CN107374727A - 一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法 - Google Patents

一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107374727A
CN107374727A CN201710630714.4A CN201710630714A CN107374727A CN 107374727 A CN107374727 A CN 107374727A CN 201710630714 A CN201710630714 A CN 201710630714A CN 107374727 A CN107374727 A CN 107374727A
Authority
CN
China
Prior art keywords
msub
mrow
hand
mtd
joint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710630714.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107374727B (zh
Inventor
肖乔木
梁东
徐登
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CHONGQING JINSHAN MEDICAL ROBOT Co.,Ltd.
Original Assignee
Chongqing Jinshan Medical Appliance Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing Jinshan Medical Appliance Co Ltd filed Critical Chongqing Jinshan Medical Appliance Co Ltd
Priority to CN201710630714.4A priority Critical patent/CN107374727B/zh
Publication of CN107374727A publication Critical patent/CN107374727A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107374727B publication Critical patent/CN107374727B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30Surgical robots
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70Manipulators specially adapted for use in surgery
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/101Computer-aided simulation of surgical operations
    • A61B2034/102Modelling of surgical devices, implants or prosthesis

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明公开了一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法,包括:建立主手腕点相对于主手基坐标系的齐次变换矩阵;根据预设的主从手之间的基座标旋转映射矩阵、比例映射系数和所述主手齐次变换矩阵得到从手相对于其基坐标系的腕点位置;根据从手中控制位置运动关节的齐次变换矩阵与从手腕点的位置建立等式,求解出从手中控制位置运动关节的角度值和/或位置值;根据主手在腕点位置的姿态角度和从手在其腕点的姿态角度一一对应的关系建立等式,求解出从手控制姿态运动关节的角度值和/或位置值。上述建模方法,依据位置和姿态分离的思路,简化运动学计算的复杂程度,提高了控制系统的实时性指标。

