CN113334357A - 混联机器人系统及虚拟rcm运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及眼科机器人技术领域，尤其是涉及一种混联机器人系统及虚拟RCM运动控制方法。本公开提供的混联机器人系统，上平动机构安装于基座上，上平动机构包括第一平移组件、上支架和上转接架，第一平移组件被配置为驱动上支架沿第一方向往复移动，第一平移组件还被配置为驱动上支架沿第二方向往复移动，上支架与上转接架枢接；下平动机构安装于基座上，下平动机构包括第二平移组件、下支架和下转接架，第二平移组件被配置为驱动下支架沿第一方向往复移动，第二平移组件还被配置为驱动下支架沿第二方向往复移动，下支架与下转接架枢接；上转接架、下转接架分别与末端平台枢接；末端器械安装于末端平台上，末端平台被配为驱动末端器械作进给运动。

Description

混联机器人系统及虚拟RCM运动控制方法

技术领域

本公开涉及眼科机器人技术领域，尤其是涉及一种混联机器人系统及虚拟 RCM运动控制方法。

背景技术

眼科手术是一项操作难度较高的手术，图1为黄斑前膜剥离手术的示意图，需要在巩膜上开一个切口，手术器械从切口进行眼内并绕巩膜刺入点(RCM点) 进行三自由度转动以及沿器械方向的进给运动。由于手术医生有限的感知能力以及难以抑制的生理颤动等，在手术过程中，有出现误操作的风险导致手术器械与巩膜的接触力过大从而引发医疗事故。

为解决上述难题，实现眼科手术机器人的RCM运动，研究者们对眼科手术机器人的RCM机构进行了研究，并通过机械约束来物理的约束出RCM点，也就是基于平行四杆构型的RCM机构。由于该方式一般采用串联机械臂主体和平行四杆机构混合的构型，所述RCM点的位置固定无法改变及不能调节，并且平行四杆机构的加工精度难以保证，所以该方式存在体积不够紧凑、动作不够灵活、运动精度不够高等缺陷。

发明内容

本公开提供了一种混联机器人系统及虚拟RCM运动控制方法，以在一定程度上解决目前的串联机械臂主体和平行四杆机构混合的构型的一些缺陷。

本公开提供了一种混联机器人系统，其包括：

基座；

上平动机构，所述上平动机构安装于所述基座上，所述上平动机构包括第一平移组件、上支架和上转接架，所述第一平移组件被配置为驱动所述上支架沿第一方向往复移动，所述第一平移组件还被配置为驱动所述上支架沿第二方向往复移动，所述上支架与所述上转接架枢接；

下平动机构，所述下平动机构安装于所述基座上，所述下平动机构包括第二平移组件、下支架和下转接架，所述第二平移组件被配置为驱动所述下支架沿所述第一方向往复移动，所述第二平移组件还被配置为驱动所述下支架沿所述第二方向往复移动，所述下支架与所述下转接架枢接；

末端平台，所述上转接架、所述下转接架分别与所述末端平台枢接；以及

末端器械，所述末端器械安装于所述末端平台上，所述末端平台被配为驱动所述末端器械作进给运动。

在一些可选的方案中，所述基座包括上下分层设置的上支撑板和下支撑板；所述第一方向与所述第二方向相垂直；

所述第一平移组件包括第一平动台和第二平动台；所述第二平动台被配置为驱动所述第一平动台沿所述第二方向往复移动，所述第一平动台被配置为驱动所述上支架沿所述第一方向往复移动；

所述第二平动台安装于所述上支撑板上。

在一些可选的方案中，所述第二平移组件包括第三平动台和第四平动台；所述第四平台被配置为驱动所述第三平动台沿所述第二方向往复移动，所述第三平动台被配置为驱动所述上支架沿所述第一方向往复移动；

所述第一平动台与所述第三平动台之间被配置为产生位移差，以及使得所述末端平台进行俯仰运动；

所述第四平动台安装于所述下支撑板上。

在一些可选的方案中，所述上转接架包括第一横向臂以及所述第一横向臂相对的两端分别连接的第一纵向臂；所述第一纵向臂与所述末端平台枢接，所述第一横向臂的中部与所述上支架枢接。

