[发明专利]一种柔性展开臂的参数优化设计方法

权利要求书

1.一种柔性展开臂的参数优化设计方法，包括依次相互连接的展开臂、连续体操作臂以及末端执行器，其特征在于，包括如下过程：

对连续体操作臂建立偏转角度、弯曲角度和操作臂末端位置关系的正运动学模型，根据所述正运动学模型确定连续体操作臂的公共工作空间，在医学需求工作空间的约束条件下建立展开臂展开距离与连续体操作臂长度之间的关系；

通过分析医学需求空间内执行器末端夹角分布关系，确定夹角极值坐标；通过夹角极值点与连续体操作臂长度关系确定连续体操作臂的长度；

通过连续体操作臂长度确定展开臂展开距离，进而通过展开臂通过性约束条件确定展开臂关节参数；

连续体操作臂末端位置坐标(x y z)与连续体操作臂的弯曲角度、偏转角度间的关系可表达为：

其中l表示连续体操作臂的长度，θ∈[0 π/2]表示连续体操作臂弯曲的角度，α∈[-π/2π/2]表示连续体操作臂偏转角度，h表示末端夹持器的长度，h_y表示展开臂展开距离，d_e表示内窥镜工作通道之间的距离，d表示操作臂相对内窥的平移距离。

2.如权利要求1所述的一种柔性展开臂的参数优化设计方法，其特征在于，

连续体操作臂工作空间的半径表示为r_w＝2l/π+h，双连续体操作臂公共工作空间的长轴表示为：

其短轴表示为：

3.如权利要求2所述的一种柔性展开臂的参数优化设计方法，其特征在于，

医学需求工作空间的直径表示为d_req.min，则展开臂的展开距离上限表示为：

4.如权利要求1所述的一种柔性展开臂的参数优化设计方法，其特征在于，

对医学需求工作区间的球形区域过圆心在水平面上进行网格划分，得到网格点处的坐标值，通过正运动学模型求反函数，得到连续臂操作臂逆运动学的解公式，将网格点的坐标值带入连续臂操作臂得到末端执行器到达该点时的弯曲角度和偏转角度：

5.如权利要求4所述的一种柔性展开臂的参数优化设计方法，其特征在于，通过坐标变换得到末端执行器的姿态向量，末端执行器的姿态向量表示为：

6.如权利要求5所述的一种柔性展开臂的参数优化设计方法，其特征在于，

通过末端执行器的姿态向量确定末端执行器夹角极大值坐标为[0±d_req.min/2 d+h_z+lsinθ/θ]与极小值的坐标[±d_req.min/2 0 d+h_z+lsinθ/θ]；展开臂展开距离最大值约束条件表示为

7.如权利要求6所述的一种柔性展开臂的参数优化设计方法，其特征在于，根据两个连续体展开臂的几何结构确定展开臂的展开距离为

其中2n表示展开臂的关节数量，n必须为正整数，ψ表示展开臂关节转动角度，l_m表示展开臂关节铰链轴心之间的距离。

8.如权利要求1所述的一种柔性展开臂的参数优化设计方法，其特征在于，根据连续体展开臂的通过能力对展开臂关节的约束表示为：

其中l_s表示展开臂关节的侧面边长，λ表示展开臂关节的直径，ρ表示内窥镜工作通道的最小曲率半径，δ表示胃镜工作通道的直径，n为大于等于2的正整数。

9.如权利要求1所述的一种柔性展开臂的参数优化设计方法，其特征在于，通过验证展开臂关节数量的取值，确定展开臂关节的侧面边长、展开臂关节铰链轴心之间的距离和展开臂关节转动角度。