基于LabVIEW和SolidWorks的微创手术机器人运动仿真

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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I I。手术机器人具有状态稳定、定位准确等优点。单-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 。

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SolidWorks进行建模，为后续 SolidWorks Motion仿真提供对象。

采用 SolidWorks Motion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SoflMotion拈能和 SolidWorks Motion无缝连接。该拈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-体化仿真奠定了基矗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71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-个球关节。

第五关节第二关节dj图 1机器人关节配置FigA Configuralion Map of Robot Joints采用几何法得到机器人的逆解，该方法还可用于实时控制13/。

为了简化公式，作以下规定：s sin(O/) (1)cijcOS( ) (2)S：sin0. (3)来稿13期：2012-05-27基金项目：成都市科技计划项目(11DXYB190JH-027)；四川势技支撑计划项目(2011GZ0096)，(2012FZ0042)作者简介：朱 峰，(1982-)，男，江苏省徐州市人，在读硕士研究生，主要研究方向：机械自动化方面的专业研究第3期 朱 峰等：基于LabVIEW和SolidWorks的微创手术机器人运动仿真 137CieosOiSysinOCyCOSysin( )c cos(30)(4)(5)(6)(7)(8)图 2机器人空f司坐标系Fig.2 Reference Coordinate Systems of Robot根据球关节处 Q在基础坐标系中的坐标(q q ，q )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：q -a2sinO2-fsin(0203) (9)q acos$2fcos(Oas) (10)P：dId2a4sB4 2sird- 3c0 (11)a4c 2cou3 si (12)厂表示从关节 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Fig.3 Inverse Kinematics Configuration of Position Joints根据上述表达式，依次求解出0 ，0，，04：： )2 303arccos - g2；a- -1 ( 4)04arcsi f 进 1]8 (15)/ l 口根据手术杆末端点坐标 H(h ，h ， )，求得移动关节 6的移距离 d6为：r - - - - - - - ～ - - - - - - ～ - - - - - - d6/(hx-q ) ( 1 )(hz- q ) ～u4-L (16)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ng.4 Relationship Map Between Wrist and Surgical Tool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 0y， 的表达式：-arctan瓦 (q：- hx) %3 ( qr- hy)s z3 (17)： 。。 (18)c V(h-q ) (h-q ) (h-q )3基于 SolidWorks的机器人运动仿真手术机器人运动仿真用于验证位置正反解，可以通过模拟来检查数据的正确性 。

Motion拈是内嵌于SolidWorks的运动仿真软件包，可对模型的真实运动情况进行精确仿真。通过 Motion仿真可以大幅降低制造物理原型的成本，并缩短产品开发时间。它还有其它-些定性优点，例如，它能够考虑更多的设计方案、降低风险，并在设计过程的初期提供有价值的信息阎。

在 SolidWorks中验证机器人运动学逆解主要包含以下几个步骤[6I：SolidWorks完成模型建立并添加机器人各个关节驱动电机，调整到需要的初始位姿；完成手术机器人末端点路径规划，借助数据处理软件 Matlab，绘制三维轨迹线，如图5所示。根据已得的逆解公式，利用 Matlab进行数值运算，求得各个关节驱动输入值，保存为txt或CSV格式，并在首列插入时间序列，与Matlab中总时长-致，以此作为虚拟样机的驱动样条曲线函数，导入到Motion各个驱动电机中；最后对仿真参数进行设置，如时间和帧数等，机构仿真轨迹，如图5所示。比较仿真得到轨迹和规划轨迹。

基于 SolidWorks Motion的机器人运动仿真过程比较繁琐 ，因此，考虑开发集成了机器人轨迹规划、数值计算以及运动仿真的应用程序，简化整个运动计算过程，并联合SolidWorks Motion中模型完成运动控制和显示。

图 5机器人末端规划轨迹及SolidWorks运动仿真轨迹对比Fig.5 Comparison Study of Planned and Simulation Trajectoryl38 机械 设 计 与制造NO.3Mar.201 34 LabVIEW联合 SolidWorks完成机器人轨迹规划及运动仿真LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbe-nch)是-种图形化的编程语言和开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，是通用的编程系统，有-个可以完成任何编程任务的庞大函数库I7f。

LabvIEw 和 SolidWorks联合运动仿真利用 NI运动雨数 ，进行轨迹设计和运动编程，联合 SolidWorks Motion实现对机械部件的仿真设计，最终确定机械功能部件的运动轨迹和运动参数。

4.1运动轨迹设计NI SoflMotion提供了丰富的功能函数拈，主要包含：直线运动(Straight-Line Move)，使用轴或者坐标执行-个直线运动；弧线运动(Arc Move)，执行-个圆形弧 、球面虎椭圆弧运动；轮廓线运动(ContourMove)，结合轴或者坐标完成由指定位置组成的轮廓线，需要使用指定位置的表格(Table)来实现。通过上述三种基本的运动函数可以实现任何轨迹的运动Ial。

4.2仿真过程联合仿真重要的-步就是建立LabVIEW程序和SolidWorks联系，基本方法是：创建 LabVIEW丁程，添加 SolidWorks装配体，映射并添加运动资源，控制编程与仿真设计，部署并运行仿真。

仿真主要分为两个阶段，首先是轨迹数据的生成。NI SofiM-otion现有的运动函数组合可以实现-定末端轨迹。但是复杂运动轨迹是以机器人数学模型为基础，已知末端刀具轨迹，求解各个关节驱动输入轨迹。在程序框图中利用 Mathscript节点完成机构位置反解的运算。最后将各驱动轨迹数据通过数组操作，以表单文件形式保存至指定文件。

然后，就可以对虚拟模型进行仿真。LabVIEW SoflMotion模块中的Contour函数可实现曲线轨迹运动。允许将轨迹数据文件加载到 LabVIEW，并对轨迹文件进行参数设置，如速度 、加速度等，根据参数设置，生成经插值的曲线轨迹文件。

仿真的两个阶段通过事件结构完成各项任务。仿真前面板和仿真结果，如图6所示。前面板包含基本参数设置和-般轨迹线路的规划，LabVIEW后台程序已经完成和 SolidWorks模型的连接并能实现对模型的控制，运行该程序，可以直接观察机器人刀具末端轨迹是否和预期的-致。

图6 LabVIEW 和SolidWorks联合运动仿真界面Fig.6 Man-Machine Interface of-the Motion Simulation5结论在 SolidWorks中完成机器人三维建模，并利用 Motion拈对机器人进行了运动仿真，验证了逆解程序的正确性 ，为后续的仿真和控制打下了良好的基矗利用 NI SoftMotion建立起了 SolidWorks和 LabVIEW 之间的联系，实现了基于接口方式的多领域交互式仿真设计环境的构建。利用 LabVIEW软件强大的前面板功能设计机器人运动仿真人机交互界面，同时，NI SoftMotion丰富的运动控制甬数为机器人末端复杂轨迹规划提供基矗整个过程可视化了机器人运动轮廓，能得到机器人的机械动态特性，完成精确的压力栅 矩性能需求分析。

LabVIEW和 SolidWorks的联合能够实现从机械到电气、控制等领域的综合仿真设计。其机电-体化仿真的程序代码具有可移植性，能直接配置到后续物理样机的控制系统开发中，缩短后期的开发周期，这也是未来主要工作之 。