CN106643639B

CN106643639B - 一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法

Info

Publication number: CN106643639B
Application number: CN201611064064.3A
Authority: CN
Inventors: 岳龙旺; 冯腾飞
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2036-11-28
Also published as: CN106643639A

Abstract

本发明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。

Description

一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法

技术领域：

本发明属于微创手术机器人技术领域，具体涉及一种丝传动微创手术机器人轨迹检测方法。

背景技术：

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(Remote Center of Motion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。

发明内容：

综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明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，本发明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＝0

δ₅＝δ_6,5

δ₄＝δ_6,4

δ₃＝δ_6,3+δ_4,3

δ₂＝δ_6,2+δ_4,2

δ₁＝δ_6,1

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θ_i,i、θ′_i,i(i＝1,...,6)；

α_i(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；δ_i,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；θ_i,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＝θ_6,6

θ′₁＝θ′_6,6

θ₂＝θ_5,5

θ′₂＝θ′_5,5

θ₃＝θ_4,4-θ_5,5

θ′₃＝θ′_4,4-θ′_5,5

θ₄＝θ_1,1

θ′₄＝θ′_1,1

将关节角θ_i、θ′_i(i＝1,...,5)代入以上公式，即可得出手柄、手术剪的运动轨迹；

θ_i、θ′_i(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，θ′₁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，θ′₂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，θ′₃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，θ′₄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，θ′₅表示执行器的平分线相对于杆IX的偏转角。

本发明的有益效果为：

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。本发明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。

本发明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。本发明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

下面结合附图对本发明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；驱动轮包括第一快换装置驱动轮101、第二快换装置驱动轮102、第三快换装置驱动轮103、第四快换装置驱动轮104、第五快换装置驱动轮105和第六快换装置驱动轮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α_i(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；δ_i,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，该补偿角可以抵消第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；θ_i,_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；θ_i、θ′_i(i＝1,...,5)分别表示微创手术机器人关节角，其中，θ₁表示杆IV9相对于杆V11偏转角，θ′₁表示杆VI13相对于杆V11偏转角；θ₂表示杆III7相对于杆IV9偏转角，θ′₂表示杆VII15相对于杆VI13偏转角；θ₃表示杆II5相对于杆III7偏转角，θ′₃表示杆VIII16相对于杆VII15偏转角；θ₄表示杆I3相对于杆II5偏转角，θ′₄表示杆IX19相对于杆VIII17偏转角；θ₅表示左手柄22、右手柄23平分线相对于杆I3的偏转角，θ′₅表示手术剪I26、II27平分线相对于杆IX19的偏转角。所有旋转角度的符号表示其旋转方向，正号表示逆时针旋转，负号表示顺时针旋转。

下面以快换装置驱动轮101为例，详细介绍通过快换装置驱动轮的反向补偿解决微创手术机器人运动时的关节耦合问题的方法。

当快换装置驱动轮101逆时针旋转α₆时，通过钢丝绳Ⅵ31驱动杆IV9顺时针旋转θ_6,6、驱动杆VI13旋转θ′_6,6，形成杆IV9和杆VI13相对于杆V11的X向运动，且有：

其中，R₄、R₅、R₀₆分别表示轴Ⅳ驱动轮51、轴Ⅴ驱动轮53、快换装置驱动轮101的半径。

由于轴Ⅳ50与轴Ⅲ45组成垂直关节，杆IV9相对于杆V11的旋转角θ_6,6，造成钢丝绳Ⅴ49在轴Ⅳ50支撑轮上尾包角变化，从而导致轴Ⅲ驱动轮46和杆III7相对于杆IV9逆时针偏转θ_6,5；同理，轴Ⅵ47与轴Ⅴ52组成垂直关节，杆VI13相对于杆Ⅴ11的偏转θ′_6,6，造成钢丝绳Ⅴ49在轴Ⅴ52支撑轮上的围包角变化，从而导致轴Ⅵ驱动轮48和杆VII15相对于杆VI13顺时针偏转θ′_6,5。

