CN108324376B - 手术机器人及其机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手术机器人及机械臂；机械臂包括水平移动关节、竖直移动关节和第二传动机构，水平移动关节包括N个上下堆叠的水平移动模块，第一个水平移动模块用以连接外部固定架，其余用以沿水平方向运动，第m个水平移动模块滑动连接第m‑1个水平移动模块，第N个水平移动模块连接竖直移动关节，第二传动机构包括第二制动轮和第三柔性体，第二制动轮设于第N个水平移动模块上，第三柔性体的第二本体围绕并部分固连第二制动轮，第二本体的第三、四端分别与第三柔性体的第三、四延伸部的一端连接，第三、四延伸部的另一端分别与第一个水平移动模块的不同端连接，第三、四延伸部被布置为当水平移动关节移动时，两者的位移变化量相等。

Description

手术机器人及其机械臂

本申请是申请号为201610498120.8的分案申请。

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种用于进行微创伤手术的医疗机械臂以及手术机器人。

背景技术

手术机器人作为医疗领域的一个新型发展方向，受到了越来越多的重视，因而，对其的研究也显得越发的重要。

一般，医疗手术机器人需要在满足手术所需功能的前提下，尽可能的一体化、轻便化、智能化，这主要体现在手术机器人的各个关节的结构上。其中，机械臂作为手术机器人的一个重要结构，对手术机器人的硬件性能、手术效果等起到了至关重要的作用。在手术过程中或手术前后，机械臂主要用于对手术的执行端进行位置调整，其操作的简便性、以及功能的齐全性等，是现阶段机械臂的设计的主要方向。

具体而言，现有的手术机器人是通过平面运动来实现空间运动，故平面运动是机械臂运动的基础。机械臂，若具有良好的平面运动，其不仅可以很好地完成空间运动任务，同时还能简化针对机械臂的控制算法。

但是，目前机医疗手术机器人上使用的机械臂还存在着诸多问题：

第一、现有的机械臂通常采用连杆或者齿轮作为传动机构，以实现平面运动控制，此较大增加了机械臂的尺寸；而且，由连杆或齿轮构成的传动机构，虽然可以提升传动机构的刚度，但是由于传动链复杂，因而，容易出现安装或者加工上的问题，从而影响机械臂的性能；

第二、现有的机械臂往往采用多个传动机构实现平面运动控制，增加了机械臂的总体质量，既不便于使用，而且与轻量化发展要求不符；

第三、由于机械臂仅需要在平面内实现x轴、y轴和z轴方向的移动，因此，一般仅需通过对应的移动关节实现平面内的运动即可；然而，现有的机械臂会通过旋转关节实现平面内的运动，造成了运动关节的相互交错，不仅运动复杂、而且控制难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手术机器及其机械臂，以解决现有的机械臂之传动机构复杂、质量大，以及机械臂之关节运动复杂、控制难度高等问题中的一个或者多个问题。

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，包括具有一连接器的竖直移动关节，所述竖直移动关节用以驱动与所述连接器连接的外部构件沿竖直方向移动，其中：所述机械臂还包括重力平衡机构以及第一传动机构，所述重力平衡机构通过第一传动机构与所述连接器连接，以配平所述连接器和外部构件的重力；

其中，所述重力平衡机构包括配平结构以及第一柔性体，所述第一传动机构包括比例轮以及第二柔性体，所述比例轮包括同轴安装且同步转动的内轮和外轮；

所述第一柔性体的一端与所述配平结构连接，所述第一柔性体的另一端与所述比例轮的内轮连接，所述第二柔性体包括第一本体、第一延伸部和第二延伸部，所述第一本体包括第一端和第二端，所述第一本体围绕并部分固连所述外轮的外围，所述第一本体的第一端围绕所述外轮的方向与第一柔性体围绕所述内轮的方向相反，所述第一本体的第一端延伸与第一延伸部的一端连接，所述第一本体的第二端延伸与第二延伸部的一端连接，所述第一延伸部的另一端与所述连接器的上部连接，所述第二延伸部的另一端与所述连接器的下部连接，且所述第一延伸部和第二延伸部被配置为当连接器移动时，所述第一延伸部和第二延伸部的位移变化量相等。

优选地，所述配平结构为一恒力弹簧，所述恒力弹簧用以对所述比例轮施加恒定的力矩。

优选地，所述重力平衡机构还包括一第一转向轮，所述第一转向轮设置于所述比例轮的一侧；与所述恒力弹簧连接后，所述第一柔性体延伸经过所述第一转向轮的转向后与所述内轮连接。

优选地，所述第一柔性体位于所述恒力弹簧与第一转向轮之间的部分沿水平方向延伸，所述第一柔性体位于第一转向轮与所述内轮之间的部分垂直于水平方向延伸。

优选地，所述重力平衡机构还包括水平放置的滑动槽以及滑动布置在滑动槽中的弹簧接头；所述第一柔性体通过所述弹簧接头与所述恒力弹簧连接；其中，所述滑动槽用以限定所述第一柔性体位于所述恒力弹簧与第一转向轮之间的部分仅沿水平方向运动。

优选地，所述第一传动机构还包括第二转向轮、第三转向轮、第四转向轮和第五转向轮；

其中，所述第三转向轮位于所述比例轮远端，所述第二转向轮位于第三转向轮的上侧，所述第四转向轮位于第二转向轮的远端上侧，所述第五转向轮位于第三转向轮的远端下侧；

所述第一延伸部与第一本体的第一端连接，并延伸通过第二转向轮和第四转向轮，然后与所述连接器的上部连接，所述第二延伸部与第一本体的第二端连接，并延伸通过第三转向轮和第五转向轮，然后与所述连接器的下部连接，所述第一延伸部延伸通过第二转向轮转向后的延伸方向与第二延伸部延伸通过第三转向轮后的延伸方向相背离，所述第一延伸部延伸通过第四转向轮转向后的延伸方向与第二延伸部延伸通过第五转向轮后的延伸方向相向；

并且，位于第四转向轮与连接器之间的第二柔性体与位于第五转向轮与连接器部分的第二柔性体共线或相互平行，位于第四转向轮与第二转向轮之间的第二柔性体与位于第五转向轮与第三转向轮之间的第二柔性体共线或相互平行，位于第四转向轮与连接器之间的第二柔性体与位于第四转向轮与第二转向轮之间的第二柔性体相互平行。

优选地，所述第一传动机构还包括位于第二转向轮近端的第一转向轮组，所述第一转向轮组包括第六转向轮和第七转向轮，所述第六转向轮和第七转向轮同轴布置且各自转动；

所述第一延伸部与所述第一本体的第一端连接，并延伸通过第一转向轮组中的一转向轮后，再延伸通过第二转向轮和第四转向轮，然后与连接器的上部连接，所述第二延伸部与所述第一本体的第二端连接，并延伸通过第一转向轮组中的另一转向轮后，再延伸通过第三转向轮和第五转向轮，然后与连接器的下部连接。

优选地，所述第一传动机构还包括第二转向轮组和第三转向轮组，所述第二转向轮组包括第八转向轮和第九转向轮，所述第八转向轮和第九转向轮同轴布置且各自转动，所述第三转向轮组包括第十转向轮和第十一转向轮，所述第十转向轮和第十一转向轮同轴布置且各自转动；

