CN117506920A - 混联机器人运动学解析方法 - Google Patents

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CN117506920A
CN117506920A CN202311658270.7A CN202311658270A CN117506920A CN 117506920 A CN117506920 A CN 117506920A CN 202311658270 A CN202311658270 A CN 202311658270A CN 117506920 A CN117506920 A CN 117506920A
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universal joint
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linear motion
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张昊任
陈向前
李营花
张欢
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True Health Guangdong Hengqin Medical Technology Co ltd
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True Health Guangdong Hengqin Medical Technology Co ltd
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Abstract

本申请公开了混联机器人运动学解析方法，应用至混联机器人中，包括：基于基坐标系对所述上层运动平台和所述下层运动平台中并联结构部分采用几何分析法获取关键点的位置坐标；获取所述上层万向节和所述下层万向节的旋转角度；基于所述位置坐标和所述旋转角度建立所述上层运动平台和所述下层运动平台中串联结构部分的DH模型；基于所述DH模型确定上层模型和下层模型的DH参数表；基于所述DH参数表求解末端套筒及穿刺针位姿，并得到穿刺针上任意一点相对于所述基坐标系的转换矩阵。本申请实现了能够更加高效地针对混联机器人进行运动学解析的技术效果，进而解决了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。

Description

混联机器人运动学解析方法
技术领域
本申请涉及手术机器人技术领域，具体而言，涉及一种混联机器人运动学解析方法。
背景技术
关于穿刺手术机器人的运动学解析，一般采用几何分析法或DH模型法进行解析，而在针对混联结构，即既包含并联结构又包含多个串联结构的机器人中，单纯采用几何分析法将使复杂程度明显增加，并且也无法直接应用DH建模方法。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种混联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。
为了实现上述目的，本申请提供了一种混联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、上层万向节和滑块，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、上层万向节和滑块串联；
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；
所述运动学解析方法包括：
基于基坐标系对所述上层运动平台和所述下层运动平台中并联结构部分采用几何分析法获取关键点的位置坐标；
获取所述上层万向节和所述下层万向节的旋转角度；
基于所述位置坐标和所述旋转角度建立所述上层运动平台和所述下层运动平台中串联结构部分的DH模型；
基于所述DH模型确定上层模型和下层模型的DH参数表；
基于所述DH参数表求解末端套筒及穿刺针位姿，并得到穿刺针上任意一点相对于所述基坐标系的转换矩阵。
进一步的，两个所述第一直线运动构件的第一端铰接在安装平台上，其第二端铰接至所述第一水平支架上；
