CN115462908B - 微创手术机器人的主操作手结构 - Google Patents

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Abstract

微创手术机器人的主操作手结构，涉及微创手术机器人主操作手结构优化领域。解决了现有技术中并未对主操作手尺寸和安装位置尺寸相关性进行考量，导致两种尺寸之间的匹配度不高，最终使安装到主控台上的主操作手在操作空间内操作性能差的问题。预设灵巧性指标权重w1′取值范围为0.5至0.56、且w1′+w′2＝1时，主操作手的自身连杆尺寸和安装位置尺寸满足：L1的取值为104.4mm至123.2mm，L2的取值为285.4mm至336.8mm，L3的取值为257.2mm至303.5mm，LMW的取值为410.9mm至461.6mm，LML的取值为375mm至421.3mm，LMH的取值为190mm至241.4mm。主要用在微创手术机器人上。

Description

微创手术机器人的主操作手结构
技术领域
本发明涉及微创手术机器人主操作手结构优化领域。
背景技术
微创手术机器人中，主操作手作为人机交互窗口，其结构优化十分重要，具体参见图1。主操作手的优化中，通常是先对主操作手自身连杆尺寸进行优化；在确定了主操作手尺寸之后，再将两个主操作手安装在主控台左、右的固定安装位置；也就是说，仅对主操作手尺寸进行优化，而安装位置尺寸是预设、且固定的，且主操作手尺寸和安装位置尺寸独立存在的，二者具有弱相关、弱耦合关系。然而，为了提高医生操作空间内主操作手操作性能，主操作手尺寸和安装位置尺寸实际上具有强相关，强耦合关系。若仅将主操作手自身连杆尺寸进行优化，并未将主操作手尺寸和安装位置尺寸的相关性进行考量，导致这两种尺寸之间的匹配度不高，最终使安装到主控台上的主操作手在操作空间内操作性能差，故，以上问题需要解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中并未对主操作手尺寸和安装位置尺寸相关性进行考量，导致两种尺寸之间的匹配度不高，最终使安装到主控台上的主操作手在操作空间内操作性能差的问题，本发明提供了一种微创手术机器人的主操作手结构。
微创手术机器人的主操作手结构，该主操作手为七自由度串联主操作机械手；主操作手的自身连杆尺寸包括L1、L2和L3，主操作手安装在主控台上的安装位置尺寸包括LMW、LML和LMH；
当预设灵巧性指标权重w′1取值范围为0.5至0.56、且w′1+w′2＝1时，主操作手的自身连杆尺寸和安装位置尺寸满足如下：
L1的取值范围为104.4mm至123.2mm，L2的取值范围为285.4mm至336.8mm，L3的取值范围为257.2mm至303.5mm，LMW的取值范围为410.9mm至461.6mm，LML的取值范围为375mm至421.3mm，LMH的取值范围为190mm至241.4mm；
其中，w′2为预设重力矩指标权重；
L1为主操作手中俯仰关节、偏航关节、翻滚关节夹子的旋转轴的交点OMR7与肘关节、冗余关节转轴的公垂线之间的距离；
L2为主操作手中肩关节旋转轴与肘关节转轴之间的距离；
L3为主操作手中肘关节旋转轴与关节四旋转轴之间的垂直距离；
LML为主操作手安装位置点所在平面相对于主控台坐标原点所在竖直平面间的长度；
LMH为主操作手安装位置点与主控台坐标原点所在水平面间的高度；
LMW为位于左、右两侧的主操作手的安装位置间的宽度。
优选的是，当预设灵巧性指标权重w′1和预设重力矩指标权重w′2取其所在范围内的任意定值时，获得L1、L2、L3、LMW、LML和LMH的实现过程为：
S41-1、将主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸作为优化参数，将全局灵巧性指标f1取值最小作为第一个优化指标，将全局重力矩指标f2取值最小作为第二个优化指标；
设置约束条件如下：
Figure BDA0003849335220000021
S42-1、利用多目标优化算法求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸，使全局灵巧性指标f1和全局重力矩指标f2最优，从而获得最优解集；其中，最优解集中每组帕累托最优解包含L2、L3、L1、LMW、LML和LMH；
S43-1、计算每组帕累托最优解所对应的两个优化指标中每个优化指标的权重wj，所述每组帕累托最优解所对应的两个优化指标作为一组优化指标；
Figure BDA0003849335220000022
其中，wj为第j个优化指标所对应的权重值；j＝1,2；w1+w2＝1；
