CN106618736A - 具有双自由度的机械臂和手术机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有双自由度的机械臂和手术机器人，通过第二传动结构的驱动使小臂部件摆动，从而实现相对不动点的伸缩运动；通过第一传动结构的驱动使中臂部件摆动，再通过第一柔性件使器械部件做同样的摆动，从而实现绕不动点的摆动运动，即所述具有双自由度的机械臂实现了伸缩和摆动的双自由度。

Description

具有双自由度的机械臂和手术机器人
技术领域
本发明涉及微创伤手术机器人和/或手术器械的机械臂，特别涉及一种具有双自由度的机械臂和手术机器人。
背景技术
微创伤手术是指通过小切口将细长的腹腔镜、胸腔镜及手术器械送入患者体内进行手术的一种新技术。其具有创口小、疼痛轻、恢复快、住院时间短、出血少等优点。虽然微创伤手术相较于传统手术有如此多的优势，但早期的微创伤手术受限于体表的小创口，医生的操作空间相对减小，另外医生在内窥镜下手持器械操作时，其操作方向与在内窥镜下观察到的期望方向相反。此缺陷大大增加了手术的难度，医生需要经过长期的训练才能顺利的操作器械。
随着科学的发展，在早期微创伤手术中存在的问题找到了解决方案，世界各国开始研究机器人辅助微创伤手术技术，微创伤手术机器人问世。手术医生在主操作台处通过主操作台上的显示设备来观察内窥镜下患者体内的2D/3D画面，画面中显示了手术操作点及两把手术器械。医生通过操作主控制台上的操作杆，以主从控制的方式遥控从操作机器人上的机械臂及手术器械完成手术。手术机器人辅助的微创伤手术能够提高医生的操作精度，也能使医生以一种和传统手术相同的方式和观感来进行手术，大大减小了微创伤手术的难度。
目前世界各国都在进行手术机器人的研究，其中有少数产品已经实现了商品化。美国Intuitive Surgical公司的Da Vinci手术机器人系统是其中代表性的产品。但是其存在体积庞大、结构复杂、价格昂贵等缺点。
手术机器人能完成微创伤手术的一个约束条件是：从操作机器人在运动的过程中，其器械臂上安装的手术器械与患者接触的创口部分应是一个不动点。这就要求从操作机器人的机械臂具有一个不动点机构。
具有不动点机构的机械臂构型是手术机器人技术研究的一个重点方向，但目前的研究发明都具有一定的不足之处。如中国专利申请CN201310556341.2，描述了一种采用双平行四边形机构的机械臂，实现了器械末端的不动点。双平行四边形不动点机构只有一个自由度，器械只能绕着不动点做一定范围内的摆动运动。中国专利申请CN201010274701.6，采用了连杆双平行四边形机构，完成了一种大运动空间的机械臂，并使不动点能够发生偏移，但其器械在不动点的运动仍旧只有一个自由度。
上述两个专利所述机械臂构型都采用了双平行四边形来实现远端不动点，其机械臂和器械在不动点的运动空间只有绕不动点摆动一个自由度。若要实现器械上下伸缩自由度就需增加上下滑动部件。增大了机械臂的体积，加大了设计难度。
因此，本领域需要一种可以相对于不动点伸缩和摆动运动的双自由度机械臂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有双自由度的机械臂和手术机器人，以解决现有技术中的机械臂只具有绕不动点摆动即只有一个自由度的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有双自由度的机械臂，所述具有双自由度的机械臂包括：支撑结构，第一传动结构，第二传动结构和联动结构；
所述支撑结构包括悬吊支撑杆、大臂支撑杆、中臂支撑杆、小臂支撑杆以及器械部件；
其中，所述悬吊支撑杆通过第一转轴与所述大臂支撑杆转动连接，所述大臂支撑杆通过第二转轴与所述中臂支撑杆转动连接，所述中臂支撑杆通过第三转轴与所述小臂支撑杆转动连接，所述器械部件包括器械支撑座及布置于所述器械支撑座上的器械安装杆，所述小臂支撑杆通过第四转轴与所述器械支撑座转动连接，所述第一转轴的轴线与第二转轴、第三转轴和第四转轴的轴线垂直；
所述第一传动结构用于控制所述中臂支撑杆摆动；