两个所述第二直线运动构件的第二端铰接在所述安装平台上，其第二端铰接至所述第二水平支架上；
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-；
获取所述上层运动平台和所述下层运动平台中关键点的位置坐标，包括：
获取所述O2+的位置坐标(x2+，y2+，z2+)和所述O2-的位置坐标(x2-，y2-，z2-)。
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。
进一步的，基于所述基坐标系采用几何分析法获取所述上层运动平台和所述下层运动平台中关键点的位置坐标，具体为：
对所述第一直线运动构件的第一端和第二端的铰接点之间的距离进行修正；
对所述第二直线运动构件的第一端和第二端的铰接点之间的距离进行修正；
基于修正后的结果将所述上层运动平台和所述下层运动平台中的并联结构简化为梯形构型；
基于所述梯形构型，采用几何分析法获取所述O2+和所述O2-的位置坐标。
进一步的，获取所述上层万向节和所述下层万向节的旋转角度，具体为：
所述上层万向节和所述下层万向节的后端和前端分别具有一个转轴，所述上层万向节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-；
θwb+＝θwb-，θwf+＝θwf-；
Δx2＝x2+-x2-；
Δy2＝y2+-y2-。
进一步的，基于所述DH参数表求解末端套筒及穿刺针位姿，并得到穿刺针上任意一点相对于基坐标系的转换矩阵，具体为：
末端套筒及穿刺针位姿用4×4的齐次变换矩阵表示为：
所述末端套筒相对所述基坐标系的齐次变换矩阵：
0T3＝0A1*1A2*2A3；
其中，对于第i个关节，第i个连杆与第i个坐标系的变换关系如下：
设与所述末端套筒固连的穿刺针上任意一点，相对O3-的位置坐标为(tx,ty,tz),则其相对O3的齐次变换矩阵为：
所述穿刺针上任意一点相对于所述基坐标系的转换矩阵T为：
T＝0T3Ttool
进一步的，第一水平支架和所述第二水平支架约束为仅能够在XOY平面内平移。
根据本申请的另一方面，提供一种电子设备，包括：
存储器，所述存储器存储执行指令；以及
处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行上述的混联机器人运动学解析方法。
根据本申请的另一方面，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现上述的混联机器人运动学解析方法。
根据本申请的另一方面，提供一种机器人系统，包括：上述的可读存储介质，所述机器人系统设置成能够基于所述可读存储介质中存储的执行指令进行运动学求解。
在本申请实施例中，通过设置混联机器人，混联机器人包括上层运动平台和下层运动平台，上层运动平台包括两个第一直线运动构件、第一水平支架、上层万向节和滑块，两个第一直线运动构件并联后依次与第一水平支架、上层万向节和滑块串联；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，两个第二直线运动构件并联后依次与第二水平支架、下层万向节和末端支架串联，上层运动平台和下层运动平台通过滑块与末端支架上的导轨并联；应用至该混联机器人的运动学解析方法包括：建立基坐标系，基于基坐标系对上层运动平台和下层运动平台中并联结构部分采用几何分析法获取关键点的位置坐标；获取上层万向节和下层万向节的旋转角度；基于位置坐标和旋转角度建立上层运动平台和下层运动平台中串联结构部分的DH模型；基于DH模型确定上层模型和下层模型的DH参数表；基于DH参数表求解末端套筒及穿刺针位姿，并得到穿刺针上任意一点相对于基坐标系的转换矩阵，达到了根据混联机器人的结构特征先利用几何分析法对并联结构部分进行分析，再利用DH模型对串联结构部分进行分析，最终得出末端套筒位姿的精确解析表达式的目的，从而实现了能够更加高效地针对混联机器人进行运动学解析的技术效果，进而解决了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。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的结构示意图；
图2是根据本申请实施例中限制平行构件的结构示意图；