Figure BDA0003849335220000031
为第j个优化指标的最大值；
Figure BDA0003849335220000032
为第j个优化指标的最小值；
S44-1、将预设灵巧性指标权重w1′和预设重力矩指标权重w′2作为整体预设权重，整体预设权重与每组优化指标进行比较，取与整体预设权重差值最小的那组优化指标所对应的那组帕累托最优解作为主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的最优值。
优选的是，S44-1中，整体预设权重与每组优化指标进行比较的实现方式为
Figure BDA0003849335220000033
其中，w′j为整体预设权重中第j个预设权重分量，预设权重包括两个预设权重分量，分别为第一个预设权重分量w′1和第二个预设权重分量w′2，且第一个预设权重分量作为预设灵巧性指标权重，第二个预设权重分量作为预设重力矩指标权重。
优选的是，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.5、预设重力矩指标权重w′2＝0.5时，L1＝104.4mm，L2＝285.4mm，L3＝257.2mm，LMW＝410.9mm，LML＝375mm，LMH＝190mm。
优选的是，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.52、预设重力矩指标权重w′2＝0.48时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝427.8mm，LML＝390.4mm，LMH＝207.1mm。
优选的是，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.54、预设重力矩指标权重w′2＝0.46时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝444.7mm，LML＝405.9mm，LMH＝224.2mm。
优选的是，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.56、预设重力矩指标权重w′2＝0.44时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝461.6mm，LML＝421.3mm，LMH＝241.4mm。
本发明带来的有益效果是：
本发明考虑了主操作手的自身连杆尺寸和主操作手安装在主控台上的安装位置尺寸，共同对医生操作空间内主操作手操作性能的影响，故对主操作手的自身连杆尺寸和安装位置尺寸同时进行优化，并保护最优的尺寸范围，充分考虑了主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的强相关、强耦合关系，使得经过安装后的主操作手性能达到最优，充分提高了对应用需求的适应性及医生的操作满意度。
具体应用时，可根据预设性能指标的权重分配，求解得到主操作手的自身连杆尺寸，以及其在主控台安装位置尺寸的一个最优取值范围。并且使用本发明微创手术机器人的主操作手结构时，可根据具体手术需求，根据性能指标偏好，确定自身连杆尺寸和安装位置尺寸的最优值，能够满足医生的使用要求。也即：通过对主操作手结构优化，结合医生操作需求确定主操作手各方面性能指标的喜好程度，确立了主手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的一个最优范围，提供的主手性能优越。
附图说明
图1是主控台与左、右侧的主操作手的安装位置关系图；其中，附图标记1为左侧的主操作手驱动部件，附图标记2为右侧的主操作手驱动部件，附图标记3为外科医生，附图标记4为主控台；
图2是位于右侧的主操作手的结构示意图；其中，图中双向箭头为相应关节旋转轴的旋转方向；附图标记51为腰关节，附图标记52为肩关节，附图标记53为肘关节，附图标记54为冗余关节，附图标记55为俯仰关节，附图标记56为偏航关节，附图标记57为翻滚关节，也即：夹子；
图3是主控台的结构示意图；其中，Obase是主控台的坐标原点，OMR0是位于右侧的主操作手的安装位置点；OML0是位于左侧的主操作手的安装位置点。
