１３６ 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第３期 ２０１３年３月
基于ＬａｂＶＩＥＷ和ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的 ｌｊ手术机器人运动仿真
朱峰，刁 燕，吴应东
（Ｉ￣ＩＪＩＩ大学制造科学与工程学院，四川成都６１００６５）
摘要：为了直观的对微创手术机器人进行运动分析，首先建立机器人逆向运动学数学模型，并在Ｍａｔｌａｂ中完成逆解程
序编写。同时在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中建立相应的三维模型，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｍｏｒｉｏｎ对机器人进行了运动轨迹规划和仿真，验证
了位置反解的正确性。为了使运动规划和仿真更加直观、简单，需要设计运动仿真前界面。因此，基于ＬａｂＶＩＥＷ强大的前
面板功能设计出运动仿真人机交互界面，基于ＬａｂＶＩＥＷ ＳｏｆｔＭｏｔｉｏｎ模块丰富的运动函数完成机器人末端轨迹规划，最后
将ＬａｂＶＩＥＷ、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ和Ｍｏｔｉｏｎ设计工具集成到一起，对机器人进行了运动仿真，实现了对运动过程的参数化控制。
关键词：手术机器人；运动仿真；６ｏｌｉｄＷｏｒｋｓ；Ｍｏｔｉｏｎ；ＬａｂＶＩＥＷ；ＳｏｆｔＭｏｔｉｏｎ
中图分类号：ＴＨ１６；ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１３）０３—０１３６—０３
Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ
ｏｎ ＬａｂＶＩ Ｅ：Ｗ ａｎｄ ＳｏｉｌｄＷｏｒｋｓ
ＺＨＵ Ｆｅｎｇ．ＤＩＡＯ Ｙａｎ．ＷＵ Ｙｉｎｇ－ｄｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｉｅｈｕａｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆａｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｍｉｎｉｍａｌｌｙ ｉｎｖａｓｉｖｅ ｓｕｒｇｉｃａｌ ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ
ｏ厂ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｓｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅｎ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｂｙ Ｍａｔｌａｂ．Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｅｒｅ
ｐｅ ｒ／备ｒ，ｒ ｄ ｂｙ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＭｏｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｉｎｖｅｒｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ￡ ｅ ｍｏｔｉｏｎ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ＂ ｅ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｒｅ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅｒ．ＬａｂＶＩＥＷ Ｗ（／Ｓ ｕｓｅｄ ｔＯ ｄｅｓｉｇｎ ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅ￣ａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ＷｔＴＩＳ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ＬａｂＶＩＥＷ ＳｏｆｉＭｏｔｉｏｎ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔ’ｓ
ｗｅａｌｔｈ ｏｆｍｏｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ＬａｂＶＩＥＷ．ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ
ｗｈｉｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｏｖｅｍｅｎｔ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔ；Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ；Ｍｏｔｉｏｎ；ＬａｂＶＩＥＷ；ＳｏｆｔＭｏｔｉｏｎ
１引言
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。单一的串联 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 。 机器人的运动学分析是进行机器人机构设计的首要任务。
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模块能和ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｍｏｔｉｏｎ无缝连接。该模块提供丰
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一体化仿真奠定了基础。
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７＋１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，模型中简化为一个球关节。
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）
ｃｉｊ＝ｃＯＳ（ ＋ ） （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一０２７）；四川省科技支撑计划项目（２０１１ＧＺ００９６），（２０１２ＦＺ００４２） 作者简介：朱峰，（１９８２一），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 １３７
Ｃｉ＝ｅｏｓＯｉ
Ｓｙ＝ｓｉｎＯ
Ｃｙ＝ＣＯＳ￣ｙ ＝ｓｉｎ（ ）
ｃ ＝ｃｏｓ（３＋０） （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（０２＋０３） （９）
ｑ ＝ａ＝ｃｏｓ￥２＋ｆｃｏｓ（Ｏ￣＋ａｓ） （１０）
Ｐ：＝ｄＩ＋ｄ２＋ａ４ｓＢ４＋ ２ｓｉｒｄ一 ３ｃ０ （１１）
＋ａ４ｃ ＋ ２ｃｏ￣＋ｕ３ 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 ３
０３￣＋ａｒｃｃｏｓ －－ｇ２；
ａ一￣ －１ （ ４）
０４＝ａｒｃｓｉ 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模块是内嵌于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。它还有其它一
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
总时长一致，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 Ｔｒａｊｅｃｔｏｒ
ｙ ｌ３８ 机械设计与制造 ＮＯ．３ Ｍａｒ．２０１ ３
４ 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）是一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，有一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模块，主要包含：直线
运动（Ｓｔｒａｉｇｈｔ—Ｌｉｎｅ Ｍｏｖｅ），使用轴或者坐标执行一个直线运动；
弧线运动（Ａｒｃ Ｍｏｖｅ），执行一个圆形弧、球面弧、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
联合仿真重要的一步就是建立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一定末端轨迹。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一般轨迹
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一致。
图６ ＬａｂＶＩＥＷ和ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ联合运动仿真界面 Ｆｉｇ．６ Ｍａｎ—Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ－ｔｈｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
５结论
在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中完成机器人三维建模，并利用Ｍｏｔｉｏｎ模块 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础。
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础。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。其机电一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。
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