泌尿微创手术机器人末端运动空间分析及轨迹规划

• 作 者: 陈林梓
• 出 处: 西安工程大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 手术机器人 运动学 运动空间 轨迹规划

随着机器人技术在医学领域的广泛应用,微创外科手术机器人近年来也逐渐成为研究的热门话题,相较于传统的微创外科手术,机器人系统的介入,有效的提高了整个手术操作的精准度、灵活度和稳定性,节省了医生的体力,也为患者减小了手术痛苦。虽然各式微创手术机器人的研究取得了许多丰硕的成果,但专门应用于泌尿类微创手术的机器人少之又少。传统的泌尿类微创手术均是由医生手持医疗器械独立完成长时间的手术操作,体力消耗大且存在一定的操作误差,对患者可能造成二次伤害,使得手术风险加大,针对这一情况,本文提出一种将机械臂与传统输尿管镜相结合的新型泌尿微创手术机器人设计方案,为了使该机器人能够在有限的工作空间内完成各种手术动作,达到实际操作要求,本文对其末端的运动空间进行分析研究,同时采用不同的算法对末端的运动轨迹进行规划,选择出符合要求的最优轨迹规划方法。主要研究内容如下:(1)根据泌尿类微创手术的要求,提出了一种六自由度的泌尿微创手术机器人构型,对其正、逆运动学问题进行求解并通过随机选取的几组关节变量验证了解的正确性,便于运动空间分析时随机点的选取,有利于运动轨迹上各点对应的关节变量的求解。(2)基于正向运动学分析的正确结果,利用蒙特卡洛算法在MATLAB中实现了泌尿微创手术机器人末端运动空间和受限工作空间的仿真分析,验证了机器人构型设计的合理性;建立泌尿微创手术机器人的雅可比矩阵,描述了关节空间速度与操作空间速度之间的映射关系;构建了动力学方程,为机器人力与关节运动关系的研究提供了参考依据。(3)为了能够选出符合泌尿微创手术实际操作要求的最优轨迹规划方法,在关节空间和笛卡尔空间中分别使用不同的插值方法对泌尿微创手术机器人末端的运动轨迹进行规划,分析对比每种方法的利弊,确定采用五次多项式插值方法对泌尿微创手术机器人末端的运动轨迹进行规划。(4)利用MATLAB软件建立虚拟样机模型,通过采用三次、五次多项式插值法及直线插补法对泌尿微创手术机器人末端规划的运动轨迹展开仿真,可得到不同规划方法下的机器人关节角度、角速度及角加速度的运动轨迹曲线,分析和对比仿真结果,更为直观的验证了五次多项式插值方法规划的轨迹能够满足手术操作中的平稳性、安全性要求。