图3是根据本申请实施例中电机的爆炸结构示意图；
图4是根据本申请实施例中电机的装配结构示意图；
图5是根据本申请实施例中电机的剖视结构示意图；
图6是根据本申请实施例中末端支架的爆炸结构示意图；
图7是根据本申请实施例中末端支架的侧视结构示意图；
图8是图7中B-B的剖视结构示意图；
图9是根据本申请实施例中末端支架的装配示意图；
图10是根据本申请实施例中下层运动平台的简化示意图；
图11是根据本申请实施例中DH模型的示意图。
其中，1安装平台，2运动平台，21限制平行构件，211滑座，212安装孔，213导向件，214第二导轨，215直线轴承，22直线运动构件，221连接臂，222电机座，223驱动电机，224丝杠螺母，225丝杠，226第三导轨，227电机外壳，228导轨滑块，23连接件，24万向节，3末端支架，31穿刺连接板，311连接柱，312固定柱，32末端连接件，321连接孔，322第一扣槽，323第一固定槽，33末端可拆件，331第二固定槽，332第二扣槽，333手柄，34穿刺套筒，4第一导轨，5滑块。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。
在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1：
由于穿刺手术的复杂性，末端执行器需要具备多个运动自由度。相关技术中为实现多自由度操作，采用多个运动平台叠加的方式。例如，相关技术中采用两个大运动平台叠加，而每个大运动平台由包括叠加的两个子运动平台，子运动平台的输出方向垂直。该类型的末端执行器虽然能够满足运动自由度需求，但是会导致末端执行器的纵向体积增大，影响了操作精准性。
为解决上述技术问题，本实施例提供了一种小型化的混联机器人，该混联机器人包括：安装平台1、运动平台2和末端支架3；其中，
运动平台2设于安装平台1上，运动平台2设置为两个并呈上下分布；运动平台2包括沿水平方向布置的两个直线运动构件22、连接件23、万向节24和限制平行构件21；
两个直线运动构件22分别设于安装平台1的两侧，两个直线运动构件22的第一端均与安装平台1铰接，其第二端分别与连接件23的两端铰接，万向节24与连接件23铰接；
两个直线运动构件22与安装平台1的铰接点之间形成连线一，两个直线运动构件22与连接件23的铰接点之间形成连线二，连线一和连线二平行，两个直线运动构件22的直线运动方向不平行；
限制平行构件21的一端与安装平台1连接，另一端与连接件23连接，以使在运动过程中能够限制连线二与连线一保持平行；
末端支架3上设置有平行于进针方向的第一导轨4，其中一个运动平台2中的万向节24通过滑块5与第一导轨4滑动连接，另一个运动平台2中的万向节24与末端支架3连接。
在本实施例中，该电动末端执行器主要包括安装平台1、运动平台2和末端支架3。安装平台1为固定件，其作为运动平台2的安装基础，也作为与穿刺机器人的机械臂连接的结构。安装平台1的结构只需要满足两个运动平台2的安装即可，在一种实施方式中安装平台1为框型或板状，优选为框型，在保证结构强度的同时能够减小重量。运动平台2作为该末端支架3执行器中的运动构件，其安装在安装平台1上，末端支架3作为被操作件与运动平台2的输出端连接，由运动平台2带动末端支架3进行多自由度的运动。
为使末端支架3能够保持在一种姿态，其两端均需要配置运动平台2与其连接。为此本实施例中的运动平台2设置为上下分布的两个。两个运动平台2可同时安装在安装平台1的上侧或下侧，或将两个运动平台2分别安装在安装平台1的上下两侧。优选为将其安装在安装平台1的上下两侧，能够避免两个运动平台2之间的互相影响。由上下分布的两个运动平台2确定与末端支架3的两个连接点，从而在运动过程中能够使末端支架3保持在一种姿态上。
为减小末端支架3执行器的纵向体积，如图1所示，本实施例中运动平台2中的两个直线运动构件22沿水平方向布置并分别安装在安装平台1的两侧。相对于四个子运动平台叠加的方式而言，纵向体积得到明显减小。直线运动构件22作为能够产生直线运动的结构，其可采用电机或气缸等能够实现直线运动的结构组成。
