CN103552088B - 一种机械腕 - Google Patents

Abstract

一种机械腕，其包括：一个腕关节，一个致动/信号输出部件和末端执行器/信号输入部件。核心部件是“一种渐开线球齿轮传动副”。利用连杆、摇摆盘和摇摆盘致动机构带动末端执行器的偏摆、俯仰动作，利用轴套管致动/信号输出轮带动末端执行器的翻滚动作，利用轴致动/信号输出轮带动末端执行器的开合或钻头，螺丝刀的旋转。具有偏摆，俯仰，翻滚和绕轴线转动四个自由度，各个自由度的运动完全解耦，可做主动腕，也可以做被动腕，可做机械手，也可以做信号输入装置使用，特别是可以作为微创手术工具使用。

Description

一种机械腕

技术领域

本发明涉及一种微创外科手术工具、工业机器人及控制机构中使用的机械腕。

背景技术

中国专利申请201310312888.8提出了一种渐开线球齿轮传动副，其包括两个球齿轮，每个球齿轮有从高纬到低纬的多个齿环。过轴线剖切球齿轮，齿环剖面的外轮廓构成齿厚方向沿经线的渐开线齿轮齿的外轮廓，将齿环剖面的外轮廓分为两组，则奇数组和偶数组分别与两个齿轮齿交错放置的直齿轮端面齿形相同。该渐开线球齿轮传动副中的两个相互啮合的球齿轮可以沿任意方向做两个节球面上的相对纯滚动。传递俯仰、侧摆运动和绕轴线的自转运动，以及这三种运动的任意组合。

中国专利申请201080051475.3提出了一种具有紧凑腕部的手术工具，其有两个自由度的腕部，具有扭矩传递机构，使用控制缆索致动和定向末端执行器，在腕部的两个自由度的运动中存在耦合，且不能作为被动腕。

发明内容

发明一种以中国专利申请201310312888.8提出的“一种渐开线球齿轮传动副”为核心部件的机械腕，具有偏摆，俯仰，翻滚和绕轴线转动四个自由度，各个自由度的运动完全解耦，可作主动腕，也可以做被动腕，可做机械手，也可以做信号输入装置使用，特别是可以作为微创手术工具使用。

一种机械腕，其包括：一个腕关节，其具有一个致动端或信号输出端和一个末端执行器端或信号输入端；一个致动部件或信号输出部件，其具有一个远腕部分和一个近腕部分，所述的腕关节的致动端或信号输出端连接到所述的致动部件或信号输出部件的近腕部分；所述的机械腕进一步包括一个末端执行器或信号输入部件，其具有一个远腕部分和一个近腕部分，所述的末端执行器或信号输入部件的近腕部分被连接到所述的腕关节的末端执行器端或信号输入端；其特征在于：所述的腕关节包括：球齿轮架，一个致动端或信号输出端球齿轮和一个末端执行器端或信号输入端球齿轮，一个致动端球齿轮轴和一个致动轴球齿轮套管转动配合安装在一起或一个信号输出端球齿轮轴和一个信号输出端球齿轮轴套管转动配合安装在一起，一个末端执行器端球齿轮轴和一个末端执行器端球齿轮轴套管转动配合安装在一起或一个信号输入端球齿轮轴和一个信号输入端球齿轮轴套管转动配合安装在一起，一个腕关节十字环将所述末端执行器端球齿轮轴套管或信号输入端球齿轮轴套管和所述的球齿轮架万向铰接在一起；进一步，另一个腕关节十字环将所述致动端球齿轮轴套管或信号输出端球齿轮轴套管和所述的球齿轮架万向铰接在一起，两个所述的腕关节十字环的中心分别与两个所述的球齿轮的球心重合，实现两个所述的球齿轮的啮合，两个所述的球齿轮的中心距恒等于两所述的球齿轮的节球半径之和，两所述的球齿轮的啮合能实现两所述的球齿轮的两节球面的纯滚动，所述的致动端或信号输出端球齿轮轴和所述的致动端或信号输出端球齿轮轴套管向致动部件或信号输出部件延伸并和致动部件或信号输出部件连接在一起，进一步至少有两根可轴向运动的连杆连接所述的球齿轮架和所述的致动部件或信号输出部件，所述的末端执行器端球齿轮轴和所述的末端执行器端球齿轮轴套管向末端执行器延伸并和末端执行器连接在一起，或信号输入端球齿轮轴和信号输入端球齿轮轴套管向信号输入部件延伸并和信号输入部件连接在一起。