其中，所述第二转向轮组和第三转向轮组位于第二转向轮的近端，且所述第二转向轮组位于第三转向轮组的上侧；所述第一延伸部连接第一本体的第一端后，先后延伸通过第二转向轮组中的一转向轮和第三转向轮组中的一转向轮，再延伸通过第二转向轮和第四转向轮与连接器的上部连接，所述第二延伸部连接第一本体的第二端后，先后延伸通过第二转向轮组中的另一转向轮和第三转向轮组中的另一转向轮，再延伸通过第三转向轮和第五转向轮与连接器的下部连接。

优选地，所述机械臂还包括一水平移动关节，所述水平移动关节通过一连接臂与竖直移动关节连接，用以驱动与所述连接器连接沿水平方向移动；

其中，所述连接臂具有一内腔，所述重力平衡机构设置于所述内腔中，并且，所述第一传动机构中的比例轮也设置于所述内腔中。

优选地，所述机械臂还包括一水平移动关节，所述水平移动关节通过一连接臂与竖直移动关节连接，用以驱动与所述连接器连接的所述外部构沿水平方向移动；

其中，所述连接臂具有一内腔，所述重力平衡机构设置于所述内腔中，所述第一传动机构中的比例轮也设置于所述内腔中，并且，所述第二转向轮、第三转向轮、第四转向轮和第五转向轮均设置于所述竖直移动关节上。

优选地，所述机械臂还包括旋转关节和连接件，所述旋转关节包括外筒和转轴，所述外筒与连接臂连接，所述转轴与连接件连接，所述连接件与竖直移动关节连接，所述第二转向轮组置于外筒内，所述第三转向轮组置于连接件内，且位于所述第二转向轮组与第三转向轮组之间的第二柔性体延伸方向与旋转关节的轴线共线。

优选地，所述第一传动机构还包括第一制动轮，从所述外轮的外围延伸出的第一本体之第一端围绕所述第一制动轮，然后与第一延伸部连接，且所述第一端围绕第一制动轮的方向与第一端围绕所述外轮外围的方向相反。

优选地，所述机械臂还包括一水平移动关节，所述水平移动关节与竖直移动关节连接；除所述连接器外，所述竖直移动关节还包括底板以及固设于所述底板上的竖直导轨；所述底板之背面连接所述水平移动关节，所述竖直导轨固设于所述底板之正面上，所述连接器滑动设置于所述竖直导轨上。

优选地，所述机械臂还包括与所述竖直移动关节连接的水平移动关节，所述水平移动关节用以沿水平方向，以驱动与所述连接器连接的所述外部构件沿沿水平方向运动。

优选地，所述水平移动关节包括N个上下堆叠的水平移动模块；第一个水平移动模块用以连接一外部固定架，其余水平移动模块用以沿水平方向运动；第m个水平移动模块滑动连接第m-1个水平移动模块，第N个水平移动模块连接所述竖直移动关节，其中，N为大于或等于2的自然数，m为2至N中的所有自然数。

优选地，每个水平移动模块均包括一个底块，而且，第m-1个水平移动模块还包括固设于其底块上的水平导轨以及滑动设置于所述水平导轨上的滑块；第m-1个水平移动模块之滑块与第m个水平移动模块之底块连接。

优选地，所述机械臂还包括一第二传动机构，所述第二传动机构包括第二制动轮和第三柔性体；所述第二制动轮设置于第N个水平移动模块上；

所述第三柔性体包括第二本体、第三延伸部以及第四延伸部；所述第二本体包括第三端和第四端，所述第二本体围绕并部分固连所述第二制动轮；所述第二本体的第三端与第三延伸部的一端连接，所述第二本体的第四端与第四延伸部的一端连接；所述第三延伸部的另一端与第一个水平移动模块的一端连接，所述第四延伸部的另一端与第一个水平移动模块的另一端连接，

所述第三延伸部和第四延伸部被配置为当水平移动关节移动时，所述第三延伸部和第四延伸部的位移变化量相等。

优选地，所述第二传动机构包括第一滑轮以及第二滑轮；

所述第三延伸部的另一端通过第二滑轮转向后与第一个水平移动模块的一端连接，且所述第三延伸部进入第二滑轮的方向与离开第二滑轮的方向平行，所述第四延伸部的另一端通过第一滑轮转向后与第一个水平移动模块的另一端连接，所述第四延伸部进入第一滑轮的方向与离开第一滑轮的方向平行，所述第三延伸部离开第二滑轮的方向与所述第四延伸部离开第一滑轮的方向平行或者共线。

优选地，所述水平移动模块的数量为两个，并且，所述第二传动机构还包括两个滑轮，分别是第三滑轮以及第四滑轮；

其中，所述第三滑轮、第四滑轮位于第二个水平移动模块之第二底块上并设置于第二制动轮的不同侧，所述第一滑轮、第二滑轮位于第一个水平移动模块之第一底块上；所述第三延伸部与第二本体的第三端连接后延伸通过第四滑轮、第二滑轮与第一个水平移动模块之第一底块的一端连接；所述第四延伸部与第二本体的第四端连接后延伸通过第三滑轮、第一滑轮与第一个水平移动模块之第一底块的另一端连接；所述第三延伸部延伸通过第四滑轮后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第三滑轮后的延伸方向相背离，所述第三延伸部延伸通过第二滑轮后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第一滑轮后的延伸方向相向；

并且，位于所述第二滑轮与第四滑轮之间的第三柔性体延伸方向与位于第二滑轮与第一底块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行，位于所述第一滑轮与第三滑轮之间的第三柔性体延伸方向与位于第一滑轮与第一底块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行，位于第二滑轮与第一底块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向与位于第一滑轮与第一底块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行或共线。

优选地，所述水平移动模块的数量为三个，并且，所述第二传动机构还包括四个滑轮，分别是第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮以及第六滑轮；

其中，所述第三滑轮、第四滑轮位于第三个水平移动模块之第三底块上并设置于第二制动轮的不同侧，所述第五滑轮、第六滑轮位于第二个水平移动模块之第二底块上并位于第二底块的上部，所述第一滑轮和第二滑轮设置于所述第二底块上并位于第二底块的下部；所述第三延伸部与第二本体的第三端连接后延伸通过第四滑轮、第六滑轮和第二滑轮与第一个水平移动模块之第一底块的一端连接；所述第四延伸部与第二本体的第四端连接后延伸通过第三滑轮、第五滑轮和第一滑轮与第一个水平移动模块之第一底块的另一端连接；所述第三延伸部延伸第四滑轮后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第三滑轮后的延伸方向相背离，所述第三延伸部延伸通过第六滑轮后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第五滑轮后的延伸方向相向，所述第三延伸部延伸通过第二滑轮后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第一滑轮后的延伸方向相背离；

并且，位于所述第六滑轮与第二滑轮之间的第三柔性体延伸方向与位于第二滑轮与第一底块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行，位于所述第五滑轮与第一滑轮之间的第三柔性体延伸方向与位于第一滑轮与第一底块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行，位于第二滑轮与第一底块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向与位于第一滑轮与第一底块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行或共线。