在一些可选的方案中，所述下转接架包括第二横向臂以及所述第二横向臂相对的两端分别连接的第二纵向臂；所述第二纵向臂与所述末端平台枢接，所述第二横向臂的中部与所述下支架枢接。

在一些可选的方案中，所述末端平台包括上连接板、下连接板、位移台和滑台；所述上连接板与所述上转接架枢接，所述下连接板与所述下转接架枢接；所述滑台的导轨与所述上连接板固定连接，所述滑台的滑块与所述下连接板固定连接；所述位移台的底座与所述上连接板固定连接，所述末端器械安装于所述位移台的滑块上。

在一些可选的方案中，所述位移台为压电陶瓷位移台。

在一些可选的方案中，所述第一平动台、所述第二平动台、所述第三平动台和所述第四平动台均为直线电机。

本公开还提供了一种虚拟RCM运动控制方法，该控制方法应用所述的混联机器人系统，所述虚拟RCM运动控制方法包括：

建立所述基座的基坐标系，并设定RCM点在所述基坐标系下的设定坐标；

确定所述末端器械绕所述RCM点的运动轨迹参数；

根据所述设定坐标和所述运动轨迹参数计算得出所述上支架分别沿所述第一方向和所述第二方向的位移量，所述下支架分别沿所述第一方向和所述第二方向的位移量，以及所述末端器械的进给量和旋转量。

在一些可选的方案中，所述下支架沿所述第二方向的位移量a₁、所述下支架沿所述第一方向的位移量a₂、所述上支架沿第二方向的位移量a₃，所述上支架沿第一方向的位移量a₄、所述末端器械的进给量a₅、所述末端器械的旋转量α的公式分别为：

其中，

所述RCM点在所述基坐标系x₀y₀z₀下的设定坐标为(x_c,y_c,z_c)，

所述末端器械绕所述RCM点的运动轨迹参数包括：zyz欧拉角

和第五距离l_c，所述第五距离l_c为所述末端器械的末端点与所述RCM点之间的距离，

第一轴线A₁为所述下支架与所述下转接架之间的枢转轴的轴线，且平行于所述第一方向，

第二轴线A₂为所述下转接架与所述末端平台之间的枢转轴的轴线，

第三轴线A₃为所述上支架与所述上转接架之间的枢转轴的轴线，且平行于所述第一方向，

第四轴线A₄为所述上转接架与所述末端平台之间的枢转轴的轴线，

第一交点S_u为所述第三轴线A₃和所述第四轴线A₄的交点，

第二交点S_d为所述第一轴线A₁和第二轴线A₂的交点，

在所述混联机器人系统的初始状态下：

所述基坐标系x₀y₀z₀的坐标原点位于设定垂直面与所述第一轴线A₁之间的交点处，所述第二平动台的移动方向与所述设定垂直面平行，且沿所述第二平动台的移动方向，所述第二平动台关于所述设定垂直面对称，

所述基坐标系的x₀轴与所述第一轴线A₁重合，所述基坐标系的y₀轴与所述第二轴线A₂平行，所述基坐标系的z₀轴与所述末端器械的轴线平行，

第一距离h₁为所述第一交点S_u与所述第二交点S_d之间沿所述基坐标系的z₀轴的方向的距离，

第二距离h₂为所述第一交点S_u与所述末端器械的末端点之间沿所述末端器械的轴线方向的距离，

第三距离d₁为沿所述基坐标系的y₀轴方向，所述第四轴线A₄在初始状态下与所述基坐标系的y₀轴之间的距离，

第四距离d₂为所述末端器械的轴线与所述第四轴线A₄之间的距离。

本公开的有益效果主要在于：

本公开提供的混联机器人系统及虚拟RCM运动控制方法，使得用于眼科手术的混联机器人不再局限于使用通过机械结构约束的RCM机构，采用上平动机构、下平动机构有利于在工作空间中设定任意一点为虚拟RCM点，使得机器人的动作更加灵活，而且机器人不并采用平行四杆机构，不用考虑因平行四杆机构的加工误差导致的运动精度误差，提到了机器人的运动精度。

