一种穿刺手术机器人穿刺算法制造技术

本发明专利技术涉及一种穿刺手术机器人穿刺算法，包括：算法包括2个阶段：第一阶段为正运动学分析计算阶段，运用此阶段通过关节角求取末端执行器相对于固定坐标系的位置与姿态；第二阶段为逆运动学分析计算阶段，运用此阶段通过已知末端执行器相对于固定坐标系的位置和姿态求解关节空间中各关节的位置。本发明专利技术通过数值法来求取机器人的工作空间，对各关节进行随机采样，再根据正运动学来求取末端的空间位置，组合在一起形成大致的工作空间范围，并且在满足围绕远端运动中心旋转的要求前提下，后端移动平台对其进行补偿移动，算法简单且精确。

【技术实现步骤摘要】
一种穿刺手术机器人穿刺算法
本专利技术涉及穿刺手术机器人领域，特别涉及一种穿刺手术机器人穿刺算法。
技术介绍
运动学研究的是机器人的运动特性，并不考虑机器人运动产生的力。为了方便表示机器人的复杂几何形状，需要先在机器人的毎个连杆上都设置一个连杆坐标系，接着研究这些连杆坐标系间的关系PI。当我们控制各个关节运动的同时，机器人末端执行器就能够在工作空间(笛卡尔空间)移动到指定位置与姿态，并完成一系列的工作任务。不过因为机器人控制的关节空间和末端执行器所在的笛卡尔空间并不统一，所以我们需要先在这两个空间坐标中通过运动学分析建立起联系。因此，急需一种一种计算简单，简化求解方式的一种穿刺手术机器人穿刺算法。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题在于提供一种计算简单，简化求解方式的一种穿刺手术机器人穿刺算法。为解决上述问题，本专利技术提供一种穿刺手术机器人穿刺算法，算法包括2个阶段：第一阶段为正运动学分析计算阶段，运用此阶段通过关节角求取末端执行器相对于固定坐标系的位置与姿态；第二阶段为逆运动学分析计算阶段，运用此阶段通过已知末端执行器相对于固定坐标系的位置和姿态求解关节空间中各关节的位置。本专利技术的有益效果是，通过采用的是正运动学分析计算阶段方法建模，和普通D-H参数法区别在于空间变换时转动和平移的先后顺序上，且更加直观简便，且在逆运动学分析计算阶段中，由于存在三个构成笛卡尔系的关节，能够将求解过程大幅度地筒化，更加快速准确的进行计算。进一步的，所述正运动学分析计算阶段包括D-H参数法进行运动建模，通过此运动建模方法得到终端针尖坐标系相对于惯性坐标系的变换矩阵。进一步的，所述逆运动学分析计算阶段包括代数法算法，通过代数法来计算，从而通过俯仰和偏转的角度来求出旋转关节的角度，然后再根据空间坐标求解移动关节的位移。进一步的，所述逆运动学分析计算阶段还包括几何法算法。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一种穿刺手术机器人穿刺算法的空间转换关系示意图；图2是本专利技术一种穿刺手术机器人穿刺算法的相邻连杆之间的D-H参数示意图；图3是本专利技术一种穿刺手术机器人穿刺算法的穿刺消融机器人各关节的D-H连杆参数；图4是本专利技术一种穿刺手术机器人穿刺算法的各个关节的活动范围图。具体实施方式下面结合具体实施例，对本专利技术的内容做进一步的详细说明：本专利技术要解决的问题在于提供一种操作简单、工作稳定且效率高的一种穿刺手术机器人穿刺算法装置。如图1为所示，本专利技术要解决的问题在于提供一种计算简单，简化求解方式的一种穿刺手术机器人穿刺算法。为解决上述问题，本专利技术提供一种穿刺手术机器人穿刺算法，算法包括2个阶段：第一阶段为正运动学分析计算阶段，运用此阶段通过关节角求取末端执行器相对于固定坐标系的位置与姿态；第二阶段为逆运动学分析计算阶段，运用此阶段通过已知末端执行器相对于固定坐标系的位置和姿态求解关节空间中各关节的位置。本专利技术的有益效果是，通过采用的是正运动学分析计算阶段方法建模，和普通D-H参数法区别在于空间变换时转动和平移的先后顺序上，且更加直观简便，且在逆运动学分析计算阶段中，由于存在三个构成笛卡尔系的关节，能够将求解过程大幅度地筒化，更加快速准确的进行计算。