其中，R₃、R₆、R_4,0、R_5,0分别表示轴Ⅲ驱动轮46、轴Ⅵ驱动轮48、轴Ⅳ支撑轮、轴Ⅴ支撑轮的半径。

杆IV9和杆VI13的运动造成杆III7和杆VII15的同步运动，即形成杆IV9、杆VI13运动与杆III7、杆VII15运动的耦合。可通过快换装置驱动轮102的反向运动补偿实现杆IV9、杆VI13运动与杆III7、杆VII15运动的解耦。

驱动快换装置驱动轮102逆时针旋转δ_6,5，通过钢丝绳驱动杆III7相对于杆IV9顺时针偏转θ_5,5、驱动杆VII15相对杆VI13逆时针旋转θ′_5,5，且有：

其中，R₀₅表示快换装置驱动轮102的半径。

当|θ_5,5|＝|θ_6,5|、|θ′_5,5|＝|θ′_6,5|时，杆III7恢复与杆IV9的初始相对位置，杆VII15恢复与杆VI13的初始相对位置。驱动快换装置驱动轮102反向运动补偿角度δ_6,5与驱动快换装置驱动轮101的运动角度α₆之间的关系为：

因此，快换装置驱动轮102的反向运动补偿角δ_6,5可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的杆III7相对杆IV9、杆VII15相对杆VI13的耦合运动，实现关节IV8与关节V10、关节VII14与关节VI12的解耦。

同理，快换装置驱动轮103的反向运动补偿角δ_6,4可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的杆II5相对杆III7、杆VIII17相对杆VII15的耦合运动，实现关节III6与关节V10、关节VIII16与关节VI12的解耦；快换装置驱动轮104的反向运动补偿δ_6,3可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的手柄杆II5相对杆I3、杆II5相对杆IX19的耦合运动，实现关节I2与关节V10、关节X20与关节VI12的解耦；快换装置驱动轮105的反向运动补偿δ_6,2可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的左手柄22相对杆I3、手术剪I26相对杆IX19的耦合运动，实现关节I2与关节V10、关节X20与关节VI12的解耦；快换装置驱动轮1的反向运动补偿角δ_6,1可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的杆I3相对杆II5、杆IX19相对杆VIII17的耦合运动，实现关节II4与关节V10、关节IX18与关节VI12的解耦。各驱动轮的反向运动补偿角为：

其中，R₀₁、R₀₂、R₀₃R₀₄分别表示快换装置驱动轮106、105、104、103的半径，R_1,0、R_2,0、R_3,0分别表示轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ支撑轮的半径，δ_6,1、δ_6,2、δ_6,3、δ_6,4分别表示快换装置驱动轮106、105、104、103的反向运动补偿角，均为逆时针方向。

X向运动：

其中，R₄、R₅、R₀₆分别表示轴Ⅳ驱动轮51、轴Ⅴ驱动轮53、快换装置驱动轮102、快换装置驱动轮101的半径。

由于轴Ⅳ50与轴Ⅲ45组成垂直关节，杆IV9相对于杆V11的旋转角θ_6,6，造成钢丝绳Ⅴ49在轴Ⅳ支撑轮上尾包角变化，从而导致轴Ⅲ驱动轮46和杆III7相对于杆IV9逆时针偏转θ_6,5；同理，轴Ⅵ47与轴Ⅴ52组成垂直关节，杆VI13相对于杆Ⅴ11的偏转θ′_6,6，造成钢丝绳Ⅴ49在轴Ⅴ支撑轮上的围包角变化，从而导致轴Ⅵ驱动轮48和杆VII15相对于杆VI13顺时针偏转θ′_6,5。

