CN105287003B - 机械臂及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明的机械臂及其工作方法中，机械臂包括连杆机构、柔性传动机构、连接器和驱动装置，连杆机构包括连接的固定杆、连杆和两驱动杆，四根杆连接线组成平行四边形；柔性传动机构包括通过柔性结构连接且直径相等的主、从驱动轮和直径相等的两传动轮；主驱动轮位于固定杆与驱动杆的连接点处，并在驱动装置驱动下与驱动杆同步转动，从驱动轮与连杆连接，且连接点位于两驱动杆与连杆连接点的连线上，两传动轮分别位于驱动杆与固定杆和连杆的连接点处，柔性结构通过两传动轮，且分别与两传动轮之间形成有一包覆角，两包覆角在变动值数值上相等；连接器与从驱动轮布置于同一连接点并同步转动，固定杆与两驱动杆的连接点的连线上形成有通过连接点的不动点。

Description

机械臂及其工作方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种用于机器人的机械臂及其工作方法，且该机械臂尤其适用于微创伤手术机器人。

背景技术

微创伤手术是指通过腹腔镜、胸腔镜等内窥镜在人体内施行手术的一种新技术。由于微创伤手术具有创伤小、疼痛轻、出血少等优点，因而，能够有效减短病人的恢复时间，减轻病人的不适，以及避免传统手术的一些有害副作用。但是，早期的微创伤手术因体表切口的限制，致使手术器械的自由度减少，而且医生手持器械在内窥镜内操作时，操作方向也会与期望的方向相反。这些缺陷的存在，增加了微创伤手术的难度，使得医生只有经过长期的微创伤手术训练才能较顺利地实施手术操作。

机器人技术的发展，却为早期的微创伤手术中存在的问题找到了更好的解决方法，由此，微创伤手术机器人也同时应运而生。微创伤手术机器人能够使医生在主操控台处，通过二维或三维的显示设备观察患者体内的组织特征，并通过操控设备，以遥控方式操控微创伤手术机器人上的机械臂，并以机械臂末端上的手术器械来完成手术操作，

如图1所示，在手术机器人辅助微创伤手术中，手术器械1通过体表2上的切口探入到患者体内，进行夹持、切割、缝合、打结等手术操作。在完成这些手术操作过程中，手术器械1的运动始终受到切口点的约束，该约束称为不动点约束，这样可以避免手术器械1对患者切口造成非手术性伤害，因此，整个手术过程中手术器械1在切口处的位置必须保持不变，手术器械1仅实现以切口为中心的3自由度倒圆锥运动，即以切口为中心的圆锥摆动以及沿手术器械轴线的直线移动。因而，为了满足不动点约束需求，用于承载手术器械的机械臂上应具有一个不动点机构，使得实际手术时，该不动点机构的不动点与患者体表的切口点相重合，进而消除不动点约束对手术器械运动的影响，提高手术器械运动的灵活性。

但是，现有的机械臂采用的不动点机构都存在一定的问题。例如CN101919739B的专利中，公开了一种微创机器人机械臂，其采用连杆双平行四边形机构，实现了不动点约束需求。具体的，该连杆双平行四边形机构通过第一组平行四边形结构的固定边与系统自转转轴之间形成一定的夹角，从而满足了不动点约束需求，而且，其“不动点”还能够发生偏移。然而，连杆双平行四边形机构采用连杆搭建的结构形式，存在结构复杂、笨重、占用空间大、关节数较多以及各关节精度要求高等问题，不利于微创伤手术的实施。此外，CN102813553B的专利公开了一种模块化机械手支架。但是，该模块化机械手支架上采用的不动点机构与前述专利相似，因而，存在同样的问题。另外，CN101027010B的专利中公开了一种偏心机械臂。该偏心机械臂通过柔性丝传动和/或带传动的方式代替了双平行四边形连杆机构。虽然该偏心机械臂能够减小不动点机构占用的空间，但由于为带传动和柔性丝传动，因此，不动点机构的刚度和可靠性低。

以双平行四边形结构为主体的不动点机构，其动力装置通常位于第一级平行四边形结构的某个转轴处(例如第一级平行四边形结构的下部转轴)。使用时，该动力装置驱动第一级平行四边形结构运动，而与第一级平行四边形结构相连的第二级平行四边形结构由第一级平行四边形结构驱动，从而实现两级平行四边形结构联动，形成不动点机构。然而，动力经第一级平行四边形结构传递至第二级平行四边形结构，通常会存在动作延迟和动力传递效率低等问题，因此，机构的总体精度受到了严重影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于机器人的机械臂及其工作方法，以解决现有技术中机器人机械臂采用的双平行四边形机构占用空间大、结构复杂、传递精度和效率低中的一个或者多个问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种机械臂，包括连杆机构、柔性传动机构、连接器以及第一驱动装置；