所述第二传动结构用于控制所述小臂支撑杆摆动；
所述联动结构包括滑块、第一连杆、第二连杆、第三连杆及第三传动结构，其中，
所述滑块通过第五转轴与所述大臂支撑杆转动连接，所述第一连杆与所述滑块滑动连接，所述第一连杆的近端侧面经过所述第五转轴，所述第二连杆的近端通过第六转轴与所述中臂支撑杆转动连接，所述第二连杆通过第七转轴与所述第三连杆的近端转动连接，所述第三连杆的远端通过第八转轴与所述小臂支撑杆转动连接，且
所述第六转轴、所述第七转轴、所述第八转轴及所述第三转轴的轴心连线为一平行四边形，
所述第三传动结构包括，第一转轮、第二转轮、第三转轮、第四转轮及第一柔性件，其中，
所述第二转轮通过第九转轴与所述第二连杆转动连接，且所述第二转轮与所述第一连杆的远端固定连接，所述第一转轮通过第四转轴与所述小臂支撑杆转动连接，且所述第一转轮与所述器械支撑座同步转动，所述第二转轮与所述第一转轮的直径相等，
所述第三转轮与所述第七转轴连接，所述第四转轮与所述第八转轴连接，所述第三转轮与第四转轮的直径相等，所述第一柔性件分别与所述第一转轮和所述第二转轮套接，并且所述第一柔性件从所述第三转轮和所述第四转轮的远离所述器械部件的一侧通过；
所述第二转轴和所述第六转轴的轴心距离，与所述第二转轴和第三转轴的轴心距离之间存在第一比例，所述第一比例被配置为第一比值；所述第七转轴和所述第六转轴的轴心距离，与所述第六转轴和第九转轴的轴心距离之间存在第二比例，所述第二比例被配置为第一比值；所述第九转轴轴心到所述第一连杆的近端侧面之间的垂线段形成一第一线段，所述第四转轴到所述器械安装杆的垂线段形成一第二线段，所述第一线段长度与所述第二线段之间存在第三比例，所述第三比例被配置为第一比值；
所述第七转轴位于所述第六转轴和所述第九转轴的轴心形成的第一连线下方，且所述第一连线与所述第六转轴和所述第七转轴的轴心形成的第二连线形成第一夹角，所述第一夹角被配置为第一角度值；所述第六转轴位于所述第二转轴和所述第三转轴的轴心形成的第三连线左侧，且第三连线与所述第二转轴和所述第六转轴的轴心形成的第四连线形成第二夹角，所述第二夹角被配置为第一角度值；一经过第四转轴且平行于所述第一线段的平行线与第二线段之间形成第三夹角，所述第三夹角被配置为第一角度值，且所述平行线顺时针旋转第一角度值后至所述第二线段。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第一传动结构包括：第一动力部件、第十转轴、第五转轮、第六转轮及第二柔性件，其中，
所述第十转轴布置于所述大臂支撑杆近端，所述第五转轮设置在所述第十转轴上，所述第六转轮通过第二转轴与所述大臂支撑杆转动连接，并与所述中臂支撑杆同步转动，所述第二柔性件分别与所述第五转轮和所述第六转轮固定连接，所述第一动力部件的输出轴与所述第十转轴连接，以驱动所述第十转轴。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第一传动结构还包括第一制动部件，所述第一制动部件制动所述第一传动结构。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第一制动部件安装于所述第十转轴。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第一转轴设置在所述大臂支撑杆的近端。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述具有双自由度的机械臂还包括第二动力部件，所述第一转轴与所述第二动力部件的输出轴固定连接，和/或，
所述机械臂还包括第一轴承，所述第一轴承套接在所述第一转轴上。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第二传动结构包括：第三动力部件、第十一转轴、第七转轮、第八转轮及第三柔性件，其中，