Description

一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法
技术领域
本发明涉及机器人建模技术领域,特别涉及一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法。
背景技术
微创手术(Minimally Invasive Surgery)是指医生通过进入人体内的腹腔镜、胸腔镜等内窥镜观察体内病灶器官,并操作通过微小创口进入体内的特殊手术器械,在人体腔内进行手术的一种手术方式。
与传统的开放手术相比,微创手术具有体表创伤小、术中出血量少、疼痛感轻、手术时间短、术后恢复快、感染风险低的优势,因而在外科手术领域得到了广泛的认可与应用。然而,传统内窥镜微创外科手术也在临床应用中暴露出一些问题,例如:医生长时间以相同姿势站立手术很容易产生疲劳;情绪或生理活动等不稳定因素导致的手部抖动会影响手术精度;器械在操作过程中手眼协调性差容易引起手术误操作等。
随着现代科学技术的不断进步与发展,人们尝试将传统医疗设备(器械)与机械电子技术、计算机控制技术,计算机图形技术等现代前沿技术相结合,开创新型的医疗设备(器械);特别是机器人技术的日臻完善及在各个领域的广泛应用,医疗机器人已在传统医疗领域逐渐渗透,正是在这样的技术背景下微创外科手术机器人应运而生。微创手术机器人的出现弥补了传统微创手术的缺陷,主要表现在:运动分辨率高手术中可对病灶区域精准定位操作、良好的稳定性消除了医生手抖动防止出现误动作、手眼协调的一致性使手术安全性上大为提高,消除了医生长时间站立的疲劳感,提高微创手术的手术效果,拓展了医生的手术能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法,该建模方法依据位置和姿态分离的思路,简化运动学计算的复杂程度,提高了控制系统的实时性指标。与此同时,简化的运动学计算模型中,其后端姿态控制的关节变量计算,利用了欧拉角旋转法的思路,旋转角可以通过计算模型简单求出,之后在根据对应的旋转关系得出关节角控制变量。
为实现上述目的,本发明提供一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法,其特征在于,包括:
建立主手末端腕点相对于基坐标系的主手齐次变换矩阵;
根据预设的主从手之间的基座标旋转映射矩阵、比例映射系数和所述主手齐次变换矩阵得到从手位置;
根据从手中控制位置运动关节的齐次变换矩阵与从手腕点的位置建立等式,求解出从手中控制位置运动关节的角度值和/或位置值;
根据主手在其腕点的姿态角度与从手腕点的姿态角度一一对应的关系建立等式,求解出从手中控制姿态运动关节的角度值和/或位置值。
相对于上述背景技术,本发明提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法,首先建立主手末端腕点相对于基坐标系的主手齐次变换矩阵,所采用的方法可以为D-H法,然后根据预设的主从手之间的基座标旋转映射矩阵、比例映射系数和所述主手齐次变换矩阵得到从手位置;针对从手构型,根据从手中控制位置运动关节的齐次变换矩阵与从手腕点的位置建立等式,求解出从手中控制位置运动关节的角度值和/或位置值;最后主手在其腕点的姿态角度与从手腕点的姿态角度一一对应的关系建立等式,求解出从手中控制姿态运动关节的角度值和/或位置值。也即,针对从手构型的求解,第一步考虑从手中控制位置运动运动关节,第二步考虑从手中控制姿态运动运动关节;并且每一步求解中只需分别求解三个未知量,从而简化了计算复杂度,增加了计算速度。该建模方法依据位置和姿态分离的思路,简化运动学计算的复杂程度,提高了控制系统的实时性指标。与此同时,简化的运动学计算模型中,其后端姿态控制的关节变量计算,利用了欧拉角旋转法的思路,旋转角可以通过计算模型简单求出,之后在根据对应的旋转关系得出关节角控制变量。
优选地,所述建立主手末端腕点相对于基坐标系的主手齐次变换矩阵的步骤具体为:
依据空间变换的原理得到主手构型中相邻两个关节之间齐次变换矩阵:
依据上式建立的各个相邻关节轴之间的变换,计算出主手末端执行器坐标系相对于基坐标系的齐次变换矩阵
依据上式可得到主手在某关节角度下末端执行器相对于基坐标系的位置P;令:
在主手的末端执行器的位置点建立相应的动态坐标系,利用Z-Y-X欧拉角的方式来描述主手的末端执行器的姿态:
Rm=RZ46)*RY5)*RX7)。
优选地,所述根据预设的主从手之间的基座标旋转映射矩阵、比例映射系数和所述主手齐次变换矩阵得到从手位置的步骤具体为:
将公式写成:
其中Rm为姿态矩阵,Pm为位置坐标,假设主从手之间的基坐标旋转映射矩阵为Tr,比例映射系数为K,则映射后得到从手的齐次变换矩阵为:
优选地,所述根据从手中控制位置运动运动关节的齐次变换矩阵与从手腕点的位置建立从手末端在三个坐标轴中的位置的等式,求解出从手中控制位置运动关节的角度值和/或位置值的步骤具体为:
根据所述从手的齐次变换矩阵得到从手位置
根据D-H坐标法得到从手中控制位置运动运动关节的齐次变换矩阵其中中的各元素是由从手中控制位置运动运动关节参数(θ12,d3)表达,建立如下等式:
根据上述三个方程即可求解出从手中控制位置运动运动关节的未知数(θ12,d3)。
优选地,所述根据从手齐次变换矩阵建立从手姿态矩阵与从手中控制姿态运动关节的等式,求解出从手中控制姿态运动关节的角度值和/或位置值的步骤具体为:
根据所述从手的齐次变换矩阵得到从手姿态矩阵Rf
根据Z-Y-X旋转的欧拉角表示的从手中控制姿态运动运动关节的旋转矩阵因子利用主从关系建立如下的等式:
根据等式求得未知参数α、β、γ,根据欧拉角旋转规则得到如下关系:
α=θ4
γ=θ5
其中:为主手电子夹持手的角度,为已知量;
依据上述四个方程即可求得从手中控制姿态运动运动关节的控制量(θ4567)。
优选地,所述建立主手末端腕点相对于基坐标系的主手齐次变换矩阵的步骤之前,还包括:
根据从手构型确定从手中控制位置运动关节以及控制姿态运动关节;
其中:从手中控制姿态运动关节是指在在医生的控制下能够满足医生控制运动的需求,且无需做到运动精度的精确映射的运动关节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法的主手构型示意图;
图2为本发明实施例所提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法的主手构型示意图;