所述连杆机构包括固定杆、连杆、第一驱动杆和第二驱动杆，所述连杆机构按照包括第一本体的固定杆、第一驱动杆、包括第二本体和第一远端延伸部的连杆和第二驱动杆的顺序依次转动形成四个连接点，分别为第一连接点、第二连接点、第三连接点和第四连接点，四个所述连接点的连接线组成第一平行四边形；

所述柔性传动机构包括第一传动轮、第二传动轮、主驱动轮、从驱动轮和柔性结构，所述主驱动轮和从驱动轮通过所述柔性结构闭环连接，且所述柔性结构从所述第一传动轮和第二传动轮的一侧通过，并与所述第一传动轮形成有第一包覆角、以及与所述第二传动轮形成有第二包覆角，且随着连杆机构的转动，所述第一包覆角的变动值与第二包覆角的变动值数值上相等，同时所述主驱动轮与从驱动轮直径相等，所述第一传动轮与第二传动轮直径相等；

所述主驱动轮位于所述第一连接点处，并且所述第一驱动装置驱动所述主驱动轮和第一驱动杆同步转动；或所述主驱动轮位于所述第四连接点处，并且所述第一驱动装置驱动所述主驱动轮和第二驱动杆同步转动；所述从驱动轮与所述连杆的第一远端延伸部转动连接，且所述从驱动轮与所述连杆连接形成的第五连接点位于所述第二连接点和第三连接点的连接线上；

所述第一传动轮位于所述第一连接点或第四连接点处，且所述第一传动轮与主驱动轮不位于同一连接点；当所述第一传动轮位于所述第一连接点时，所述第二传动轮位于所述第二连接点，当所述第一传动轮位于所述第四连接点时，所述第二传动轮位于所述第三连接点；所述连接器与所述从驱动轮同布置于所述第五连接点处，并与所述从驱动轮同步转动；

其中，所述第一连接点与第四连接点的连接线上形成有一不动点，所述不动点与第三连接点、第四连接点、第五连接点形成第二平行四边形，且所述连接器经过所述不动点。

优选的，在所述的机械臂中，所述第一传动轮和或第二传动轮为单轮结构或者双轮结构。

优选的，在所述的机械臂中，当所述主驱动轮位于第四连接点时，所述第一传动轮和第二传动轮的一侧均为第一传动轮和第二传动轮远离所述连接器的一侧。

优选的，在所述的机械臂中，所述柔性传动机构还包括至少一个转向轮，所述固定杆的第一本体远端还设有第二远端延伸部，所述转向轮位于第二远端延伸部或连杆的第二本体，用于改变所述柔性结构的延伸方向。

优选的，在所述的机械臂中，所述转向轮位于所述第二远端延伸部，所述柔性结构的延伸方向改变后，从第一传动轮和第二传动轮远离所述连接器的一侧经过，或者，

所述转向轮位于连杆的第二本体，所述柔性结构从第一传动轮和第二传动轮靠近所述连接器的一侧经过后，通过所述转向轮改变延伸方向。

优选的，在所述的机械臂中，所述机械臂还包括机座，所述固定杆的近端设有近端延伸部，所述近端延伸部与机座连接。

优选的，在所述的机械臂中，所述机械臂还包括第二驱动装置，所述第二驱动装置驱动所述近端延伸部以第一连接点和第四连接点的连接线为轴心与机座转动连接。

优选的，在所述的机械臂中，所述连接器包括连接固定器和手术器械，所述手术器械连接于所述连接固定器上，所述连接固定器位于所述第五连接点处，或者

所述连接器为连接固定器，用于连接手术器械，且所述连接固定器位于所述第五连接点处。

优选的，在所述的机械臂中，所述连接固定器直接与所述从驱动轮固定连接；或者所述连接固定器通过一转轴结构与所述从驱动轮固定连接。

优选的，在所述的机械臂中，所述连接器包含回旋体部分，且所述回旋体部分的轴线经过第五连接点和不动点。

优选的，在所述的机械臂中，所述第一驱动杆和第二驱动杆直接与主驱动轮固定连接，所述主驱动轮与所述驱动装置连接；或者所述第一驱动杆和第二驱动杆通过一转轴结构与主驱动轮固定连接，所述转轴结构与所述驱动装置连接。