所述第十一转轴布置于所述中臂支撑杆的近端，所述第七转轮设置在所述第十一转轴上，所述第八转轮通过所述第三转轴与所述中臂支撑杆转动连接，并且与所述小臂支撑杆同步转动，所述第三柔性件分别与所述第七转轮和所述第八转轮固定连接，所述第三动力部件的输出轴与所述第十一转轴连接，以驱动所述第十一转轴。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第二传动结构还包括第二制动部件，所述第二制动部件制动所述第二传动结构。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述联动机构还包括第四连杆，所述第四连杆通过第十二转轴与所述第二连杆转动连接，并通过第十三转轴与所述小臂支撑杆转动连接，所述第七转轴、所述第八转轴、所述第十三转轴及第十二转轴轴心的连线为一平行四边形。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述具有双自由度的机械臂还包括基座支撑杆，所述基座支撑部件通过第十四转轴与所述悬吊支撑杆转动连接，且所述第十四转轴的轴线与所述第二转轴、所述第三转轴以及所述第四转轴的轴线垂直。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第十四转轴的轴线与所述第一转轴的轴线共面。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第一比值为1/12～1/2。
可选的，在所述的具有双自由度的机械臂中，所述第一角度值为0～30°。
本发明还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括工具臂，所述工具臂为如上具有双自由度的机械臂中的任一种。
在本发明提供的具有双自由度的机械臂和手术机器人中，通过第二传动结构的驱动使小臂部件摆动，从而实现相对不动点的伸缩运动；通过第一传动结构的驱动使中臂部件摆动，再通过第一柔性件使器械部件做同样的摆动，从而实现绕不动点的摆动运动，即所述具有双自由度的机械臂实现了伸缩和摆动的双自由度。
附图说明
图1是本发明实施例一的具有双自由度的机械臂的结构示意图；
图2是本发明实施例一的具有双自由度的机械臂的剖视示意图；
图3是本发明实施例一的具有双自由度的机械臂的局部放大图；
图4是本发明实施例一的具有双自由度的机械臂的另一结构示意图；
图5是本发明实施例二的具有双自由度的机械臂的结构示意图；
其中，悬吊支撑杆10、大臂支撑杆20、中臂支撑杆30、小臂支撑杆40、器械支撑座50、器械安装杆51、基座支撑杆60；第一转轴101、第二转轴102、第三转轴103、第四转轴104、第五转轴105、第六转轴106、第七转轴107、第八转轴108、第九转轴109、第十转轴110、第十一转轴111；第十二转轴112；第十三转轴113；第十四转轴114；第一转轮201、第二转轮202、第三转轮203、第四转轮204、第五转轮205、第六转轮206、第七转轮207、第八转轮208；第一连杆301、第二连杆302、第三连杆303、第四连杆304；第一柔性件401、第二柔性件402、第三柔性件403；滑块结构501；第一动力部件601、第二动力部件602、第三动力部件603；第三制动部件701、第四制动部件702；第一轴承801、第二轴承802；不动点D。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的具有双自由度的机械臂和手术机器人作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。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。特别的，由于各附图所要突出的内容不同，往往采用了不同的比例。
以下实施例中，如果没有特别说明，“远端”是指靠近不动点的一端，“近端”是指远离不动点的一端。
【实施例一】
请参考图1至图3，其中，图1为本发明实施例一的具有双自由度的机械臂的结构示意图；图2为本发明实施例一的具有双自由度的机械臂的剖视示意图；图3为本发明实施例一的具有双自由度的机械臂的局部放大图。