所述的末端执行器端球齿轮或信号输入端球齿轮和致动端球齿轮或信号输出端球齿轮采用的是中国专利申请201310312888.8号所提出的一种渐开线球齿轮传动副。

所述的致动部件或信号输出部件包括：一个基座，所述的基座上有一轴孔，所述的致动端球齿轮轴和所述的致动端球齿轮轴套管或信号输出端球齿轮轴和信号输出端球齿轮轴套管从所述的轴孔中穿过并与所述轴孔转动配合，在穿出所述的的基座的致动端球齿轮轴或信号输出端球齿轮轴上固装一个轴致动轮或信号输出轮。

在穿出所述的基座所述的致动端球齿轮轴套管或信号输出端球齿轮轴套管上固装一个轴套管致动轮或轴套管信号输出轮。

在所述的致动部件或信号输出部件的近腕端有一摇摆盘通过一个摇摆盘十字环与所述的致动端球齿轮轴套管或所述的信号输出端球齿轮轴套管万向铰接。

所述的摇摆盘外缘安装一与所述的摇摆盘同轴的滑环，所述的滑环的内环与摇摆盘固装，所述的滑环的外环可相对于所述的内环同轴转动。

有至少两根连杆连接所述摇摆盘和所述的球齿轮架，优选采用所述的连杆的数量是四根，所述的连杆的两端分别与所述的球齿轮架和所述的摇摆盘万向铰接，所述的各连杆相互平行并且与所述的致动端球齿轮轴或信号输出端球齿轮轴的轴线平行。所述的各连杆在所述的摇摆盘上的连接点和所述的各连杆在球齿轮架上的连接点分别处于两个相互平行的平面，且两所述的平面间的距离等于所述的摇摆环中心到所述的致动端球齿轮或信号输出端球齿轮球心的距离。

所述的致动端球齿轮轴套管或信号输出端球齿轮轴套管外圈的花孔套有与所述的连杆数量相同的贯通孔，所述的连杆能在所述的贯通孔中顺畅运动。

两根等长的随动连杆的一端分别铰接在所述的基座上的两个固定轴上，所诉的两根等长的随动连杆的另一端均与一根致动连杆铰接，两根所述的固定轴的中心连线与所述的致动端球齿轮轴或信号输出端球齿轮轴轴线平行，两根所述的随动连杆中的一根上固装一个以铰接该连杆的固定轴的轴心为圆心的摇摆致动轮或摇摆信号输出轮。

所述的致动连杆、两根随动连杆和基座共同组成了一个平行四边形，向所述的摇摆盘延伸的所述的致动连杆的头部在与所述的平行四边形所在的平面平行的所述的滑环的直径的延长线上与所述的外环由一个万向绞接件连接。所述的两个固定轴、两个随动连杆、致动连杆、万向铰接件和摇摆致动轮或信号输出轮共同组成了一个摇摆盘致动机构，在所述的致动部件或信号输出部件中有两个所述的摇摆盘致动机构，两个所述的摇摆盘致动机构的所述的万向绞接件在所述的外环上成90度分布。两个所述的万向铰接件的铰接原点所在的所述的滑环的直径的中点与所述的摇摆盘十字环中心重合。

两个所述的摇摆盘致动机构中的一个的所述的致动连杆的端部固装一个与固装在所述的基座上的导向块相配合的导块，所述的导块在摇摆盘运动时沿所述的导向块滑动，并保持所述的外环不发生相对所述的基座的绕所述的致动端球齿轮轴或信号输出端球齿轮轴轴线的转动。

连接所述摇摆盘和所述的球齿轮架的所述连杆两端与所述球齿轮架和所述摇摆盘的万向铰接方式为：一对相互套接的截面为圆形的圆环，分别固装在所述的球齿轮架上和连杆的一端，另一对相互套接的截面为圆形的圆环，分别固装在所述的连杆的另一端和所述的摇摆盘上，所述连杆的两端固装的两个所述圆环所在的平面相互垂直。

在所述的基座上分别安装有与两个所述的摇摆致动轮或摇摆信号输出轮对应的摇摆致动传感器或摇摆信号输出传感器，与所述的轴套管致动轮或轴套管信号输出轮对应的轴套管致动传感器或轴套管信号输出传感器和与所述的轴致动轮或轴信号输出轮对应的轴致动传感器或轴信号输出传感器。