优选的，在所述的机械臂中，所述固定杆的第一本体、第一驱动杆、连杆的第二本体和第二驱动杆均为直杆；所述固定杆的第一本体与连杆的第二本体平行，且所述第一驱动杆与第二驱动杆平行，以形成所述第一平行四边形。

优选的，在所述的机械臂中，所述连杆的第一远端延伸部为直杆，且与第一连接点和第四连接点的连接线平行。

此外，本发明还提供了一种如上任意一项所述的机械臂的工作方法，所述机械臂的工作方法包括：

所述第一驱动装置驱动所述第一驱动杆或第二驱动杆和主驱动轮同步转动，以带动所述连接器围绕所述不动点转动。

优选的，在所述的机械臂的工作方法中，所述机械臂还包括机座和第二驱动装置，所述固定杆包括位于其近端的近端延伸部，所述近端延伸部至少部分位于所述机座的中心孔内，所述第二驱动装置驱动所述近端延伸部，以驱动近端延伸部围绕第一连接点和第四连接点的连接线转动，以带动所述连接器以不动点为中心摆动。

相比于现有技术，本发明所提供的机械臂及其工作方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用两个平行四边形结构实现了不动点约束需求，第一个平行四边形结构为四个所述连接点，分别为第一连接点、第二连接点、第三连接点和第四连接点的连接线组成的平行四边形，第二个平行四边形结构为不动点以及第三连接点、第四连接点和第五连接点之间的连接线组成的平行四边形，由于两个平行四边形结构运动时都不会改变不动点的位置，因此，满足了不动点约束需求，而且，两个平行四边形结构的动力重合，即所述驱动装置驱动其中一根驱动杆与主驱动轮同步转动，这样无需经过多级动力传递即可满足不动点约束需求，易于保证传递精度，提高传动效率；其次，本发明采用柔性传动机构代替现有的连杆第二级平行四边形结构，减小了机械臂中第二级平行四边形结构的体积和结构复杂度，便于实施；复次，本发明采用柔性传动机构代替连杆第二级平行四边形结构，基于柔性传动的大角度转动特性，因此，只需调整第一个平行四边形结构即可调整机械臂的转动空间大小，调整方便；还有，本发明采用柔性传动机构，减轻了机械臂的重量，从而能够减轻对应机器人的重量，降低机器人上与机械臂连接的机构的结构难度；另有，本发明的第一级平行四边形结构采用连杆机构，相对于双柔性结构，可以有效提高机械臂的整体刚度；还有，本发明通过两个传动轮进行传动方向控制，且连杆机构转动时，所述柔性结构与两个所述传动轮之间形成的两包覆角在变化值数值上相等，这样的传动方式，便于确保两个传动轮之间的柔性结构长度不会发生变化，柔性结构受力均匀，传动稳定性好；

2、本发明通过将固定杆与两根驱动杆的第一连接点和第四连接点均设置于所述连杆机构的下部，降低了机械臂自身的重心和惯量，有效保证了结构的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是现有的手术器械与患者体表上的切口接触时的示意图；

图2是本发明实施例一的机械臂的等轴视图；

图3是图2所示的机械臂的正视图；

图4是本发明实施例二的机械臂的等轴视图；

图5是图4所示的机械臂的正视图；

图6是本发明实施例二的机械臂的另一等轴视图；

图7是图6所示的机械臂的正视图。

本发明实施例的附图标记说明如下：

11-固定杆；12-第一驱动杆；13-连杆；14-第二驱动杆；15-柔性结构；16-主驱动轮；17-从驱动轮；18-第一传动轮；19-第二传动轮；20-连接器；201-连接固定器；202手术器械；21-机座；22-第一转轴；23-第二转轴；24-第三转轴；25-第四转轴；26-第五转轴；27-转向轮；28-第六转轴；P1、P2、P3、P4、P5-连接点；P-不动点；R1-转动关节。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图2～7对本发明提出的机械臂及其工作方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