图4是位于右侧的外科医生在使用微创手术机器人时的手臂运动示意图；其中，图中双向箭头为相应关节旋转轴的旋转方向；图4a为肘部沿主控台水平移动运动示意图；图4b为肘部摇摆运动示意图；图4c为肘部屈伸运动示意图；图4d为肘部前后运动示意图；图4e为手腕翻滚运动示意图；图4f为手腕俯仰运动示意图；图4g为腕偏航运动示意图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图2和图3说明本实施例，本实施例所述的微创手术机器人的主操作手结构，该主操作手为七自由度串联主操作机械手；主操作手的自身连杆尺寸包括L1、L2和L3，主操作手安装在主控台上的安装位置尺寸包括LMW、LML和LMH；
当预设灵巧性指标权重w′1取值范围为0.5至0.56、且w′1+w′2＝1时，主操作手的自身连杆尺寸和安装位置尺寸满足如下：
L1的取值范围为104.4mm至123.2mm，L2的取值范围为285.4mm至336.8mm，L3的取值范围为257.2mm至303.5mm，LMW的取值范围为410.9mm至461.6mm，LML的取值范围为375mm至421.3mm，LMH的取值范围为190mm至241.4mm；
其中，w′2为预设重力矩指标权重；
L1为主操作手中俯仰关节、偏航关节、翻滚关节夹子的旋转轴的交点OMR7与肘关节、冗余关节转轴的公垂线之间的距离；
L2为主操作手中肩关节旋转轴与肘关节转轴之间的距离；
L3为主操作手中肘关节旋转轴与关节四旋转轴之间的垂直距离；
LML为主操作手安装位置点所在平面相对于主控台坐标原点所在竖直平面间的长度；
LMH为主操作手安装位置点与主控台坐标原点所在水平面间的高度；
LMW为位于左、右两侧的主操作手的安装位置间的宽度。
本发明主操作手为七自由度串联主操作机械手，其具体结构为现有技术，其中，安装在主控台上的两个主操作手的结构呈镜像对称。本发明诣在保护主操作手的自身连杆尺寸和主操作手安装在主控台上的安装位置尺寸，充分考虑了主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的强相关、强耦合关系，对二者的具体取值进行限定，从而提高主操作手在医生操作空间内操作性能。且其对主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸进行确定的过程中，并非随意的选定，其确定自身连杆尺寸和安装位置尺寸的具体实现过程是，在明确了优化参数，优化指标，约束条件，求解算法后，主操作手的多目标优化的通常会得到一个帕累托最优解集。根据使用需求，即：优化指标的喜好程度，对相应的优化指标分配不同的预设权重，最终便得到一个与该预设权重对应的最优解。应用时，根据操作需求，可得到各个优化指标的权重范围，最终求解得到主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的一个最优范围。
确定主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸进行的具体实现方式为：
S1、根据医生手臂的坐标系及医生手臂的D-H参数表，确定医生操作空间ws；还根据主操作手的D-H参数表确定主操作手的雅可比矩阵J和主操作手每个关节的重力矩Gi，其中，
Gi为第i个关节的重力矩，i为整数，且i＝1,2,3,4,5,6,7；
S2、根据主操作手的雅可比矩阵J，确定主操作手在医生操作空间ws内任意点的局部灵巧性指标κ(J)；根据所有关节的重力矩，确定主操作手在医生操作空间ws内任意点的局部重力矩指标μ；
S3、对局部灵巧性指标κ(J)在医生操作空间ws内进行微分运算，获得定义在医生操作空间ws内的全局灵巧性指标f1；对局部重力矩指标μ在医生操作空间ws内进行微分运算，获得定义在医生操作空间ws内的全局重力矩指标f2；
S4、求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸，使得定义在医生操作空间ws内的全局灵巧性指标f1和全局重力矩指标f2最优，从而完成了对主操作手性能的优化。
应用时，将主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸作为优化变量，其中安装位置尺寸，指的是主操作手在主控台上的安装位置，具体应用时，微创手术机器人具备两个主操作手，且两个主操作手尺寸完全相同、且结构及安装位置呈镜像对称，即：左侧的主操作手和右侧的主操作手安装位置对称布设。