优选地，所述水平移动关节包括第一水平运动机构和第二水平运动机构；

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外部固定架；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与所述竖直移动关节连接，且所述第二水平运动机构与连接器分布在所述竖直移动关节的两侧；

其中，所述旋转关节的轴线相互平行，且与所述连接器的移动方向平行。

优选地，所述水平移动关节包括第一水平运动机构和第二水平运动机构；所述连接器固定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所述外部构件；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两端分别连接所述竖直移动关节以及一外部固定架，所述第二水平运动机构与连接器分布在所述竖直移动关节的两侧；

其中，所述旋转关节的轴线相互平行，且与所述连接器的移动方向平行。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明还提供了一种手术机器人，其包括上述任意一项所述的机械臂。

综上所述，本发明的机械臂具有一重力配平结构以及一第一传动机构，且所述重力平衡机构通过一柔性体与第一传动机构串联，实现了对竖直移动关节上的外部构件的重力配平，由于将重力平衡机构与传动机构进行了串联，简化了配平与传动结构，控制更为简单；而且，本发明的第一传动机构基于柔性体对竖直移动关节上的连接器进行运动控制，相比于传统的连杆传动机构，柔性传动机构具有质量轻、体积小、结构简单、调整方便等优点，因而，本发明的机械臂重量轻、占用空间小、运动控制结构简单，且可使连接器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。

本发明的机械臂基于柔性体对水平移动关节的运动进行控制，相比于传统的连杆传动机构，柔性传动机构具有质量轻、体积小、结构简单、调整方便等优点，因而，本发明的机械臂重量轻、占用空间小、运动控制结构简单，且可使水平移动关节的运动更为精准可靠，进而保证了机械臂水平运动的可靠性。

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是本发明实施例一的竖直移动关节的结构示意图；

图3是本发明实施例一的第一柔性体、第二柔性体传动串联结构示意图；

图4是本发明实施例一的机械臂的内部视图；

图5是图4所示的重力平衡机构于连接臂中的局部放大图；

图6是本发明实施例一的水平移动关节的结构示意图；

图7是本发明实施例一的水平移动关节的第三柔性体传动结构示意图；

图8是本发明实施例一的另一水平移动关节的第三柔性体传动结构示意图；

图9是本发明实施例二的机械臂的结构示意图；

图10是本发明实施例二的第一柔性体、第二柔性体传动串联结构示意图。

图中的附图标记说明如下：

1-水平移动关节；110-第一个水平移动模块；111-第一底块；112-第一水平导轨；113-第一滑块；120-第二个水平移动模块；121-第二底块；122-第二水平导轨；123-第二滑块；130-第三个水平移动模块；131-第三底块；140-第二制动轮；150-第三柔性体；161-第一滑轮；162-第二滑轮；163-第三滑轮；164-第四滑轮；165-第五滑轮；166-第六滑轮；R、L-箭头；

2-连接臂；

3-竖直移动关节；310-底板；320-竖直导轨；330-滑块；340-连接器；350-比例轮；351a-外轮；351b-内轮；360-第二柔性体；371-第二转向轮；372-第三转向轮；373-第四转向轮；374-第五转向轮；375-第一转向轮组；380-第一制动轮；

4-重力平衡机构；401-配平结构；402-第一柔性体；403-弹簧接头；404-滑动槽；405-第一转向轮；

5-旋转关节；

6-连接件。

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1～10对本发明提出的手术机器人及其机械臂作进一步详细说明。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。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。术语“远端”、“前端”、“右侧”是指靠近竖直移动关节的一端；相应的，术语“近端”、“后端”、“左侧”是指远离竖直移动关节的一端。

<实施例一>

参阅图1～5，图1是本发明实施例一的机械臂的结构示意图，图2是本发明实施例一的竖直移动关节的结构示意图，图3是本发明实施例一的第一柔性体、第二柔性体传动串联结构示意图，图4是本发明实施例一的机械臂的内部视图，图5是图4所示的重力平衡机构于机械臂中的局部放大图。

一种机械臂，包括具有连接器340的竖直移动关节3，所述竖直移动关节3用以驱动与连接器340连接的外部构件沿竖直方向移动；并且，所述机械臂还包括第一传动机构和重力平衡机构4，所述重力平衡机构4通过第一传动机构与连接器340连接，以配平连接器340以及外部构件的重力。

所述重力平衡机构4包括配平结构401以及第一柔性体402，所述第一柔性体402的一端连接配平结构401，所述第一柔性体402的另一端连接第一传动机构之比例轮350的内轮351b；所述比例轮350还包括与内轮351b同轴安装且可同步转动的外轮351a。

接着，除上述比例轮350外，所述第一传动机构还包括第二柔性体360；所述第二柔性体360包括第一本体、第一延伸部以及第二延伸部，所述第一本体包括第一端和第二端，所述第一本体围绕并部分固连外轮351a的外围，所述第一本体的第一端延伸与第一延伸部的一端连接，所述第一本体的第二端延伸与第二延伸部的一端连接，所述第一本体的第一端围绕外轮351a的方向与第一柔性体402连接内轮351b的方向相反，且所述第一延伸部的另一端与连接器340的上部连接，所述第二延伸部的另一端与连接器340的下部连接，且所述第一延伸部和第二延伸部被配置为当连接器340移动时，所述第一延伸部和第二延伸部在竖直方向的位移变化量相等。只有当连接器340移动，所述第一延伸部和第二延伸部在竖直方向的位移变化量始终保持相等，才能保持第二柔性体的张力均匀，使得第一传动机构平稳转动。显然，在本发明中所述“位移变化量”应理解为柔性体或柔性体的一部分的移动距离，其为一正值。“第一本体的第一端围绕外轮351a的方向”，为第一本体的第一端从第一本体与外轮固定的点出发围绕外轮的方向，同样“第一柔性体402连接内轮351b的方向”为第一柔性体402从第一柔性体402与内轮351b的连接点出发围绕内轮351b的方向。

本实施例中的重力平衡机构采用弹簧输出与外部构件重力匹配的恒力，且通过基于柔性体的第一传动机构对竖直移动关节3上的连接器340的运动进行控制，相比于传统的连杆传动机构，重力平衡机构以及柔性传动机构具有质量轻、体积小、结构简单、调整方便等优点，因而，本实施例的机械臂重量轻、占用空间小、运动控制结构简单，且可使竖直移动关节3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。

此外，所述第二柔性体360之第一本体围绕外轮351a的长度与连接器的行程相匹配。所述第一柔性体403围绕内轮351b的长度，可以根据内轮351b、外轮351a的直径以及第一本体围绕外轮351a的长度计算得到。而且，本领域技术人员知晓的是：由于所述第一柔性体402和第二柔性体360均经过比例轮350，因而，所述配平结构401的输出力通过比例轮350传递至竖直移动关节3，由此实现了对竖直移动关节3上外部构件的重力配平。另外，图3中示出的比例轮350的内轮351b在配平结构401的作用下，可实现内轮351b的逆时针转动，反之，所述比例轮350的外轮351a在第二柔性体360的拉动下实现外轮351a的顺时针转动。