图3为本发明实施例所提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法的求解从手的逆运动学流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图3,图1为本发明实施例所提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法的主手构型示意图;图2为本发明实施例所提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法的主手构型示意图;图3为本发明实施例所提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法的求解从手的逆运动学流程图。
众所周知,机器人运动学中有以下两类基本问题,第一是机器人运动方程的表示问题,即正向运动学:对一给定的机器人,已知连杆几何参数和关节变量,欲求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。第二个问题是机器人运动方程的求解问题,即逆向运动学:已知机器人连杆的几何参数,给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态,求机器人能够达到预期位姿的关节变量。
主从控制机器人的工作是由控制器指挥的,对应驱动末端位姿运动的各关节参数是需要实时计算的。当机器人执行工作任务时,其控制器根据主操作手的轨迹指令运用正向运动学算法规划好位姿序列数据,实时运用逆向运动学算法计算出从手关节参数序列,并依此驱动机器人从手各关节运动角度,使末端按照预定的位姿序列运动。
目前针对主从控制机器人的运动学计算,大致可分为三种计算思路,第一是控制位置和控制姿态的关节解耦,分别独立计算其运动学问题;第二是建立7自由度的机构构型参数模型,依据传统的运动学计算方法求取正向运动学和逆向运动学结果;第三是利用雅克比矩阵求解运动学,采用瞬时速度替代微小时间量内的位移变化;本专利拟写的用于微创外科手术机器人的运动学模型基于第一种计算思路。
微创外科手术机器人是主从控制的方式,医生操作主手进行运动,从手机械臂跟随主手的运动来满足医生的操作需求和手术习惯。针对上述控制方式,手术机器人系统的运动学计算包括两部分,一部分是主手的运动学计算,另一部分是从手运动学计算;
本申请可以采用D-H法建立主手参数模型,主手的构型如附图1所示,为一个7R的机构,其中θ1、θ2、θ3三个大关节我们称为位置关节,θ4、θ5、θ6、θ7四个小关节我们称为姿态关节,姿态关节带有一个冗余自由度,主手由这七个关节自由度决定末端执行器在笛卡尔空间的位置和姿态,由附图1中可看出,主手末端的四个姿态关节,其关节轴线交于一点,符合位置和姿态解耦的条件,另外在主手末端还有一个夹持工具,其夹持角可由传感器实时测量。根据上述主手构型,建立其D-H参数表进行运动学分析,D-H参数包括每个关节的连杆长度ai,连杆偏距di,连杆转角αi以及关节角θi,根据建立的已知各关节的参数,依据空间变换的原理得到相邻两个关节之间齐次变换矩阵,如下述公式。
依据上式建立各个相邻关节轴之间的变换,之后依据下述公式可求得末端执行器坐标系相对于基坐标系的齐次变换矩阵从齐次变换矩阵即可得到主手在某关节角度下末端执行器相对于基坐标系的位置和姿态。
然后令:
在末端执行器的位置点建立相应的动态坐标系,利用Z-Y-X欧拉角的方式来描述主手末端执行器的姿态。
Rm=RZ46)*RY5)*RX7)
手术机器人的从手构型如附图2所示,为一个RRPRRR机构,其中关节1为绕轴线横滚旋转关节,关节2是平行四边形绕轴线俯仰旋转关节,关节3是上下移动的关节,前两关节决定了平行四边形结构远心不动点的位置,在远心点轴线上上下移动的关节三决定了腕点P的位置,在腕点位置的基础上关节4、关节5、关节6决定了手术器械末端执行器在笛卡尔坐标系的位置和姿态。同样利用D-H参数法建立从手的运动学构型,依据上述公式得出从手末端执行器在基坐标系中的齐次变换矩阵从齐次变换矩阵中即可以得到从手手术器械末端在某关节角度下相对于基坐标系的位置和姿态。
分析了手术机器人主手和从手的构型模型,求解得到其齐次变换矩阵以后,为了建立主从手之间的跟随运动,需要将主手的位置基坐标系和从手描述的基坐标系建立映射关系,包括两个基坐标系之间的旋转和比例关系,映射之后主从手统一在同一个基坐标系中描述,即可从位置和姿态来控制主手和从手的跟随动作。
针对微创外科手术机器人的逆向运动学计算方法:微创外科手术机器人的运动学计算包括正向运动学和逆向运动学,正向运动学从上述主手和从手的机构模型建立D-H参数,从中获得齐次变换矩阵即可得到正向运动学的结果,是一个相对较简单的过程;而逆向运动学主要针对的是手术机器人的从手部分,其机构包含7个自由度,但末端的夹持动作是由主手夹持角决定,实际上,在从手的逆运动学中,需要求解的是6关节的角度值问题,这类逆运动学问题均是可解的,但是这种解一般是数值解,对于6自由度机器人来说,只有在特殊情况下才有解析解,我们称其为Pieper准则:存在3个相邻关节轴交于一点或者三个相邻关节轴相互平行。但是分析从手主动臂和手术器械在内的待求解6自由度关节结构并不满足Pieper准则,因此我们寻求一种满足系统实时性要求的简便方法获得其解析解。
通过观察手术机器人从手末端器械,如附图2,从腕点P之后的三个关节4、5、6,可以发现,这三个手腕关节的几何尺寸是非常小的,因而其主要的作用是来决定器械末端在笛卡尔空间内的姿态,而对于器械末端在笛卡尔空间内的位置影响相比于从手前三个大关节1、2、3来说要小得多。考虑到手术机器人的工作特点,从手末端是在医生的控制下满足医生控制运动的需求,无需做到运动精度的精确映射,因此我们根据位置和姿态分离的思路,将手术机器人从手的逆运动学求解过程分成两步来完成:第一步,忽略从手器械末端关节4、5、6对笛卡尔空间内的位置所造成的作用,而只考虑从手前三个大关节1、2、3的作用(也即仅仅考虑控制位置运动关节),根据主手映射的期望位置坐标(xp,yp,zp)求解出前从手三个关节的控制量(θ12,d3);第二步,将所得到的从手前三个关节的控制量(θ12,d3)当作已知量,在根据当前时刻主手映射的期望姿态求解得到后三个手腕关节的控制量(θ456)。这样就得到从手6个关节的逆运动学解析解,并且每一步求解中只需分别求解三个未知量,从而简化了计算复杂度,增加了计算速度。其具体的计算思路如图3所示。
