋转轴中心点的长度，也等同于o2+到第一旋转连杆前端旋转轴中心点的长度；
27、；
28、；为下层万向节的前端旋转轴中心点到套筒中心点的长度，即到穿刺针中心点的长度，也等同于第一旋转连杆的前端旋转轴中心点到套筒中心点的长度。
29、进一步的，给定目标位姿，初步判断机器人是否可达，具体为：
30、给定目标位姿的齐次变换矩阵，设为t，判断下式是否成立：
31、；
32、若成立则进行步骤3，不成立则给予提示。
33、进一步的，联立步骤1和步骤2的齐次变换矩阵方程式，求解下层万向节的前端与后端的旋转角度，具体为：
34、；
35、；
36、；
37、。
38、进一步的，将下层万向节的前端与后端的旋转角代入步骤1中的齐次变换矩阵，计算下层运动平台中的关键点的位置坐标，具体为：
39、将下层万向节的前端和后端的旋转角度代入步骤1中的齐次变换矩阵，计算o2-的位置y坐标和位置x坐标：
40、；
41、；
42、
43、。
44、进一步的，基于步骤3和步骤4的结果，以及第一旋转连杆和下层万向节的旋转角度与上层运动平台和下层运动平台的运动关系确定上层运动平台中的关键点的位置坐标，具体为：
45、所述第一旋转连杆和所述下层万向节的后端和前端分别具有一个转轴，所述第一旋转连杆后端和前端的旋转角度分别设为θwb+和θwf+，所述下层万向节后端和前端的旋转角度分别设为θwb-和θwf-，根据所述混联机器人的运动分析：
46、θwb+=θwb-，θwf+=θwf-；
47、设：
48、；
49、；
50、则：
51、；
52、；
53、联立上述公式，可求解o2+的位置y坐标和位置x坐标。
54、进一步的，基于几何法，建立第一直线运动构件和第二直线运动构件的解析表达式，根据所述解析表达式判断第一直线运动构件和第二直线运动构件是否满足运动需求，具体为：
55、连接第i号直线运动构件的前后轴承中心点，构建虚拟驱动组件，连线的长度设为虚拟驱动组件的长度li：第i号虚拟驱动组件长度（i=1，2，3，4），上下层的虚拟驱动组件并联结构可简化为梯形构型，由几何法可得所述解析表达式：
56、；
57、；
58、；
59、；
60、根据所述解析表达式判断第一直线运动构件和第二直线运动构件是否满足运动需求。
61、根据本申请的另一方面，提供一种机器人系统，包括：
62、存储器，所述存储器存储执行指令；以及
63、处理器，所述处理器执本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，应用至混联机器人中，所述混联机器人包括上层运动平台和下层运动平台，所述上层运动平台包括两个第一直线运动构件、第一水平支架、第一旋转连杆和滑块，两个所述第一直线运动构件并联后依次与所述第一水平支架、第一旋转连杆和滑块串联；
2.根据权利要求1所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，两个所述第一直线运动构件的第一端通过轴承铰接在安装平台上，其第二端通过轴承铰接至所述第一水平支架上；
3.根据权利要求2所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，所述基坐标系为以两个所述第一直线运动构件第一端的铰接点与两个所述第二直线运动构件第一端的铰接点的交叉点为原点建立的坐标系。
4.根据权利要求3所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，求解正运动学，得到末端套筒或穿刺针上任意点在基坐标系下的齐次变换矩阵表达式，具体为：
5.根据权利要求4所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，给定目标位姿，初步判断是否机器人是否可达，具体为：
6.
7.根据权利要求6所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，将下层万向节的前端与后端的旋转角代入步骤1中的齐次变换矩阵，计算下层运动平台中的关键点的位置坐标，具体为：
8.根据权利要求7所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，基于步骤3和步骤4的结果，以及第一旋转连杆和下层万向节的旋转角度与上层运动平台和下层运动平台的运动关系确定上层运动平台中的关键点的位置坐标，具体为：
9.根据权利要求8所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，基于几何法，建立第一直线运动构件和第二直线运动构件的解析表达式，根据所述解析表达式判断第一直线运动构件和第二直线运动构件是否满足运动需求，具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，应用至混联机器人中，所述混联机器人包括上层运动平台和下层运动平台，所述上层运动平台包括两个第一直线运动构件、第一水平支架、第一旋转连杆和滑块，两个所述第一直线运动构件并联后依次与所述第一水平支架、第一旋转连杆和滑块串联；
2.根据权利要求1所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，两个所述第一直线运动构件的第一端通过轴承铰接在安装平台上，其第二端通过轴承铰接至所述第一水平支架上；
3.根据权利要求2所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，所述基坐标系为以两个所述第一直线运动构件第一端的铰接点与两个所述第二直线运动构件第一端的铰接点的交叉点为原点建立的坐标系。
4.根据权利要求3所述的小型化混联穿刺机器人运动学解析方法，其特征在于，求解正运动学，得到末端套筒或穿刺针上任意点在基坐标系下的齐次变换矩阵表达式，具体为：
5.根据权利要求4所述的小型化混联穿刺机器人运动学...
【专利技术属性】
技术研发人员：张昊任，陈向前，李营花，张欢，
申请(专利权)人：真健康广东横琴医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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