其中，R₀₅表示快换装置驱动轮102的半径。

同理，快换装置驱动轮103的反向运动补偿角δ_6,4可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的杆II5相对杆III7、杆VIII17相对杆VII15的耦合运动，实现关节III6与关节V10、关节VIII16与关节VI12的解耦；快换装置驱动轮104的反向运动补偿δ_6,3可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的手柄杆II5相对杆I3、手术剪杆II5相对杆IX19的耦合运动，实现关节I2与关节V10、关节X20与关节VI12的解耦；快换装置驱动轮105的反向运动补偿δ_6,2可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的左手柄22相对杆I3、手术剪I26相对杆IX19的耦合运动，实现关节I2与关节V10、关节X20与关节VI12的解耦；快换装置驱动轮101的反向运动补偿角δ_6,1可抵消由于快换装置驱动轮101的逆时针旋转α₆造成的杆I3相对杆II5、杆IX19相对杆VIII17的耦合运动，实现关节II4与关节V10、关节IX18与关节VI12的解耦。各驱动轮的反向运动补偿角为：

Y向运动：

快换装置驱动轮102逆时针旋转α₅时，通过钢丝绳Ⅴ49驱动杆III7顺时针旋转θ_5,5、驱动杆VII14逆时针旋转θ′_5,5，且有：

但是杆III7与杆VII15的运动不改变右手柄23与手术剪II27、左手柄22与手术剪I26、杆I3与杆IX19的初始姿态，因此不需要对快换装置驱动轮102逆时针旋转α₅进行反向运动补偿。

偏转运动：

快换装置驱动轮103逆时针旋转α₄时，通过钢丝绳Ⅳ44驱动杆II5顺时针旋转θ_4,4、驱动杆VIII17逆时针旋转θ′_4,4，且有：

快换装置驱动轮104的反向运动补偿δ_4,3可抵消由于快换装置驱动轮103的逆时针旋转α₄造成的右手柄23相对杆I3、手术剪II27相对杆IX19的耦合运动，实现关节I2与关节III6、关节X20与关节VIII16的解耦；快换装置驱动轮105的反向运动补偿δ_4,2可抵消由于快换装置驱动轮103的逆时针旋转α₄造成的左手柄22相对杆I3、手术剪I26相对杆IX19的耦合运动，实现关节I2与关节III6、关节X20与关节VIII16的解耦；快换装置驱动轮103逆时针旋转α₄不改变杆I3相对杆II5、杆相对杆VIII17相对姿态，因此快换装置驱动轮103不需要进行反向运动补偿。各驱动轮的反向运动补偿角为：

其中，R_h1、R_h2分别表示左手柄22、右手柄23驱动轮的半径。

俯仰运动：

快换装置驱动轮104逆时针旋转α₃时，通过钢丝绳Ⅲ41驱动右手柄23相对杆I3逆时针旋转θ_3,3、驱动手术剪II27相对杆IX19逆时针旋转θ′_3,3，且有：

其中，R_s2表示手术剪II27驱动轮的半径。

快换装置驱动轮105逆时针旋转α₂时，通过钢丝绳Ⅱ34驱动左手柄22相对杆I3逆时针旋转θ_2,2、驱动手术剪I26相对杆IX19逆时针旋转θ′_2,2，且有：

其中，R_s1表示手术剪I26驱动轮的半径。

关节I2与关节X20与其它关节不耦合，因此不需要对快换装置驱动轮104、快换装置驱动轮105的运动进行反向运动补偿。

横滚运动：

快换装置驱动轮106逆时针旋转α₁时，通过钢丝绳Ⅰ33，驱动杆I3相对杆II5转动逆时针转动θ_1,1，驱动杆IX19相对杆VIII16转动逆时针转动θ′_1,1，且有：

其中，R_z1表示锥齿轮Ⅰ37与锥齿圈Ⅰ35节圆半径，R_z2表示锥齿轮Ⅱ40与锥齿圈Ⅱ38节圆半径。

关节II4与关节IX18与其它关节不耦合，因此不需要对快换装置驱动轮106的运动进行反向运动补偿。

对于丝传动来说，同一根传动丝所联接的各个关节之间具有确定的映射关节，因此，根据微创手术机器人丝传动布置形式，通过快换装置驱动轮检测角求得微创手术机器人的关节角；根据其关节角与运动学方程，求得其运动轨迹是实现丝传动微创手术机器人运动轨迹检测的有效方法。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是实现该方法的理论基础。