在两个所述的摇摆致动轮或摇摆信号输出轮上分别安装有摇摆致动扭力传感器或摇摆信号输出扭力传感器，在所述的轴套管致动轮或轴套管信号输出轮上安装有轴套管致动扭力传感器或轴套管信号输出扭力传感器，在所述的轴致动轮或轴信号输出轮上安装有轴致动扭力传感器或轴信号输出扭力传感器。

所述的摇摆盘可以不经过所述的连杆连接所述的球齿轮架，而直接固装在所述的球齿轮架上，不需要所述的花孔套，也不需要所述的摇摆盘十字环。两所述的万向铰接件的铰接原点所在的所述的滑环的直径的中点与所述的致动端球齿轮或信号输出端球齿轮的球心重合。

所述的末端执行器部件是其所述的近腕部分直接与所述的末端执行器端球齿轮轴固装在一起的刀具、钻具或螺丝刀类的工具，也可以是利用所述的末端执行器端球齿轮轴和所述的末端执行器端球齿轮轴套管的相对运动驱动的可开合的夹子、剪子类的工具。

所述信号输入部件可以是一个轴控制手柄直接与所述的信号输入端球齿轮轴固装在一起，一个轴套管控制手柄直接与所述的信号输入端球齿轮轴套管固装在一起。

利用所述的末端执行器端球齿轮轴和所述的末端执行器端球齿轮轴套管的相对运动驱动的可开合的夹子、剪子类的工具可以包括：两个带局部蜗轮的工具块，一个蜗杆，所述的工具块是指组成夹子、剪子类的工具可开合动作的零件。两个所述的工具块与所述的末端执行器端球齿轮轴套管末端铰装在一起，所述的蜗杆与所述的末端执行器端球齿轮轴的末端固装在一起且与其同轴，所述的蜗杆在两个局部蜗轮中间穿过并与两个局部蜗轮啮合，所述的蜗杆转动可带动两所述工具块的开合。

利用所述的末端执行器端球齿轮轴和所述的末端执行器端球齿轮轴套管的相对运动驱动的可开合的夹子、剪子类的工具还可以是：所述的可开合的夹子、剪子类的工具的枢轴与所述的末端执行器端球齿轮轴套管固装在一起，所述的末端执行器端球齿轮轴固装一凸轮或凸轮槽，驱动所述的夹子、剪子类的工具的开合动作。

参考以下详细说明和附图，更完整地理解本发明的性质和优点。

图1实施方式一的机械腕1的轴测图。

图2剖切了部分球齿轮架的腕关节的轴测图。

图3致动部件或信号输出部件的传动关系图。

图4连杆与齿轮架及摇摆盘连接关系图。

图5末端执行器为螺丝刀的工作原理图。

图6末端执行器为夹子8的工作原理图。

图7末端执行器为夹子48的工作原理图。

图8实施方式二机械腕47的轴测图。

图9操纵杆53的轴测图。

图10十字环的轴测图。

图11滑环的轴测图。

图12导块和导向块的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1，图2，图3，图4，图5，图6，图10，图11和图12详细说明本实施方式，本实施方式的机械腕1包括：一个腕关节2，其具有一个致动或信号输出端3和一个末端执行器或信号输入端4；一个致动或信号输出部件5，其具有一个远腕部分7和一个近腕部分6；机械腕1的末端执行器或信号输入部件是一种末端执行器，是一个可开合的夹子8。

腕关节2包括：球齿轮架9，末端执行器或信号输入端的球齿轮10和致动或信号输出端的球齿轮11，球齿轮10的轴12和轴套管13转动配合安装在一起，腕关节十字环14将轴套管13和球齿轮架9万向铰接在一起，腕关节十字环14的中心与球齿轮10的球心重合，致动或信号输出端的球齿轮11的轴15和轴套管16转动配合安装在一起，腕关节十字环17将球齿轮轴套管16和球齿轮架9万向铰接在一起，腕关节十字环17的中心与球齿轮11的球心重合，实现球齿轮10和球齿轮11的啮合，球齿轮10和球齿轮11的中心距恒等于球齿轮10和球齿轮11的节球半径之和，球齿轮10和球齿轮11的啮合能实现两球齿轮的两节球面的纯滚动。致动或信号输出端球齿轮轴15和轴套管16向致动或信号输出部件5延伸并和致动或信号输出部件5连接在一起。