应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。

附图说明

为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为末端器械绕RCM运动的结构示意图；

图2为一个或一些实施例中的混联机器人系统的结构示意图；

图3为图2中B处的局部放大示意图；

图4为图3的C向视图；

图5为一个或一些实施例中的混联机器人系统的正逆运动学模型结构示意图；

图6为图5中D处的正逆运动学模型结构示意图；

图7为图6中E处的正逆运动学模型结构示意图；

图8为图5中F处的正逆运动学模型结构示意图；

图9为一个或一些实施例中的混联机器人系统的结构示意图；

图10为图9中的混联机器人系统的另一视角的结构示意图；

图11为图9中的混联机器人系统的又一视角的结构示意图；

图12为一个或一些实施例中的混联机器人系统的局部结构示意图；

图13为一个或一些实施例中的末端平台的结构示意图。

图标：

101-基座；102-末端器械；103-末端点；104-上支架；105-上转接架；106- 下支架；107-下转接架；108-上支撑板；109-下支撑板；110-支撑立板；111-第一平动台；112-第二平动台；113-第三平动台；114-第四平动台；115-第一横向臂；116-第一纵向臂；117-第二横向臂；118-第二纵向臂；119-上连接板；120- 下连接板；121-位移台；122-滑台。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

参见图9至图13所示，在一个或多个实施例中，提供了一种混联机器人系统，其应用于眼科手术；混联机器人系统包括基座101、上平动机构、下平动机构、末端平台和末端器械102；基座101用于供上平动机构和下平动机构的安装。在一个实施例中，基座101可以应用于具有直线移动功能和/或升降功能的装置上，对于该具有直线移动功能和/或升降功能的装置可以是直线滑台构成的装置；末端器械102可以采用现有的眼科手术机器人的末端器械102。

在一些实施例中，上平动机构安装于基座101上，上平动机构包括第一平移组件、上支架104和上转接架105，第一平移组件被配置为驱动上支架104沿第一方向往复移动，第一平移组件还被配置为驱动上支架104沿第二方向往复移动，上支架104与上转接架105枢接。下平动机构安装于基座101上，下平动机构包括第二平移组件、下支架106和下转接架107，第二平移组件被配置为驱动下支架106沿第一方向往复移动，第二平移组件还被配置为驱动下支架106沿第二方向往复移动，下支架106与下转接架107枢接。上转接架105、下转接架107分别与末端平台枢接；末端器械102安装于末端平台上，末端平台被配为驱动末端器械102作进给运动。在一个实施例中，上支架104呈长条状结构，长条状结构的长度方向与第一方向平行；下支架106呈长条状结构，长条状结构的长度方向与第一方向平行。上转接架105和下转接架107均呈U型，这样便于安装末端平台，并且便于实现末端平台的旋转。

在至少一个实施例中，提供的混联机器人系统，使得用于眼科手术的混联机器人不再局限于使用通过机械结构约束的RCM机构，采用上平动机构、下平动机构有利于在工作空间中设定任意一点为虚拟RCM点，使得机器人的动作更加灵活，而且机器人不并采用平行四杆机构，不用考虑因平行四杆机构的加工误差导致的运动精度误差，提到了机器人的运动精度。

在一些实施例中，基座101包括上下分层设置的上支撑板108和下支撑板 109；第一方向与第二方向相垂直；第一平移组件包括第一平动台111和第二平动台112；第二平动台112被配置为驱动第一平动台111沿第二方向往复移动，第一平动台111被配置为驱动上支架104沿第一方向往复移动；第二平动台112 安装于上支撑板108上。在至少一个实施例中，利于上支撑板108和下支撑板 109实现第一平移组件和第二平移组件的上下分层，这样便于可以利于空间分布，并且利于缩小占用空间。

在一个实施例中，第一平移组件安装于上支撑板108上，第二平移组件安装于下支撑板109上。上支撑板108和下支撑板109之间通过支撑立板110固定连接。上支撑板108位于下支撑板109的上方。第二平动台112安装于上支撑板 108的上表面，第一平动台111安装于第二平动台112的移动件上；第一平动台 111位于第二平动台112的上方；上支架104位于下支架106的上方。在至少一个实施例中，利用第一平动台111和第二平动台112实现上支架104沿第一方向往复移动，以及沿第二方向往复移动。