步骤S1中,首先针对主手运动控器,计算主手正运动学齐次变换矩阵也即步骤S2;然后执行步骤S3,主从基座标比例旋转映射;也即主手控制器获取当前时刻各关节的角度值,代入到前述主手齐次变换矩阵得到:
其中Rm为姿态矩阵,Pm为位置坐标,假设主从手之间的基坐标旋转映射矩阵为Tr,比例映射系数为K,则映射后得到从手端的齐次变换矩阵为:
然后执行步骤S4,求解从手位置关节1、2和3,也就是从手控制位置运动运动关节:
首先根据从手位置以及按照前述D-H坐标推出的从手前三关节齐次变化矩阵其中中的各元素是由前三关节参数(θ12,d3)表达,建立如下等式:
px=xf
py=yf
pz=zf
根据上述三个方程即可求解出三个从手前三个关节未知数(θ12,d3):
之后执行步骤S5,根据从手姿态矩阵Rf并依据Z-Y-X旋转的欧拉角表示的从手控制姿态运动运动关节(也即从手后三个关节)的旋转矩阵因子利用主从关系可以建立如下的等式:
根据上述即可也求得未知参数α、β、γ,根据欧拉角旋转规则得到如下关系:
α=θ4
γ=θ5
(为主手电子夹持手的角度,为已知量)
依据上述四个方程即可求得从手端后四个关节的控制量(θ4567)。
综上,可以得到从手控制所需的关节量(θ12,d34567),完成从手的控制量输入,也即利用从手运动控制器输出相应的数值,达到主从跟随运动的目的,也即步骤S6。
本发明提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法,依据位置和姿态分离的思路,简化运动学计算的复杂程度,提高了控制系统的实时性指标。与此同时,简化的运动学计算模型中,其后端姿态控制的关节变量计算,利用了欧拉角旋转法的思路,旋转角可以通过计算模型简单求出,之后在根据对应的旋转关系得出关节角控制变量。
以上对本发明所提供的微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法,其特征在于,包括:
建立主手末端腕点相对于基坐标系的主手齐次变换矩阵;
根据预设的主从手之间的基座标旋转映射矩阵、比例映射系数和所述主手齐次变换矩阵得到从手位置;
根据从手中控制位置运动关节的齐次变换矩阵与从手腕点的位置建立等式,求解出从手中控制位置运动关节的角度值和/或位置值;
根据主手在其腕点的姿态角度与从手腕点的姿态角度一一对应的关系建立等式,求解出从手中控制姿态运动关节的角度值和/或位置值。
2.根据权利要求1所述的建模方法,其特征在于,所述建立主手末端腕点相对于基坐标系的主手齐次变换矩阵的步骤具体为:
依据空间变换的原理得到主手构型中相邻两个关节之间齐次变换矩阵:
<mrow> <mmultiscripts> <mi>T</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mmultiscripts> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>cos&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>cos&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>cos&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>cos&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>sin&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>sin&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>sin&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>cos&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>sin&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>cos&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>cos&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> </mrow>
依据上式建立的各个相邻关节轴之间的变换,计算出主手末端执行器坐标系相对于基坐标系的齐次变换矩阵
<mrow> <msubsup> <mrow></mrow> <mn>7</mn> <mn>0</mn> </msubsup> <msub> <mi>T</mi> <mi>M</mi> </msub> <msubsup> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mn>0</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>T</mi> <mn>2</mn> <mn>1</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>T</mi> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>T</mi> <mn>4</mn> <mn>3</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>T</mi> <mn>5</mn> <mn>4</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>T</mi> <mn>6</mn> <mn>5</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>T</mi> <mn>7</mn> <mn>6</mn> </msubsup> <mi>T</mi> <mo>;</mo> </mrow>
依据上式可得到主手在某关节角度下末端执行器相对于基坐标系的位置P;令:
