基于LabVIEW和SolidWorks的微创手术机器人运动仿真

1 引言

    随着相关技术的发展，手术机器人成为国际医学界研究的热点。手术机器人具有状态稳定、定位准确等优点。单一的串联或者并联机器人结构并不能满足这些要求，因此采用串联和并联结合的混联机器人构型。

    机器人的运动学分析是进行机器人机构设计的首要任务。Matlab软件能够完成运动学理论分析和数据计算，但不够直观，机器人末端轨迹规划验证过程也比较繁琐。因此，对机器人采用进行建模，为后续仿真提供对象。

    采用进行运动仿真比较繁琐，因此，开发直观简洁的运动仿真前界面就非常有必要。某公司开发的SoftMotion模块能和无缝连接。该模块提供丰富的运动规划函数，结合LabVIEW本身强大的前面板功能，将为机器人轨迹规划和运动控制设计出更加合理的人机交互界面。同时也为后续机器人的机电一体化仿真奠定了基础。

2 机器人结构及运动学逆解分析

    机器人结构如图1所示。该系统具有7+1个冗余运动自由度，其中第5关节为并联转动机构，实现两个自由度的转动，调整手术工具杆的姿态，模型中简化为一个球关节。

    图1 机器人关节配置

    采用几何法得到机器人的逆解，该方法还可用于实时控制。

    为了简化公式，作以下规定：

    图2 机器人空间坐标系

    根据球关节处Q在基础坐标系中的坐标（qx，qy，qz）与第二、第三关节之间的几何关系，如图3所示，可求得腕点坐标表达式为：

    f表示从关节3到腕点Q间距离在XOY平面上的投影长度。

    图3 定位关节逆解构型图

      根据上述表达式，依次求解出θ2，θ3，θ4：

    根据手术杆末端点坐标H(hx，hy，hz)，求得移动关节6的移动距离d6为：

    并联转动腕点与手术工具杆的关系，如图4所示。

    图4 腕点与手术杆关系图

    根据图4中腕点与手术杆的关系，可求出并联转动机构的转角θy，θz的表达式：