CN106078724B - 机械臂及其手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂及其手术机器人；机械臂包括第一、二水平运动机构和竖直移动关节；竖直移动关节上有连接板，连接板连接第一外部机构，以驱动第一外部机构移动；第一水平运动机构包括至少一个旋转关节，并分别连接第二水平运动机构和第二外部机构；第二水平运动机构包括至少一个旋转关节，并连接竖直移动关节与连接板相对的一侧；旋转关节的轴线相互平行，且与连接板的移动方向平行。本发明通过一个竖直移动关节实现一个空间方向上的运动，结构简单、质量小，且无需进行位移补偿，操作方便，而且，通过两个串联的水平运动机构，代替现有的水平移动关节实现另一个空间方向上的运动，该另一个空间方向上运动的可靠性高。

Description

机械臂及其手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种用于手术机器人的机械臂。

背景技术

作为医疗手术机器人的基础结构，医疗机械臂在经历了一定程度的发展之后出现了各式各样的形态和结构。总体上，智能化、一体化和多功能化是未来医疗机械臂的发展方向。

伴随着电机控制、视觉成像等技术的应用，医疗机械臂的出现极大促进了现代医疗水平的发展。然而，功能多样化的同时也伴随着各种故障发生概率的增加，此会造成手术过程中危险情况的发生。因此，医疗机械臂多采用被动式调整结构，其类似于传统机械臂，但又要更适合于医疗手术机器人使用。

一般，医疗机械臂需要具备空间运动能力，因为其主要用于对手术机器人前端器械的手术位置的确定。其次，医疗机械臂多采用被动式调整，即对机械臂人为的施加力，使其运动到所需的位置，而非采用电机或其他驱动手段来实现运动。这是因为在手术过程中，医疗机械臂会处于锁死状态，而通过电机等进行锁死易发生故障。最后，医疗机械臂还配置有重力补偿机构使其在被动调整的过程中更为简单快速。

针对上述的医疗机械臂的结构或功能要求，目前的医疗机械臂还存在着以下问题：

(1)运动关节错综复杂。中国专利CN102579133A公开了一种机械臂，其采用多个旋转关节的折叠运动代替竖直运动。但是，多个旋转关节的折叠运动在竖直方向上产生移动的同时，必然会伴随着水平方向的位移，因此还需调整水平移动以补偿水平位移，从而实现仅竖直方向的移动，由此使医疗机械臂的操作复杂化。

(2)质量过大。现有的医疗机械臂采用力矩平衡原理，并利用配重块对前端悬挂物进行重力补偿。这种补偿方式虽然效果显著，但是配重块的质量大，导致医疗机械臂的质量也大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂及其手术机器人，以解决现有技术中医疗机械臂的运动关节复杂、操作不便、以及因配重不合理而导致的质量过大等问题中的一个或者多个。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明提供了一种机械臂，包括第一水平运动机构、第二水平运动机构和竖直移动关节；所述竖直移动关节上设置有一连接板，所述连接板连接一第一外部机构，以驱动所述第一外部机构移动；

所述第一水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第一水平运动机构的两端分别连接所述第二水平运动机构以及一第二外部机构；所述第二水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第二水平运动机构的另一端连接所述竖直移动关节与所述连接板相对的一侧；

其中，所述旋转关节的轴线相互平行，且与所述连接板的移动方向平行。

优选地，所述第一水平运动机构包括N个旋转关节，N为大于等于1的自然数；

当N为等于1的自然数，所述第一水平运动机构之旋转关节分别连接所述第二外部机构以及所述第二水平运动机构；

当N为大于1的自然数，所述N个旋转关节之间通过连接臂连接；其中，所述第一水平运动机构之第一个旋转关节连接所述第二外部机构，第N个旋转关节连接所述第二水平运动机构。

优选地，所述第一水平运动机构之第一个旋转关节通过一连接臂连接所述第二外部机构，和/或第N个旋转关节通过一连接臂连接所述第二水平运动机构。

优选地，所所述第二水平运动机构包括M个旋转关节，M为大于等于1的自然数；

当M为等于1的自然数，所述第二水平运动机构之旋转关节的一端连接所述竖直移动关节与所述连接板相对的一侧，所述旋转关节的另一端连接所述第一水平运动机构；

当M为大于1的自然数，所述M个旋转关节之间通过连接臂连接；其中，所述第二水平运动机构之第一个旋转关节连接所述第一水平运动机构，第M个旋转关节连接所述竖直移动关节与所述连接板相对的一侧。