<mrow> <msub> <mi>mP</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mmultiscripts> <mi>T</mi> <mn>7</mn> <mn>0</mn> </mmultiscripts> <mi>M</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>mP</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mmultiscripts> <mi>T</mi> <mn>7</mn> <mn>0</mn> </mmultiscripts> <mi>M</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>mP</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mmultiscripts> <mi>T</mi> <mn>7</mn> <mn>0</mn> </mmultiscripts> <mi>M</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>
在主手的末端执行器的位置点建立相应的动态坐标系,利用Z-Y-X欧拉角的方式来描述主手的末端执行器的姿态:
Rm=RZ46)*RY5)*RX7)。
3.根据权利要求2所述的建模方法,其特征在于,所述根据预设的主从手之间的基座标旋转映射矩阵、比例映射系数和所述主手齐次变换矩阵得到从手位置的步骤具体为:
将公式写成:
<mrow> <msub> <mmultiscripts> <mi>T</mi> <mn>7</mn> <mn>0</mn> </mmultiscripts> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中Rm为姿态矩阵,Pm为位置坐标,假设主从手之间的基坐标旋转映射矩阵为Tr,比例映射系数为K,则映射后得到从手的齐次变换矩阵为:
<mrow> <msub> <mmultiscripts> <mi>T</mi> <mn>7</mn> <mn>0</mn> </mmultiscripts> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mmultiscripts> <mi>T</mi> <mn>7</mn> <mn>0</mn> </mmultiscripts> <mi>m</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>*</mo> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>R</mi> <mi>f</mi> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>P</mi> <mi>f</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>.</mo> </mrow>
4.根据权利要求3所述的建模方法,其特征在于,根据从手中控制位置运动关节的齐次变换矩阵与从手腕点的位置建立等式,求解出从手中控制位置运动关节的角度值和/或位置值的具体步骤:
根据所述从手的齐次变换矩阵得到从手位置
根据D-H坐标法得到从手中控制位置运动运动关节的齐次变换矩阵其中中的各元素是由从手中控制位置运动运动关节参数(θ12,d3)表达,建立如下等式:
px=xf
py=yf
pz=zf
根据上述三个方程即可求解出从手中控制位置运动运动关节的未知数(θ12,d3)。
5.根据权利要求4所述的建模方法,其特征在于,所述根据从手齐次变换矩阵建立从手姿态矩阵与从手中控制姿态运动关节的等式,求解出从手中控制姿态运动关节的角度值和/或位置值的步骤具体为:
根据所述从手的齐次变换矩阵得到从手姿态矩阵Rf
根据Z-Y-X旋转的欧拉角表示的从手中控制姿态运动运动关节的旋转矩阵因子利用主从关系建立如下的等式:
<mrow> <msub> <mmultiscripts> <mi>R</mi> <mn>6</mn> <mn>3</mn> </mmultiscripts> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>f</mi> </msub> </mrow>
根据等式求得未知参数α、β、γ,根据欧拉角旋转规则得到如下关系:
α=θ4
<mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>6</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>7</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>
γ=θ5
其中:为主手电子夹持手的角度,为已知量;
依据上述四个方程即可求得从手中控制姿态运动运动关节的控制量(θ4567)。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的建模方法,其特征在于,所述建立主手末端腕点相对于基坐标系的主手齐次变换矩阵的步骤之前,还包括:
根据从手构型确定从手中控制位置运动关节以及控制姿态运动关节;
其中:从手中控制姿态运动关节是指在在医生的控制下能够满足医生控制运动的需求,且无需做到运动精度的精确映射的运动关节。
CN201710630714.4A 2017-07-28 2017-07-28 一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法 Active CN107374727B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710630714.4A CN107374727B (zh) 2017-07-28 2017-07-28 一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710630714.4A CN107374727B (zh) 2017-07-28 2017-07-28 一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107374727A true CN107374727A (zh) 2017-11-24
CN107374727B CN107374727B (zh) 2019-10-22

