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旋量理论和消元法在类达芬奇手术机器人逆运动学求解中的应用

王文杰 陶庆 王晓华 张旭

王文杰, 陶庆, 王晓华, 张旭. 旋量理论和消元法在类达芬奇手术机器人逆运动学求解中的应用[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(5): 734-740. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200113
引用本文: 王文杰, 陶庆, 王晓华, 张旭. 旋量理论和消元法在类达芬奇手术机器人逆运动学求解中的应用[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(5): 734-740. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200113
WANG Wenjie, TAO Qing, WANG Xiaohua, ZHANG Xu. Application of Screw Theory and Elimination Method in Inverse Kinematics of Da Vinci-like Surgical Robot[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(5): 734-740. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200113
Citation: WANG Wenjie, TAO Qing, WANG Xiaohua, ZHANG Xu. Application of Screw Theory and Elimination Method in Inverse Kinematics of Da Vinci-like Surgical Robot[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(5): 734-740. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200113

旋量理论和消元法在类达芬奇手术机器人逆运动学求解中的应用

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200113
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51905405

陕西省自然科学基础研究计划项目 2019JQ-855

陕西省教育厅自然科学专项计划项目 19JK0375

研究生创新基金项目 chx2019026

详细信息
    作者简介:

    王文杰(1988-), 副教授, 博士,研究方向为手术机器人技术、机电一体化技术, wangwenjie@xpu.edu.cn

    通讯作者:

    王晓华, 教授, 博士, w_xiaohua@126.com

  • 中图分类号: TP242

Application of Screw Theory and Elimination Method in Inverse Kinematics of Da Vinci-like Surgical Robot

  • 摘要: 由于达芬奇手术机器人构型特殊,不满足逆运动学解析解的存在条件,传统的运动学建模方法无法求出机器人逆运动学解析解。针对一种类达芬奇手术机器人构型,提出了一种结合旋量理论和消元法相结合的全新运动学建模方法,运用该方法成功求解出类达芬奇手术机器人的逆运动学解析解,解决了类达芬奇手术机器人精确解析解的求解问题。并通过MATLAB/Simulink仿真验证了该方法的正确性,从而丰富了机器人运动学建模和逆运动学解析解的求解理论,为类达芬奇手术机器人提供了一种快速通用的精确解析解求解方法。
  • 图  1  Paden-Kahan子问题1

    图  2  Paden-Kahan子问题2

    图  3  Paden-Kahan子问题3

    图  4  类达芬奇手术机器人三维模型

    图  5  微创外科手术机器人器械臂运动学仿真模型

    图  6  微创外科手术机器人器械臂正运动学SimMechanics仿真模型

    图  7  微创外科手术机器人器械臂正运动学SimMechanics仿真模型

    图  8  各关节的输入角度

    图  9  逆解输出的各关节角度

    图  10  输入和输出的误差

    表  1  关节轴线上点rn坐标相对于基坐标系位置关系

    r X/mm Y/mm Z/mm
    1 0 0 800
    2 200 0 800
    3 200 0 714
    4 400 0 714
    5 751.998 8 0 348.002 2
    6 751.997 8 0 348.002 2
    7 751.997 8 0 348.002 2
    8 701.997 8 0 348.002 2
    9 701.997 8 0 348.002 2
    10 693.497 8 0 348.002 2
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  • 收稿日期:  2019-12-10
  • 刊出日期:  2021-05-01

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