在一些实施例中，第二平移组件包括第三平动台113和第四平动台114；第四平台被配置为驱动第三平动台113沿第二方向往复移动，第三平动台113被配置为驱动上支架104沿第一方向往复移动；第一平动台111与第三平动台113之间被配置为产生位移差，以及使得末端平台进行俯仰运动；第四平动台114安装于下支撑板109上。在至少一个实施例中，利用第三平动台113和第四平动台 114实现上支架104沿第一方向往复移动，以及沿第二方向往复移动，并且利于第一平动台111与第三平动台113产生沿第一方向的位移差，使上支架104和下支架106具有沿第一方向的位移差，由于末端平台与上转接架105、下转接架107枢接，因此可以实现末端平台进行俯仰运动。

在一个实施例中，第三平动台113和第四平动台114位于上支撑板108和下支撑板109之间；第四平动台114位于下支撑板109的上表面，第三平动台113 位于第四平动台114的上方；第三平动台113位于第四平动台114的移动件上。第四平动台114带动第三平动台113沿第二方向往复移动，第三平动台113带动下支架106沿第一方向往复移动。第四平动台114和第二平动台112沿第二方向产生位移差，可以使上支架104和下支架106在第二方向上产生位移差，因此，可以使末端平台产生偏转，即绕一条与第一方向相平行的轴线转动。

在一些实施例中，上转接架105包括第一横向臂115以及第一横向臂115 相对的两端分别连接的第一纵向臂116；第一纵向臂116与末端平台枢接，第一横向臂115的中部与上支架104枢接。通过这样设置便于实现上转接架105与上支架104的转动连接，以及上转接架105与末端平台之间的转动连接。

在一个实施例中，两个第一纵向臂116的长度方向可以设置平行设置也可以呈钝角或锐角设置。第一横向臂115与第一纵向臂116之间垂直设置，或呈钝角设置或锐角设置。第一横向臂115的中部与上支架104之间的枢转轴的轴线，与第一纵向臂116与末端平台之间的枢转轴的轴线相垂直。上支架104的一端与第一平动台111固定连接，上支架104相对的另一端与上转接架105通过一枢转轴和一轴承实现枢接，具体的，轴承的外圈与上支架104固定连接，轴承的内圈与枢转轴固定连接，枢转轴与上转接架105固定连接。

在一些实施例中，下转接架107包括第二横向臂117以及第二横向臂117 相对的两端分别连接的第二纵向臂118；第二纵向臂118与末端平台枢接，第二横向臂117的中部与下支架106枢接。通过这样设置便于实现下转接架107与下支架106的转动连接，以及下转接架107与末端平台之间的转动连接。

在一个实施例中，两个第二纵向臂118的长度方向可以设置平行设置也可以呈钝角或锐角设置。第二横向臂117与第二纵向臂118之间垂直设置，或呈钝角设置或锐角设置。第二横向臂117的中部与下支架106之间的枢转轴的轴线，与第二纵向臂118与末端平台之间的枢转轴的轴线相垂直。下支架106的一端与第三平动台113固定连接，下支架106相对的另一端与下转接架107通过一枢转轴和一轴承实现枢接，具体的，轴承的外圈与下支架106固定连接，轴承的内圈与枢转轴固定连接，枢转轴与下转接架107固定连接。

在一些实施例中，末端平台包括上连接板119、下连接板120、位移台121 和滑台122；上连接板119与上转接架105枢接，下连接板120与下转接架107 枢接；滑台的导轨与上连接板119固定连接，滑台的滑块与下连接板120固定连接；位移台的底座与上连接板119固定连接，末端器械102安装于位移台的滑块上。采用位移台便于实现末端器械102的进给运动。上连接板119和下连接板 120便于安装位移台，并且利于实现末端器械102的俯仰。配置滑台后，能够保证位移台的转动。

在一个实施例中，上连接板119和下连接板120均为U型结构；U型结构具有底板以及于与底板连接的相对的两个连接臂；上连接板119的底板与滑台的导轨固定连接。上连接板119的连接臂与上转接架105的第一纵向臂116枢接，下连接板120的连接臂与下转接架107的第二纵向臂118枢接。上连接板119 的连接臂与第一纵向臂116平行设置，下连接板120的连接臂与第二纵向臂118 平行设置。

在一个实施例中，上连接板119与上转接架105之间通过枢转轴和轴承实现枢接，具体的，轴承的外圈固定于上转接架105的第一纵向臂116上，轴承的内圈与枢转轴固定连接，枢转轴与上连接板119固定连接。