Family

ID=60342209

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710630714.4A Active CN107374727B (zh) 2017-07-28 2017-07-28 一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107374727B (zh)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109551478A (zh) * 2018-11-16 2019-04-02 重庆邮电大学 一种基于集散控制系统的双机器人主从协调控制方法
CN111202583A (zh) * 2020-01-20 2020-05-29 上海奥朋医疗科技有限公司 跟踪手术床运动的方法、系统及介质
CN112716608A (zh) * 2021-01-20 2021-04-30 山东威高手术机器人有限公司 用于微创手术机器人的主从跟踪控制方法
CN112749512A (zh) * 2021-01-18 2021-05-04 杭州易现先进科技有限公司 手势估计优化的方法、系统和电子装置
CN112828862A (zh) * 2020-12-30 2021-05-25 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 并联平台的主从映射方法、机械臂系统和存储介质
CN113580131A (zh) * 2021-07-26 2021-11-02 成都飞机工业(集团)有限责任公司 一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置及控制方法
CN113650018A (zh) * 2021-09-01 2021-11-16 珠海格力智能装备有限公司 轴式机器人轨迹规划方法、装置与计算机可读存储介质
CN113925613A (zh) * 2021-09-27 2022-01-14 中山大学 一种腹腔镜手术持镜机器人系统
CN114129266A (zh) * 2021-11-11 2022-03-04 深圳市精锋医疗科技股份有限公司 保持rc点不变的方法、机械臂、设备、机器人和介质
CN114191099A (zh) * 2022-01-14 2022-03-18 山东威高手术机器人有限公司 微创手术机器人主从跟踪延时测试方法
WO2022141160A1 (zh) * 2020-12-30 2022-07-07 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 并联平台的主从映射方法、机械臂系统和存储介质
WO2022218387A1 (zh) * 2021-04-17 2022-10-20 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 X光机控制方法、装置、x光机及可读存储介质
CN117481801A (zh) * 2023-10-26 2024-02-02 北京瞳沐医疗科技有限公司 基于图像的眼科机器人控制方法、系统、设备及介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101227870A (zh) * 2005-05-19 2008-07-23 直观外科手术公司 用于外科手术及其它应用的软件中心和高度可配置的机器人系统
CN103942427A (zh) * 2014-04-11 2014-07-23 哈尔滨工程大学 一类六自由度机械臂运动学逆解的快速简便求法
US20140316430A1 (en) * 1999-09-17 2014-10-23 Intuitive Surgical Operations, Inc. System and methods for managing multiple null-space objectives and sli behaviors
CN104622585A (zh) * 2015-03-13 2015-05-20 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种腹腔镜微创手术机器人主从同构式遥操作主手
WO2015142943A1 (en) * 2014-03-17 2015-09-24 Intuitive Surgical Operations, Inc. System and method for maintaining a tool pose