将主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸均作为优化变量是由于：主操作手自身连杆尺寸仅决定主操作手本身的工作空间大小、灵巧度和重力扭矩。但是，安装位置尺寸决定了外科医生可以在哪个区域进行操作，进而决定了主操作手的实际性能，故将主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸均作为优化变量，并将灵巧性指标和重力矩指标定义在医生操作空间ws内；求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸，使得定义在医生操作空间内的灵巧性指标和重力矩指标最优(即：最小)；使得主操作手安装在主控台上之后，主操作手在医生的操作空间ws内性能表现最优。
建立全局灵巧性指标f1的理由：
主操作手到从手器械之间的运动有一个映射比例。精确操作可以是3:1。如果将患者腹腔的空间映射到主操作手的操作空间，那么对主操作手的操作空间要求会很大。在实际使用中，因为主从控制系统采用位置增量控制，所以可以通过切断主从之间连接的方式，对主手的操作空间进行回收，使得对主操作手自身的操作空间需求会变小。但是，如果主手自身操作空间太小，外科医生将需要频繁地切断主从之间的连接，使操作不流畅。因此，将外科医生的手术空间(即：医生的操作空间ws)作为设计标准被认为是一个很好的选择。当将外科医生的操作空间作为设计标准时，既不会导致以患者腹腔空间为设计标准所带来的主操作手结构尺寸过大，也不会导致以增量控制为设计标准所带来的主从频繁的非自主的连接切断。故提出了外科医生手术空间的全局灵巧性指标f1，它平均了主操作手在外科医生的手术空间中的灵巧度，全局灵巧性指标f1越小，性能越好。
建立全局重力矩指标f2的理由为：
首先，重力矩与结构的大小成正比。过大的结构不仅占用空间，还意味着很大的惯性。对于惯性补偿，需要获得角加速度。但在没有角速度传感器的情况下，位置编码器的二阶差分会产生巨大的噪声信号，不利于控制。其次，重力力矩越大，结构内部零件接触面之间的压力越大，摩擦力越大。当医生改变主操作手的运动方向时，摩擦力会有很大的跳跃，降低了操作的流畅性。最后，重力扭矩越大，能量消耗越大。基于以上原因，应该减小重力力矩，即：重力矩，全局重力矩指标f2越小，性能越好。
医生手臂的坐标系、医生手臂的D-H参数表、以及主操作手的D-H参数表的确定均是使用D-H建模方法实现的，该方法是一种现有技术，D-H建模方法的英文全称为Denavit–Hartenberg。
具体应用时，参见图4医生为缓解操作的疲劳，通常肘部会与主控台接触，其手臂的运动方式包括7种，分别为肘部沿主控台水平移动，肘部摇摆运动，肘部屈伸运动，肘部沿主控台竖直移动，手腕翻滚运动，手腕俯仰运动，手腕偏航运动；尽管医生之间的手臂尺寸会有所不同，但是在使用微创手术机器人时，手部运动均由上述7个运动组成，据此，可以获得统一的医生手臂的坐标系和医生手臂的D-H参数表。
进一步的，步骤S1中，根据医生手臂的坐标系及医生手臂的D-H参数表，确定医生操作空间ws的实现方式为：
利用蒙特卡洛法计算方法对医生手臂的坐标系及医生手臂的D-H参数表中参量进行计算，确定医生的操作空间ws。
更进一步的，步骤S1中，根据主操作手的D-H参数表确定主操作手的雅可比矩阵J的实现方式为：
根据主操作手的D-H参数表中参量，采用矢量积法计算主操作手的雅可比矩阵J。
更进一步的，步骤S1中，根据主操作手的D-H参数表确定主操作手每个关节的重力矩Gi的实现方式为：
根据主操作手的D-H参数表中参量，采用机器人静力学方法计算主操作手每个关节的重力矩Gi。
更进一步的，S2中、局部灵巧性指标κ(J)的表达式为：
Figure BDA0003849335220000081
其中，JT是主操作手的雅可比矩阵J的转置，tr(·)是矩阵的迹运算，n是雅可比矩阵J的维数；
S2中、局部重力矩指标μ的表达式为：
Figure BDA0003849335220000082
更进一步的，S3中、全局灵巧性指标f1的表达式为：
Figure BDA0003849335220000083
S3中、全局重力矩指标f2的表达式为：
Figure BDA0003849335220000091
更进一步的，具体参见图2和图3，步骤S4中、求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸，使得定义在医生操作空间ws内的全局灵巧性指标f1和全局重力矩指标f2最优，从而完成了对主操作手性能的优化的实现方式为：
S41、将主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸作为优化参数，将全局灵巧性指标f1取值最小作为第一个优化指标，将全局重力矩指标f2取值最小作为第二个优化指标；
设置约束条件如下：
Figure BDA0003849335220000092