如图1至图3所示，所述具有双自由度的机械臂包括：起到机械臂支撑作用的支撑结构，用于驱动机械臂围绕不动点摆动的第一传动结构，用于驱动机械臂相对于不动点做伸缩运动的第二传动结构和起到关节运动联动的联动结构。通过上述部件组合可以实现所述机械臂围绕不动点摆动，以及相对于不动点的伸缩运动。
具体而言，支撑结构包括悬吊支撑杆10、大臂支撑杆20、中臂支撑杆30、小臂支撑杆40以及器械部件，所述悬吊支撑杆10通过第一转轴101与所述大臂支撑杆20转动连接，所述大臂支撑杆20通过第二转轴102与所述中臂支撑杆30转动连接，所述中臂支撑杆30通过第三转轴103与所述小臂支撑杆40转动连接，所述器械部件包括器械支撑座50及布置于所述器械支撑座50上的器械安装杆51，所述小臂支撑杆40通过第四转轴104与所述器械支撑座50转动连接，所述第一转轴101的轴线与第二转轴102、第三转轴103和第四转轴104的轴线垂直。
所述悬吊支撑杆10的近端设有第二动力部件602以驱动所述大臂支撑杆20的转动。这里“近端”是指所述悬吊支撑杆10靠近所述大臂支撑杆20的一端。进一步，所述悬吊支撑杆10的近端还设有第三制动部件701，所述第三制动部件701用于制动所述大臂支撑杆20的转动。具体的，所述第三制动部件701与所述悬吊支撑杆10、所述大臂支撑杆20连接，当所述第三制动部件701处于松开状态时，所述大臂支撑杆20能够与所述悬吊支撑杆10相对运动，当所述第三制动部件701处于制动状态时，所述第三制动部件701与所述大臂支撑杆20产生足够的摩擦力，以保证悬吊支撑杆10与大臂支撑杆20不发生相对转动。进一步的，所述悬吊支撑杆10还包括第一轴承801，以对所述大臂支撑杆20的更好的支撑，减少转动摩擦力。
所述小臂支撑杆40通过所述第三转轴103与所述中臂支撑杆30连接。进一步，所述小臂支撑杆40通过所述第三转轴103与第八转轮208固定连接或者直接与第八转轮208固定连接，使所述小臂支撑杆40与所述第八转轮208同步转动。此外，所述小臂支撑杆40远端设有第四转轴104与所述器械部件转动连接。
所述器械部件包括器械支撑座50及布置于所述器械支撑座50上的器械安装杆51。所述器械支撑座50通过第四转轴104与所述小臂支撑杆40转动连接。所述第四转轴104轴心至所述器械安装杆51轴线的垂线段形成第二线段。显而易见，知道第二线段的位置和长度，即可知道所述器械安装杆51轴线的位置。
第一传动结构用于控制所述中臂支撑杆30摆动。所述第一传动结构包括：第一动力部件601、第十转轴110、第五转轮205、第六转轮206及第二柔性件402。其中，所述第十转轴110布置于所述大臂支撑杆10的近端，所述第五转轮205设置在所述第十转轴110上。所述第六转轮206通过第二转轴102与所述大臂支撑杆20转动连接，并与所述中臂支撑杆30同步转动。优选，所述第六转轮206与所述中臂支撑杆30，均与第二转轴102固定连接，或者所述第六转轮206与所述中臂支撑杆30直接连接，以实现同步转动。上述所述第二柔性件402分别与所述第五转轮205和所述第六转轮206固定连接。这里所述“固定连接”是指所述第二柔性件402围绕于所述第五转轮205和所述第六转轮206，且与所述第五转轮205和所述第六转轮206之间均没有相对滑动，保证所述第五转轮205和所述第六转轮206能够形成固定传动比。所述第一动力部件601用以驱动所述第十转轴110，并通过所述第五转轮205、所述第二柔性件402、所述第六转轮206以及所述第二转轴102，实现对所述中臂支撑杆30的驱动。优选，所述第一动力部件601的输出轴与所述第十转轴110直接连接，或者所述第一动力部件601的输出轴与所述第十转轴110通过传动机构连接。进一步，所述第一传动结构还包括第一制动部件，以使当所述第一制动部件处于制动状态时，所述第一传动结构也处于制动状态。本发明对于所述第一制动部件的安装位置并不做限定，只需保证所述第一制动部件在制动状态下能够保证所述第一传动结构处于制动状态即可。同样，本发明中第一制动部件作用的对象也没有特别的限制，其只要实现对于所述第五转轮205、所述第六转轮206和所述第二柔性件402中的一个或者多个部件的制动即可。在本实施例中所述第一制动部件与所述第十转轴110同轴安装，用于制动第十转轴110。