这里的球齿轮10和球齿轮11是采用中国专利申请201310312888.8号所提出的一种渐开线球齿轮传动副。

致动或信号输出部件5包括：基座18，基座18上有一轴孔19，轴15和轴套管16从轴孔19中穿过并与轴孔19转动配合，在穿出基座18的轴15上固装一个轴致动或信号输出轮20，在穿出基座18的轴套管16上固装一个轴套管致动或信号输出轮21。

在致动或信号输出部件的近腕端6有一摇摆盘22通过摇摆盘十字环23与轴套管16万向铰接，摇摆盘22外缘安装一与摇摆盘22同轴的滑环24，滑环24的内环34与摇摆盘22固装，滑环24的外环35可相对内环34同轴转动，内环34的圆弧槽和外环35的圆弧槽之间的滚珠55使转动的阻力很小。

有四根连杆25连接摇摆盘22和球齿轮架9，连杆25的两端分别与球齿轮架9和摇摆盘22万向铰接，各连杆25相互平行并且与轴15的轴线平行，各连杆25在摇摆盘22上的连接点和各连杆25在球齿轮架9上的连接点分别处于两个相互平行的平面，且两所述的平面的距离等于摇摆十字环23中心到球齿轮11球心的距离。

连杆25两端与与球齿轮架9和摇摆盘22万向铰接方式为：一对相互套接的截面为圆形的圆环，分别固装在球齿轮架9上和连杆25的一端，另一对相互套接的截面为圆形的圆环，分别固装在连杆25的另一端和摇摆盘22上，连杆25的两端固装的两个圆环所在的平面相互垂直。

轴套管16外圈的花孔套26有与连杆25数量相同的贯通孔27，连杆25能在贯通孔27中顺畅运动。

两根等长的随动连杆28和随动连杆29的一端分别铰接在基座18上的两个固定轴30上和固定轴31上，另一端分别与致动连杆32铰接，随动连杆29上固装以固定轴31的轴心为圆心的摇摆致动或信号输出轮33，致动连杆32、随动连杆28、随动连杆29和基座18共同组成了一个平行四边形，向摇摆盘22延伸的致动连杆32的头部在与所述的平行四边形所在的平面平行的滑环24的直径的延长线上与外环35由一个万向绞接件56连接。

固定轴30、固定轴31、随动连杆28、随动连杆29、致动连杆32、万向绞接件56和摇摆致动或信号输出轮33共同组成了一个摇摆盘致动机构36，致动或信号输出部件5中有两个摇摆盘致动机构36，两个摇摆盘致动机构36上的万向绞接件56在外环35上成90度分布。万向铰接件56的铰接原点所在滑环24的直径的中点与所述的摇摆盘十字环中心重合。

固装在基座18上的导向块是导槽57。固装在致动连杆32的端部的导块是导块58。

两个摇摆盘致动机构36中的一个的致动连杆32的端部固装一个与固装在基座18上的导槽57相配合的导块58，导块58在摇摆盘22运动时在导槽57中滑动，并保持外环35不发生相对基座18的绕致动或信号输出端球齿轮轴15轴线的转动。

在基座18上分别安装两个与两个摇摆致动或信号输出轮33对应的摇摆致动或信号输出传感器37，与轴套管致动或信号输出轮21对应的轴套管致动或信号输出传感器38和与轴致动或信号输出轮20对应的轴致动或信号输出传感器39。

在两个摇摆致动或信号输出轮33上分别安装有摇摆致动或信号输出扭力传感器40，在轴套管致动或信号输出轮21上安装有轴套管致动或信号输出扭力传感器41，在轴致动或信号输出轮20上安装有轴致动或信号输出扭力传感器42。

夹子8包括：两个带局部蜗轮44的夹子片45，一个蜗杆46。两个夹子片45和球齿轮轴套管13的末端铰装在一起，蜗杆46与轴12的末端固装在一起且与其同轴，蜗杆46在两个局部蜗轮44中间穿过并与两个局部蜗轮44啮合。