S42、利用多目标优化算法求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸，使全局灵巧性指标f1和全局重力矩指标f2最优，从而获得最优解集；其中，最优解集中每组帕累托最优解包含L2、L3、L1、LMW、LML和LMH；
S43、计算每组帕累托最优解所对应的两个优化指标中每个优化指标的权重wj，所述每组帕累托最优解所对应的两个优化指标作为一组优化指标；
Figure BDA0003849335220000093
其中，wj为第j个优化指标所对应的权重值；j＝1,2；w1+w2＝1；
Figure BDA0003849335220000094
为第j个优化指标的最大值；
Figure BDA0003849335220000095
为第j个优化指标的最小值；
S44、将预设灵巧性指标权重w′1和预设重力矩指标权重w′2作为整体预设权重，整体预设权重与每组优化指标进行比较，取与整体预设权重差值最小的那组优化指标所对应的那组帕累托最优解作为主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的最优值，其中，
整体预设权重与每组优化指标进行比较的实现方式为
Figure BDA0003849335220000101
其中，w′j为整体预设权重中第j个预设权重分量，预设权重包括两个预设权重分量，分别为第一个预设权重分量w′1和第二个预设权重分量w′2，且第一个预设权重分量作为预设灵巧性指标权重，第二个预设权重分量作为预设重力矩指标权重。
应用时，L2、L3、L1、LMW、LML和LMH的单位均为毫米，当预设灵巧性指标权重w′1取值未知的情况下，建立的约束条件，如公式五所示，其对其各变量进行约束的目的是：
(1)为了防止整体结构过大，对L2和L3的长度进行了限制：
150≤L2≤500；150≤L3≤500；L2+L3≤900；
(2)为确保主操作手的手腕空间可以容纳外科医生的手，以及防止主操作手的手腕与主控台发生碰撞，因此对L1的长度进行限制：
80≤L1≤150；
(3)为了防止左右主手相互碰撞，主操作手的安装位置尺寸被限制为：
250≤LMW≤800；0≤LML≤600；0≤LMH≤600。
具体应用时，根据调查医生操作需求普遍喜欢灵巧性指标较高的主操作手，而对重力矩指标关注度较小。故将预设灵巧性指标权重w′1分配，取值从0.5至0.56；则对预设重力矩指标权重w′2分配较小，其权重取值范围为从0.44至0.5。
因此，当预设灵巧性指标权重w′1取值范围为0.5至0.56时，通过上述“确定主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的具体实现方式”进行运算，从而获得主操作手的自身连杆尺寸和安装位置尺寸的最优取值范围(即：获得L1、L2、L3、LMW、LML和LMH的最优取值范围)，即得到：L1的取值范围为104.4mm至123.2mm，L2的取值范围为285.4mm至336.8mm，L3的取值范围为257.2mm至303.5mm，LMW的取值范围为410.9mm至461.6mm，LML的取值范围为375mm至421.3mm，LMH的取值范围为190mm至241.4mm。
而当预设灵巧性指标权重w′1和预设重力矩指标权重w′2取其各自所在范围内的任意定值时，获得L1、L2、L3、LMW、LML和LMH最优值的实现过程，与上述具体计算过程相同；也即：
S41-1、将主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸作为优化参数，将全局灵巧性指标f1取值最小作为第一个优化指标，将全局重力矩指标f2取值最小作为第二个优化指标；
设置约束条件如下：
Figure BDA0003849335220000111
S42-1、利用多目标优化算法求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸，使全局灵巧性指标f1和全局重力矩指标f2最优，从而获得最优解集；其中，最优解集中每组帕累托最优解包含L2、L3、L1、LMW、LML和LMH；
S43-1、计算每组帕累托最优解所对应的两个优化指标中每个优化指标的权重wj，所述每组帕累托最优解所对应的两个优化指标作为一组优化指标；
Figure BDA0003849335220000112
S44-1、将预设灵巧性指标权重w′1和预设重力矩指标权重w′2作为整体预设权重，整体预设权重与每组优化指标进行比较，取与整体预设权重差值最小的那组优化指标所对应的那组帕累托最优解作为主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的最优值。