为实现末端支架3的多自由度的运动，本实施例中的运动平台2能够组成梯形的运动构件。具体的，如图1所示，直线运动构件22的第一端与安装平台1铰接，对于一个运动平台2而言，两个直线运动构件22与安装平台1的铰接点之间形成的连线一作为梯形的底边，且底边固定。两个直线运动构件22的直线运动方向不平行，因此两个直线运动构件22的直线运动路径则作为梯形的斜边。两个直线运动构件22的第二端与连接件23的两端铰接，因此两个铰接点之间形成的连线二则作为梯形的顶边。顶边作为与直线运动构件22的输出端连接的结构，其需要在直线运动构件22的作用下进行运动，通过上下两个运动平台2的顶边之间的位置变化使末端支架3进行不同的姿态调整。
为使结构稳定，需要对该梯形的运动构件进行约束，使得底边和顶边始终保持平行。为此，本实施例中额外布置有限制平行构件21，限制平行构件21的一端与安装平台1连接，另一端与连接件23连接，以使在运动过程中连线二与连线一保持平行。顶边的运动可以分解为在水平面上沿X轴和Y轴直线运动，因此限制平行构件21的作用便是在顶边的运动过程中使顶边不产生倾斜，使其能够与底边保持平行。因此在一种实施方式中，限制平行构件21可为能够实现沿X轴和Y轴直线运动的复合结构，在其与顶边连接后能够约束顶边的位置，使其同样只能沿X轴和Y轴直线运动，最终实现对顶边的平行约束。
在末端支架3进行一些姿态调整时，末端支架3上两个万向节24之间的距离需要变化，为此，本实施例中在末端支架3上设置有第一导轨4，且第一导轨4平行于进针方向。其中一个运动平台2的万向节24通过滑块5与第一导轨4滑动连接，另一个运动平台2的万向节24则直接与末端支架3连接。当末端支架3姿态发生变化时，两个万向节24的距离发生变化，通过滑块5与第一导轨4连接的万向节24沿导轨滑动，从而实现末端支架3姿态的调整。
本实施例通过将两个运动平台2上下布置，每个运动平台2中的两个直线运动构件22则水平布置，每个运动平台2中的两个直线运动构件22在与安装平台1和连接件23连接后组成梯形的运动构件，在运动过程中由限制平行构件21来保持该运动构件中两平行边的平行，达到了在减小末端支架3执行器的纵向体积的同时实现对末端支架3的多自由度精准操作的目的，从而解决了相关技术中多自由度的末端支架3执行器的纵向体积较大，影响了操作精准性的问题。
在限制平行构件21的一种具体实施方式中，如图1和图2所示，其包括第二导轨214、滑座211和导向件213；
第二导轨214设于安装平台1上并沿第一方向延伸，滑座211滑动地设于第二导轨214上，导向件213沿第二方向延伸并滑动地设于滑座211上，导向件213的端部与连接件23固定连接，第一方向平行于连线二，第一方向垂直于第二方向。
在本实施例中，第二导轨214沿第一方向安装在安装平台1的前端(即靠近末端支架3的一端)，滑座211安装在第二导轨214上并可沿第一方向滑动，导向件213沿第二方向布置并与滑座211滑动连接，导向件213上靠近连接件23的一端与连接件23固定连接。当运动平台2的两个直线构件从零点位置同步向前直线运动时，滑座211保持不动，导向件213随着连接件23向前直线移动，此时滑座211作为对导向件213的导向结构，同时也作为对连接件23的导向结构。当运动平台2的两个直线构件直线运动量不同时，两个直线运动构件22的第一端绕铰接点产生旋转运动，同时滑座211沿第一导轨4直线运动，导向件213沿滑座211直线运动，以约束连接件23进行平移运动。
在一种实施方式中，为便于导向件213沿滑座211直线运动，本实施例中在滑座211上设置有安装孔212，安装孔212内设置有直线轴承215，导向件213设置为导向光轴，导向光轴滑动套接在直线轴承215内，导向光轴的端部与连接件23固定连接，安装孔212可设置为两个，相应的导向光轴也设置为两个，从而可提高稳定性。
由于直线运动构件22的直线运动方向不平行，且连接件23作为梯形的短边，因此为使直线运动构件22能够顺滑的驱动连接件23移动，如图1所示，本实施例中的直线运动构件22包括电机和连接臂221，电机与安装平台1铰接，连接臂221的第一端与电机的输出端铰接，第二端与连接件23铰接，连接臂221和电机的输出端呈钝角。
电机的输出稳定性和精准性直接影响末端支架3的性能。因此为使电机能够实现稳定且精准的直线输出，如图3至图5所示，本实施例中的电机包括电机座222、电机外壳227、驱动电机223、丝杠225、丝杠螺母224、第三导轨226和导轨滑块228；