图2为本发明实施例一的机械臂的等轴视图。图3为图2所示的机械臂的正视图。

如图2～3所示，所述机械臂，适用于一机器人，尤其适用于微创手术机器人，包括连杆机构、柔性传动机构、连接器和第一驱动装置；所述连杆机构包括第一本体的固定杆11、第一驱动杆12、包括第二本体和第一远端延伸部的连杆13和第二驱动杆14，所述固定杆11、第一驱动杆12、连杆13和第二驱动杆14依次转动连接形成四个连接点P1、P2、P3、P4(在本申请实施例中，将第一连接点P1、第二连接点P2、第三连接点P3以及第四连接点P4直接简写为连接点P1、P2、P3、P4，下同)，四个连接点P1、P2、P3、P4的连接线形成第一平行四边形；所述柔性传动机构包括柔性结构15、主驱动轮16、从驱动轮17、第一传动轮18和第二传动轮19；其中，所述主驱动轮16位于连接点P4处，所述第一驱动装置驱动主驱动轮16和第二驱动杆14同步转动，所述从驱动轮17与连杆13的第一远端延伸部转动连接，且所述从驱动轮17与连杆13连接形成的连接点P5位于连接点P2和连接点P3的连接线上，所述主驱动轮16与从驱动轮17直径相同，所述柔性结构15将主驱动轮16和从驱动轮17闭环连接；所述第一传动轮18位于连接点P1处，所述第二传动轮19位于连接点P2处，所述第一传动轮18与第二传动轮19直径相等，所述柔性结构15从第一传动轮18和第二传动轮19的远离主驱动轮16的一侧通过，且所述柔性结构15和第一传动轮18形成有第一包覆角，所述柔性结构15与第二传动轮19形成有第二包覆角，当所述连杆机构转动时，所述第一包覆角与第二包覆角的变化值在数值上相等；同时，所述连接器20布置于连接点P5，并与从驱动轮17同步转动；其中，所述连接点P1和连接点P4的连接线上形成有一不动点P，连接点P3、P4、P5与不动点P形成第二平行四边形，且所述连接器20经过不动点P。

上述，还需要说明的是，所述包覆角是指柔性结构15与传动轮之间形成的两个切点与圆心的形成的连线之间的夹角。例如所述柔性结构15与第一传动轮18之间形成的第一包覆角，所述柔性结构15与第二传动轮19之间形成的第二包覆角。当连杆结构发生转动时，所述柔性结构15与传动轮之间形成的切点也会发生移动，包覆角也相应发生变化。在本发明中，当所述连杆机构转动时，所述第一包覆角的变化值与第二包覆角的变化值在数值上相等，即包覆角变化值的绝对值相等，换句话说，所述第一包覆角和第二包覆角的总和保持不变。这样，在柔性结构15在第一传动轮18与第二转动轮19之间部分的长度不发生变化，柔性结构传动稳定性好。

此外，所述连杆13包括第二本体和第一远端延伸部，其中所述第二连接点P2和第三连接点P3部分的连杆形成第二本体，所述第二本体向远端方向延伸形成第一远端延伸部。相应的，所述第一连接点P1和第四连接点P4部分的固定杆11形成固定杆11的第一本体。上述机械臂工作时，所述第一驱动装置驱动第二驱动杆14和主驱动轮16同步转动，实现第一平行四边形和第二平行四边形同步转动，同时不动点P位于连接点P1和连接点P4的连接线上，在第二平行四边形转动时，P点的位置保持不变。另外，所述连接器20与第二平行四边形构型同步转动，而且所述连接器20通过不动点P，在运动过程中，所述连接器20在不动点P位置的部分保持位置不变。所述不动点P即为机械臂的不动点，由此实现了不动点机构。

本发明通过两个平行四边形构型满足了不动点约束需求，尤其在实施微创伤手术时，由于两个平行四边形构型运动过程中都不会改变不动点P的位置，因此，可以避免所述手术工具对患者切口造成的非手术性损伤。此外，所述两个平行四边形构型的动力重合，即所述第一驱动装置驱动第二驱动杆14与主驱动轮16同步转动，由此也避免了多级动力传递问题，降低了动力传递过程中对传递精度的要求，同时提高了传递效率。另外，采用直径相同的主驱动轮16和从驱动轮17，这样可以确保主驱动轮16和从驱动轮17的转动角度一致，保持运动的同步性。并且，所述柔性结构15与第一传动轮18的第一包覆角和柔性结构15与第二传动轮19的第二包覆角随着连杆机构变化而变化。可以确保两个传动轮之间的柔性结构15的长度不会发生变化，传动稳定性好。进而，在满足上述条件的情况下，所述传动轮的数量也可为两个以上。同时，本发明通过传动轮改变柔性结构15的运行轨迹和位置，保证有足够的工作空间，扩大了本发明的适用的范围。