在一个实施例中，下连接板120与下转接架107之间通过枢转轴和轴承实现枢接，具体的，轴承的外圈固定于下转接架107的第二纵向臂118上，轴承的内圈与枢转轴固定连接，枢转轴与下连接板120固定连接。

在一些实施例中，位移台为压电位移台或纳米位移台；在一个实施例中，压电位移台可以为压电陶瓷位移台。采用位移台利于实现末端器械102较为精确的进给运动，即通过位移台实现末端器械102的直线进给运动。

在一些实施例中，第一平动台111、第二平动台112、第三平动台113和第四平动台114均为直线电机或直线滑台。采用直线电机或直线滑台利于实现直线移动，并且精度较高。第一平动台111、第二平动台112、第三平动台113和第四平动台114当采用直线电机或直线滑台时，它们的移动件也就是直线电机或直线滑台的移动台或滑块。

在一个或多个实施例中，还提供了一种虚拟RCM运动控制方法，该控制方法采用如上至少一个实施例提供的混联机器人系统，该虚拟RCM运动控制方法包括：

建立基座101的基坐标系，并设定RCM点在基坐标系下的设定坐标；

确定末端器械102绕RCM点的运动轨迹参数；

根据设定坐标和运动轨迹参数计算得出上支架104分别沿第一方向和第二方向的位移量，下支架106分别沿第一方向和第二方向的位移量，以及末端器械 102的进给量和旋转量。

在一些实施例中，下支架106沿第二方向的位移量a₁，也就是第四平动台 114的移动件沿第二方向的位移量；下支架106沿第一方向的位移量a₂，也就是第三平动台113的移动件沿第一方向的位移量；上支架104沿第二方向的位移量 a₃，也就是第二平动台112的移动件沿第二方向的位移量；上支架104沿第一方向的位移量a₄，也就是第一平动台111的移动件沿第一方向的位移量；末端器械 102的进给量a₅，也就是位移台的滑块的移动位移；末端器械102的旋转量α，也就是末端器械102的自转电机的旋转量。

而下支架106沿第二方向的位移量a₁、下支架106沿第一方向的位移量a₂、上支架104沿第二方向的位移量a₃，上支架104沿第一方向的位移量a₄、末端器械102的进给量a₅、末端器械102的旋转量α的公式分别为：

其中，

RCM点在基坐标系x₀y₀z₀下的设定坐标为(x_c,y_c,z_c)，

末端器械102绕RCM点的运动轨迹参数包括：zyz欧拉角

和第五距离l_c，第五距离l_c为末端器械102的末端点103与RCM点之间的距离，

第一轴线A₁为下支架106与下转接架107之间的枢转轴的轴线，且平行于第一方向，

第二轴线A₂为下转接架107与末端平台之间的枢转轴的轴线，

第三轴线A₃为上支架104与上转接架105之间的枢转轴的轴线，且平行于第一方向，

第四轴线A₄为上转接架105与末端平台之间的枢转轴的轴线，

第一交点S_u为第三轴线A₃和第四轴线A₄的交点，

第二交点S_d为第一轴线A₁和第二轴线A₂的交点；

参见图2、图3和图4所示，混联机器人系统该混联机器人系统图，在混联机器人系统的初始状态下(初始状态下，各个部件的关系，各个轴线间的平行关系，垂直关系)：

基坐标系x₀y₀z₀的坐标原点位于设定垂直面与第一轴线A₁之间的交点处，第二平动台112的移动方向与设定垂直面平行，且沿第二平动台112的移动方向，第二平动台112关于设定垂直面对称，

基坐标系的x₀轴与第一轴线A₁重合，基坐标系的y₀轴与第二轴线A₂平行，基坐标系的z₀轴与末端器械102的轴线平行，基坐标系的x₀轴的正向指向末端器械102所在的方向，基坐标系的z₀轴的正向朝上，符合右手定则。

第一距离h₁为第一交点S_u与第二交点S_d之间沿基坐标系的z₀轴的方向的距离，即第一交点S_u与第二交点S_d之间距离在基坐标系的z0轴方向上的投影，

第二距离h₂为第一交点S_u与末端器械102的末端点103之间沿末端器械102 的轴线方向的距离，即第一交点S_u与末端器械102的末端点103之间的距离在末端器械的轴线方向上的投影，