电机座222固设于电机外壳227的一端，驱动电机223固设于电机座222内，丝杠225设于电机外壳227内并与驱动电机223传动连接，丝杠螺母224螺纹连接在丝杠225上，丝杠螺母224可随丝杠225的旋转而直线移动；
第三导轨226与丝杠螺母224固定连接，第三导轨226的端部延伸出电机外壳227并与连接臂221连接，导轨滑块228固定在电机外壳227内并与第三导轨226滑动连接，以限制第三导轨226的运动方向。
在本实施例中，电机外壳227能够限制丝杠螺母224的旋转自由度，使得当丝杠225旋转时丝杠螺母224能够直线运动。为使丝杠225能够稳定旋转，丝杠225的两端与电机外壳227之间可通过轴承进行连接。电机座222作为固定驱动电机223的结构，其安装在电机外壳227远离连接件23的一端。在驱动电机223与丝杠225传动连接后，驱动电机223带动丝杠225旋转，从而驱动丝杠螺母224直线移动。
为使丝杠螺母224的直线移动能够被稳定输出，本实施例中通过第三导轨226和导轨滑块228配合来实现。导轨滑块228固定在电机外壳227内，第三导轨226在与丝杠螺母224固定连接的同时与导轨滑块228滑动配合，导轨滑块228能够对导轨的直线运动进行导向，使得导轨在进行较长的直线运动时也不会产生偏移，从而提高了运动的稳定性和精准性。
可以理解的是，本实施例中的丝杠可为滚珠丝杠，也可为螺纹杆或梯形丝杠225等等。
为便于在运动过程中对位移量进行检测，本实施例中的电机还包括位置传感器，位置传感器的检测端与丝杠螺母224相连，以检测丝杠螺母224的移动位置。
为便于末端支架3的安装和拆卸，如图6至图9所示，本实施例中的末端支架3包括穿刺连接板31、末端连接件33、末端可拆件33和穿刺套筒34；
穿刺连接板31的第一侧设置有第一导轨4，其中一个运动平台2中的万向节24通过滑块5与第一导轨4滑动连接，另一个运动平台2中的万向节24与穿刺连接板31连接；
末端连接件33可拆卸地固定在穿刺连接板31的第二侧，末端可拆件33可拆卸地固定在末端连接件33上，穿刺套筒34可拆卸地固定在末端可拆件33上。
在本实施例中，穿刺连接板31和末端连接件33大致设置为L型，第一导轨4布置在穿刺连接板31的竖直面上。穿刺连接板31的下端具有万向节24直接铰接的连接部，布置在第一导轨4的滑块5上也具有与万向节24直接铰接的连接部。末端连接件33与穿刺连接板31背离第一导轨4的一侧可拆卸地连接。具体的，穿刺连接板31的上端设置有连接柱311，末端连接件33的上端设置有与连接柱311插接配合的连接孔321。连接孔321的孔径大于连接柱311的直径，当末端连接件33通过连接孔321插接在连接柱311上后，末端连接件33能够靠在连接柱311上顺时针或逆时针旋转。
为使穿刺连接板31能够与末端连接件33固定，本实施例中在穿刺连接板31的第二侧设置有固定柱312，末端连接件33上设置有与固定柱312插接固定的固定孔；连接柱311与连接孔321插接配合后，末端连接件33可旋转至将固定孔插接在固定柱312上。固定柱312上具有纺锥状的连接部，固定孔内具有与该连接部卡接的槽体。
为便于末端连接件33和末端可拆件33的安装和拆卸，本实施例中末端连接件33的下端两侧设置有第一扣槽322，末端可拆件33上设置有与第一扣槽322卡扣固定的第二扣槽332。第一扣槽322和第二扣槽332能够以卡扣的方式进行固定连接。为便于拆卸，末端可拆件33的两侧设置有向外扩的手柄333，手柄333设置成能够以按压的方式使第二扣槽332脱离第一扣槽322。为便于固定穿刺套筒34，本实施例中在末端连接件33上朝向末端可拆件33的一端设置有第一固定槽323，第二扣槽332内设置有与第一固定槽323对应的第二固定槽331，穿刺套筒34固定在第一固定槽323和第二固定槽331之间的。当穿刺套筒34为圆柱形时，第一固定槽323和第二固定槽331可设置为半圆形。
实施例2：
根据本申请的另一方面，提供一种混联机器人运动学解析方法，其能够应用至上述实施例1的混联机器人中。在本实施例中对上述实施例中的混联机器人进行简化说明，具体的，该混联机器人包括上层运动平台和下层运动平台，上层运动平台包括两个第一直线运动构件、第一水平支架、上层万向节和滑块5，两个第一直线运动构件并联后依次与第一水平支架、上层万向节和滑块5串联；