此外，通过将固定杆11与两根驱动杆的第一连接点P1和第四连接点P4均设置于所述连杆机构的下部，降低了机械臂自身的重心和惯量，有效保证了结构的稳定性和可靠性。

如图3所示，优选，所述连杆机构中固定杆11的第一本体、第一驱动杆12、连杆13的第二本体、第二驱动杆14为直杆。所述固定杆11的第一本体与连杆13的第二本体平行，且所述第一驱动杆12与第二驱动杆14平行，从而所述连杆机构形成第一平行四边形结构。

承上述，所述柔性结构15例如为丝、绳、带。

优选，所述机械臂还包括机座21，所述固定杆11除了第一本体之外，还包括位于固定杆11的近端的近端延伸部。所述固定杆11的近端延伸部与机座21连接。更优选，所述机械臂还包括第二驱动装置，所述机座21具有中心孔，所述近端延伸部至少部分坐落在中心孔中，所述第二驱动装置驱动近端延伸部，以驱动近端延伸部围绕连接点P1和连接点P4的连接线转动，从而形成转动关节R1，进而带动连杆机构同步转动，以使连接器20以不动点P为中心摆动。而且所述机座21也用作一支撑结构，用于支撑整个机械臂。此外，所述机座21可以与固定杆11的近端延伸部固定连接，这样子所述机座21只能作为支撑结构。在一些实施例中，所述的第一驱动装置和第二驱动装置均包括至少一个电机。

可选地，所述第二驱动杆14与主驱动轮16固定连接，而所述第一驱动装置驱动主驱动轮16，进而带动主驱动轮16与第二驱动杆14同步转动。另一实施例中，所述第二驱动杆14和主驱动轮16均与一转轴结构固定连接，三者形成一个整体，所述第一驱动装置驱动主驱动轮16、转轴结构中的任一，都可以实现主驱动轮16与第二驱动杆14同步转动。

本实施例中，所述连接器20可以为手术器械的连接固定器，例如手术器械的连结杆。所述连接固定器经过不动点P。手术时，所述连接固定器伸入创口(不动点P)，进行微创伤手术操作。所述连接器20可以为手术器械的连接固定器和手术器械的结合体，其中手术器械经过不动点P。手术时，手术器械伸入创口(不动点P)，进行微创伤手术操作。在实际操作时，根据手术器械的实际情况，选择合适手术连接固定器，保证连接器20通过不动点P。

下面继续结合图2～3对本发明的机械臂作进一步详细说明。

所述固定杆11通过第一转轴22与第一驱动杆12连接，并同时通过第二转轴23与第二驱动杆14连接，所述第一驱动杆12又通过第三转轴24与连杆13连接，所述连杆13再通过第四转轴25与第二驱动杆14连接。

具体的，所述第一转轴22与固定杆11和第一驱动杆12中的至少一个转动连接，所述第三转轴24与第一驱动杆12和连杆13中的至少一个转动连接，所述第四转轴25也与连杆13和第二驱动杆14中的至少一个转动连接，如此，使得各个连杆之间具有相对的转动副。其中，所述第二驱动杆14作为驱动杆，其与所述主驱动轮16均与第二转轴23固定连接，或者第二驱动杆14与主驱动轮16固定连接，以实现主驱动轮16与第二驱动杆14同步转动。

进一步地，所述从驱动轮17通过第五转轴26设置于连杆13的第一远端延伸部上。所述第一传动轮18套接于第一转轴22上，所述第二传动轮19套接于第三转轴24上。

进一步地，所述连杆13的第一远端延伸部为直杆，且与第一连接点P1、第四连接点P4的连接线平行。更优选，所述连杆13的第二本体和第一远端延伸部均为直杆，或者所述连杆13为直杆。

本实施例中，所述连接器20为连接固定器201和手术器械202的接合体，两者可以机械连接，电气连接或者其他方式连接。所述手术器械202固设于连接固定器201上，所述连接固定器201位于连接点P5。可选的，所述连接固定器201直接与从驱动轮17固定连接，以通过从驱动轮17带动连接器20同步转动；或者，所述连接固定器201和从驱动轮17均与第五转轴26固定连接，所述从驱动轮17通过第五转轴26驱动连接器20，以实现从驱动轮17和连接器20的同步转动。