第二传动结构用于控制所述小臂支撑杆40摆动。所述第二传动结构包括：第三动力部件603、第十一转轴111、第七转轮207、第八转轮208及第三柔性件403。其中，所述第十一转轴111布置于所述中臂支撑杆30的近端，所述第七转轮207布置在所述第十一转轴111上。所述第八转轮208通过所述第三转轴103与所述中臂支撑杆30转动连接，并且与所述小臂支撑杆40同步转动。优选，所述第八转轮208与所述小臂支撑杆40，均与第三转轴103固定连接，或者所述第八转轮208与所述小臂支撑杆40直接连接，以实现同步转动。所述第三柔性件403分别与所述第七转轮207和所述第八转轮208固定连接。这里所述“固定连接”是指所述第三柔性件403围绕于所述第七转轮207和所述第八转轮208，且与所述第七转轮207和所述第八转轮208之间均没有相对滑动，以保证所述第七转轮207和所述第八转轮208能形成固定传动比。第三动力部件603以驱动所述第十一转轴111，同时，通过第七转轮207、第三柔性件403、第八转轮208以及第三转轴103，实现对所述小臂支撑杆40的驱动。优选，第三动力部件603的输出轴与所述第十一转轴111直接固定连接，也可以通过传动机构与所述第十一转轴111连接。进一步，所述第二传动结构还包括第二制动部件，以使当所述第二制动部件处于制动状态时，所述第二传动结构也处于制动状态。本发明对于所述第二制动部件的安装位置并不做限定，只需保证所述第二制动部件在制动状态下能够保证所述第二传动结构处于制动状态即可。另外，本发明中第二制动部件其只要实现对于所述第七转轮207、所述第八转轮208和所述第三柔性件403中的一个或者多个部件的制动即可。在本实施例中所述第二制动部件与所述第十一转轴111同轴安装，用于制动第十一转轴111。所述第三动力部件603的输出轴与所述第十一转轴111连接，以驱动所述第十一转轴111。
所述联动结构包括滑块501、第一连杆301、第二连杆302、第三连杆303及第三传动结构。其中，所述滑块501通过第五转轴105与所述大臂支撑杆20转动连接，所述第一连杆301与所述滑块501滑动连接，且所述第一连杆301经过所述第五转轴105。更具体，所述第一连杆301具有远离所述器械部件的近端侧面和靠近所述器械部件的远端侧面，在这里为所述第一连杆301的近端侧面所在的平面经过所述第五转轴105。这里的“滑动连接”，是指所述第一连杆301与所述滑块结构501组成导轨滑块结构，即所述第一连杆301只能沿着所述滑块结构501约束的方向移动。所述第二连杆302的近端通过第六转轴106与所述中臂支撑杆30转动连接，并通过第七转轴107与第三连杆303的近端转动连接。所述第三连杆303远端通过第八转轴108与所述小臂支撑杆40转动连接。这里“近端”显然是指第三连杆303靠近第二连杆302的一端，“远端”为第三连杆303远离第二连杆302的一端。进一步，第六转轴106、第七转轴107、第八转轴108与第三转轴103的轴心连线为一平行四边形。
所述第二转轴102和所述第六转轴106的轴心距离，与所述第二转轴102和第三转轴103的轴心距离之间存在第一比例，所述第一比例被配置为第一比值；所述第七转轴107和所述第六转轴106的轴心距离，与所述第六转轴106和第九转轴109之间的轴心距离之间存在第二比例，所述第二比例被配置为第一比值；所述第九转轴109轴心到所述第一连杆301的近端侧面之间的垂线段形成一第一线段，所述第四转轴104轴心到所述器械安装杆51的垂线段形成一第二线段，所述第一线段长度与所述第二线段之间存在第三比例，所述第三比例被配置为第一比值。优选，所述第一比值范围为1/12～1/2，更优选为1/6。