在微创手术工具运动过程中，快换装置驱动轮转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。

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驱动轮的反向运动补偿角之和，即：

δ₆＝0

δ₅＝δ_6,5

δ₄＝δ_6,4

δ₃＝δ_6,3+δ_4,3

δ₂＝δ_6,2+δ_4,2

δ₁＝δ_6,1

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θ_i,i、θ′_i,i(i＝1,...,6)。

根据图1所示微创手术机器人坐标系可知，驱动轮转角与机器人关节角之间存在如下函数关系：

θ₁＝θ_6,6

θ′₁＝θ′_6,6

θ₂＝θ_5,5

θ′₂＝θ′_5,5

θ₃＝θ_4,4-θ_5,5

θ′₃＝θ′_4,4-θ′_5,5

θ₄＝θ_1,1

θ′₄＝θ′_1,1

将关节角θ_i、θ′_i(i＝1,…,5)代入微创手术机器人运动学方程，即可得出手柄、手术剪的运动轨迹。

如图3、图4、图5、图6所示，一种丝传动微创手术机器人包括自上而下依次连接的手柄1、关节Ⅰ2、杆Ⅰ3、关节Ⅱ4、杆Ⅱ5、关节Ⅲ6、杆Ⅲ7、关节Ⅳ8、杆Ⅳ9、关节Ⅴ10、杆Ⅴ11、关节Ⅵ12、杆Ⅵ13、关节Ⅶ14、杆Ⅶ15、关节Ⅷ16、杆Ⅷ17、关节Ⅸ18、杆Ⅸ19、关节Ⅹ20及执行器21，杆Ⅰ3、杆Ⅱ5、杆Ⅲ7、杆Ⅳ9、杆Ⅴ11、杆Ⅵ13、杆Ⅶ15、杆Ⅷ17、杆Ⅸ19均为空心杆，执行器21为手术剪或为手术钳或为手术夹或为镊子，所述的手柄1包括左手柄22及右手柄23，左手柄22及右手柄23下端均设置有圆孔Ⅰ24，所述的杆Ⅰ3上端设置有支撑孔Ⅰ25，手柄1与杆Ⅰ3通过穿过圆孔Ⅰ24及支撑孔Ⅰ25的轴Ⅰ30连接后，形成关节Ⅰ2，所述的执行器21包括左执行器26及右执行器27，左执行器26及右执行器27的上端均设置有圆孔Ⅸ28，所述的杆Ⅸ19下端设置有支撑孔Ⅸ29，执行器21与杆Ⅸ19通过穿过圆孔Ⅸ28及支撑孔Ⅸ29的轴Ⅷ32连接后，形成关节Ⅹ20，轴Ⅰ30的轴线与轴Ⅷ32的轴线平行设置，左手柄22下端与左执行器26上端通过交叉的钢丝绳Ⅰ33连接，右手柄23下端与右执行器27上端通过交叉的钢丝绳Ⅱ34连接，钢丝绳Ⅰ33与钢丝绳Ⅱ34实现关节Ⅰ2与关节Ⅹ20的联动，实现手柄1与执行器21同向俯仰动作及执行器21的开合动作。

杆Ⅰ3下部与杆Ⅱ5上部套接，且杆Ⅰ3与杆Ⅱ5相对转动，杆Ⅰ3下部与杆Ⅱ5上部套接后形成关节Ⅱ4，杆Ⅰ3下端设置有锥齿圈Ⅰ35，杆Ⅱ5下端与杆Ⅲ7上端通过轴Ⅱ36铰接，铰接后成为关节Ⅲ6，轴Ⅱ36上设置有锥齿轮Ⅰ37，锥齿圈Ⅰ35与锥齿轮Ⅰ37相互啮合，所述的杆Ⅸ19上部与杆Ⅷ17下部套接，且杆Ⅸ19与杆Ⅷ17相对转动，杆Ⅸ19上部与杆Ⅷ17下部套接后形成关节Ⅷ16，杆Ⅸ19上端设置有锥齿圈Ⅱ38，杆Ⅷ17上端与杆Ⅶ15下端通过轴Ⅶ39铰接，铰接后成为关节Ⅷ16，轴Ⅶ39上设置有锥齿轮Ⅱ40，锥齿圈Ⅱ38与锥齿轮Ⅱ40相互啮合，轴Ⅱ36的轴线与轴Ⅶ39的轴线平行设置，且轴Ⅱ36的轴线与轴Ⅰ30的轴线垂直设置，锥齿轮Ⅱ40与锥齿轮Ⅰ37通过交叉的钢丝绳Ⅲ41连接。钢丝绳Ⅲ41实现关节Ⅱ4与关节Ⅸ18的联动，实现手柄1与执行器21的同向横滚运动。