优选地，所述第二水平运动机构之第一个旋转关节通过一连接臂连接所述第一水平运动机构，和/或第M个旋转关节通过一连接臂连接所述竖直移动关节与所述连接板相对的一侧。

或者，本发明提供了一种机械臂，包括第一水平运动机构、第二水平运动机构和竖直移动关节；所述竖直移动关节上设置有一连接板，所述连接板连接所述第一水平运动机构的一端，以驱动所述第一水平运动机构移动；

所述第一水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第一水平运动机构的另一端转动连接一第一外部机构；所述第二水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第二水平运动机构的一端连接所述竖直移动关节于所述连接板相对的一侧，所述第二水平运动机构的另一端连接一第二外部机构；

其中，所述旋转关节的轴线相互平行，且与所述连接板的移动方向平行。

优选地，所述第一水平运动机构中包括N’个旋转关节，N’为大于或等于1的自然数；

当N’为等于1的自然数，所述第一水平运动机构之旋转关节分别连接所述第一外部机构以及所述连接板；

当N’为大于1的自然数，所述N’个旋转关节之间通过连接臂连接，而且，所述第一水平运动机构之第一个旋转关节连接所述连接板，第N’个旋转关节连接所述第一外部机构。

优选地，所述第一水平运动机构之第一个旋转关节通过一连接臂连接所述连接板，和/或第N’个旋转关节通过一连接臂连接所述第一外部机构。

优选地，所述第二水平运动机构通过一连接臂固定连接所述竖直移动关节与所述连接板相对的一侧，和/或所述第二水平运动机构通过一连接臂连接所述第二外部机构。

优选地，除所述连接板外，所述竖直移动关节还包括底座以及固设于所述底座上的竖直导轨，所述竖直导轨固设于所述底座之正面上；所述底座之背面连接所述第二水平运动机构，所述连接板滑动设置于所述竖直导轨上。

优选地，所述机械臂还包括设置于所述竖直移动关节上的制动机构，以控制所述连接板的运动；

所述制动机构包括制动器、第一牵引体以及第二牵引体；所述制动器固定于所述竖直移动关节上；所述第一牵引体围绕并部分固连所述制动器，且延伸后与所述连接板的上端固连；所述第二牵引体以与第一牵引体相反的方向围绕并部分固连所述制动器，且延伸后与所述连接板的下端固连。

优选地，所述机械臂还包括设置于所述竖直移动关节上的重力平衡机构，以配平所述第一外部构件；所述重力平衡机构包括一恒力输出装置，所述恒力输出装置通过一牵引体与所述连接板的上端固连，以输出一恒定力。

优选地，所述恒力输出装置包括弹簧结构以及凸轮结构，所述凸轮结构包括同轴安装的转轮以及凸轮；所述牵引体包括第三牵引体以及第四牵引体；

所述弹簧结构的一端固定于所述竖直移动关节上，所述弹簧结构的另一端固连所述第三牵引体的一端，所述第三牵引体的另一端固连所述凸轮的外围；所述第四牵引体围绕并部分固连所述转轮，且延伸后与所述连接板的上端固连。

优选地，所述重力平衡机构还包括多个转向轮；所述第三牵引体与所述弹簧结构固连后，经过所述转向轮转向后与所述凸轮的外围固连，且所述第四牵引体围绕所述转轮后，延伸经过所述转向轮转向后与所述连接板的上端固连。

接着，为实现上述目的以及其它相关目的，本发明提供了一种手术机器人，包括如上任意一项所述的机械臂。

综上所述，本发明的机械臂均通过一个竖直移动关节实现一个空间方向上的移动，这样无需采用多个旋转关节的叠加实现该空间方向的运动，故而结构简单、质量小，且无需进行位移补偿，操作方便；而且，所述机械臂通过两个串联的水平运动机构，且该两个水平运动机构均至少包括一个旋转关节，以代替现有的水平移动关节实现另一个空间方向上的运动，由此该另一个空间方向上运动的可靠性高。

