微创外科手术机器人运动学分析与研究.pdf

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1、第31卷第4期计算机仿真2014年4月文章编号：1006—9348(2014)04—0412—04微创外科手术机器人运动学分析与研究何志锋1，朱坚民1，宋成利2，徐兆红2(1．上海理工大学机械工程学院，上海200093；2．上海理工大学医疗器械与食品学院，上海200093)摘要：在微创手术机器人的运动学问题的研究中，微刨外科手术机器人与传统工业机器人在精度上要求不同，后者强调的是重复精度，而前者则要求有良好的绝对位置精度，而且手术过程中要求有良好的实时性能，传统方法求解机器人逆运动学方程运算量大，速度慢，不利于实现实时控制。为解决上述问题，采用Levenberg—MarquardtBP神经

2、网络算法，建立了机器人末端执行器位姿与各关节角之间的映射关系，进而实现了机器人逆运动学快速准确求解；在Matlab平台上建立2一DOF机器人逆运动学神经网络模型，并进行程训练和仿真，结果表明，BP神经网络学习精度高，收敛速度快，可满足手术机器人精确求解逆运动学的要求。关键词：微创手术机器人；神经网络；逆运动学中图分类号：TP242文献标识码：BKinematicsAnalysisofMinimallyInvasiveSurgeryRobotHEZhi—fen91，ZHUJian—minl，SONGCheng—li2，XUZhao—hon92(1．SchoolofMechanicalEngi

3、neering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China；2．SchoolofmedicalInstrumentandFoodEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China)ABSTRACT：Basedontheminimallyinvasivesurgeryrobotmadebyourselves，thispaperanalyzeda6一DOFmulti—jointrobotinkinematic

4、s．Andwefocusedonthemothodofsolvinginversekinematics．Minimallyinvasivesurgeryrobotisdifferentfromthetraditionalindustrialrobotsontheprecisionrequirement．Thelatteremphasizestherepeatprecision，whiletheformerrequiresawellabsolutepositioningaccuracy．Anditrequiresagoodreal—timeperform-aliceinthepmcessof

5、operation．ThispaperusedtheLevenberg—MarquardtBPneuralnetworkalgorithmtoestabhshtherobotend—effectorposewiththemappingbetweentheangleofjoint，thusachievingafastandaccuraterobotin—versekinematicssolution．Atlast，throughthesimulationoftwo—linkroboticmanipulator，weprovedthemethodisfe鹊ible．KEYWORDS：Minim

6、allyinvasivesurgeryrobot；Neuralnetwork；Inversekinematics1引言近年来，随着医疗技术的不断改进传统开腔手术越来越少，微创外科以其创口小，出血少，恢复快等优点得到了人们的认同，并得到广泛应用，与此同时，机器人技术也被应用于其中，辅助医生进行手术。微创外科手术机器人与传统的工业机器人应用的工作基金项目：上海市科学技术委员会基金资助项目(10PJl407800)；上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助项目(slgl0019)收稿日期：2013—09—16修回日期：2013—10—29—412一环境不同，要求也大不相同，工业机器人一般采用

7、示教再现技术，即一次示教重复操作；而在微创外科手术机器人的应用中，既没有示教的过程，也没有再现的过程，每一次手术对于机器人而言都是全新的，没有重复性可言。因此工业机器人以重复操作精度来衡量其优劣，而微创外科手术机器人则要求较高的绝对运动精度，并且要求其具有良好的实时性。为了满足机械臂的这些要求，本文主要对机器人进行了运动学分析。其中正向运动学的解是唯一确定的，通过D—H坐标法就可以比较容易得到正向运动学方程，但是逆运动学