轴Ⅱ36上通过键周向固定连接有轴Ⅱ驱动轮42，所述的轴Ⅶ39上通过键周向固定连接有轴Ⅶ驱动轮43，轴Ⅱ驱动轮42与轴Ⅶ驱动轮43通过钢丝绳Ⅳ44连接，钢丝绳Ⅳ44实现轴Ⅱ驱动轮42与轴Ⅶ驱动轮43的联动，从而实现轴Ⅱ36与轴Ⅶ39的联动，最终实现关节Ⅲ6与关节Ⅷ16联动，实现手柄1与执行器21的同向偏转。

杆Ⅲ7下端与杆Ⅳ9上端通过轴Ⅲ45铰接，铰接后形成关节Ⅳ8，所述的轴Ⅲ45上通过键周向固定连接有轴Ⅲ驱动轮46，所述的杆Ⅶ15上端与杆Ⅵ13下端通过轴Ⅵ47铰接，铰接后形成关节Ⅶ14，所述的轴Ⅵ47上通过键周向固定连接有轴Ⅵ驱动轮48，轴Ⅲ驱动轮46与轴Ⅵ驱动轮48通过交叉的钢丝绳Ⅴ49连接，轴Ⅲ45的轴线与轴Ⅵ47的轴线平行设置，轴Ⅲ45的轴线与轴Ⅱ36的轴线平行设置，钢丝绳Ⅴ49实现关节Ⅳ8与关节Ⅶ14的联动，实现手柄1与执行器21的镜向X向移动。

杆Ⅳ9下端与杆Ⅴ11上端通过轴Ⅳ50铰接，铰接后形成关节Ⅴ10，轴Ⅳ50上通过键周向固定连接有轴Ⅳ驱动轮51，所述的杆Ⅵ13上端与杆Ⅴ11下端通过轴Ⅴ52铰接，铰接后形成关节Ⅵ12，轴Ⅴ52上通过键周向固定连接有轴Ⅴ驱动轮53，轴Ⅳ驱动轮51与轴Ⅴ驱动轮53通过交叉的钢丝绳Ⅵ31连接，轴Ⅴ52的轴线与轴Ⅳ50的轴线平行设置，轴Ⅳ50的轴线与轴Ⅰ30的轴线平行设置，钢丝绳Ⅵ31实现关节Ⅴ10与关节Ⅵ12的联动，实现手柄1与执行器21的镜向Y向移动。

杆Ⅰ3、杆Ⅱ5、杆Ⅲ7、杆Ⅳ9、杆Ⅴ11、杆Ⅵ13、杆Ⅶ15、杆Ⅷ17、杆Ⅸ19均为空心杆，钢丝绳Ⅰ33、钢丝绳Ⅲ41、钢丝绳Ⅰ33、钢丝绳Ⅳ44、钢丝绳Ⅴ49及钢丝绳Ⅵ31均设置在空心杆内。

如图6所示，以手术剪为例，执行器21为手术剪，当需要进行手术剪操作时，左手柄22与右手柄23相对运动，分别通过钢丝绳Ⅰ33及钢丝绳Ⅱ34带动左执行器26及右执行器27做相对运动，从而实现左执行器26与右执行器27的向内夹持动作，可完成手术操作中的剪切动作。

如图7所示，当需要手柄1与执行器21做同向俯仰动作时，左手柄22与右手柄23同向运动，左手柄22及右手柄23以轴Ⅰ30为转动轴转动，分别通过钢丝绳Ⅰ33及钢丝绳Ⅱ34带动左执行器26及右刀头27以轴Ⅷ32为转轴做同向转动动作，从而实现左执行器26与右执行器27的同向俯仰动作，使执行器21以轴Ⅷ32为转轴做180°旋转，从而实现180°范围内，不同角度的剪切手术操作。