附图说明

图1是本发明实施例一的机械臂的结构示意图；

图2是图1所示的机械臂之各个关节的运动方向示意图；

图3是本发明实施例一的竖直移动关节的结构示意图；

图4是本发明实施例一的制动机构的结构原理图；

图5是本发明实施例一的重力平衡机构的结构示意图；

图6是图5所示的重力平衡机构的结构原理图；

图7是本发明实施例二的机械臂的结构示意图。

图中的附图标记说明如下：

1-第一旋转关节；2-第一连接臂；3-第二旋转关节；4-第二连接臂；5-第三旋转关节；6-竖直移动关节；601-连接板；602-底座；603-竖直导轨；604-制动器；605-恒力弹簧；606a-转轮；606b-凸轮；607-第一转向轮；608-第二转向轮；609-第三转向轮；610-第四转向轮；611-第五转向轮；612-第六转向轮；613-固定端。

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1～7对本发明提出的机械臂及其手术机器人作进一步详细说明。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。

在一种实施方式中，本实施例的机械臂包括第一水平运动机构、第二水平运动机构和竖直移动关节；所述竖直移动关节上设置有一连接板，所述连接板连接一第一外部机构，以驱动所述第一外部机构移动；所述第一水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第一水平运动机构的两端分别连接所述第二水平运动机构以及一第二外部机构；所述第二水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第二水平运动机构的另一端连接所述竖直移动关节于所述连接板相对的一侧；其中，所述旋转关节的轴线相互平行，且与所述连接板的移动方向平行。

在另一种实施方式中，所述机械臂包括第一水平运动机构、第二水平运动机构和竖直移动关节；所述竖直移动关节上设置有一连接板，所述连接板连接所述第一水平运动机构的一端，以驱动所述第一水平运动机构移动；所述第一水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第一水平运动机构的另一端转动连接一第一外部机构；所述第二水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第二水平运动机构的一端连接所述竖直移动关节于所述连接板相对的一侧，所述第二水平运动机构的另一端连接一第二外部机构；其中，所述旋转关节的轴线相互平行，且与所述连接板的移动方向平行。

对于上述两种实施方式的机械臂：第一种机械臂直接通过连接板与第一外部机构连接，而第二种机械臂通过与连接板固定连接的第一水平运动机构转动连接第一外部机构。

本发明中，对于竖直移动关节上连接板与第一外部机构之间的连接形式没有特别的限制，例如采用直接连接的方式或者通过水平运动机构间接连接的方式。

在此，上述机械臂均通过一个竖直移动关节实现一个空间方向上的移动，这样无需采用多个旋转关节的叠加实现该空间方向的运动，故而结构简单、质量小，且无需进行位移补偿，操作方便。而且，所述机械臂通过两个串联的水平运动机构，且该两个水平运动机构均至少包括一个旋转关节，以代替现有的水平移动关节实现另一个空间方向上的运动，由此该另一个空间方向上运动的可靠性高。

较佳地，上述两个实施方式的机械臂中第一水平运动机构包括一个旋转关节，第二水平运动机构包括一个旋转关节。接着，本申请将对上述两种实施方式的机械臂作进一步地详细说明。

<实施例一>

图1是本发明实施例一的机械臂的结构示意图，图2是图1所示的机械臂之各个关节的运动方向示意图。

如图1～2所示，本实施例中的机械臂包括第一水平运动机构、第二水平运动机构和竖直移动关节。所述第一水平运动机构包括一第一旋转关节1，所述第二水平运动机构包括两个旋转关节，即一第二旋转关节3，一第三旋转关节5，所述第一旋转关节1、第二旋转关节3、第三旋转关节5依次串联；这三个旋转关节均可独自绕自身的轴线转动，且轴线相互平行；特别地，所述第三旋转关节5为一优选方式，以作为冗余使用，用以提高转动角度的精度，增加机械臂的可靠性。单个的旋转关节可实现平面内的转动，而三个旋转关节的串联则可通过伸缩实现一个方向上的平移。以下实施例均以冗余的第三旋转关节5作为示意，进一步说明本申请的机械臂。

其中，所述第一水平运动机构中的第一旋转关节1分别与所述第二外部机构连接(所述第二外部机构可以是基座或者其他机械结构的中符合标准的平面，其相对于第一旋转关节1保持不动)和第二水平运动机构连接。很显然，第一旋转关节1可以通过一连接臂与所述第二外部机构连接。

所述第二水平运动机构中的第二旋转关节3、第三旋转关节5之间通过第二连接臂4连接，第二旋转关节3与第一旋转关节1之间是通过第一连接臂2连接，所述第三旋转关节5与竖直移动关节6连接。同样，所述第三旋转关节5可以通过一连接臂与竖直移动关节6连接。