操作本实施方式提出的机械腕1，可分别转动两个摇摆致动或信号输出轮33，通过两个摇摆盘致动机构36，滑环24，摇摆盘22，连杆25，球齿轮架9，腕关节十字环14，腕关节十字环17，球齿轮11和球齿轮10带动夹子8实现偏摆和俯仰。两个摇摆致动或信号输出轮33不动，转动轴套管致动或信号输出轮21，通过轴套管16，摇摆盘十字环23，带动摇摆盘22转动；通过轴套管16，腕关节十字环17，球齿轮架9，腕关节十字环14，带动轴套管15和夹子8翻滚。导块58和导槽57保持滑环24不发生相对基座18的绕轴15的轴线的转动。

相对轴套管致动或信号输出轮21转动轴致动或信号输出轮20，带动轴15，球齿轮11，球齿轮10，球齿轮轴12和蜗杆46转动，进一步蜗杆46的转动带动局部蜗轮44转动，使夹子8开合。

两个摇摆致动或信号输出传感器37，用于取得和记录夹子8的偏摆和俯仰运动的信息，轴套管致动或信号输出传感器38用于取得和记录夹子8的翻滚运动的信息，轴致动或信号输出传感器39用于取得和记录夹子8的开合运动的信息。

两个摇摆致动或信号输出扭力传感器40，用于取得和记录夹子8的偏摆、俯仰受力大小的信息，轴套管致动或信号输出扭力传感器41用于取得和记录夹子8的翻滚运动受力大小的信息，轴致动或信号输出扭力传感器42用于取得和记录夹子8的开合运动的受力大小信息。

机械腕1用于需要细长杆机械腕的场合，如用于作为微创外科手术工具。

在两个摇摆致动或信号输出轮33、轴套管致动或信号输出轮21、轴致动或信号输出轮20处于自由状态时，夹子8的俯仰、偏摆和翻滚运动则成为被动状态。

具体实施方式二：结合图1，图3和图8详细说明本实施方式，本实施方式的机械腕47是在机械腕1的基础上去掉连杆25，花孔套26，摇摆盘十字环23，缩短球齿轮轴套管16和球齿轮轴15，摇摆盘22直接固装在球齿轮架9上，两万向铰接件56铰接原点所在的滑环24的直径中点与致动或信号输出端球齿轮11的球心重合。

机械腕47用于不需要细长杆机械腕的场合。

机械腕47与机械腕1的工作原理基本相同。

具体实施方式三：结合图1，图3和图7详细说明本实施方式，在本实施方式的机械腕的末端执行器或信号输入部件是一种末端执行器，一个夹子48。夹子48的枢轴49与末端执行器或信号输入端球齿轮轴套管固装在一起(图中未画出)，轴12末端固装一凸轮50，顺时针转动轴套管致动或信号输出轮21带动球齿轮11，球齿轮10和凸轮50转动，驱动夹子48闭合，逆时针转动轴套管致动或信号输出轮21，带动球齿轮11，球齿轮10和凸轮50反向转动，夹子48在弹簧51的作用下复位张开。

具体实施方式四：结合图1，图3和图5详细说明本实施方式，在本实施方式的机械腕中的末端执行器或信号输入部件是一种末端执行器，一个螺丝刀52。螺丝刀52的尾部与轴12固装在一起，且螺丝刀52与轴12同轴。转动轴致动或信号输出轮20，带动球齿轮11，球齿轮10和螺丝刀52，完成旋紧或松开螺丝的工作。

具体实施方式五：结合图1，图2，图3，图4，图8，图9，图10和图11详细说明本实施方式。在本实施方式的机械腕中的末端执行器或信号输入部件是一种信号输入部件，一个操纵杆53。其包括：一个轴控制手柄54直接与轴12固装在一起，一个轴套管控制手柄43直接与轴套管13固装在一起。

前后或左右摇动操纵杆53，通过球齿轮10，腕关节十字环14，腕关节十字环17，球齿轮架9，球齿轮11，连杆25，摇摆盘22，滑环24，摇摆盘致动机构36，带动摇摆致动或信号输出轮33转动，通过摇摆致动或信号输出轮33传递操纵杆53的偏摆或俯仰动作，并由摇摆致动或信号输出传感器37取得相应的动作信号，由摇摆致动或信号输出扭力传感器40取得操纵杆53力量大小的信号。

转动轴套管控制手柄43，通过轴套管13，腕关节十字环14，球齿轮架9，腕关节十字环17，轴套管16带动轴套管致动或信号输出轮21转动，导块58和导槽57保持滑环24不发生相对基座18的绕轴15的轴线的转动；通过轴套管致动或信号输出轮21传递轴套管控制手柄43的转动，由轴套管致动或信号输出传感器38取得相应的转动信号，由轴套管致动或信号输出扭力传感器41取得轴套管控制手柄43力量大小的信号。