进一步，所述比例轮350中内、外轮的直径的比例可根据连接器340上外部构件的重量以及弹簧的弹性系数等参数设定。一般而言，所述内轮351b的直径大于其外轮351a的直径，这样配平结构401只需要输出较小的力即可配平连接器340以及外部构件的重力。但是，实际上，所述比例轮350的比例，本发明不作具体限定，只要能够满足力矩平衡即可，例如满足：配平重力*外轮的直径等于弹簧力*内轮的直径。

较佳地，所述配平结构401为一恒力弹簧，所述恒力弹簧用以对比例轮施加恒定的力矩。采用恒力弹簧作为重力平衡的主要结构，重力平衡效果好，而且也无需经过繁琐的平衡计算，简化了对内轮351b的形状，优化了重力配平的过程；同时，采用第一柔性体402作为重力配平的传动控制，在保证重力平衡效果的基础下，较大节省了结构空间。

进一步，所述重力平衡机构4还包括一弹簧接头403，所述弹簧接头403设置于恒力弹簧的输出端，所述第一柔性体402连接弹簧接头403的另一端。以下实施例以恒力弹簧作为例子，进一步说明本发明的机械臂。

首先，继续参阅图1，所述机械臂还包括水平移动关节1，所述水平移动关节1通过连接臂2与竖直移动关节3连接，用以驱动与连接器340连接的所述外部构件沿水平方向移动。

具体的，所述连接臂2的一端固定连接水平移动关节1，所述连接臂2的另一端连接竖直移动关节3；其中：所述水平移动关节1可连接一外部固定架，并用以沿水平方向移动。

本实施例中，优选通过手动方式驱动水平移动关节1和竖直移动关节3运动，也就是所述机械臂采用被动调整的方式，驱动水平移动关节1和竖直移动关节3运动。所谓“被动调整”指的是对水平移动关节1和竖直移动关节3人为的施加力，使它们运动，而非采用电机或其他驱动手段来实现相应的运动。这是因为，在手术过程中，所述机械臂需要处于“锁死状态”，而通过电机等进行锁死易发生故障，可靠性不高。

此外，本领域技术人员应当知晓，所述水平移动关节1的水平运动可通过连接臂2传递至竖直移动关节3，这样竖直移动关节3上的连接器340便具备水平方向以及竖直方向的运动。本实施例的机械臂仅通过一个水平移动关节1和一个竖直移动关节3实现平面运动，相比于现有通过多个旋转关节来实现机械臂的平面运动，减少了运动关节的数量，简化了机械臂的结构，而且两个移动关节之间互不影响(即两个移动关节可分开单独运动)，因而，运动简单，控制难度低。以下实施例以水平移动关节1沿水平方向运动作为示意，更进一步详细说明本发明的机械臂。

首先，继续参阅图2～5，所述重力平衡机构4优选设置于连接臂2的内腔中，在可实现自身功能且不影响其他机构的情况下，有效缩减了机械臂的外形尺寸。更优选地，所述比例轮350也设置于连接臂2的内腔中。

其次，图2～5所揭示的实施例中，所述恒力弹簧的一端固设在连接臂2的腔壁上，另一端连接第一柔性体402的一端。

此外，所述重力平衡机构4还包括水平放置于连接臂2中的滑动槽404，所述弹簧接头403设置于滑动槽404中可自由滑动，所述滑动槽404用以约束弹簧接头403，使弹簧接头403仅沿水平方向运动，以降低重力平衡过程中第一柔性体402受到的摩擦力，确保重力配平的效果。换而言之，在滑动槽404的约束下，所述第一柔性体402位于滑动槽404中的部分沿水平方向运动。

另外，所述重力平衡机构4还包括一第一转向轮405，设置于比例轮350的一侧(图2～5中为比例轮350的上侧)；与恒力弹簧连接后，所述第一柔性体402延伸经过第一转向轮405的转向后围绕连接内轮351b。特别地，所述第一柔性体402位于恒力弹簧以及第一转向轮405之间的部分沿水平方向延伸，所述第一柔性体402位于第一转向轮405与内轮351b之间的部分垂直于水平方向延伸，如此可确保恒力弹簧的输出力恒定，又可合理利用连接臂2的内部空间，还可减小运动传递的摩擦力。

进一步，所述第一传动机构还包括第二转向轮371、第三转向轮372、第四转向轮373以及第五转向轮374，所述第三转向轮372位于比例轮350的远端，所述第二转向轮371位于第三转向轮372的上侧，所述第四转向轮373位于第二转向轮371的远端上侧，所述第五转向轮374位于第三转向轮372的远端下侧；所述第一延伸部的一端与第一本体的第一端连接，并延伸通过第二转向轮371和第四转向轮373，然后所述第一延伸部的另一端与连接器340的上部连接，所述第二延伸部的一端与所述第一本体的第二端连接，并延伸通过第三转向轮372和第五转向轮374，然后所述第二延伸部的另一端与连接器340的下部连接，所述第一延伸部延伸通过第二转向轮371转向后的延伸方向与第二延伸部延伸通过第三转向轮372后的延伸方向相背离，所述第一本体的第二延伸部延伸通过第四转向轮373转向后的延伸方向与第一本体的第二延伸部延伸通过第五转向轮374后的延伸方向相向，而且，位于第四转向轮373与连接器340之间的第二柔性体360与位于第五转向轮374与连接器340之间的第二柔性体360共线或相互平行，位于第四转向轮373与第二转向轮371之间的第二柔性体360与位于第五转向轮374与第三转向轮372之间的第二柔性体360共线或相互平行，位于第四转向轮373与连接器340之间的第二柔性体360与位于第四转向轮373与第二转向轮371之间的第二柔性体360相互平行。这样的设置，可有效节省第二柔性体360的走线空间，保证丝传动运行顺利，减小第一传动机构的体积。

更进一步，所述第二转向轮371、第三转向轮372、第四转向轮373和第五转向轮374均设置于竖直移动关节3上。

优选实施例中，所述第一传动机构还包括位于第二转向轮371近端的第一转向轮组375(包括两个同轴布置且可各自转动的第六转向轮和第七转向轮)；所述第二柔性体360之第一延伸部与所述第一本体的第一端连接后，延伸通过第一转向轮组中的一转向轮，再延伸通过第二转向轮371和第四转向轮373与连接器340的上部连接，所述第二柔性体360之第二延伸部与所述第一本体的第二端连接后，延伸通过第一转向轮组中的另一个转向轮，再延伸通过第三转向轮372和第五转向轮374与连接器340的下部连接。所述第一转向轮组375优选设置于连接臂2中。优选，位于第一转向轮组与第二转向轮371之间的第二柔性体360大体上平行于水平方向，和/或位于第一转向轮组与第三转向轮372之间的第二柔性体360大体上平行于水平方向。本实施例采用一个或多个转向轮实现柔性体的转向，可以充分节省第一传动机构的结构空间。