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，两个第二直线运动构件并联后依次与第二水平支架、下层万向节和末端支架3串联，上层运动平台和下层运动平台通过滑块5与末端支架3上的导轨并联。
在本实施例中上层运动平台和下层运动平台分别对应上述实施例中的两个运动平台2，上层运动平台中的两个第一直线运动构件对应上述实施例中位于上层的运动平台2中的两个直线运动构件22。下层运动平台中的两个第二直线运动构件对应上述实施例中位于下层的运动平台中的两个直线运动构件22。
本实施例中的第一水平支架和第二水平支架由上述实施例中的连接件23和限制平行构件21组成。上层万向节和下层万向节分别对应上述实施例位于上层的运动平台中的万向节24和位于下层的运动平台中的万向节24。本实施例中的滑块、末端支架和导轨分别对应上述实施例中的滑块5、末端支架3和第一导轨4。
根据上述混联机器人结构可知，其为既包含并联结构又包含并联的结构，在进行运动学解析时，单纯采用几何分析法将使复杂程度明显增加，并且也无法直接应用DH建模方法，因此本实施例中将几何分析法和DH建模方法有机结合来对其进行运动学解析。
具体的，该混联机器人正常工作时呈水平放置状态，上层运动平台和下层运动平台中共包括四个直线运动构件，分别为两个第一直线运动构件和两个第二直线运动构件。在本实施例中，将两个第二直线运动构件分别记为第1号直线运动构件和第2号直线运动构件，将两个第一直线运动构件分别记为第3号直线运动构件和第4号直线运动构件。
四个直线运动构件的后端可通过轴承铰接在安装平台上，可将基坐标系原点设在四个直线运动构件后端轴承的中心交叉处，即铰接点的交叉处，设为O0，x轴垂直于四个直线运动构件后端轴承的中心点组成的平面，正方向朝向末端支架伸长方向，z轴垂直水平面向上，y轴由右手定则确定。
对于下层运动平台而言，第1号直线运动构件和第2号直线运动构件的后端通过轴承铰接在安装平台上，前端通过轴承铰接在第二水平支架上，具体为铰接在下层的运动平台中的连接件的两端，设前端的两个轴承中心点为O2-。根据上述实施例可知，连接件和限制平行构件在第二导轨的约束下，其运动只能发生在XOY平面内的平移，不能绕z轴旋转。第二水平支架的前端与下层万向节通过旋转轴铰接，下层万向节与末端支架通过旋转轴铰接，末端支架上可刚性连接末端套筒，末端套筒中可安装穿刺针。
上层运动平台与下层运动平台同理，设第3号直线运动构件和第4号直线运动构件前端的两个轴承中心点为O2+，上层运动平台和下层运动平台在不同之处在于，上层运动平台中的上层万向节与滑块铰接，该滑块安装在末端支架的导轨上。
由以上可知，该混联机器人的运动结构特点：对于上层运动平台，第3号直线运动构件和第4号直线运动构件并联，后与第一水平支架、上层万向节、滑块串联；对于下层运动平台，第1号直线运动构件和第2号直线运动构件并联，后与第二水平支架、下层万向节、末端支架串联；最后，上层运动平台和下层运动平台通过滑块与末端支架的导轨并联，上下两侧结构共同决定了末端套筒中穿刺针的位置和姿态。
设：
ll：第1号直线运动构件和第2号直线运动构件中后端固定轴承中心点的距离，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固定轴承中心点的距离相等；
ls：第一水平支架上两轴承中心点的距离，同时其与第二水平支架上两轴承中心点的距离相等；
lh：第3号直线运动构件和第4号直线运动构件的后端固定轴承中心点的距离，同时，其与第1号直线运动构件和第2号直线运动构件的后端固定轴承中心点的距离相等；
lg1：O2-到下层万向节前端旋转轴中心点的长度，也等同于O2+到上层万向节前端旋转轴中心点的长度；
lg2：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，也等同于上层万向节的前端旋转轴中心点到套筒中心点的长度；
O2-的位置坐标(x2-，y2-，z2-)；
O2+的位置坐标(x2+，y2+，z2+)。
在本实施例中，应用至上述混联机器人的运动学解析方法包括：
建立基坐标系，基于所述基坐标系对所述上层运动平台和所述下层运动平台中并联结构部分采用几何分析法获取关键点的位置坐标，例如获取O2-的位置坐标和O2+的位置坐标；
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，即以O0作为原点建立的坐标系；