第三距离d₁为沿基坐标系的y₀轴方向，第四轴线A₄在初始状态下与基坐标系的y₀轴之间的距离，即经过第四轴线A₄的垂直面与z₀y₀面之间的距离，该垂直面与z₀y₀面平行，

第四距离d₂为末端器械102的轴线与第四轴线A₄之间的距离；

末端器械102的旋转量α，其旋转方向由基坐标系的z₀轴决定，符合右手定则。

在一些实施例中，下支架106沿第二方向的位移量a₁、下支架106沿第一方向的位移量a₂、上支架104沿第二方向的位移量a₃，上支架104沿第一方向的位移量a₄、末端器械102的进给量a₅、末端器械102的旋转量α的公式的求解步骤为：

参见图5、图6、图7和图8所示，在混联机器人系统的初始状态下，在不同部件上依次建立坐标系并构建各坐标系之间的变换矩阵，变换矩阵进而得到末端器械102 的末端坐标系x₄y₄z₄相对于基坐标系x₀y₀z₀的变换矩阵，具体的说：

建立上支架104的支架坐标系x₁y₁z₁，支架坐标系x₁y₁z₁固联于上支架104，支架坐标系的坐标原点与第一交点S_u重合，支架坐标系的x₁轴、y₁轴、z₁轴方向分别与x₀轴、 y₀轴、z₀轴平行，则可构建基坐标系x₀y₀z₀到支架坐标系x₁y₁z₁的变换矩阵

其中，0 和1分别代表基坐标系x₀y₀z₀和支架坐标系x₁y₁z₁，T是齐次变换矩阵，代表两个坐标系之间的位姿关系，f为forward代表正运动学，

建立上转接架105的转接坐标系x₂y₂z₂，转接坐标系x₂y₂z₂固联于上转接架105，转接坐标的坐标原点与第一交点S_u重合，转接坐标系的x₂轴与支架坐标系的x₁轴重合，转接坐标系的y₂轴与第四轴线A₄轴重合,转接坐标系x₂轴、y₂轴、z₂轴在初始状态下的方向分别与基坐标系的x₀轴、y₀轴、z₀轴平行，则可构建支架坐标系x₁y₁z₁到转接坐标系x₂y₂z₂的变换矩阵

1和2分别代表支架坐标系x₁y₁z₁和转接坐标系x₂y₂z₂，

其中，变换矩阵中的s代表sin函数，c代表cos函数，β₁为上转接架105的角度位移量，因此cβ₁代表cosβ₁，sβ₁代表sinβ₁；

建立上连接板119的连接板坐标系x₃y₃z₃，连接板坐标系x₃y₃z₃固联于上连接板119，连接板坐标系的坐标原点与第一交点S_u重合，连接板坐标系的y₃轴与转接坐标系的y₂轴重合，连接板坐标系的x₃轴与末端器械102的轴线垂直,连接板坐标系的x₃轴、y₃轴、z₃轴在初始状态下的方向分别与基坐标系的x₀轴、y₀轴、z₀轴平行，则可构建转接坐标系x₂y₂z₂到连接板坐标系x₃y₃z₃的变换矩阵

2和3分别代表转接坐标系x₂y₂z₂和连接板坐标系x₃y₃z₃，

其中，变换矩阵中的s代表sin函数，c代表cos函数，β₂为上转接架105的角度位移量，因此cβ₂代表cosβ₂，sβ₂代表sinβ₂；

建立末端器械102的末端坐标系x₄y₄z₄，末端坐标系x₄y₄z₄固联于末端器械102上，末端坐标系的原点与末端器械102的末端点103重合，末端坐标系的z₄轴与连接板坐标系的z₃轴重合，末端坐标系的x₄轴、y₄轴、z₄轴在初始状态下的方向分别与基坐标系的x₀轴、y₀轴、z₀轴平行，内里可构建连接板坐标系x₃y₃z₃到末端坐标系x₄y₄z₄的变换矩阵