进一步的，所述正运动学分析计算阶段包括D-H参数法进行运动建模，通过此运动建模方法得到终端针尖坐标系相对于惯性坐标系的变换矩阵。如图2，图3所示，在实际操作中，通常约定关节i-1到i的空间变换通过以下四个参数来描述:αi-1为连杆扭转角、ai-1为连杆长度、di为连杆偏距、θi为连杆转角，定义各连杆参数的关系。按照上述方法在本穿刺消融手术机器人上建立各关节坐标系，各关节之间的空间关系，约定a0＝0,α0＝0,θ0＝0,并假定如果关节1是移动关节，则q1是可变的，称为关节变量，特定记为q*1的，同时规定q*1为O且为连杆1零位。通过D-H参数表，得出带星号的变量为该关节的可变量。L2＝312mm；L3＝84mm；L4＝530mm；LL4＝80mm；nx＝223mm；nz＝186.5mm；通过改进型D-H参数表的相邻旋转矩阵,将一般公式以及D-H参数表，代入各个参数，我们可以得到以下一系列转换矩阵，通过对上述矩阵的连乘我们可以得到终端针尖坐标系相对于惯性坐标系的变换矩阵，即正运动学的表达式为：进一步的，所述逆运动学分析计算阶段包括代数法算法，通过代数法来计算，从而通过俯仰和偏转的角度来求出旋转关节的角度，然后再根据空间坐标求解移动关节的位移。如图4所示，在实际操作中，根据参数建模法，我们可以得到末端执行器坐标系{6}相对于基坐标系{0}的变换矩阵其中旋转矩阵为平移矩阵为从中我们可以看到旋转关节坐标系{4}相对于基坐标系{0}的旋转矩阵是一个常数矩阵，仅与机器人初始结构有关，与前三个关节变量q1,q2,q3无关。这是由于前三个关节都是平移关节，关节的运动不会对关节坐标系的姿态产生影响，这大大简化了逆运动学的求取，只需要先通过俯仰和偏转的角度来求出旋转关节的角度，然后再根据空间坐标求解移动关节的位移。假设假设针尖相对于基坐标系位置与姿态为T时根据正运动学分析计算我们可以求解得到关节角q4,q5在求解得到q4,q5关节变量后，只需要把因为旋转关节而产生的空间位置由平动关节补偿即可，即可得q1,q2,q3。进一步的，所述逆运动学分析计算阶段还包括几何法算法。在实际操作中，通过数值法来求取机器人的工作空间，对各关节进行随机采样，再根据正运动学来求取末端的空间位置，组合在一起形成大致的工作空间范围，在满足围绕远端运动中心旋转的要求前提下，后端移动平台对其进行补偿移动，算法简单且精确。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本专利技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本专利技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本专利技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种穿刺手术机器人穿刺算法，其特征在于，算法包括2个阶段：第一阶段为正运动学分析计算阶段，运用此阶段通过关节角求取末端执行器相对于固定坐标系的位置与姿态；第二阶段为逆运动学分析计算阶段，运用此阶段通过已知末端执行器相对于固定坐标系的位置和姿态求解关节空间中各关节的位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种穿刺手术机器人穿刺算法，其特征在于，算法包括2个阶段：第一阶段为正运动学分析计算阶段，运用此阶段通过关节角求取末端执行器相对于固定坐标系的位置与姿态；第二阶段为逆运动学分析计算阶段，运用此阶段通过已知末端执行器相对于固定坐标系的位置和姿态求解关节空间中各关节的位置。


2.根据权利要求1所述的穿刺手术机器人穿刺算法，其特征在于：所述正运动学分析计算阶段包括D-H参数法进行运动建模，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛福永，韩玥，李振晓，乔飞，
申请(专利权)人：苏州新医智越机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32