图1～2示出的实施例，每个旋转关节均包括一根转轴以及套设于所述转轴上的外筒，每个外筒与其套设的转轴之间可相对转动。优选，每个旋转关节的外筒和(或)转轴之间均通过一连接臂连接。这些连接臂优选相互平行，且与连接板601的移动方向垂直。

具体而言，所述第一水平运动机构中的第一旋转关节1的外筒通过第一连接臂2与第二水平运动机构中的第二旋转关节3的外筒连接，第一旋转关节1的转轴与第二外部机构连接。优选第一旋转关节1，第二旋转关节3这两个旋转关节的外筒和第一连接臂2一体成型，如此，机械臂的刚度好，而且零件使用量少，成本低。所述第二水平运动机构中的第二旋转关节3的转轴与第三旋转关节5的转轴通过第二连接臂4连接，所述第三旋转关节5的外筒与竖直移动关节6连接。很显然，本发明对于第一水平运动机构、第二水平运动机构中旋转关节之间的具体连接方式、第一水平运动机构与第二外部机构的具体连接方式、第二水平运动机构与竖直移动关节之间的具体连接方式没有特别的限制。例如本实施方式中，第一旋转关节1的旋转轴通过第一连接臂2与第二旋转关节3的旋转轴连接来实现第一旋转关节1与第二旋转关节3的连接。此时，第一旋转关节1、第二旋转关节3与其他部件之间的具体连接关系也相应发生变化。甚至，第一旋转关节1的旋转轴通过第一连接臂2与第二旋转关节3的外筒连接来实现第一旋转关节1与第二旋转关节3的连接。不过此时，需要将第二旋转关节3的位置“倒置”。所谓“倒置”指的是，其中一个旋转关节的转轴位于外筒的上方，相连接的旋转关节的转轴位于外筒的下方，由此一个连接臂的一端可连接一个旋转关节的外筒，而其另一端可连接另一个旋转关节的转轴。这样确保连接旋转关节的两条连接臂之间相互平行，避免旋转关节连接臂在联动的过程中出现空间上位置的变动，限制水平运动机构的工作空间。

综上，所述第一水平运动机构包括N个旋转关节，N为大于等于1的自然数；当N为等于1的自然数，例如本实施例中第一水平运动机构中只包含第一转动关节1，所述第一水平运动机构之旋转关节分别连接所述第二外部机构以及所述第二水平运动机构；当N为大于1的自然数时，N个旋转关节之间通过连接臂连接，且所述第一水平运动机构之第一个旋转关节连接所述第二外部机构，而第N个旋转关节连接所述第二水平运动机构。

同样地，所述第二水平运动机构包括M个旋转关节，M为大于等于1的自然数；当M为等于1的自然数，所述第二水平运动机构之旋转关节的一端连接竖直移动关节，所述第二水平运动机构之旋转关节的另一端连接所述第一水平运动机构；当M为大于1的自然数时，M个旋转关节之间通过连接臂连接，且所述第二水平运动机构之第一个旋转关节连接第一水平运动机构，而第M个旋转关节连接竖直移动关节。例如在本实施例中，M为2，即第二水平运动机构包括第二个旋转关节3和第三个旋转关节5，其中的第二个旋转关节3的一端通过一个连接臂4与第三个旋转关节5的一端连接，同时，第二个旋转关节3的另一端通过一连接臂2与第一水平运动机构连接，第三个旋转关节5的另一端与竖直移动关节6连接。

更进一步，所述竖直移动关节6包括一连接板601，所述连接板601连接所述第一外部机构，以驱动所述第一外部机构移动，例如沿竖直方向直线移动。所述第三旋转关节5连接竖直移动关节6于连接板601相对的一侧(即第一外部机构与竖直移动关节6分布在连接板601的相对侧)，且三个旋转关节的轴线与连接板601的移动方向平行，例如连接板601的移动方向为竖直方向，那么，旋转关节的轴线对应沿竖直方向。这里“连接板601相对的一侧”是指竖直移动关节的一个表面，该表面与连接板在竖直移动关节6中的位置相对，不应理解为连接板的一个表面。