优选地，所述手术器械202以可拆卸方式设置于连接固定器201上，例如活扣安装的方式安装在连接固定器201上，便于拆卸更换。例如所述手术器械202为一插管。

优选地，所述连接器20包含回旋体部分，如圆柱、圆锥、圆台，且回旋体部分的轴线，经过连接点P5和不动点P，与第二驱动杆14平行。

作为优选的实施例，所述柔性结构15包括第一段和第二段，所述第一段的一端与第二段的一端在主驱动轮16上连接，所述柔性结构15的第一段、第二段从主驱动轮16两侧向远离连接器20的方向延伸，并都从第一传动轮18与第二传动轮19远离连接器20的一侧经过，然后再分别经过从驱动轮17的两侧，最后所述第一段的另一端与第二段的另一端在从驱动轮17上连接。此外，所述第一传动轮18和第二传动轮19可以是单轮结构，也可以是双轮结构。优选地，所述第一传动轮18与第一转轴22活动连接；所述第二传动轮19优选与第三转轴24活动连接。

实施例二

实施例二与实施例一的区别在于：本实施例的柔性传动机构还包括至少一个转向轮27，且在第一驱动装置的驱动下，本实施例的第一驱动杆12与主驱动轮16同步转动，对应的，所述主驱动轮16、两个传动轮的安装位置以及柔性结构15的绕行方式也做了调整，具体参阅图4和图5。在此，实施例二与实施例一的相同部分，本实施例不再详细叙述，相应参阅实施例一。图4为本发明实施例二的机械臂的等轴视图。图5为图4所示的机械臂的正视图。

如图4～5所示，所述主驱动轮16位于连接点P1处，所述第一驱动装置驱动主驱动轮16和第一驱动杆12同步转动；所述第一传动轮18位于连接点P4处，所述第二传动轮19位于连接点P3处。

具体的，所述第一驱动杆12、主驱动轮16分别与第一转轴22固定连接。或者，所述第一驱动杆12与主驱动轮16固定连接。所述第一驱动装置驱动主驱动轮16，所述主驱动轮16直接或者通过第一转轴22驱动第一驱动杆12同步转动。或者所述第一驱动装置直接驱动第一转轴22，所述第一转轴22驱动固定连接的第一驱动杆12和主驱动轮16同步转动。此外，所述第二转轴23与固定杆11和第二驱动杆14中的至少一个转动连接，从而使得各个连杆之间具有相对的转动副。

本实施例中，所述第一传动轮18套接于第二转轴23上，所述第二传动轮19套接于第四转轴25上。可选地，所述第一传动轮18与第二转轴23活动连接；所述第二传动轮19与第四转轴25活动连接。

较佳的，所述柔性传动机构还包括一个转向轮27。所述转向轮27通过第六转轴28设置于固定杆11的第二远端延伸部上，且位于第二驱动杆14和连接器20之间，优选可绕第六转轴28转动。例如所述固定杆11的第一本体向远端延伸形成第二远端延伸部，所述第二远端延伸部与所述第一本体之间偏转一定角度。在此，若所述第二远端延伸部与所述第一本体之间偏转角度较大，则所述转向轮27的直径可相比于第一传动轮18的直径小；反之，所述转向轮27的直径可大于第一传动轮18的直径。本发明对转向轮27和传动轮之间的直径关系并不特别的限制，只要转向轮27不影响传动轮上的柔性结构15的正常转动便可。

进一步，所述柔性结构15包括第一段和第二段，所述第一段的一端与第二段的一端在主驱动轮16上连接，所述柔性结构15的第一段、第二段从主驱动轮16两侧向靠近连接器20的方向延伸，并都经过转向轮27转向后从第一传动轮18与第二传动轮19远离连接器20的一侧通过，然后再分别经过从驱动轮17的两侧，最后所述第一段的另一端与第二段的另一端在从驱动轮17上连接。本发明通过增加一个转向轮27，改变了柔性结构的缠绕方式，可以实现第一传动轮18和第二传动轮19之间的柔性结构长度不变，受力均匀，运动稳定性更好。

图6为本发明实施例二的机械臂的另一等轴视图。图7为图6所示的机械臂的正视图。如图6～7所示，所述转向轮27设置于上述连杆机构的上部，具体的，所述转向轮27通过第六转轴28设置于连杆13的第二本体上，且位于第一驱动杆12与第二驱动杆14之间。