所述第三传动结构包括，第一转轮201、第二转轮202、第三转轮203、第四转轮204及第一柔性件401。其中，所述第二转轮202通过第九转轴109与所述第二连杆转动302转动连接，且所述第二转轮202与所述第一连杆301的远端固定连接。所述第九转轴109至所述第一连杆301的近端侧面之间的垂线段形成一第一线段。所述第一转轮201通过第四转轴104与所述小臂支撑杆40转动连接，且所述第一转轮201通过所述第四转轴104或直接与所述器械支撑座50固定连接，以使所述器械支撑座50与所述第一转轮201同步转动。所述第二转轮202与第一转轮201的直径相等。所述第三转轮203与所述第七转轴107连接，所述第四转轮204与所述第八转轴108连接，所述第三转轮203与第四转轮204的直径相等。所述第一柔性件401件分别与所述第一转轮201和所述第二转轮202套接，，且相互之间作用力足够大使第一柔性件401与所述第一转轮201和所述第二转轮202同步运动，不发生相对位移，并且所述第一柔性件401从所述第三转轮203和所述第四转轮204的远离所述器械部件的一侧通过。
这样，所述第一柔性件401离开所述第三转轮203时的切点与进入所述第四转轮204时形成的切点的连线与所述第三转轮203和所述第四转轮204的轴心的连线相互平行。即，所述第一柔性件401从所述第三转轮203与所述第四转轮204的一侧通过，并与所述第三转轮203形成有第一包覆角、与所述第四转轮204形成有第二包覆角，在驱动力作用在滑块结构501或者第一动力部件601驱动所述第五转轮205、第三动力部件603驱动所述第七转轮207下，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。
请继续参考图1和图2，在本申请实施例中，所述第二连杆302为一折杆。即所述第七转轴107位于所述第六转轴106和所述第九转轴109的轴心形成的第一连线下方，且所述第一连线与所述第六转轴106和所述第七转轴107的轴心形成的第二连线形成的第一夹角被配置为第一角度值。在本申请实施例中，所述第六转轴106位于所述第二转轴102和所述第三转轴103的轴心形成的第三连线左侧，且第三连线与所述第二转轴102和所述第六转轴106的轴心形成的第四连线形成的第二夹角被配置为第一角度值。同时，一经过第四转轴104且平行于所述第一线段的平行线与第二线段之间的第三夹角被配置为第一角度值，且所述平行线顺时针旋转第一角度值后至所述第二线段。优选，第一角度值范围为0～30°，更有选为15°。这样，所述第二转轴102和所述第五转轴105的轴心的连线以所述第二转轴102为端点顺时针转动所述第一角度值所成的连线与所述器械安装杆51轴线的交点为不动点D。
在本申请实施例中，通过第三动力部件603的驱动使小臂支撑杆40摆动，就实现相对不动点D的伸缩运动；通过第一动力部件602的驱动使中臂支撑杆30摆动，再通过第一柔性件401使器械部件做同样的摆动，从而实现绕不动点D的摆动运动，即所述具有双自由度的机械臂实现了伸缩和摆动的双自由度。
请继续参考图1和图2，在本申请实施例中，所述具有双自由度的机械臂的支撑结构还包括基座支撑杆60，所述基座支撑杆60通过设置在所述悬吊支撑杆10远端的第十四转轴114与所述悬吊支撑杆10转动连接，且第十四转轴114的轴线与第二转轴102、第三转轴103以及第四转轴104的轴线垂直。优选的，所述第十四转轴114的轴线与第一转轴101的轴线共面。这里的“远端”是指所述悬吊支撑杆10靠近基座支撑杆60的一端。进一步的，所述基座支撑杆60还设有第二轴承802，所述第二轴承802可以对所述悬吊支撑杆10更好的支撑，减少转动摩擦力。所述基座支撑杆60还设有第四制动部件702，所述第四制动部件702用于制动所述悬吊支撑杆10的转动。具体的，当所述第四制动部件702处于松开状态时，所述悬吊支撑杆10能够与所述基座支撑杆60相对运动，当所述第四制动部件702处于制动状态时，所述第四制动部件702与所述悬吊支撑杆10形成足够的摩擦力，保证悬吊支撑杆10与基座支撑杆60不发生相对转动。