如图8所示，当需要手柄1与执行器21做同向横滚运动动作时，横向旋转杆Ⅰ3，杆Ⅰ3带动锥齿圈Ⅰ35转动，锥齿圈Ⅰ35啮合锥齿轮Ⅰ37转动，锥齿轮Ⅰ37通过钢丝绳Ⅲ41带动锥齿轮Ⅱ40联动，锥齿轮Ⅱ40啮合锥齿圈Ⅱ38转动，从而带动杆Ⅸ19转动，从而带动杆Ⅸ19下端连接的轴Ⅷ32及执行器21的转动，实现手柄1与执行器21的同向横滚运动动作。

如图9所示，当需要手柄1与执行器21做同向偏转动作时，偏转杆Ⅱ5，使轴Ⅱ36随杆Ⅱ5偏转，从而使轴Ⅱ驱动轮42转动，通过钢丝绳Ⅳ44带动轴Ⅶ驱动轮43偏转，从而带动轴Ⅶ39转动，使杆Ⅷ17偏转，从而实现杆Ⅱ5之上零部件与杆Ⅷ17之下零部件的偏转，实现手柄1与执行器21的同向偏转动作。

如图10所示，当需要手柄1与执行器21做镜向X向移动时，偏转杆Ⅲ7，使轴Ⅲ45随杆Ⅲ7转动，从而使轴Ⅲ驱动轮46转动，通过钢丝绳Ⅴ49带动轴Ⅵ驱动轮48偏转，从而带动轴Ⅵ47转动，使杆Ⅶ15偏转，从而实现杆Ⅲ7之上零部件与杆Ⅶ15之下零部件的偏转，实现手柄1与执行器21的镜向X向移动。

如图11所示，当需要手柄1与执行器21做镜向Y向移动时，偏转杆Ⅳ9，使轴Ⅳ50随杆Ⅳ9转动，从而使轴Ⅳ驱动轮51转动，通过钢丝绳Ⅵ31带动轴Ⅴ驱动轮53偏转，从而带动轴Ⅴ52转动，使杆Ⅵ13偏转，从而实现杆Ⅳ9之上零部件与杆Ⅵ13之下零部件的偏转，实现手柄1与执行器21的镜向Y向移动。

要说明的是，以上所述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其它修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims

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；

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；

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；

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＝0

δ₅＝δ_6,5

δ₄＝δ_6,4

δ₃＝δ_6,3+δ_4,3

δ₂＝δ_6,2+δ_4,2

δ₁＝δ_6,1

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θ_i,i、θ’_i,i(i＝1,...,6)；

R₀₁、R₀₂、R₀₃、R₀₄、R₀₅、R₀₆分别表示第六快换装置驱动轮、第五快换装置驱动轮、第四快换装置驱动轮、第三快换装置驱动轮、第二快换装置驱动轮、第一快换装置驱动轮的半径；R₂、R₃、R₄分别表示轴II驱动轮、轴Ⅲ驱动轮、轴Ⅳ驱动轮的半径；R_h1、R_h2分别表示左手柄、右手柄驱动轮的半径；R_z1表示锥齿轮Ⅰ与锥齿圈Ⅰ节圆半径；

α_i(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；δ_i,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；θ_i,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；

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＝θ_6,6

θ'₁＝θ'_6,6

θ₂＝θ_5,5

θ'₂＝θ'_5,5

θ₃＝θ_4,4-θ_5,5

θ'₃＝θ'_4,4-θ'_5,5

θ₄＝θ_1,1

θ'₄＝θ'_1,1

将关节角θ_i、θ'_i(i＝1,...,5)代入微创手术机器人运动学方程，即可得出手柄、手术剪的运动轨迹；

θ_i、θ'_i(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，θ'₁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，θ'₂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，θ'₃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，θ'₄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，θ'₅表示执行器的平分线相对于杆IX的偏转角。