S44-1中，整体预设权重与每组优化指标进行比较的实现方式为
Figure BDA0003849335220000113
此时，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.5、预设重力矩指标权重w′2＝0.5时，L1＝104.4mm，L2＝285.4mm，L3＝257.2mm，LMW＝410.9mm，LML＝375mm，LMH＝190mm。
更进一步的，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.52、预设重力矩指标权重w′2＝0.48时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝427.8mm，LML＝390.4mm，LMH＝207.1mm。
更进一步的，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.54、预设重力矩指标权重w′2＝0.46时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝444.7mm，LML＝405.9mm，LMH＝224.2mm。
更进一步的，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.56、预设重力矩指标权重w′2＝0.44时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝461.6mm，LML＝421.3mm，LMH＝241.4mm。
其中，在预设灵巧性指标权重w′1取值范围为0.5至0.56内取任意定值、以及在预设重力矩指标权重w′1取值范围为0.44至0.5内取任意定值时，建立的约束条件，如公式五一所示，其对其各变量进行约束的目的是：
(1)为了防止整体结构过大，对L2和L3的长度进行了进一步限制：
285.4≤L2≤336.8；257.2≤L3≤303.5；L2+L3≤640.3；
(2)为确保主操作手的手腕空间可以容纳外科医生的手，以及防止主操作手的手腕与主控台发生碰撞，因此对L1的长度进行进一步限制：
104.4≤L1≤123.2；
(3)为了防止左右主手相互碰撞，主操作手的安装位置尺寸被进一步限制为：
410.9≤LMW≤461.6；375≤LML≤421.3；190≤LMH≤241.4。
综上应用时，将整体预设权重与每组优化指标进行比较，相当于各项指标根据医生喜好赋予各个优化指标不同的权重值，那么便可从最优解集中选取与该整体预设权重最为接近的解作为最终设计结果。
下表给出了当预设灵巧性指标权重w′1和预设重力矩指标权重w′2取值如下时，对应的帕累托最优解如下：
Figure BDA0003849335220000121
Figure BDA0003849335220000131
需要注意的是，在各优化变量的取值范围内，并非随意取值便可取得较好的性能。从表中我们可以观察出：所有优化变量都与w′2存在一定的反比关系；与w′1存在一定的正比关系。
本发明主操作手结构优化设计构思：在确定的操作空间内提出优化参数、优化指标和约束条件，制定优化问题；最后，选择多目标优化算法来解决问题，并从帕累托解集中找到一个最优解。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.微创手术机器人的主操作手结构，该主操作手为七自由度串联主操作机械手；其特征在于，主操作手的自身连杆尺寸包括L1、L2和L3，主操作手安装在主控台上的安装位置尺寸包括LMW、LML和LMH；
当预设灵巧性指标权重w1′取值范围为0.5至0.56、且w1′+w′2＝1时，主操作手的自身连杆尺寸和安装位置尺寸满足如下：
L1的取值范围为104.4mm至123.2mm，L2的取值范围为285.4mm至336.8mm，L3的取值范围为257.2mm至303.5mm，LMW的取值范围为410.9mm至461.6mm，LML的取值范围为375mm至421.3mm，LMH的取值范围为190mm至241.4mm；
其中，w2′为预设重力矩指标权重；
L1为主操作手中俯仰关节、偏航关节、翻滚关节夹子的旋转轴的交点OMR7与肘关节、冗余关节转轴的公垂线之间的距离；
L2为主操作手中肩关节旋转轴与肘关节转轴之间的距离；
L3为主操作手中肘关节旋转轴与关节四旋转轴之间的垂直距离；
LML为主操作手安装位置点所在平面相对于主控台坐标原点所在竖直平面间的长度；
