(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211129297.2 (22)申请日 2022.09.16 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 付宜利　高超　 (74)专利代理 机构 哈尔滨华夏松花江知识产权 代理有限公司 23213 专利代理师 杨晓辉 (51)Int.Cl. A61B 34/37(2016.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 111/06(2020.01)G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 用于微创手术机器人的主操作手性能优化 方法 (57)摘要 用于微创手术机器人的主操作手性能优化 方法， 涉及微创手术机器人的主操作手性能优化 领域。 解决了现有主操作手在自身的操作空间中 性能表现良好， 而当将主操作手安装在主控台上 之后， 主操作手在医生的操作空间内性能表现差 的问题。 本发明先确定医生的操作空间； 再将灵 巧性指标和重力矩指标定义在操作空间内； 求解 主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸使得定 义在医生操作空间内的灵巧性指标和重力矩指 标最优； 从而实现了对用于微创手术机器人的主 操作手性能优化。 本发明主要用于对手术机器人 的主操作手进行性能优化。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 115462909 A 2022.12.13 CN 115462909 A 1.用于微创手术机器人的主操作手性能优化方法， 其特征在于， 所述主操作手为七自 由度串联主操作机 械手， 该性能优化方法包括如下步骤： S1、 根据医生手臂的坐标系及医生手臂的D ‑H参数表， 确定医生操作空间ws； 还根据主操 作手的D‑H参数表确定主操作手的雅可比矩阵J和主操作手 每个关节的重力矩Gi， 其中， Gi为第i个关节的重力矩， i 为整数， 且i ＝1,2,3,4,5,6,7； S2、 根据主操作手的雅可比矩阵J， 确定主操作手在医生操作空间ws内任意一点的局部 灵巧性指标κ(J)； 根据所有关节的重力矩， 确定主操作手在医生操作空间ws内任意一点的 局部重力矩指标 μ； S3、 对局部灵巧 性指标κ(J)在医生操作空间ws内进行微 分运算， 获得定义在医生操作空 间ws内的全局 灵巧性指标f1； 对局部重力矩指标μ在医生操作空间ws内进行微分运算， 获得 定义在医生操作空间ws内的全局重力矩指标f2； S4、 求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸， 使得定义在医生操作空间ws内的全局 灵巧性指标f1和全局重力矩指标f2最优， 从而完成了对主操作手性能的优化。 2.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人的主操作手性 能优化方法， 其特征在于， 步骤S1中， 根据医生手臂的坐标系及医生手臂的D ‑H参数表， 确定医生操作空间ws的实现方 式为： 利用蒙特卡洛法计算方法对医生手臂的坐标系及医生手臂的D ‑H参数表中参量进行计 算， 确定医生的操作空间ws。 3.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人的主操作手性 能优化方法， 其特征在于， 步骤S1中， 根据主操作手的D ‑H参数表确定主操作手的雅可比矩阵J的实现方式为： 根据主操作手的D ‑H参数表中参 量， 采用矢量积法计算主操作手的雅可比矩阵J。 4.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人的主操作手性 能优化方法， 其特征在于， 步骤S1中， 根据主操作手的D ‑H参数表确定主操作手 每个关节的重力矩Gi的实现方式为： 根据主操作手的D ‑H参数表中参量， 采用机器人静力学方法计算主操作手每个关节 的 重力矩Gi。 5.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人的主操作手性 能优化方法， 其特征在于， S2中、 局部 灵巧性指标κ(J)的表达式为： 其中， JT是主操作手的雅可比矩阵J的转置， tr( ·)是矩阵的迹运算， n是雅可比矩阵J的 维数； S2中、 局部 重力矩指标 μ 的表达式为： 6.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人的主操作手性 能优化方法， 其特征在于， S3中、 全局灵巧性指标f1的表达式为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115462909 A 2S3中、 全局重力矩指标f2的表达式为： 7.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人的主操作手性 能优化方法， 其特征在于， 步骤S4中、 求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸， 使得定义在医生操作空间ws内的 全局灵巧性指标f1和全局重力矩指标f2最优， 从而完成了对主操作手性 能的优化的实现方 式为： S41、 将主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸作为优化参数， 其中， 主操作手自身连 杆尺寸包括L2、 L3和L1， 安装位置尺寸包括LMW、 LML和LMH； 将全局灵巧性指标f1取值最小作为 第一个优化指标， 将全局重力矩指标f2取值最小作为第二个优化指标； 设置约束条件如下： 其中， L2为主操作手中肩关节旋转轴与肘关节转轴之间的距离； L3为主操作手中肘关节旋转轴与关节四旋转轴之间的垂直距离； L1为主操作手中俯仰关节、 偏航关节、 翻滚关节夹子的旋转轴的交点 OMR7与肘关节、 冗余 关节转轴的公垂线之间的距离； LML为主操作手安装位置点所在平面相对于主控台坐标原点所在竖直平面间的长度； LMH为主操作手安装位置点与主控台坐标原点所在水平面间的高度； LMW为左、 右两侧的主操作手的安装位置间的宽度； S42、 利用多目标优化算法求解主操作手自身连杆尺寸和安装位置尺寸， 使全局灵巧性 指标f1和全局重力矩指标f2最优， 从而获得最优解集； 其中， 最优解集中每组最优解包含L2、 L3、 L1、 LMW、 LML和LMH； S43、 计算每组最优解所对应的两个优化指标中每个优化指标的权重wj， 所述每组最优 解所对应的两个优化指标作为 一组优化指标； 其中， wj为第j个优化指标 所对应的权 重值； j＝1,2； w1+w2＝1； 为第j个优化指标的最大值；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115462909 A 3