转动轴控制手柄54，通过轴12，球齿轮10，球齿轮11和轴15带动轴致动或信号输出轮20转动，并通过轴致动或信号输出轮20传递轴控制手柄54的转动，由轴致动或信号输出传感器39取得相应的转动信号，由轴致动或信号输出扭力传感器42取得轴控制手柄54力量大小的信号。

本实施方式所提出的控制杆53即可用于做为机械腕47类型的非细长杆的机械腕的信号输入部件，也可做为机械腕1类型的有细长杆的机械腕的信号输入部件。

具体实施方式六：结合图1，图3，图8和图11详细说明本实施方式。在本实施方式的机械腕中的末端执行器或信号输入部件中的滑环59是摇摆盘22外缘的滑环的另一种形式，其包括内环60和外环61，外环61在环形槽62的限制下可相对内环61转动。外环61通过两个万向绞接件56分别和两个致动连杆32的头部连接。

具体实施方式七：结合图1，图3，图8和图11详细说明本实施方式。在本实施方式的机械腕中的末端执行器或信号输入部件中的滑环63是摇摆盘22外缘的滑环的另一种形式，其包括内环64和外环65，外环65在滚子66的限制和支撑下可相对内环64转动。外环65通过两个万向绞接件56分别和两个致动连杆32的头部连接。

具体实施方式八：结合图1，图3，图8和图12详细说明本实施方式。在本实施方式的机械腕中的末端执行器或信号输入部件中的叉形导块67和导向凸块68是固装在连杆32端部的导块和固装在基座18上的导向块的另一种形式。

叉形导块67在摇摆盘22运动时沿导向凸块68滑动，并保持外环35不发生相对基座18的绕致动或信号输出端球齿轮轴15轴线的转动。

Claims (21)

1.一种机械腕，其包括：一个腕关节，其具有一个致动端或信号输出端和一个末端执行器端或信号输入端；一个致动部件或信号输出部件，其具有一个远腕部分和一个近腕部分，所述的腕关节的致动端或信号输出端连接到所述的致动部件或信号输出部件的近腕部分；所述的机械腕进一步包括一个末端执行器部件或信号输入部件，其具有一个远腕部分和一个近腕部分，所述的末端执行器部件或信号输入部件的近腕部分被连接到所述的腕关节的末端执行器端或信号输入端；其特征在于：所述的腕关节包括：球齿轮架，一个致动端球齿轮或信号输出端球齿轮和一个末端执行器端球齿轮或信号输入端球齿轮，致动端球齿轮轴和一个致动端球齿轮轴套管转动配合安装在一起或信号输出端球齿轮轴和一个信号输出端球齿轮轴套管转动配合安装在一起，末端执行器端球齿轮轴和一个末端执行器端球齿轮轴套管转动配合安装在一起或信号输入端球齿轮轴和信号输入端球齿轮轴套管转动配合安装在一起；腕关节十字环将所述末端执行器端球齿轮轴套管和所述的球齿轮架万向铰接在一起或信号输入端球齿轮轴套管和所述的球齿轮架万向铰接在一起；进一步，另一个腕关节十字环将所述致动端球齿轮轴套管和所述的球齿轮架万向铰接在一起或信号输出端球齿轮轴套管和所述的球齿轮架万向铰接在一起；所述的腕关节十字环的中心与末端执行器端球齿轮的球心或信号输入端球齿轮的球心重合，所述另一个腕关节十字环的中心与致动端球齿轮的球心或信号输出端球齿轮的球心重合；实现末端执行器端球齿轮和致动端球齿轮的啮合或信号输入端球齿轮和信号输出端球齿轮的啮合，该相互啮合的两个球齿轮的中心距恒等于两个所述的球齿轮的节球半径之和，两个球齿轮的啮合能实现两个球齿轮的两节球面的纯滚动；所述的致动端球齿轮轴和所述的致动端球齿轮轴套管向致动部件延伸并和致动部件连接在一起，或所述的信号输出端球齿轮轴和所述的信号输出端球齿轮轴套管向信号输出部件延伸并和信号输出部件连接在一起；所述的致动部件或信号输出部件包括：一个基座，所述的基座上有一轴孔，所述的致动端球齿轮轴或信号输出端球齿轮轴和所述的致动端球齿轮轴套管或信号输出端球齿轮轴套管从所述的轴孔中穿过并与所述轴孔转动配合；进一步有至少两根可轴向运动的连杆连接所述的球齿轮架和所述的致动部件或信号输出部件；所述的末端执行器端球齿轮轴和所述的末端执行器端球齿轮轴套管向末端执行器部件延伸并和末端执行器部件连接在一起，或信号输入端球齿轮轴和信号输入端球齿轮轴套管向信号输入部件延伸并和信号输入部件连接在一起。