在本申请实施例中，所述悬吊支撑杆10位于所述基座支撑杆60的下方，此时，通常的，所述大臂支撑杆20、中臂支撑杆30、小臂支撑杆40以及器械部件均位于所述基座支撑杆60的下方。在本申请的其他实施例中，所述悬吊支撑杆10也可以位于所述基座支撑杆60的上方(具体可参考图4)，此时，通常的，所述大臂支撑杆20、中臂支撑杆30、小臂支撑杆40以及器械部件均位于所述基座支撑部杆60的上方。
【实施例二】
请同时参考图5和图2，本实施例二与实施例一的差别在于：在本实施例二中，所述联动结构还包括第四连杆304，所述第四连杆304通过第十二转轴112与所述第二连杆302转动连接，并通过第十三转轴113与所述小臂支撑杆40转动连接；所述第十二转轴112、所述第十三转轴113、所述第七转轴107及所述第八转轴108的轴心的连线形成平行四边形。在此，通过所述第四连杆304可形成具有虚约束的强固结构。进一步的，所述第四连杆304可以位于所述第二连杆302远离所述器械部件的一侧；或者所述第四连杆304也可以位于所述第二连杆302靠近所述器械部件的一侧。
本发明还公开了一种手术机器人，包括医生端和病人端，其中病人端包括基座，调整臂，工具臂和手术器械，所述工具臂为上述的具有双自由度的机械臂中的任一种。
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 (14)

1.一种具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述具有双自由度的机械臂包括：支撑结构，第一传动结构，第二传动结构和联动结构；
所述支撑结构包括悬吊支撑杆、大臂支撑杆、中臂支撑杆、小臂支撑杆以及器械部件；
其中，所述悬吊支撑杆通过第一转轴与所述大臂支撑杆转动连接，所述大臂支撑杆通过第二转轴与所述中臂支撑杆转动连接，所述中臂支撑杆通过第三转轴与所述小臂支撑杆转动连接，所述器械部件包括器械支撑座及布置于所述器械支撑座上的器械安装杆，所述小臂支撑杆通过第四转轴与所述器械支撑座转动连接，所述第一转轴的轴线与第二转轴、第三转轴和第四转轴的轴线垂直；
所述第一传动结构用于控制所述中臂支撑杆摆动；
所述第二传动结构用于控制所述小臂支撑杆摆动；
所述联动结构包括滑块、第一连杆、第二连杆、第三连杆及第三传动结构，其中，
所述滑块通过第五转轴与所述大臂支撑杆转动连接，所述第一连杆与所述滑块滑动连接，所述第一连杆的近端侧面经过所述第五转轴，所述第二连杆的近端通过第六转轴与所述中臂支撑杆转动连接，所述第二连杆通过第七转轴与所述第三连杆的近端转动连接，所述第三连杆的远端通过第八转轴与所述小臂支撑杆转动连接，且
所述第六转轴、所述第七转轴、所述第八转轴及所述第三转轴的轴心连线为一平行四边形，
所述第三传动结构包括，第一转轮、第二转轮、第三转轮、第四转轮及第一柔性件，其中，
所述第二转轮通过第九转轴与所述第二连杆转动连接，且所述第二转轮与所述第一连杆的远端固定连接，所述第一转轮通过第四转轴与所述小臂支撑杆转动连接，且所述第一转轮与所述器械支撑座同步转动，所述第二转轮与所述第一转轮的直径相等，
所述第三转轮与所述第七转轴连接，所述第四转轮与所述第八转轴连接，所述第三转轮与第四转轮的直径相等，所述第一柔性件分别与所述第一转轮和所述第二转轮套接，并且所述第一柔性件从所述第三转轮和所述第四转轮的远离所述器械部件的一侧通过；
所述第二转轴和所述第六转轴的轴心距离，与所述第二转轴和第三转轴的轴心距离之间存在第一比例，所述第一比例被配置为第一比值；所述第七转轴和所述第六转轴的轴心距离，与所述第六转轴和第九转轴的轴心距离之间存在第二比例，所述第二比例被配置为第一比值；所述第九转轴轴心到所述第一连杆的近端侧面之间的垂线段形成一第一线段，所述第四转轴到所述器械安装杆的垂线段形成一第二线段，所述第一线段长度与所述第二线段之间存在第三比例，所述第三比例被配置为第一比值；
所述第七转轴位于所述第六转轴和所述第九转轴的轴心形成的第一连线下方，且所述第一连线与所述第六转轴和所述第七转轴的轴心形成的第二连线形成第一夹角，所述第一夹角被配置为第一角度值；所述第六转轴位于所述第二转轴和所述第三转轴的轴心形成的第三连线左侧，且第三连线与所述第二转轴和所述第六转轴的轴心形成的第四连线形成第二夹角，所述第二夹角被配置为第一角度值；一经过第四转轴且平行于所述第一线段的平行线与第二线段之间形成第三夹角，所述第三夹角被配置为第一角度值，且所述平行线顺时针旋转第一角度值后至所述第二线段。