再进一步，所述第一传动机构还包括第一制动轮380(清楚显示于图2～5)，从外轮351a的外围延伸出的第二柔性体360之第一本体的第一端围绕第一制动轮380，然后与第一延伸部连接，且第一端围绕第一制动轮380的方向与第一端围绕外轮351a外围的方向相反。优选，所述第一制动轮380同样设置于连接臂2中。同上，这里的“第一本体的第一端围绕外轮351a外围的的方向”，为第一本体的第一端从第一本体与外轮351a固定的点出发围绕外轮351a的方向，同样“第一端围绕第一制动轮380的方向”为第一本体的第一端从第一端与外轮351a之间的切点出发围绕第一制动轮380的方向。

上述实施例中，所述第一传动机构所包括的转向轮的数量包括但并不局限于图2～5中示出的数量，不应以此作为对本发明的限定。此外，每个转向轮既可以自转也可固定，优选可自转，运动摩擦力小。

结合图3，所述第一传动机构的工作原理如下：

当所述第一制动轮380不工作时(即第一制动轮380可以自由转动)：推动竖直移动关节3之滑块330上下运动，便可带动连接器340上下运动，且连接器340上下运动时，所述第二柔性体360之第一延伸部和第二延伸部同向运动，同向运动过程中，带动第一制动轮380转动；同时，所述连接器340上下运动过程中，所述重力平衡机构4通过配平结构401(例如恒力弹簧)、第一柔性体402以及比例轮350、第二柔性体360输出恒力实现对连接器340上外部构件的配平；

当所述第一制动轮380工作时(即第一制动轮380被固定而无法转动)：所述第二柔性体360受到第一制动轮380的约束而无法运动，致使末端的连接器340也无法进一步运动，从而制动连接器340。

一个实施例中(未图示)，上述第一制动轮380包括第一转轴和固连于所述第一转轴上的滚轮，所述第一转轴的两端通过轴承约束于连接臂2上，并可转动，同时所述滚轮可与所述第一转轴一起转动；所述滚轮上围绕有第二柔性体360(更具体为第一本体)。所述第一制动轮380还包括第一定子和第一转子；第一定子固定于连接臂2上，并围绕所述第一转轴布置；第一转子固定于所述第一转轴上，并与第一定子轴向匹配布置。第一制动轮380工作时，第一定子和第一转子抱合，可使所述第一转轴与连接臂2紧固，而不发生相对的转动，从而制动连接器340；第一制动轮380不工作时，第一定子和第一转子分离，所述滚轮可随所述第一转轴自由转动，从而通过第二柔性体360传递运动，实现连接器340的竖直运动。

之后，继续参阅图2，除上述连接器340外，所述竖直移动关节3还包括底板310、固设于底板310上的竖直导轨320以及滑动设置于竖直导轨320上的滑块330，所述连接器340固定在滑块330上，所述滑块330可在竖直导轨320上上下滑动。所述底板310之背面连接连接臂2，所述竖直导轨320沿竖直方向固设于底板310之正面上。

对本发明的竖直移动关节3、重力平衡机构4以及第一传动机构作了详细说明后，以下实施例将详细描述本发明的水平移动关节1。

本实施例中，所述水平移动关节1包括N个上下堆叠的水平移动模块；第一个水平移动模块与所述外部固定架连接，其余水平移动模块用以沿水平方向运动，第m个水平移动模块滑动连接第m-1个水平移动模块，以使第m个水平移动模块可在第m-1个水平移动模块上滑动，第N个水平移动模块连接连接臂2；其中，N为大于或等于2的自然数，m为2至N中的所有自然数。举例来说，若N等于3，则m取值为2和3，此时，第三个水平移动模块滑动连接第二个水平移动模块，第二个水平移动模块滑动连接第一个水平移动模块，第三个水平移动模块与连接臂2连接。

本实施例的机械臂采用多个水平移动模块实现水平移动关节1在水平方向上的运动，相比于一个水平移动模块，多个水平移动模块可以增大水平移动关节1的行程，使得水平移动关节1的运动范围更大，调整效率更高，同时也可缩小水平移动关节1沿水平方向的尺寸，进而降低机械臂的占用空间。

进一步，每个水平移动模块均包括一个底块。除第N个水平移动模块外，其余各个水平移动模块均还包括固设于其底块上的水平导轨以及滑动设置于所述水平导轨上的滑块，所述滑块可在所述水平导轨上水平滑动。

更进一步，第一个水平移动模块之底块与所述外部固定架连接，第m个水平移动模块之底块固设于第m-1个水平移动模块之滑块上，第N个水平移动模块之底块与连接臂2连接。具体而言，若N等于3，则m为2和3：那么，第三个水平移动模块之底块固设于第二个水平移动模块之滑块上，第二个水平移动模块之底块固设于第一个水平移动模块之滑块上，第一个水平移动模块之底块与所述外部固定架连接，且第三个水平移动模块之底块与连接臂2连接，正如图2示出的水平移动关节，其具有三个水平移动模块。

图6是本发明实施例一的水平移动关节的结构示意图。所述水平移动关节1包括三个水平移动模块，分别是第一个水平移动模块110、第二个水平移动模块120和第三个水平移动模块130。所述第一个水平移动模块110固设于手术机器人的基座上，并包括第一底块111、固设于第一底块111上的第一水平导轨112以及滑动设置于第一水平导轨112上的第一滑块113；所述第二个水平移动模块120包括固设于第一滑块113上的第二底块121、固设于第二底块121上的第二水平导轨122以及滑动连接于第二水平导轨122上的第二滑块123；所述第三个水平移动模块130包括固设于第二滑块123上的第三底块131；所述连接臂2固定连接第三底块131。

可以理解的是：通过推动第一滑块113运动，可以驱动第二底块121在第一底块111上做直线运动，相应地，通过推动第二滑块123运动，可驱动第三底块131在第二底块121上做直线运动。在此，本领域技术人员应当知晓：所述第一底块111固定于任意符合标准的平面上，其始终保持不动，而所述第二底块121仅在第一滑块113的带动下运动，而所述第三底块131既可以在第一滑块113的带动下运动，也可以在第二滑块123的驱动下运动，如此，两个直线运动相互串联，相比于同等长度下的单级滑动副，二级滑动副的串联结构增大了水平移动的行程。

在另一些实施例中，所述水平移动模块的数量还可以为两个，可以为三个以上，例如四个或更多个，具体本发明并不限定。本实施例的机械臂通过水平导轨和滑块相结合的方式实现水平移动关节1的水平运动，结构简单，运动可靠，实施方便。

进一步，所述机械臂还包括一第二传动机构，用以对水平移动关节1的运动进行控制，具体如图7所示，其是本发明实施例一的水平移动关节的第三柔性体传动结构示意图。

其中，水平移动关节1包括三个水平移动模块，所述第二传动机构包括第二制动轮140和第三柔性体150，所述第二制动轮140设置于第三个水平移动模块之第三底块131上；所述第三柔性体150包括第二本体、第三延伸部以及第四延伸部，所述第二本体包括第三端和第四端；所述第二本体围绕并部分固连第一制动轮140，优选围绕的长度大于或等于所示水平移动关节1的行程，所述第三延伸部的一端与第二本体的第三端连接，所述第四延伸部的一端与第二本体的第四端连接，所述第三延伸部的另一端与第一个水平移动模块之第一底块111的左端连接，所述第四延伸部的另一端与第一底块111的右端连接，第三延伸部、第四延伸部被布置为当水平移动关节移动时，所述第三延伸部和第四延伸部的位移变化量相等。“位移变化量”同上所述，这里可以更具体理解为第三柔性体、或其部分，如第三延伸部、第四延伸部移动的距离。所述第二制动轮140用以通过第三柔性体150限制第N个水平移动模块之底块的水平运动，从而限制机械臂的水平运动。而，所述第三端部和第四端部的位移变化量相等，这样可以使第三柔性体150每处的张力保持基本一致，有利于对水平移动关节移动的控制。