接着，参阅图3，其是本发明实施例一的竖直移动关节的结构示意图。所述竖直移动关节6还包括底座602以及固设在底座602上的竖直导轨603，所述竖直导轨603沿连接板601的移动方向(例如竖直方向)布置于底座602的正面，所述底座602之背面(即“连接板601相对的一侧”)连接第三旋转关节5，且所述连接板601滑动设置于竖直导轨603上。可选地，所述竖直移动关节6还包括滑动设置于竖直导轨603上的滑块(未图示)，此时，所述连接板601固设在所述滑块上，并在所述滑块的驱动下移动。

之后，参阅图4，其是本发明实施例一的制动机构的结构原理图。图4中，所述机械臂还包括一制动机构，用于对连接板601的运动进行控制。所述制动机构包括设置于底座602上的制动器604，所述制动器604上设有牵引体围绕并部分固连制动器604，所述牵引体从制动器604处延伸经过一个或多个转向轮的转向后，其一端与连接板601的上端固连，另一端与连接板601的下端固连。使用时，当所述制动器604不工作时(即可自由转动)，牵引体可以自由移动，进而所述连接板601可以驱动第一外部机构自由移动，且运动会通过牵引体带动制动器604转动；当所述制动器604工作时(即制动器604被固定而无法转动)，牵引体受到制动器604的约束而无法运动，致使末端的连接板601也无法进一步运动，从而固定连接板601和第一外部机构的位置。

本实施例的机械臂，基于制动器604对竖直移动关节6上的连接板601的运动进行控制，相比于传统的连杆制动机构，其质量轻、体积小、结构简单、调整方便，且可使竖直移动关节6的运动更为精准可靠，进而保证了机械臂竖直运动的可靠性。

本实施例中，所述制动器604包括转轴和固连于所述转轴上的滚轮，所述转轴的两端通过轴承约束于底座602上并可转动，同时所述滚轮可与所述转轴一起转动；所述滚轮上围绕有第一牵引体和第二牵引体；所述第一牵引体围绕并部分固连制动器604，且延伸经过转向后，所述第一牵引体的一端与连接板601的上端固连；所述第二牵引体以与第一牵引体相反的方向围绕并部分固连制动器604，且延伸经过转向后，所述第二牵引体的一端与连接板601的下端固连。并且，在连接板601的带动下，两根牵引体同向运动。显然，本领域人员应知道这里的牵引体用一个也可以实现上述目的。

进一步，所述制动器604包括定子和转子；所述定子固定于底座602上，并围绕所述转轴布置；所述转子固定于所述转轴上，并与定子轴向匹配布置。所述制动器604工作时，所述定子和转子抱合，可使所述转轴与底座602紧固，而不发生相对的转动，从而制动连接板601；所述制动器604不工作时，所述定子和转子分离，所述滚轮可随所述转轴自由转动，从而通过两根牵引体传递运动，实现连接板601的运动。

可选，所述第一牵引体、第二牵引体是丝、绳、带等结构。优选，所述底座602呈L型，其底部与水平面平行，且连接所述底部的侧部垂直于底部。更优选地，所述制动器604安装在所述底部上。

本实施例中，所述连接板601驱动第一外部机构沿竖直方向移动，与此同时，所述机械臂还包括一重力平衡机构，设置于竖直移动关节6上，以配平所述第一外部机构和连接板601的重量。所述重力平衡机构包括一个恒力输出装置，所述恒力输出装置通过一牵引体与连接板601的上端固连，以输出一恒定力，从而配平第一外部机构和连接板601的重量。所述重力平衡机构采用恒力输出装置可以确保输出力稳定，重力平衡效果好，而且避免了由于第一外部机构重量的变化产生的繁琐的计算问题，由此简化了重力平衡的操作过程。

进而，图5是本发明实施例一的重力平衡机构的结构示意图，图6是图5所示的重力平衡机构的结构原理图。

如图5～6所示，所述恒力输出装置包括弹簧605、凸轮结构、第三牵引体以及第四牵引体，所述凸轮结构包括同轴安装且同步转动的转轮606a以及凸轮606b；所述弹簧605的一端固定于底座602上，所述弹簧605的另一端固连所述第三牵引体的一端，所述第三牵引体的另一端固连凸轮606b的外围；所述第四牵引体围绕并部分固连转轮606a，且延伸经过转向后与连接板601的上端固连。应当理解，所述弹簧605的输出力经过凸轮结构转变为恒定的输出力，从而实现了重力的配平。相比于现有配重块实现重力配平，本实施例的重力平衡机构结构简单，质量轻。虽然上述重力配平机构有诸多的优点，但是本发明对重力平衡机构没有特别的限制，也可以采用重力块等其他方式实现重力平衡。