3和4分别代表连接板坐标系x₃y₃z₃和末端坐标系x₄y₄z₄，

其中，sinβ₁、cosβ₁和tanβ₂表达式分别如下：

所以，末端器械102的末端坐标系x₄y₄z₄相对于基坐标系x₀y₀z₀的变换矩阵

为：

其中：

以上即为该混联机器人系统的正运动学模型。

参见图8所示，设定坐标(x_c,y_c,z_c)为RCM点在基坐标系下的坐标，该混联机器人系统的逆解可以看作由两个平移运动与三个旋转运动组成，也就是说，首先，末端坐标系_rx_4ry_4rz₄从末端器械102的末端点103沿末端器械102的轴线(_rz₄)方向平移至RCM点；然后在RCM点处绕z-y-z轴旋转，也即绕_rz_4-ry_3-rz₂轴旋转，旋转角度分别为

这三个角度也就是zyz欧拉角，末端坐标系_rx_4ry_4rz₄绕末端器械的轴线旋转ω后的坐标系为坐标系_rx_{3’ r}y_3’rz_3’,坐标系_rx_3’ry_3’rz_3’沿l_c方向(末端器械102的轴线方向)由末端点平移至RCM点后的坐标系为_rx_3ry_3rz₃，坐标系_rx_3ry_3rz₃绕_ry₃轴旋转γ后的坐标系为_rx_2ry_2rz₂，坐标系_rx_2ry_2rz₂绕_rz₂轴旋转

后的坐标系为_rx_1ry_1rz₁；最后从RCM点平移至基坐标系。利用以上坐标变换，可以得到末端器械102相对于基座101的坐标变换为：

其中：

因为变换矩阵

和变换矩阵

都表示末端坐标系到基坐标系的变换矩阵，所以变换矩阵

和变换矩阵

相等，由于矩阵的对应元素相等，因此可以得到各个位移量a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，以及旋转量α的表达式：

其中，

以上，即为该混联机器人系统的逆解，也就是该混联机器人系统的虚拟RCM运动控制方法，在机器人系统的结构参数已知的前提下，通过设定好RCM点在机器人基坐标系下的位置(x_c,y_c,z_c)，并根据手术需求给定末端器械102绕RCM点的运动轨迹

即可求解出各部件的移动位移量，从而实现该混联机器人系统的虚拟RCM 运动控制方法。

在至少一个实施例中，虚拟RCM运动控制方法基于混联机器人系统，并结合机器人正逆运动学，求解出各部件的移动位移量；具体地通过将虚拟RCM约束考虑到混联机器人系统的运动学模型中，实现混联机器人系统的RCM运动。该控制方法不要求混联机器人系统具有固定的RCM点，可以将混联机器人系统的工作空间中的任意一点设定为RCM点，使混联机器人系统的动作更加灵活。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种混联机器人系统，其特征在于，包括：

基座；

上平动机构，所述上平动机构安装于所述基座上，所述上平动机构包括第一平移组件、上支架和上转接架，所述第一平移组件被配置为驱动所述上支架沿第一方向往复移动，所述第一平移组件还被配置为驱动所述上支架沿第二方向往复移动，所述上支架与所述上转接架枢接；

下平动机构，所述下平动机构安装于所述基座上，所述下平动机构包括第二平移组件、下支架和下转接架，所述第二平移组件被配置为驱动所述下支架沿所述第一方向往复移动，所述第二平移组件还被配置为驱动所述下支架沿所述第二方向往复移动，所述下支架与所述下转接架枢接；

末端平台，所述上转接架、所述下转接架分别与所述末端平台枢接；以及

末端器械，所述末端器械安装于所述末端平台上，所述末端平台被配为驱动所述末端器械作进给运动。

2.根据权利要求1所述的混联机器人系统，其特征在于，所述基座包括上下分层设置的上支撑板和下支撑板；所述第一方向与所述第二方向相垂直；

所述第一平移组件包括第一平动台和第二平动台；所述第二平动台被配置为驱动所述第一平动台沿所述第二方向往复移动，所述第一平动台被配置为驱动所述上支架沿所述第一方向往复移动；

所述第二平动台安装于所述上支撑板上。

3.根据权利要求2所述的混联机器人系统，其特征在于，所述第二平移组件包括第三平动台和第四平动台；所述第四平台被配置为驱动所述第三平动台沿所述第二方向往复移动，所述第三平动台被配置为驱动所述上支架沿所述第一方向往复移动；

