[发明专利]一种柔性展开臂的参数优化设计方法

说明书

本公开提供了一种柔性展开臂的参数优化设计方法，属于医疗器械设计技术领域，该设计方法包括如下过程：建立操作臂运动学模型，分析操作臂工作空间和双臂公共工作空间，根据医学需求空间确定操作臂展开距离上限。通过分析医学需求空间内执行器末端夹角分布关系，确定夹角极值坐标。通过分析执行器末端夹角极值点与操作臂长度关系确定操作臂长度。通过操作臂长度确定展开臂展开距离，进而通过展开臂通过性确定展开臂关节参数。

技术领域

本公开属于医疗器械设计技术领域，具体是涉及一种柔性展开臂的参数优化设计方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

经自然腔道的手术机器人，因其无需在人体表面切口，因而具有术后人体表面无疤痕、术中病人痛苦小、术后恢复时间快、术后感染几率低等优点。通过自然腔道实施的手术多通过内窥镜的工作通道将手术操作臂送达病变部位，完成各种手术操作。由于自然腔道空间限制，内窥镜直径多为15mm以下，因此双臂之间的间距非常小。操作臂之间过小的间距，导致了内窥镜视野的遮挡、双臂无法形成操作三角、双臂之间容易产生干涉和双臂工作空间重叠等问题。使用柔性折展臂是解决操作臂间距过小的一种方案，但是如何确定柔性折展臂的关节尺寸、柔性折展臂的展开距离和操作臂的长度，需要一种综合的优化方法。

发明人发现，许多学者采用不同的方法对自然腔道手术操作臂距离的拓展问题进行了研究。如采用末端“Y”形通道，使操作臂在内窥镜内末端呈放射状分布逐步增加双臂距离；如在内窥镜末端使用折叠的端盖，内镜到达病变部位时打开端盖，形成“Y”形引导通道；如使用多段独立自由度连续体，形成“S”形弯曲增加操作臂之间的间距等等。这些方法主要存在以下问题：一是没有考虑操作臂多个自由度之间的耦合关系；二是没有考虑公共工作空间与医学需求工作空间的关系；三是没有考虑末端执行器间的夹角与展开臂展开距离之间的关系。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本公开提供了一种柔性展开臂的参数优化设计方法。

本公开至少一实施例提供了一种柔性展开臂的参数优化设计方法，包括依次相互连接的展开臂、连续体操作臂以及末端执行器，该方法包括如下过程：

对连续体操作臂建立偏转角度、弯曲角度和操作臂末端位置关系的正运动学模型，根据所述正运动学模型确定连续体操作臂的公共工作空间，在医学需求工作空间的约束条件下建立展开臂展开距离与连续体操作臂长度之间的关系；

通过分析医学需求空间内执行器末端夹角分布关系，确定夹角极值坐标；通过夹角极值点与连续体操作臂长度关系确定连续体操作臂的长度；

通过连续体操作臂长度确定展开臂展开距离，进而通过展开臂通过性约束条件确定展开臂关节参数。

进一步地，连续体操作臂末端位置坐标(x y z)与连续体操作臂的弯曲角度、偏转角度间的关系可表达为：

其中l表示连续体操作臂的长度，θ∈[0 π/2]表示连续体操作臂弯曲的角度，α∈[-π/2 π/2]表示连续体操作臂偏转角度，h表示末端夹持器的长度，h_y表示展开臂展开距离，d_e表示内窥镜工作通道之间的距离，d表示操作臂相对内窥的平移距离。

进一步地，连续体操作臂工作空间的半径可表示为r_w＝2l/π+h，双连续体操作臂公共工作空间的长轴表示为：

其短轴表示为：

进一步地，医学需求工作空间的直径表示为d_req.min，则展开臂的展开距离上限表示为：