进一步，所述重力平衡机构还包括多个转向轮，所述第三牵引体与恒力弹簧605固连后，经过第一转向轮607的转向后与凸轮606b的外围固连，且所述第四牵引体围绕转轮606a后，延伸依次经过第二转向轮608、第三转向轮609、第四转向轮610、第五转向轮611、第六转向轮612的转向后与连接板601的上端固连。

在图5～6示出的实施例中，所述转向轮的数量为六个，当然本发明包括但不局限于这些数目，具体根据实际需要进行设置。优选，所述第一转向轮607、第二转向轮608、第三转向轮609、第四转向轮610、第五转向轮611、第六转向轮612可选为安装在底座602上的定滑轮，其中第一转向轮607、第二转向轮608安装于底座602的底部，第三转向轮609、第四转向轮610安装于底座602的侧部，第五转向轮611、第六转向轮612安装于底座602的顶部。更优选，上述转向轮的布置使通过上述转向轮的第三牵引体或第四牵引体延伸方向垂直或平行于竖直方向。特别是，所述第四牵引体位于第四转向轮610和第五转向轮611之间的部分与位于第六转向轮612与连接板601之间的部分平行，以确保重力配平的可靠性。优选，所述第三转向轮609、第四转向轮610的安装轴线均垂直于底座602之侧部。

本实施例中，由于弹簧605随着连接板601的上下运动会产生形变，故其输出力通常为变值，因而，本实施例根据弹簧605的弹性系数，对凸轮606b的曲率半径进行设定，从而可使弹簧605的输出力绕转轮606a的转轴产生的转矩为定值，同时转轮606a的半径为定值，故与转轮606a连接的第四柔性体受到的输出力也为固定值，即实现了弹簧605经过凸轮结构后的输出力为恒力的目的。

可选，所述弹簧605的一端与底座602之固定端613连接。优选，所述第三牵引体位于弹簧605与第一转向轮607之间的部分沿竖直方向延伸，更为省力。

较佳地，所述弹簧605设置于底座602之侧部的凹槽中，以优化竖直移动机构的空间。所述固定端613位于底座602的顶部且可调节，以提升其灵活性。

<实施例二>

实施例一对本发明的第一种机械臂的实现方式作了详细说明，接着本实施例将对第二种机械臂的实现方式作进一步说明。在本实施例中的机械臂包括第一水平运动机构、第二水平运动机构和竖直移动关节，与实施例一区别在于第一水平运动机构与竖直移动关节和第一外部机构连接。具体参阅图7，其是本发明实施例二的机械臂的结构示意图。

如图7所示，所述第一水平运动机构包括第一旋转关节1，所述第一旋转关节1的一端与所述连接板601连接，另一端与第一外部机构连接。这样，连接板601通过第一旋转关节1驱动第一外部机构移动，同时第一旋转关节1驱动第一外部机构实现平面内转动。优选，第一旋转关节1通过第一连接臂2与所述连接板601连接。同样，第一旋转关节1可以通过连接臂与第一外部机构连接。

本实施例中的第二水平运动机构与实施例一类似，包括第二旋转关节3和旋转关节5，其中第二旋转关节3通过第二连接臂4与第三旋转关节5连接，所述第三旋转关节5连接竖直移动关节5于连接板601相对的一侧。所述第三旋转关节5在本实施例中同样作为冗余使用。区别在于，所述第二旋转关节3与所述第二外部机构连接。

图7示出的实施例中，所述第一连接臂2的一端连接连接板601，另一端连接第一旋转关节1的外筒或转轴。所述第二连接臂4的一端连接第二旋转关节3的外筒或转轴，另一端连接第三旋转关节5的外筒或转轴。

此外，与实施例一相同的道理，所述第二旋转关节3可通过一连接臂与所述第二外部机构连接。所述第三旋转关节5通过一连接臂固定连接或转动连接竖直移动关节6与连接板601相对的一侧。另外，所述连接板601在本实施例中，其可直接连接第一旋转关节1。

