[发明专利]一种手术机器人整体运动学空间定位方法

权利要求书

1.一种手术机器人整体运动学空间定位方法，其中手术机器人包括基座、设置于基座上的中心柱、设置于中心柱上的第一旋转结构、连接在第一旋转结构上的吊杆、与吊杆相连接的第二旋转结构、与第二旋转结构相连接的被动定位装置、与被动定位装置末端相连接的持镜臂，所述持镜臂包括与所述被动定位装置末端相连接的第一关节、与所述第一关节相连接的第二关节、与所述第二关节相连接的平行四边形关节、与所述平行四边形关节相连接的伸缩连杆，将所述伸缩连杆中靠近末端的位置记作不动点，所述不动点是与被动定位装置存在固定距离约束的位置，将所述伸缩连杆的末端位置记作持镜臂末端，在该位置处经镜头连接插杆连接有内窥镜；将所述基座、中心柱、第一旋转结构、吊杆、第二旋转结构以及被动定位装置记作前端机械臂，所述前端机械臂末端位置指的是被动定位装置的末端；其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1、构建基座到前端机械臂末端的运动学；

步骤2、构建持镜臂初始位置，即前端机械臂的末端，到不动点的运动学；

步骤3、构建不动点到持镜臂末端的空间点映射；

步骤4、构建基座到持镜臂末端的整体运动学。

2.根据权利要求1所述的手术机器人整体运动学空间定位方法，其特征在于：所述步骤1利用DH方法对前端机械臂进行建模分析，算出各关节和末端执行器之间的空间变换和位置转移关系，获取手术机器人前端机械臂的末端输出信息；具体的，所述步骤1包括以下步骤：

步骤101、齐次变换法描述刚体的位姿；

步骤102、输入前端机械臂的初始参数值，构建从基座到前端机械臂末端的坐标系；

步骤103、构造前端机械臂DH参数表；

步骤104、建立基座与前端机械臂末端的运动学。

3.根据权利要求2所述的手术机器人整体运动学空间定位方法，其特征在于：所述步骤104包括以下步骤：

步骤1041、结合步骤103中构造的前端机械臂DH参数表，得出基座与前端机械臂末端运动学求解通式；

步骤1042、解算出从基座到手术机器人前端机械臂的末端位置和法方向。

4.根据权利要求1所述的手术机器人整体运动学空间定位方法，其特征在于：所述持镜臂包括四种特征运动方式，分别为：

俯仰运动：旋转持镜臂的第二关节的受控角度，能够调节镜头端的俯仰角度，使医生能观察病灶区域；

偏航运动：旋转持镜臂的平行四边形关节的受控角度，能够调节镜头端的偏航角度，使医生能观察病灶区域；

自转运动：调节装配在所述持镜臂末端处的镜头连接插杆，沿镜头连接插杆方向自转角度，便于医生调整视野角度；

进给运动：调节进给方向的镜头连接插杆的收纳距离，当沿镜头连接插杆方向伸缩预设长度，在设定好视野角度情况下，通过对持镜臂术中操控，医生将以最佳距离定位姿态观测病灶情况。

5.根据权利要求4所述的手术机器人整体运动学空间定位方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤201、构建固定不动点的坐标系；

步骤202、构建固定不动点的DH参数表；

步骤203、构建持镜臂初始位置，即前端机械臂末端，到不动点的映射关系。

6.根据权利要求4所述的手术机器人整体运动学空间定位方法，其特征在于：在所述步骤3中，结合内窥镜镜头结构空间几何约束关系，利用空间投影方法解算出镜头末端的空间点映射；调整镜头连接插杆的尺寸和自转关节活动范围；计算出镜头末端姿态的空间运动范围，使内窥镜镜头的视野范围，覆盖到持镜臂末端的协作工作空间。

7.根据权利要求4所述的手术机器人整体运动学空间定位方法，其特征在于：在所述步骤4中，选择以基座中心为原点，构建基坐标系；在统一基坐标系下，建立从基座到持镜臂末端姿态的整体运动学模型。