获取所述上层万向节和所述下层万向节的旋转角度；
基于所述位置坐标和所述旋转角度建立所述上层运动平台和所述下层运动平台中串联结构部分的DH模型；
基于所述DH模型确定上层模型和下层模型的DH参数表；
基于所述DH参数表求解末端套筒及穿刺针位姿，并得到穿刺针上任意一点相对于所述基坐标系的转换矩阵。
本实施例达到了根据混联机器人的结构特征先利用几何分析法对并联结构部分进行分析，再利用DH模型对串联结构部分进行分析，最终得出末端套筒及穿刺针位姿的精确解析表达式的目的，从而实现了能够更加高效地针对混联机器人进行运动学解析的技术效果，进而解决了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。
(1)边长修正
根据上述实施例中对于混联机器人结构的描述可知，直线运动构件包括电机和连接臂，连接臂和电机的伸长杆之间具有一定的夹角，因此对于单个直线运动构件来看，其构型为三角形，在对其简化为直线型时需要进行边长修正。当电机伸长量为0时，电缸初始长度设为m0，第i号直线运动构件中的电机伸长量为Δmi(i＝1，2，3，4)；
伸长杆与连接臂为一体，连接臂前端为与连接件铰接的轴承，其长度为e，与电缸伸长杆呈角度θa；第i号直线运动构件前端与后端轴承中心点的距离li(i＝1，2，3，4)。
由几何法分析可推出：
(2)求解关键点的位置坐标，即获取O2-的位置坐标和O2+的位置坐标。
在经边长修正后，如图10所示，可以将上层运动平台和下层运动平台中的并联结构部分简化为梯形构型，基于该梯形构型可以由几何法分析得出O2-的位置坐标(x2-，y2-，z2-)和O2+的位置坐标(x2+，y2+，z2+)。
具体的，由几何法分析可得出：
解得：
同理可得：
由结构特点分析易得：
(3)确定旋转连杆的两个旋转角度，即获取所述上层万向节和所述下层万向节的旋转角度。
所述上层万向节和所述下层万向节的后端和前端分别具有一个转轴，所述上层万向节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-。由于第一水平支架和第二水平支架的前端始终沿x+向前，上层万向节和下层万向节也始终沿x+向前，其只发生沿x轴的旋转运动，因此θwb+＝θwb-，θwf+＝θwf-。经对上述混联机器人的结构和运动分析，旋角θwb主要由上下两层O2点的y坐标差量产生，旋角θwf主要由上下两层O2点的x坐标差量产生。
设：Δx2＝x2+-x2-；
Δy2＝y2+-y2-。
则：
(4)建立DH模型，即基于所述位置坐标和所述旋转角度建立所述上层运动平台和所述下层运动平台中串联结构部分的DH模型，并基于所述DH模型确定上层模型和下层模型的DH参数表。
建立上层运动平台和下层运动平台中串联结构部分的DH模型如图11所示，y向由右手定则确定，图中略去。
在以上建立的DH模型中，用长度a表示沿xi轴，zi-1轴与xi轴交点到Oi原点的距离；杆件扭转角α表示绕xi轴，由zi-1转向zi的角度；杆件偏移量di表示沿zi-1轴方向，zi-1轴与xi交点到oi-1原点距离；杆件回转角θ表示绕zi-1轴由xi-1转向xi的角度。
通过对运动结构的分析，将上下层解耦。末端套筒位于下层末端上，位置由下层运动产生，而姿态是由上层与下层的位置角度差所产生。由于第二节连杆不发生z轴方向的旋转，因此O2点上下层y方向位置差产生连接关节旋转角，上下层旋转角相等。计算下层模型的DH参数如表3-1所示(上层运动平台的模型同理可得)：
表3-1小型化混联机器人下层运动平台的模型DH参数表
(5)求解末端套筒及穿刺针位姿，即基于所述DH参数表求解末端套筒及穿刺针位姿，并得到穿刺针上任意一点相对于基坐标系的转换矩阵。
末端套筒及穿刺针位姿用4×4的齐次变换矩阵表示为：
所述末端套筒相对所述基坐标系的齐次变换矩阵：
0T3＝0A1*1A2*2A3；
其中，对于第i个关节，第i个连杆与第i个坐标系的变换关系如下：
设与所述末端套筒固定的穿刺针上任意一点，相对O3-的位置坐标为(tx,ty,tz),则其相对O3-的齐次变换矩阵为：
所述穿刺针上任意一点相对于所述基坐标系的转换矩阵T为：
T＝0T3Ttool
在本实施例中，O3-指的是图11中(x3-，y3-，z3-)的坐标原点。
根据本申请的另一方面，提供一种电子设备，包括：