综上，所述第一水平运动机构包括N’个旋转关节，N’为大于1的自然数；当N’为等于1的自然数，例如本实施例中第一水平运动机构中只包含第一转动关节1，所述第一水平运动机构之旋转关节分别连接所述竖直运动机构以及第一外部机构；当N’为大于1的自然数时，N’个旋转关节之间通过连接臂连接，且所述第一水平运动机构之第一个旋转关节连接连接板601，而第N’个旋转关节转动连接所述第一外部机构。

同样，所述第二水平运动机构包括M’个旋转关节，M’为大于等于1的自然数；当M’为等于1的自然数，所述第二水平运动机构之旋转关节的一端连接所述竖直移动关节，所述旋转关节的另一端连接所述第二外部机构；当M’为大于1的自然数时，M’个旋转关节之间通过连接臂连接，且所述第二水平运动机构之第一个旋转关节连接所述第二外部机构，而第M’个旋转关节连接所述竖直移动关节。

另外与实施例一区别之处在于，本实施例的重力平衡机构(参阅图5～6)，除了平衡第一外部机构、连接板601的重量之外，还需要补偿第一水平运动机构以及可能的连接臂的重量。

综上，在上述实施例中，所述机械臂通过四个关节的协调运动，可确保机械臂所需的空间自由度。末端的执行器械(即第一外部机构)要么悬挂于竖直移动关节6之连接板601上，要么悬挂于第一水平运动机构的旋转关节上。并且，本领域技术人员应当知晓：第一水平运动机构、第二水平运动机构中的第一旋转关节1、第二旋转关节3和第三旋转关节5可折叠使用，同时每个旋转关节可单独转动，而旋转关节之间的串联则可通过伸缩实现一个方向上的移动(例如水平方向的移动)。

当然，本发明包括但不局限于三个旋转关节(其中一个冗余关节)，也可为更多个，但是采用三个旋转关节基本可满足机械臂的需要，由此，关节使用量少，结构简单，从而，机械臂的尺寸小、整体质量也轻，特别地，在结构简化的同时，运动控制的精度也高。

综上，上述实施例对机械臂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。

接着，基于上述实施例，本实施例还提供了一种手术机器人，其包括如上所述的机械臂。由于所述手术机器人采用了上述实施例的机械臂，所以，所述手术机器人由机械臂带来的有益效果请参考上述实施例。

与现有技术相比，本发明的机械臂均通过一个竖直移动关节实现一个空间方向上的运动，这样无需采用多个旋转关节的叠加实现该空间方向的运动，故而结构简单、质量小，且无需进行位移补偿，操作方便；而且，所述机械臂通过两个串联的水平运动机构，且该两个水平运动机构均至少包括一个旋转关节，以代替现有的水平移动关节实现另一个空间方向上的运动，由此该另一个空间方向上运动的可靠性高。

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 (12)

1.一种机械臂，用于被动式调整手术机器人前端器械的手术位置，其特征在于，包括第一水平运动机构、第二水平运动机构、竖直移动关节和重力平衡机构；所述竖直移动关节上设置有一连接板，所述连接板连接一第一外部机构，以驱动所述第一外部机构移动；

所述第一水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第一水平运动机构的两端分别连接所述第二水平运动机构以及一第二外部机构；所述第二水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第二水平运动机构的另一端连接所述竖直移动关节于所述连接板相对的一侧；各旋转关节之间通过连接臂连接，使各旋转关节之间的运动相互独立；

其中，所述机械臂具有至少三个自由度，所述旋转关节的轴线相互平行，且与所述连接板的移动方向平行；

所述重力平衡机构设置于所述竖直移动关节上，以配平所述第一外部机构；所述重力平衡机构包括弹簧、凸轮结构、第三牵引体、第四牵引体和多个转向轮；所述凸轮结构包括同轴安装的转轮以及凸轮；所述弹簧的一端固定于所述竖直移动关节上，所述弹簧的另一端固连所述第三牵引体的一端，所述第三牵引体与所述弹簧固连后，经过至少一个所述转向轮转向后，所述第三牵引体的另一端固连所述凸轮的外围；所述第四牵引体围绕并部分固连所述转轮，实现恒力输出，且所述第四牵引体延伸经过其他转向轮后与所述连接板的上端固连。

2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一水平运动机构包括N个旋转关节，N为大于等于1的自然数；