2.根据权利要求1所述的机械腕，其特征在于：所述的末端执行器端球齿轮和致动端球齿轮，或信号输入端球齿轮和信号输出端球齿轮采用的是一种渐开线球齿轮传动副，所述的末端执行器端球齿轮和致动端球齿轮，或信号输入端球齿轮和信号输出端球齿轮有从高纬到低纬的多个齿环，过轴线剖切球齿轮，齿环剖面的外轮廓构成齿厚方向沿经线的渐开线齿轮齿的外轮廓，将齿环剖面的外轮廓分为两组，则奇数组和偶数组分别与两个齿轮齿交错放置的直齿轮端面齿形相同，所述渐开线球齿轮传动副中的两个相互啮合的球齿轮可以沿任意方向做两个节球面上的相对纯滚动，传递俯仰运动、侧摆运动和绕轴线的自转运动，以及这三种运动的任意组合。

3.根据权利要求1所述的机械腕，其特征在于：在穿出所述的基座的致动端球齿轮轴上固装一个轴致动轮或在穿出所述的基座的信号输出端球齿轮轴上固装一个轴信号输出轮。

4.根据权利要求1所述的机械腕，其特征在于：在穿出所述的基座的致动端球齿轮轴套管上固装一个轴套管致动轮或在穿出所述的基座的信号输出端球齿轮轴套管上固装一个轴套管信号输出轮。

5.根据权利要求1所述的机械腕，其特征在于：在所述的致动部件或信号输出部件的近腕端有一个摇摆盘通过一个摇摆盘十字环与所述的致动端球齿轮轴套管或信号输出端球齿轮轴套管万向铰接，所述的至少两根可轴向运动的连杆连接所述摇摆盘和所述的球齿轮架，所述的连杆的两端分别与所述的球齿轮架和所述的摇摆盘万向铰接，所述的各连杆相互平行并且与所述的致动端球齿轮轴或信号输出端球齿轮轴轴线平行，所述的各连杆在所述的摇摆盘上的连接点和所述的各连杆在所述的球齿轮架上的连接点分别处于两个相互平行的平面，且两所述的平面的距离等于所述的摇摆盘十字环中心到所述的致动端球齿轮或信号输出端球齿轮的球心的距离，所述的致动端球齿轮轴套管或信号输出端球齿轮轴套管外圈的花孔套有与所述的连杆数量相同的贯通孔，所述的连杆能在所述的贯通孔中顺畅运动。

6.根据权利要求5所述的机械腕，其特征在于：所述的摇摆盘外缘安装一与所述的摇摆盘同轴的滑环，所述的滑环的内环与摇摆盘固装，所述的滑环的外环可相对所述的内环同轴转动。

7.根据权利要求6所述的机械腕，其特征在于：两根等长的随动连杆的一端分别铰接在所述的基座上的两个固定轴上，两根所述的等长的随动连杆的另一端均与一根致动连杆铰接，两个所述的固定轴的中心连线与所述的致动端球齿轮轴或信号输出端球齿轮轴的轴线平行，两根所述的随动连杆中的一根上固装一个以铰接该随动连杆的固定轴的轴心为圆心的摇摆致动轮或摇摆信号输出轮，所述的致动连杆、两根所述的随动连杆和所述的基座共同组成了一个平行四边形，向所述的摇摆盘延伸的所述的致动连杆的头部在与所述的平行四边形所在的平面平行的所述的滑环的直径的延长线上与所述的外环由一个万向铰接件连接；所述的两个固定轴、两个随动连杆、致动连杆、万向铰接件和所述的摇摆致动轮或摇摆信号输出轮共同组成了一个摇摆盘致动机构；在所述的致动部件或信号输出部件中有两个所述的摇摆盘致动机构；两个所述的万向铰接件在所述的外环上成90度分布，两个所述的万向铰接件的铰接原点所在的所述的滑环的直径的中点与所述的摇摆盘十字环中心重合。