LMH为主操作手安装位置点与主控台坐标原点所在水平面间的高度；
LMW为位于左、右两侧的主操作手的安装位置间的宽度；
当预设灵巧性指标权重w1′和预设重力矩指标权重w2′取其所在范围内的任意定值时，获得L1、L2、L3、LMW、LML和LMH的实现过程为：
S41-1、将主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸作为优化参数，将全局灵巧性指标f1取值最小作为第一个优化指标，将全局重力矩指标f2取值最小作为第二个优化指标；
设置约束条件如下：
Figure FDA0004196224570000021
所述
Figure FDA0004196224570000022
其中，/>
Figure FDA0004196224570000023
Figure FDA0004196224570000024
κ(J)为局部灵巧性指标，μ为局部重力矩指标，JT为主操作手的雅可比矩阵J的转置，tr(·)是矩阵的迹运算，n为雅可比矩阵J的维数，ws为医生的操作空间，Gi为第i个关节的重力矩；
S42-1、利用多目标优化算法求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸，使全局灵巧性指标f1和全局重力矩指标f2最优，从而获得最优解集；其中，最优解集中每组帕累托最优解包含L2、L3、L1、LMW、LML和LMH；
S43-1、计算每组帕累托最优解所对应的两个优化指标中每个优化指标的权重wj，所述每组帕累托最优解所对应的两个优化指标作为一组优化指标；
Figure FDA0004196224570000025
其中，wj为第j个优化指标所对应的权重值；j＝1,2；w1+w2＝1；
Figure FDA0004196224570000026
为第j个优化指标的最大值；
Figure FDA0004196224570000027
为第j个优化指标的最小值；
S44-1、将预设灵巧性指标权重w′1和预设重力矩指标权重w′2作为整体预设权重，整体预设权重与每组优化指标进行比较，取与整体预设权重差值最小的那组优化指标所对应的那组帕累托最优解作为主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸的最优值。
2.根据权利要求1所述的微创手术机器人的主操作手结构，其特征在于，S44-1中，整体预设权重与每组优化指标进行比较的实现方式为
Figure FDA0004196224570000031
其中，w′j为整体预设权重中第j个预设权重分量，预设权重包括两个预设权重分量，分别为第一个预设权重分量w1′和第二个预设权重分量w′2，且第一个预设权重分量作为预设灵巧性指标权重，第二个预设权重分量作为预设重力矩指标权重。
3.根据权利要求1至2之一所述的微创手术机器人的主操作手结构，其特征在于，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.5、预设重力矩指标权重w′2＝0.5时，L1＝104.4mm，L2＝285.4mm，L3＝257.2mm，LMW＝410.9mm，LML＝375mm，LMH＝190mm。
4.根据权利要求1至2之一所述的微创手术机器人的主操作手结构，其特征在于，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.52、预设重力矩指标权重w′2＝0.48时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝427.8mm，LML＝390.4mm，LMH＝207.1mm。
5.根据权利要求1至2之一所述的微创手术机器人的主操作手结构，其特征在于，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.54、预设重力矩指标权重w′2＝0.46时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝444.7mm，LML＝405.9mm，LMH＝224.2mm。
6.根据权利要求1至2之一所述的微创手术机器人的主操作手结构，其特征在于，当预设灵巧性指标权重w′1＝0.56、预设重力矩指标权重w′2＝0.44时，L1＝110.7mm，L2＝302.5mm，L3＝272.6mm，LMW＝461.6mm，LML＝421.3mm，LMH＝241.4mm。
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