进一步，所述第二传动机构还包括第一滑轮161以及第二滑轮162，所述第三延伸部的另一端通过第二滑轮162转向后与第一个水平移动模块之第一底块111的左端连接，且所述第三延伸部进入第二滑轮162的方向与离开第二滑轮162的方向平行，所述第四延伸部的另一端通过第一滑轮161转向后与第一个水平移动模块之第一底块111的右端连接，所述第四延伸部进入第一滑轮161的方向与离开第一滑轮161的方向平行，所述第三延伸部离开第二滑轮162的方向与所述第四延伸部离开该第一滑轮161的方向平行或者共线。

更进一步，所述第二传动机构还包括第三滑轮163、第四滑轮164、第五滑轮165以及第六滑轮166，其中，第三滑轮163、第四滑轮164位于第三底块上并设置于第二制动轮140的左侧，第四滑轮164位于第三滑轮163左侧，第五滑轮166、第六滑轮166设置于第二底块121上并位于第二底块121的上部，第六滑轮166位于第四滑轮164左侧，第五滑轮165位于第三滑轮163右侧，第一滑轮161和第二滑轮162设置于第二底块121上并位于第二底块121的底部，第一滑轮161位于第二滑轮162右侧，且位于第五滑轮165左侧，所述第二滑轮162位于第六滑轮166右侧。

在图7所示的实施例中，所述第三延伸部与第二本体的第三端连接后延伸通过第四滑轮164、第六滑轮166和第二滑轮162，然后与第一个水平移动模块之第一底块111的左端连接；所述第四延伸部与第二本体的第四端连接后延伸通过第三滑轮163、第五滑轮165和第一滑轮161，然后与第一底块111的右端连接。所述第三延伸部延伸通过第四滑轮164后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第三滑轮163后的延伸方向相背离，所述第三端部延伸通过第六滑轮166后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第五滑轮165后的延伸方向相向，所述第三端部延伸通过第二滑轮161后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第一滑轮161后的延伸方向相背离。毫无疑问，所述第三延伸部和第四延伸部被配置为当水平移动关节1移动时：所述第三延伸部进入第二滑轮162的方向与离开第二滑轮162的方向平行，所述第四延伸部进入第一滑轮161的方向与离开第一滑轮161的方向平行，所述第三延伸部离开第二滑轮162的方向与所述第四延伸部离开第一滑轮161的方向平行或者共线。

更为具体地说，位于第六滑轮166与第二滑轮162之间的第三柔性体150延伸方向与位于第二滑轮162与第一底块111左端固定点之间的第三柔性体150延伸方向平行，位于第一滑轮161与第五滑轮165之间的第三柔性体150延伸方向与位于第一滑轮161与第一底块111右端固定点之间的第三柔性体150延伸方向平行，第六滑轮166与第一底块111左端固定点之间的第三柔性体150延伸方向与第五滑轮165与第一底块111右端固定点之间的第三柔性体150延伸方向平行。在此，本领域技术人员知悉的是：当水平移动关节1移动时，所述第三柔性体150的第三延伸部和第四延伸部的位移变化量相等，可确保柔性体运动的张力保持一致，提高传递的可靠性，以避免因柔性体的伸缩行程不等导致的运动问题。此外，本发明之第二传动机构中滑轮的数量并不局限于图7中示出的数量，不应以此作为对本发明的限定。另外，滑轮既可以自转也可固定，优选可自转，运动摩擦力小。

结合图7，所述第二传动机构的工作原理如下：

当所述第二制动轮140不工作时(即第二制动轮140可自由转动)，推动第一滑块113向箭头R方向运动时，所述第三底块131(运动的输出部分)在第一滑块113的带动下同步向R方向运动，此时，可实现水平移动关节1向R方向运动的功能；当然，推动第二滑块123向箭头R方向运动时，所述第三底块131也可在第二滑块123的带动下同步向R方向运动，此时，相应可实现水平移动关节1向R方向运动的功能；

反之，推动第一滑块113或第二滑块123箭头L方向运动，可驱动第三底块131向R方向运动，即实现了水平移动关节1向L方向的运动；

当所述第二制动轮140工作时(即第二制动轮140固定而不转动)，所述第三底块131即保持不动，也就是相对于第一底块111静止，具体地说，一旦所述第三底块131运动至所需的位置时，通过开启第二制动轮140，即可制动第三底块131，使得第一底块111和第三底块131保持相对的静止；然而，此时的第二底块121仍可运动，但由于最终的水平运动由第三底块131输出，因而，所述第二底块121的运动不会影响机械臂的水平运动输出，故所述第二底块121的运动属于无效运动。

本实施例的机械臂基于柔性体对水平移动关节1的运动进行控制，相比于传统的连杆传动机构，柔性传动机构具有质量轻、体积小、结构简单、调整方便等优点，因而，本实施例的机械臂重量轻、占用空间小、运动控制结构简单，且可使水平移动关节1的运动更为精准可靠，进而保证了机械臂水平运动的可靠性。

本实施例中(未图示)，上述第二制动轮140的结构原理以及工作方式与第一制动轮380的相似，在此不再详细说明。

进一步，对于图7示出的第三柔性体传动结构，所述第三滑轮163位于第二制动轮140的下方之转轴的左侧，优选邻近第三底块131的中间位置；所述第四滑轮164设置于第三底块131沿运动方向的左端；所述第五滑轮165设置于第二底块121沿运动方向的右端(当第二制动轮140位于第三底块131的右端)时；所述第六滑轮166设置于第二底块121沿运动方向的左端；所述第一滑轮161位于第五滑轮165的下方，优选邻近第二底块121的中间位置；所述第一滑轮161邻近第二底块121的中间位置；这样的布置方式，不仅增大了水平移动关节1的运动行程，而且节省了走线空间。