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140316430A1 (en) * 1999-09-17 2014-10-23 Intuitive Surgical Operations, Inc. System and methods for managing multiple null-space objectives and sli behaviors
CN101227870A (zh) * 2005-05-19 2008-07-23 直观外科手术公司 用于外科手术及其它应用的软件中心和高度可配置的机器人系统
WO2015142943A1 (en) * 2014-03-17 2015-09-24 Intuitive Surgical Operations, Inc. System and method for maintaining a tool pose
CN103942427A (zh) * 2014-04-11 2014-07-23 哈尔滨工程大学 一类六自由度机械臂运动学逆解的快速简便求法
CN104622585A (zh) * 2015-03-13 2015-05-20 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种腹腔镜微创手术机器人主从同构式遥操作主手

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109551478A (zh) * 2018-11-16 2019-04-02 重庆邮电大学 一种基于集散控制系统的双机器人主从协调控制方法
CN111202583A (zh) * 2020-01-20 2020-05-29 上海奥朋医疗科技有限公司 跟踪手术床运动的方法、系统及介质
CN112828862B (zh) * 2020-12-30 2022-09-16 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 并联平台的主从映射方法、机械臂系统和存储介质
WO2022141160A1 (zh) * 2020-12-30 2022-07-07 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 并联平台的主从映射方法、机械臂系统和存储介质
CN112828862A (zh) * 2020-12-30 2021-05-25 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 并联平台的主从映射方法、机械臂系统和存储介质
CN112749512A (zh) * 2021-01-18 2021-05-04 杭州易现先进科技有限公司 手势估计优化的方法、系统和电子装置
CN112749512B (zh) * 2021-01-18 2024-01-26 杭州易现先进科技有限公司 手势估计优化的方法、系统和电子装置
CN112716608A (zh) * 2021-01-20 2021-04-30 山东威高手术机器人有限公司 用于微创手术机器人的主从跟踪控制方法
CN112716608B (zh) * 2021-01-20 2022-06-24 山东威高手术机器人有限公司 用于微创手术机器人的主从跟踪控制方法
WO2022218387A1 (zh) * 2021-04-17 2022-10-20 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 X光机控制方法、装置、x光机及可读存储介质
CN113580131A (zh) * 2021-07-26 2021-11-02 成都飞机工业(集团)有限责任公司 一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置及控制方法
CN113650018A (zh) * 2021-09-01 2021-11-16 珠海格力智能装备有限公司 轴式机器人轨迹规划方法、装置与计算机可读存储介质
CN113650018B (zh) * 2021-09-01 2022-12-16 珠海格力智能装备有限公司 轴式机器人轨迹规划方法、装置与计算机可读存储介质
CN113925613A (zh) * 2021-09-27 2022-01-14 中山大学 一种腹腔镜手术持镜机器人系统
CN114129266A (zh) * 2021-11-11 2022-03-04 深圳市精锋医疗科技股份有限公司 保持rc点不变的方法、机械臂、设备、机器人和介质
CN114191099A (zh) * 2022-01-14 2022-03-18 山东威高手术机器人有限公司 微创手术机器人主从跟踪延时测试方法
CN114191099B (zh) * 2022-01-14 2023-12-01 山东威高手术机器人有限公司 微创手术机器人主从跟踪延时测试方法
CN117481801A (zh) * 2023-10-26 2024-02-02 北京瞳沐医疗科技有限公司 基于图像的眼科机器人控制方法、系统、设备及介质