存储器，所述存储器存储执行指令；以及
处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行上述的混联机器人运动学解析方法。
根据本申请的另一方面，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现上述的混联机器人运动学解析方法。
根据本申请的另一方面，提供一种机器人系统，包括：上述的可读存储介质，所述机器人系统设置成能够基于所述可读存储介质中存储的执行指令进行运动学求解。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混联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、上层万向节和滑块，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、上层万向节和滑块串联；
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；
所述运动学解析方法包括：
基于基坐标系对所述上层运动平台和所述下层运动平台中并联结构部分采用几何分析法获取关键点的位置坐标；
获取所述上层万向节和所述下层万向节的旋转角度；
基于所述位置坐标和所述旋转角度建立所述上层运动平台和所述下层运动平台中串联结构部分的DH模型；
基于所述DH模型确定上层模型和下层模型的DH参数表；
基于所述DH参数表求解末端套筒及穿刺针位姿，并得到穿刺针上任意一点相对于所述基坐标系的转换矩阵。
2.根据权利要求1所述的混联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铰接在安装平台上，其第二端铰接至所述第一水平支架上；
两个所述第二直线运动构件的第二端铰接在所述安装平台上，其第二端铰接至所述第二水平支架上；
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-；
获取所述上层运动平台和所述下层运动平台中关键点的位置坐标，包括：
获取所述O2+的位置坐标(x2+，y2+，z2+)和所述O2-的位置坐标(x2-，y2-，z2-)。
3.根据权利要求2所述的混联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所述的混联机器人运动学解析方法，其特征在于，基于所述基坐标系采用几何分析法获取所述上层运动平台和所述下层运动平台中关键点的位置坐标，具体为：
对所述第一直线运动构件的第一端和第二端的铰接点之间的距离进行修正；
对所述第二直线运动构件的第一端和第二端的铰接点之间的距离进行修正；
基于修正后的结果将所述上层运动平台和所述下层运动平台中的并联结构简化为梯形构型；
基于所述梯形构型，采用几何分析法获取所述O2+和所述O2-的位置坐标。
5.根据权利要求4所述的混联机器人运动学解析方法，其特征在于，获取所述上层万向节和所述下层万向节的旋转角度，具体为：
所述上层万向节和所述下层万向节的后端和前端分别具有一个转轴，所述上层万向节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-；
θwb+＝θwb-，θwf+＝θwf-；
Δx2＝x2+-x2-；
Δy2＝y2+-y2-。
6.根据权利要求5所述的混联机器人运动学解析方法，其特征在于，基于所述DH参数表求解末端套筒及穿刺针位姿，并得到穿刺针上任意一点相对于基坐标系的转换矩阵，具体为：
末端套筒及穿刺针位姿用4×4的齐次变换矩阵表示为：
所述末端套筒相对所述基坐标系的齐次变换矩阵：
0T3＝0A1*1A2*2A3；
其中，对于第i个关节，第i个连杆与第i个坐标系的变换关系如下：
设与所述末端套筒固连的穿刺针上任意一点，相对O3-的位置坐标为(tx,ty,tz),则其相对O3-的齐次变换矩阵为：
所述穿刺针上任意一点相对于所述基坐标系的转换矩阵T为：
T＝0T3Ttool。
7.根据权利要求1所述的混联机器人运动学解析方法，其特征在于，所述第一水平支架和所述第二水平支架约束为仅能够在XOY平面内平移。
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