在另一实施例中，所述水平移动关节1仅包括两个水平移动模块，例如图8所示。图8是本发明实施例一的另一水平移动关节的第三柔性体传动结构示意图。

与图7不同的是，图8示出的实施例中，所述第二传动机构只包括两个滑轮，分别是第三滑轮163以及第四滑轮164；其中，所述第二制动轮140设置于第二个水平移动模块之第二底块121上；除了取消第五滑轮166，第六滑轮165之外，所述第一滑轮161、第二滑轮162、第三滑轮163以及第四滑轮164以及第二制动轮140的相对位置关系与图7所示实施例类似。所述第三延伸部与第三柔性体150之第三端连接后延伸通过第四滑轮164和第二滑轮162，然后与第一个水平移动模块之第一底块111的右端连接；同时所述第四延伸部与第三柔性体150之第四端连接后延伸通过第三滑轮163和第一滑轮161，然后与第一个水平移动模块之第一底块111的左端连接。同样，所述第三延伸部延伸通过第四滑轮164后的延伸方向与第四延伸部延伸通过第三滑轮163后的延伸方向相背离，所述第三延伸部延伸通过第二滑轮162后的延伸方向与第四端延伸通过第一滑轮161后的延伸方向相向；并且，位于所述第四滑轮164与第二滑轮162之间的第三柔性体150延伸方向与位于第二滑轮162与第一底块111之一端固定点之间的第三柔性体150延伸方向平行，位于所述第一滑轮161与第三滑轮163之间的第三柔性体150延伸方向与位于第一滑轮161与第一底块111之另一端固定点之间的第三柔性体150延伸方向平行，位于第二滑轮162与第一底块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向与位于第一滑轮161与第一底块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行或共线。

进一步，参考图8，所述第三滑轮163设置于第二底块121上，并位于第二制动轮140的左侧下方，优选邻近第二底块121的中间位置；所述第四滑轮164设置于第二底块121上，并位于第三滑轮163的左侧，优选设置于第二底块121沿运动方向的左端；所述第一滑轮161设置于第一底块111上，并在第二制动轮140的右侧，优选设置于第一底块111的右端(第二制动轮140位于第二底块121的右端)；所述第二滑轮162设置于第一底块111上，优选设置于第一底块111沿运动方向的左端。

<实施例二>

与实施例一所不同的是：本实施例增加了一个旋转关节5，在实现平面运动的同时，还可以实现空间运动，具体如图9所示，其是本发明实例二的机械臂的结构示意图。

图9示出的实施例中，所述机械臂还包括一个旋转关节5，该旋转关节5包括外筒以及第二转轴。所述连接臂2的一端与水平移动关节1固定连接，所述连接臂2的另一端与旋转关节5之外筒连接，而所述旋转关节5之第二转轴连接竖直移动关节3；所述旋转关节5的轴线与连接器340的移动方向平行，用以驱动竖直移动关节3转动。

具体地，所述第二转轴设置于所述外筒内，且所述第二转轴与所述外筒转动连接，即所述外筒可相对于第二转轴转动。

可选，所述第二转轴与一连接件6(示出于图10)连接，而所述连接件6连接竖直移动关节3，例如与竖直移动关节3之底板310连接，进而，在所述第二转轴的带动下，所述底板310可相对于连接臂2转动。

参考图10，与实施例一不同的是：本实施例对第一传动机构中转向轮的数量以及位置作了一些调整。

与图3所示的实施例不同的是，本实施例的第一传动机构另增加了第二转向轮组376和第三转向轮组377。所述第二转向轮组包括第八转向轮和第九转向轮，所述第八转向轮和第九转向轮同轴布置且可各自转动，所述第三转向轮组包括第十转向轮和第十一转向轮，所述第十转向轮和第十一转向轮同轴布置且可各自转动。

其中，所述第二转向轮组、第三转向轮组位于第二转向轮371近端，且所述第二转向轮组位于第三转向轮组的上侧。所述第二柔性体360之第一延伸部连接第一本体的第一端后，延伸通过第一转向轮组375、第二转向轮组376和第三转向轮组377中的一个转向轮，再延伸通过第二转向轮371，第四转向轮373与连接器340的上部连接，所述第二延伸部连接第一本体的第二端后，延伸通过第一转向轮组375、第二转向轮组376、第三转向轮组377中的另一个转向轮，再延伸至第三转向轮372，第五转向轮374与连接器340的下部连接。同样，本实施例中，位于第四转向轮373与连接器340之间的第二柔性体360与位于第五转向轮374与连接器340之间的第二柔性体360共线或相互平行，位于第四转向轮373与第二转向轮371之间的第二柔性体360与位于第五转向轮374与第三转向轮372之间的第二柔性体360共线或相互平行，位于第四转向轮373与连接器340之间的第二柔性体360与位于第四转向轮373与第二转向轮371之间的第二柔性体360相互平行。

优选，位于第一转向轮组375与第二转向轮组375之间的第二柔性体360大体上平行于水平方向。优选，位于第三转向轮组377与第二转向轮371之间的第二柔性体360大体上平行于水平方向，和/或位于第三转向轮组377与第三转向轮372之间的第二柔性体360大体上平行于水平方向。

而且，图3示出的第二转向轮371、第三转向轮372均设置于邻近竖直移动关节3的上端，而图10示出的第二转向轮371、第三转向轮372均设置于邻近竖直移动关节3的下端。

本实施例中，所述第二滑轮组376置于旋转关节5之外筒内，所述第三滑轮组377置于连接件6内。而且，位于第二转向轮组376与第三转向轮组377部分的第二柔性体360延伸方向与旋转关节5的轴线共线。

至于重力平衡机构4，其与第一传动机构的连接方式与实施例一类似，本实施例不再详细叙述，具体可参阅实施例一。

除了通过水平移动模块的形式实现水平方向的运动外，所述水平移动关节1还可通过旋转关节实现水平运动(该方案未图示)。具体地说，所述水平移动关节1包括第一水平运动机构和第二水平运动机构；其中，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外部固定架；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与竖直移动关节3连接，所述第二水平运动机构与连接器340分布在竖直移动关节3的两侧；而且，所有的旋转关节的轴线相互平行，且与连接器340的移动方向平行。

或者，在本发明的另一个实施例中，所述连接器340固定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的另一端转动连接所述外部构件；所述第二水平运动机构的两端分别连接竖直移动关节3以及外部固定架，所述第二水平运动机构与连接器340分布在竖直移动关节3的两侧；同样地，该方案中，所有的旋转关节的轴线相互平行，且与连接器340的移动方向平行。

综上，上述实施例对竖直移动关节、水平移动关节以及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7、图8所示的实施例中，所述水平移动模块的数量不同，所述滑轮的数量可多可少，而且所述第二传动机构之第三柔性体之第三延伸部、第四延伸部与第一个水平移动模块的连接位置发生了变化，但只要保证当第一水平运动机构移动时，所述第三柔性体之第三延伸部、第四延伸部位移变化量相等即可。此外，图9、图10所示的实施例中，在机械臂上增加了一个旋转关节，相应所述第一传动机构增加了一个或多个转向轮，对应所述第一传动机构之转向轮的布置以及第二柔性体的延伸方向也发生了变化，但只要所述第二柔性体经过旋转关节时延伸方向与旋转关节轴线共线即可。而且，本发明的柔性体可包括丝、绳、带等柔性结构。

综上所述，本发明的机械臂仅通过一个水平移动关节1和一个竖直移动关节3实现平面运动，运动关节少，结构关系简单；而且两个移动关节之间互不影响(即两个移动关节分开单独运动)，因而，运动简单，控制难度也低。