所述第一平动台与所述第三平动台之间被配置为产生位移差，以及使得所述末端平台进行俯仰运动；

所述第四平动台安装于所述下支撑板上。

4.根据权利要求1所述的混联机器人系统，其特征在于，所述上转接架包括第一横向臂以及所述第一横向臂相对的两端分别连接的第一纵向臂；所述第一纵向臂与所述末端平台枢接，所述第一横向臂的中部与所述上支架枢接。

5.根据权利要求4所述的混联机器人系统，其特征在于，所述下转接架包括第二横向臂以及所述第二横向臂相对的两端分别连接的第二纵向臂；所述第二纵向臂与所述末端平台枢接，所述第二横向臂的中部与所述下支架枢接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的混联机器人系统，其特征在于，所述末端平台包括上连接板、下连接板、位移台和滑台；所述上连接板与所述上转接架枢接，所述下连接板与所述下转接架枢接；所述滑台的导轨与所述上连接板固定连接，所述滑台的滑块与所述下连接板固定连接；所述位移台的底座与所述上连接板固定连接，所述末端器械安装于所述位移台的滑块上。

7.根据权利要求6所述的混联机器人系统，其特征在于，所述位移台为压电陶瓷位移台。

8.根据权利要求3所述的混联机器人系统，其特征在于，所述第一平动台、所述第二平动台、所述第三平动台和所述第四平动台均为直线电机。

9.一种虚拟RCM运动控制方法，该控制方法应用如权利要求1-8中任一项所述的混联机器人系统，其特征在于，所述虚拟RCM运动控制方法包括：

建立所述基座的基坐标系，并设定RCM点在所述基坐标系下的设定坐标；

确定所述末端器械绕所述RCM点的运动轨迹参数；

根据所述设定坐标和所述运动轨迹参数计算得出所述上支架分别沿所述第一方向和所述第二方向的位移量，所述下支架分别沿所述第一方向和所述第二方向的位移量，以及所述末端器械的进给量和旋转量。

10.根据权利要求9所述的虚拟RCM运动控制方法，其特征在于，所述下支架沿所述第二方向的位移量a₁、所述下支架沿所述第一方向的位移量a₂、所述上支架沿第二方向的位移量a₃，所述上支架沿第一方向的位移量a₄、所述末端器械的进给量a₅、所述末端器械的旋转量α的公式分别为：

其中，

所述RCM点在所述基坐标系x₀y₀z₀下的设定坐标为(x_c,y_c,z_c)，

所述末端器械绕所述RCM点的运动轨迹参数包括：zyz欧拉角

和第五距离l_c，所述第五距离l_c为所述末端器械的末端点与所述RCM点之间的距离，

第一轴线A₁为所述下支架与所述下转接架之间的枢转轴的轴线，且平行于所述第一方向，

第二轴线A₂为所述下转接架与所述末端平台之间的枢转轴的轴线，

第三轴线A₃为所述上支架与所述上转接架之间的枢转轴的轴线，且平行于所述第一方向，

第四轴线A₄为所述上转接架与所述末端平台之间的枢转轴的轴线，

第一交点S_u为所述第三轴线A₃和所述第四轴线A₄的交点，

第二交点S_d为所述第一轴线A₁和第二轴线A₂的交点，

在所述混联机器人系统的初始状态下：

所述基坐标系x₀y₀z₀的坐标原点位于设定垂直面与所述第一轴线A₁之间的交点处，所述第二平动台的移动方向与所述设定垂直面平行，且沿所述第二平动台的移动方向，所述第二平动台关于所述设定垂直面对称，

所述基坐标系的x₀轴与所述第一轴线A₁重合，所述基坐标系的y₀轴与所述第二轴线A₂平行，所述基坐标系的z₀轴与所述末端器械的轴线平行，

第一距离h₁为所述第一交点S_u与所述第二交点S_d之间沿所述基坐标系的z₀轴的方向的距离，

第二距离h₂为所述第一交点S_u与所述末端器械的末端点之间沿所述末端器械的轴线方向的距离，

第三距离d₁为沿所述基坐标系的y₀轴方向，所述第四轴线A₄在初始状态下与所述基坐标系的y₀轴之间的距离，

第四距离d₂为所述末端器械的轴线与所述第四轴线A₄之间的距离。

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