当N为等于1的自然数，所述第一水平运动机构之旋转关节分别连接所述第二外部机构以及所述第二水平运动机构；

当N为大于1的自然数，所述N个旋转关节之间通过连接臂连接，而且，所述第一水平运动机构之第一个旋转关节连接所述第二外部机构，第N个旋转关节连接所述第二水平运动机构。

3.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述第一水平运动机构之第一个旋转关节通过一连接臂连接所述第二外部机构，和/或第N个旋转关节通过一连接臂连接所述第二水平运动机构。

4.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第二水平运动机构包括M个旋转关节，M为大于等于1的自然数；

当M为等于1的自然数，所述第二水平运动机构之旋转关节的一端连接所述竖直移动关节于所述连接板相对的一侧，所述旋转关节的另一端连接所述第一水平运动机构；

当M为大于1的自然数，所述M个旋转关节之间通过连接臂连接，而且所述第二水平运动机构之第一个旋转关节连接所述第一水平运动机构，第M个旋转关节连接所述竖直移动关节与所述连接板相对的一侧。

5.如权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述第二水平运动机构之第一个旋转关节通过一连接臂连接所述第一水平运动机构，和/或第M个旋转关节通过一连接臂连接所述竖直移动关节与所述连接板相对的一侧。

6.一种机械臂，用于被动式调整手术机器人前端器械的手术位置，其特征在于，包括第一水平运动机构、第二水平运动机构、竖直移动关节和重力平衡机构；所述竖直移动关节上设置有一连接板，所述连接板连接所述第一水平运动机构的一端，以驱动所述第一水平运动机构移动；

所述第一水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第一水平运动机构的另一端转动连接一第一外部机构；所述第二水平运动机构包括至少一个旋转关节，所述第二水平运动机构的一端连接所述竖直移动关节于所述连接板相对的一侧，所述第二水平运动机构的另一端连接一第二外部机构；各旋转关节之间通过连接臂连接，使各旋转关节之间的运动相互独立；

其中，所述机械臂具有至少三个自由度，所述旋转关节的轴线相互平行，且与所述连接板的移动方向平行；

所述重力平衡机构设置于所述竖直移动关节上，以配平所述第一外部机构；所述重力平衡机构包括弹簧、凸轮结构、第三牵引体、第四牵引体和多个转向轮；所述凸轮结构包括同轴安装的转轮以及凸轮；所述弹簧的一端固定于所述竖直移动关节上，所述弹簧的另一端固连所述第三牵引体的一端，所述第三牵引体与所述弹簧固连后，经过至少一个所述转向轮转向后，所述第三牵引体的另一端固连所述凸轮的外围；所述第四牵引体围绕并部分固连所述转轮，实现恒力输出，且所述第四牵引体延伸经过其他转向轮后与所述连接板的上端固连。

7.如权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述第一水平运动机构中包括N’个旋转关节，N’为大于或等于1的自然数；

当N’为等于1的自然数，所述第一水平运动机构之旋转关节分别连接所述第一外部机构以及所述连接板；

当N’为大于1的自然数，所述N’个旋转关节之间通过连接臂连接，而且，所述第一水平运动机构之第一个旋转关节连接所述连接板，第N’个旋转关节连接所述第一外部机构。

8.如权利要求7所述的机械臂，其特征在于，所述第一水平运动机构之第一个旋转关节通过一连接臂连接所述连接板，和/或第N’个旋转关节通过一连接臂连接所述第一外部机构。

9.如权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述第二水平运动机构通过一连接臂连接所述竖直移动关节于所述连接板相对的一侧，和/或所述第二水平运动机构通过一连接臂连接所述第二外部机构。

10.如权利要求1或6所述的机械臂，其特征在于，除所述连接板外，所述竖直移动关节还包括底座以及固设于所述底座上的竖直导轨，所述竖直导轨固设于所述底座之正面上；所述底座之背面连接所述第二水平运动机构，所述连接板滑动设置于所述竖直导轨上。

11.如权利要求1或6所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括设置于所述竖直移动关节上的制动机构，以控制所述连接板的运动；

所述制动机构包括制动器、第一牵引体以及第二牵引体；所述制动器固定于所述竖直移动关节上，所述第一牵引体围绕并部分固连所述制动器，且延伸后与所述连接板的上端固连；所述第二牵引体以与第一牵引体相反的方向围绕并部分固连所述制动器，且延伸后与所述连接板的下端固连。

12.一种手术机器人，其特征在于，包括如权利要求1至11中任意一项所述的机械臂。

Images