在图6和图7中，所述柔性结构15包括第一段和第二段，所述第一段的一端与第二段的一端在主驱动轮16上连接，所述柔性结构15的第一段、第二段从主驱动轮16两侧向接近连接器20的方向延伸，并都从第一传动轮18与第二传动轮19接近连接器20的一侧经过，然后通过所述转向轮27转向后分别经过从驱动轮17的两侧，最后所述第一段的另一端与第二段的另一端在从驱动轮17上连接。

综上，上述实施例对柔性传动机构的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。例如，在图2、图3所示的实施例中，在第一驱动杆上增加一个或多个传动轮，此时所述柔性机构15的第一段、第二段都从增加的传动轮的任一侧通过，只要保证柔性机构15的第一段和第二段从第一传动轮18与第二传动轮19远离连接器20的一侧经过即可。

接着，结合参阅图2～7，本发明的机械臂的工作过程包括：所述第一驱动装置驱动第一驱动杆12(或第二驱动杆14)和主驱动轮16同步转动，以带动连接器20围绕不动点P转动。

可选地，所述机械臂的工作过程还包括：所述第二驱动装置(例如电机)驱动固定杆11绕连接点P1和连接点P4之间的连接线转动，以带动连接器20以不动点P为中心摆动。

结合上述机械臂的工作过程，具体地说，所述连杆机构在第一驱动装置的驱动下前后转动，同时所述柔性传动机构也在第一驱动装置的驱动下带动连接器20绕第五转轴26转动，而且所述连接器20转动的过程中，所述连接器20上位于不动点P的部分位置保持不变，形成了连接器20以不动点P为中心的转动，由此实现了不动点约束；而且，所述连杆机构也可在第二驱动装置的驱动下可以绕连接点P1和连接点P4之间的连接线转动，进而实现连接器20以不动点P为中心的摆动。从而所述连接器20实现了以不动点P为中心的圆锥运动。

在本发明中，如果没有特别的说明，近端是指远离连接器20的方向，远端是指靠近连接器20的方向。

综上所述，本发明所提供的机械臂及其工作方法，具有以下有益效果：

第一、采用两个平行四边形构型实现了不动点约束需求，第一个平行四边形构型为连杆机构的四个连接点P1、P2、P3、P4的连接线组成，第二个平行四边形结构为不动点P、连杆机构的两个连接点P3、P4以及从驱动轮的连接点P5组成，由于两个平行四边形构型，且P点位于固定边的延长线上，所以运动时都不会改变所述不动点P的位置，因此，满足了不动点约束需求；而且，所述两个平行四边形结构的动力重合，即所述驱动装置可驱动第一驱动杆12或第二驱动杆14与主驱动轮16同步转动，这样无需经过动力传递即可满足不动点约束需求，易于保证传递精度，提高传动效率；其次，本发明采用柔性传动机构代替现有的连杆第二级平行四边形结构，减小了机械臂中第二级平行四边形结构的体积和结构复杂度，便于实施；复次，本发明采用柔性传动机构代替连杆第二级平行四边形结构，基于柔性传动的大角度转动特性，因此，只需调整第一个平行四边形结构即可调整机械臂的转动空间大小，调整方便；还有，本发明采用柔性传动机构，减轻了机械臂的重量，从而能够减轻对应机器人的重量，降低机器人上与机械臂连接的机构的结构难度；另有，本发明第一级平行四边形结构采用连杆机构，相对于双柔性结构，可以有效提高机械臂的整体刚度。

第二、本发明中驱动装置都位于第一连杆11与第一驱动杆12和第二驱动杆14的连接点P1、P4，降低了机械臂自身的重心和惯量，有效保证了结构的稳定性和可靠性。

第三、本发明通过两个传动轮进行传动方向控制，且连杆机构转动时，所述柔性结构与两个所述传动轮之间形成的两包覆角在变化值数值上相等，这样的传动方式，便于确保两个传动轮之间的柔性结构长度不会发生变化，柔性结构受力均匀，传动稳定性好。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (15)

1.一种机械臂，其特征在于，包括连杆机构、柔性传动机构、连接器以及第一驱动装置；

所述连杆机构包括固定杆、连杆、第一驱动杆和第二驱动杆，所述连杆机构按照包括第一本体的固定杆、第一驱动杆、包括第二本体和第一远端延伸部的连杆和第二驱动杆的顺序依次转动连接形成四个连接点，分别为第一连接点、第二连接点、第三连接点和第四连接点，四个所述连接点的连接线形成第一平行四边形；