Also Published As

Publication number Publication date
CN107374727B (zh) 2019-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107374727A (zh) 一种微创外科手术机器人简化运动学模型的建模方法
Simaan et al. Intelligent surgical robots with situational awareness
CN104736093B (zh) 接头估测和控制中的假想自由度
CN104736094B (zh) 操纵外科系统的活动的假想自由度
CN104334112B (zh) 多端口手术机器人系统架构
JP6421171B2 (ja) ゼロ空間を使用する経路を追従するためのシステム及び方法
Bajo et al. Integration and preliminary evaluation of an insertable robotic effectors platform for single port access surgery
Cavusoglu et al. A laparoscopic telesurgical workstation
CN105232155B (zh) 手术机器人调整系统
US20140194699A1 (en) Single port surgical robot and control method thereof
Gu et al. A compliant transoral surgical robotic system based on a parallel flexible mechanism
Wei et al. Performance evaluation for multi-arm manipulation of hollow suspended organs
AU2007297702A1 (en) Systems, devices, and methods for surgery on a hollow anatomically suspended organ
CN105073058A (zh) 用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法
CN108366835A (zh) 具有独立的侧倾、俯仰和偏摆缩放的机器人外科手术系统
Dupont et al. Real-time position control of concentric tube robots
CN110177517A (zh) 具有包含修整和翻转算法的横滚、俯仰和偏转重新对准的机器人手术系统
CN107688293A (zh) 一种微创外科手术机器人的建模方法
WO2022100480A1 (zh) 手术机器人末端位置和姿态的控制方法及手术机器人控制方法
Pisla et al. Application oriented modelling and simulation of an innovative parallel robot for single incision laparoscopic surgery
CN112957125B (zh) 一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法及装置
Trejos et al. Port placement for endoscopic cardiac surgery based on robot dexterity optimization
Bihlmaier et al. Endoscope robots and automated camera guidance
Sagitov et al. Design of simple one-arm surgical robot for minimally invasive surgery
Kumar et al. A comparative study of robots in laparoscopic surgeries

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20181017

Address after: 401120 1 office buildings, Jinshan International Industrial City, 18 of Nei sang Road, Hui Xing street, Yubei District, Chongqing.

Applicant after: Chongqing Jinshan Medical Instrument Co., Ltd.

Applicant after: Chongqing Jinshan medical robot Co., Ltd.

Address before: 401120 1 office buildings, Jinshan International Industrial City, 18 of Nei sang Road, Hui Xing street, Yubei District, Chongqing.

Applicant before: Chongqing Jinshan Medical Instrument Co., Ltd.

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210128

Address after: 401120 No.18, Cuiping Lane 2, Huixing street, Yubei District, Chongqing

Patentee after: CHONGQING JINSHAN MEDICAL ROBOT Co.,Ltd.

Address before: 401120 1 office buildings, Jinshan International Industrial City, 18 of Nei sang Road, Hui Xing street, Yubei District, Chongqing.

Patentee before: CHONGQING JINSHAN MEDICAL APPLIANCE Co.,Ltd.

Patentee before: CHONGQING JINSHAN MEDICAL ROBOT Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: A simplified kinematics modeling method for minimally invasive surgical robot

Effective date of registration: 20210526

Granted publication date: 20191022

Pledgee: Changshou sub branch of Bank of Chongqing Co.,Ltd.

Pledgor: CHONGQING JINSHAN MEDICAL ROBOT Co.,Ltd.

Registration number: Y2021500000017

PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right

Date of cancellation: 20210802

Granted publication date: 20191022

Pledgee: Changshou sub branch of Bank of Chongqing Co.,Ltd.

Pledgor: CHONGQING JINSHAN MEDICAL ROBOT Co.,Ltd.

Registration number: Y2021500000017

PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right