进一步，本发明的机械臂之水平移动关节通过多个上下堆叠且滑动连接的水平移动模块实现水平方向的运动，相比于仅通过一个水平移动模块实现水平方向的运动，多个水平移动模块可以增大水平移动关节的行程，使得运动范围更大，调整效率更高，同时也缩小了水平移动关节沿水平方向的尺寸，机械臂的占用空间小。此外，应认识到本发明的机械臂之水平移动关节不局限于多个上下堆叠且滑动连接的水平移动模块来实现，也可以通过多个旋转关节的组合等方式来实现，这些水平移动关节都在本发明的保护范围内。

特别地，本发明的机械臂之水平移动关节和竖直移动关节分别通过第一传动机构和第二传动机构进行运动控制，使得水平移动关节和竖直移动关节的运动更为精准可靠，进而保证了机械臂的可靠性；而且，相比于传统的连杆传动机构，柔性传动机构具有质量轻、体积小、结构简单、调整方便等优点，因而，本发明的机械臂重量轻、占用空间小、运动控制结构简单。

更特别地，本发明的机械臂之重力平衡机构通过柔性体与第一传动机构串联，实现了对竖直移动关节上的外部构件的重力配平，由于将重力平衡机构与传动机构进行了串联，简化了配平与传动结构，控制更为简单。同时，重力平衡机构和至少部分传动机构置于连接臂的内腔中，减少了机械臂的体积，提高了可靠性。

进一步(未图示)，本实施例提供了一种手术机器人，其包括上述实施例的机械臂。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。本实施例的机械臂尤其适用于进行微创伤手术的手术机器人，手术过程更为安全、可靠。

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 (9)

1.一种机械臂，包括水平移动关节、竖直移动关节和第二传动机构；所述水平移动关节用以沿水平方向运动，以驱动所述竖直移动关节沿水平方向运动，所述竖直移动关节用以沿竖直方向移动；

所述水平移动关节包括N个上下堆叠的水平移动模块；第一个水平移动模块用以连接一外部固定架，其余水平移动模块用以沿水平方向运动；第m个水平移动模块滑动连接第m-1个水平移动模块，第N个水平移动模块连接所述竖直移动关节；N为大于或等于2的自然数，m为2至N中的自然数；

所述第二传动机构包括第二制动轮和第三柔性体；所述第二制动轮设置于第N个水平移动模块上；所述第三柔性体包括第二本体、第三延伸部以及第四延伸部，所述第二本体包括第三端和第四端；所述第二本体围绕并部分固连所述第二制动轮，所述第三端与所述第三延伸部的一端连接，所述第四端与所述第四延伸部的一端连接，所述第三延伸部的另一端与第一个水平移动模块的一端连接，所述第四延伸部的另一端与第一个水平移动模块的另一端连接；

所述第三延伸部和所述第四延伸部被布置为当所述水平移动关节移动时，所述第三延伸部和所述第四延伸部的位移变化量相等。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第二传动机构还包括第一滑轮和第二滑轮；

所述第三延伸部的另一端通过所述第二滑轮转向后与所述第一个水平移动模块的一端连接，且所述第三延伸部进入所述第二滑轮的方向与离开所述第二滑轮的方向平行；所述第四延伸部的另一端通过所述第一滑轮转向后与所述第一个水平移动模块的另一端连接，所述第四延伸部进入所述第一滑轮的方向与离开所述第一滑轮的方向平行，所述第三延伸部离开所述第二滑轮的方向与所述第四延伸部离开所述第一滑轮的方向平行或者共线。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述水平移动模块为两个，所述第二传动机构还包括第三滑轮和第四滑轮；

所述第三滑轮和所述第四滑轮位于第二个水平移动模块上并设置于所述第二制动轮的不同侧，所述第一滑轮和所述第二滑轮位于第一个水平移动模块上；所述第三延伸部与所述第三端连接后延伸通过所述第四滑轮、所述第二滑轮与第一个水平移动模块的一端连接；所述第四延伸部与所述第四端连接后延伸通过第三滑轮、所述第一滑轮与第一个水平移动模块的另一端连接；

所述第三延伸部延伸通过所述第四滑轮后的延伸方向与所述第四延伸部延伸通过所述第三滑轮后的延伸方向相背离，所述第三延伸部延伸通过所述第二滑轮后的延伸方向与所述第四延伸部延伸通过所述第一滑轮后的延伸方向相向；

并且，位于所述第二滑轮与所述第四滑轮之间的第三柔性体延伸方向与位于所述第二滑轮与第一个水平移动模块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行；位于所述第一滑轮与所述第三滑轮之间的第三柔性体延伸方向与位于所述第一滑轮与第一个水平移动模块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行；位于所述第二滑轮与第一个水平移动模块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向与位于所述第一滑轮与第一个水平移动模块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行或共线。

4.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述水平移动模块为三个，所述第二传动机构还包括第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮和第六滑轮；

所述第三滑轮和所述第四滑轮位于第三个水平移动模块上并设置于所述第二制动轮的不同侧，所述第五滑轮和所述第六滑轮位于第二个水平移动模块上并设于上部，所述第一滑轮和所述第二滑轮位于所述第二个水平移动模块上并设于下部；所述第三延伸部与所述第三端连接后延伸通过所述第四滑轮、所述第六滑轮和所述第二滑轮与第一个水平移动模块的一端连接；所述第四延伸部与所述第四端连接后延伸通过所述第三滑轮、所述第五滑轮和所述第一滑轮与第一个水平移动模块的另一端连接；

所述第三延伸部延伸通过所述第四滑轮后的延伸方向与所述第四延伸部延伸通过所述第三滑轮后的延伸方向相背离，所述第三延伸部延伸通过所述第六滑轮后的延伸方向与所述第四延伸部延伸通过所述第五滑轮后的延伸方向相向，所述第三延伸部延伸通过所述第二滑轮后的延伸方向与所述第四延伸部延伸通过所述第一滑轮后的延伸方向相背离；

并且，位于所述第六滑轮与所述第二滑轮之间的第三柔性体延伸方向与位于所述第二滑轮与第一个水平移动模块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行；位于所述第五滑轮与所述第一滑轮之间的第三柔性体延伸方向与位于所述第一滑轮与第一个水平移动模块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行；位于所述第二滑轮与第一个水平移动模块之一端固定点之间的第三柔性体延伸方向与位于所述第一滑轮与第一个水平移动模块之另一端固定点之间的第三柔性体延伸方向平行或共线。

5.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，每个水平移动模块均包括一个底块；第m-1个水平移动模块还包括固设于其底块上的水平导轨和滑动设置于所述水平导轨上的滑块；第m-1个水平移动模块的滑块与第m个水平移动模块的底块连接。

6.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述竖直移动关节具有一连接器，以驱动与所述连接器连接的外部构件沿竖直方向移动；

所述竖直移动关节还包括底板和固设于所述底板上的竖直导轨；所述底板之背面连接所述水平移动关节，所述竖直导轨固设于所述底板之正面上，所述连接器滑动设置于所述竖直导轨上。

7.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述水平移动关节通过一连接臂与所述竖直移动关节连接。

8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括旋转关节，所述连接臂通过所述旋转关节与所述竖直移动关节连接；所述旋转关节的轴线与所述竖直移动关节的移动方向平行，以驱动所述竖直移动关节转动。

9.一种手术机器人，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项所述的机械臂。