所述柔性传动机构包括第一传动轮、第二传动轮、主驱动轮、从驱动轮和柔性结构，所述主驱动轮和从驱动轮通过所述柔性结构闭环连接，且所述柔性结构从所述第一传动轮和第二传动轮的一侧通过，并与所述第一传动轮形成有第一包覆角、以及与所述第二传动轮形成有第二包覆角，且随着连杆机构的转动，所述第一包覆角的变动值与第二包覆角的变动值数值上相等，同时所述主驱动轮与从驱动轮直径相等，所述第一传动轮与第二传动轮直径相等；

所述主驱动轮位于所述第一连接点处，并且所述第一驱动装置驱动所述主驱动轮和第一驱动杆同步转动；或所述主驱动轮位于所述第四连接点处，并且所述第一驱动装置驱动所述主驱动轮和第二驱动杆同步转动；所述从驱动轮与所述连杆的第一远端延伸部转动连接，且所述从驱动轮与所述连杆连接形成的第五连接点位于所述第二连接点和第三连接点的连接线上；

所述第一传动轮位于所述第一连接点或第四连接点处，且所述第一传动轮与主驱动轮不位于同一连接点；当所述第一传动轮位于所述第一连接点时，所述第二传动轮位于所述第二连接点，当所述第一传动轮位于所述第四连接点时，所述第二传动轮位于所述第三连接点；所述连接器与所述从驱动轮同布置于所述第五连接点处，并与所述从驱动轮同步转动；

其中，所述第一连接点与第四连接点的连接线上有一不动点，所述不动点与第三连接点、第四连接点、第五连接点形成第二平行四边形，且所述连接器经过所述不动点。

2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一传动轮和或第二传动轮为单轮结构或者双轮结构。

3.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，当所述主驱动轮位于第四连接点时，所述第一传动轮和第二传动轮的一侧均为第一传动轮和第二传动轮远离所述连接器的一侧。

4.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述柔性传动机构还包括至少一个转向轮，所述固定杆的第一本体远端还设有第二远端延伸部，所述转向轮位于第二远端延伸部或连杆的第二本体，用于改变所述柔性结构的延伸方向。

5.如权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述转向轮位于第二远端延伸部，所述柔性结构的延伸方向改变后，从第一传动轮和第二传动轮远离所述连接器的一侧经过，或者，

所述转向轮位于连杆的第二本体，所述柔性结构从第一传动轮和第二传动轮靠近所述连接器的一侧经过后，通过所述转向轮改变延伸方向。

6.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括机座，所述固定杆的近端设有近端延伸部，所述近端延伸部与机座连接。

7.如权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括第二驱动装置，所述第二驱动装置驱动所述近端延伸部以第一连接点和第四连接点的连接线为轴心与机座转动连接。

8.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述连接器包括连接固定器和手术器械，所述手术器械连接于所述连接固定器上，所述连接固定器位于所述第五连接点处，或者

所述连接器为连接固定器，用于连接手术器械，且所述连接固定器位于所述第五连接点处。

9.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述连接器直接与所述从驱动轮固定连接；或者所述连接器通过一转轴结构与所述从驱动轮固定连接。

10.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述连接器包含回旋体部分，且所述回旋体部分的轴线经过第五连接点和不动点。

11.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一驱动杆或第二驱动杆直接与主驱动轮固定连接，所述主驱动轮与所述第一驱动装置连接；或者所述第一驱动杆或第二驱动杆通过一转轴结构与所述主驱动轮固定连接，所述转轴结构与所述第一驱动装置连接。

12.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述固定杆的第一本体、第一驱动杆、连杆的第二本体和第二驱动杆均为直杆；所述固定杆的第一本体与连杆的第二本体平行，且所述第一驱动杆与第二驱动杆平行，以形成所述第一平行四边形。

13.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述连杆的第一远端延伸部为直杆，且与所述第一连接点和第四连接点的连接线平行。

14.一种如权利要求1至13中任一项所述的机械臂的工作方法，其特征在于，所述机械臂的工作方法包括：

所述第一驱动装置驱动所述第一驱动杆或第二驱动杆和主驱动轮同步转动，以带动所述连接器围绕不动点转动。

15.如权利要求14所述的机械臂的工作方法，其特征在于，所述机械臂还包括机座和第二驱动装置，所述固定杆包括位于其近端的近端延伸部，所述近端延伸部至少部分位于所述机座的中心孔内，所述第二驱动装置驱动所述近端延伸部，以驱动近端延伸部围绕第一连接点和第四连接点的连接线转动，以带动所述连接器以不动点为中心摆动。