2.如权利要求1所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第一传动结构包括：第一动力部件、第十转轴、第五转轮、第六转轮及第二柔性件，其中，
所述第十转轴布置于所述大臂支撑杆近端，所述第五转轮布置在所述第十转轴上，所述第六转轮通过第二转轴与所述大臂支撑杆转动连接，并与所述中臂支撑杆同步转动，所述第二柔性件分别与所述第五转轮和所述第六转轮固定连接，所述第一动力部件的输出轴与所述第十转轴连接，以驱动所述第十转轴。
3.如权利要求2所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第一传动结构还包括第一制动部件，所述第一制动部件制动所述第一传动结构。
4.如权利要求4所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第一制动部件安装于所述第十转轴。
5.如权利要求1所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第一转轴设置在所述大臂支撑杆的近端。
6.如权利要求5所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述具有双自由度的机械臂还包括第二动力部件，所述第一转轴与所述第二动力部件的输出轴固定连接，和/或，
所述机械臂还包括第一轴承，所述第一轴承套接在所述第一转轴上。
7.如权利要求1所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第二传动结构包括：第三动力部件、第十一转轴、第七转轮、第八转轮及第三柔性件，其中，
所述第十一转轴布置于所述中臂支撑杆的近端，所述第七转轮设置在所述第十一转轴上，所述第八转轮通过所述第三转轴与所述中臂支撑杆转动连接，并且与所述小臂支撑杆同步转动，所述第三柔性件分别与所述第七转轮和所述第八转轮固定连接，所述第三动力部件的输出轴与所述第十一转轴连接，以驱动所述第十一转轴。
8.如权利要求1所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第二传动结构还包括第二制动部件，所述第二制动部件制动所述第二传动结构。
9.如权利要求1所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述联动机构还包括第四连杆，所述第四连杆通过第十二转轴与所述第二连杆转动连接，并通过第十三转轴与所述小臂支撑杆转动连接，所述第七转轴、所述第八转轴、所述第十三转轴及第十二转轴的轴心的连线为一平行四边形。
10.如权利要求1或9所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述具有双自由度的机械臂还包括基座支撑杆，所述基座支撑部件通过第十四转轴与所述悬吊支撑杆转动连接，且所述第十四转轴的轴线与所述第二转轴、所述第三转轴以及所述第四转轴的轴线垂直。
11.如权利要求10所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第十四转轴的轴线与所述第一转轴的轴线共面。
12.如权利要求1所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第一比值为1/12～1/2。
13.如权利要求1所述的具有双自由度的机械臂，其特征在于，所述第一角度值为0～30°。
14.一种手术机器人，包括工具臂，所述工具臂为如权利要求1-13中任一所述的具有双自由度的机械臂。
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