8.根据权利要求7所述的机械腕，其特征在于：两个所述的摇摆盘致动机构中的一个的所述的致动连杆的端部固装一个与固装在所述的基座上的导向块相配合的导块，所述的导块在摇摆盘运动时沿所述的导向块滑动，并保持所述的外环不发生相对所述的基座的绕所述的致动端球齿轮轴轴线或信号输出端球齿轮轴轴线的转动。

9.根据权利要求5所述的机械腕，其特征在于：连接所述摇摆盘和所述的球齿轮架的所述连杆两端与球齿轮架和摇摆盘万向铰接方式为：一对相互套接的截面为圆形的圆环，分别固装在所述的球齿轮架上和连杆的一端；另一对相互套接的截面为圆形的圆环，分别固装在所述的连杆的另一端和所述的摇摆盘上，所述连杆的两端固装的两个所述圆环所在的平面相互垂直。

10.根据权利要求7所述的机械腕，其特征在于：在所述的基座上分别安装有与两个所述的摇摆致动轮对应的摇摆致动传感器或与两个所述的摇摆信号输出轮对应的摇摆信号输出传感器。

11.根据权利要求3所述的机械腕，其特征在于：在所述的基座上安装有与所述的轴致动轮对应的轴致动传感器或与所述的轴信号输出轮对应的轴信号输出传感器。

12.根据权利要求4所述的机械腕，其特征在于：在所述的基座上安装有与所述的轴套管致动轮对应的轴套管致动传感器或与所述的轴套管信号输出轮对应的轴套管信号输出传感器。

13.根据权利要求7所述的机械腕，其特征在于：在两个所述的摇摆致动轮上分别安装有摇摆致动扭力传感器或在两个所述的摇摆信号输出轮上分别安装有摇摆信号输出扭力传感器。

14.根据权利要求4所述的机械腕，其特征在于：在所述的轴套管致动轮上安装有轴套管致动扭力传感器或在所述的轴套管信号输出轮上安装有轴套管信号输出扭力传感器。

15.根据权利要求3所述的机械腕，其特征在于：在所述的轴致动轮上安装有轴致动扭力传感器或在所述的轴信号输出轮上安装有轴信号输出扭力传感器。

16.根据权利要求7或权利要求8或权利要求10或权利要求13所述的机械腕，其特征在于：所述的摇摆盘不经过所述的至少两根可轴向运动的连杆，不需要所述的花孔套，也不需要所述的摇摆盘十字环，直接固装在所述的球齿轮架上，两个所述的万向铰接件的铰接原点所在的所述的滑环直径的中点与所述的致动端或信号输出端球齿轮的球心重合。

17.根据权利要求1所述的机械腕，其特征在于：所述的末端执行器部件是其所述的近腕部分直接与所述的末端执行器端球齿轮轴固装在一起的刀具、钻具或螺丝刀。

18.根据权利要求1所述的机械腕，其特征在于：所述的末端执行器部件是，利用所述的末端执行器端球齿轮轴和所述的末端执行器端球齿轮轴套管的相对运动驱动可开合的夹子或剪子。

19.根据权利要求1所述的机械腕，其特征在于：所述的信号输入部件是一个轴控制手柄和一个轴套管控制手柄，所述的轴控制手柄直接与所述的信号输入端球齿轮轴固装在一起，所述的轴套管控制手柄直接与所述的信号输入端球齿轮轴套管固装在一起。

20.根据权利要求18所述的机械腕，其特征在于：所述的夹子或剪子包括：两个带有局部蜗轮的工具块，一个蜗杆；两个所述的工具块是指组成夹子或剪子的可开合动作的零件；两个所述的工具块与所述的末端执行器端球齿轮轴套管末端铰装在一起，所述的蜗杆与所述的末端执行器端球齿轮轴的末端固装在一起且与其同轴；所述的蜗杆在两个局部蜗轮中间穿过并与两个局部蜗轮啮合，所述的蜗杆转动可带动两个所述工具块的开合。

21.根据权利要求18所述的机械腕，其特征在于：所述的夹子或剪子的枢轴与所述的末端执行器端球齿轮轴套管固装在一起，所述的末端执行器端球齿轮轴则固装一凸轮或凸轮槽，用于驱动所述夹子或剪子的开合。