CN113017840B - 主操作手及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主操作手，包括手臂组件、手腕组件和平衡结构。手臂组件具有安装端和连接端，安装端能够与主操作手的支撑基体进行固定连接，手臂组件具有至少一个活动自由度。手腕组件活动设置于手臂组件的连接端，手腕组件允许操作者执行对应的操作。平衡结构包括手臂平衡组件和手腕平衡组件，平衡组件设置于手臂组件和/或手腕组件的转动关节处，用于平衡转动关节处由于手臂组件和/或手腕组件的自重所导致的关节重力距。本发明还涉及包括上述主操作手的手术机器人。上述主操作手及手术机器人，能够有效平衡所述转动关节处由于所述手臂组件和/或所述手腕组件自重所导致的关节重力距，进而缓解或者避免长时间操作的医生产生疲劳，提升手术效率。

Description

主操作手及手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及主操作手及手术机器人。

背景技术

手术机器人在外科手术过程中能够辅助医生进行更精准的操作。在使用手术机器人的外壳手术过程中，医生需要将注册探针、手术器械(比如手术刀、缝合结构)等末端工具根据当前手术进程的需要安装到手术机器人的从机械臂，然后医生操作手术机器人的主操作手，从机械臂在主操作手的控制下执行相应的操作。在机器人手术中，医生需要长时间操作主操作手，主操作手的重力平衡效果会直接影响医生操作的疲劳度。一般的主操作手中重力平衡效果较差，在长时间的操作中，医生会感觉非常疲劳，影响操作效果。

发明内容

基于此，有必要针对一般的主操作手中重力平衡效果较差进而容易引发医生疲劳的问题，提供一种重力平衡效果较好的主操作手及手术机器人。

一种主操作手，包括：

手臂组件，具有安装端和连接端，所述安装端能够与所述主操作手的支撑基体进行固定连接，所述手臂组件具有至少一个活动自由度；

手腕组件，活动设置于所述手臂组件的所述连接端，所述手腕组件允许操作者执行对应的操作；

平衡结构，所述平衡结构包括手臂平衡组件和手腕平衡组件，所述手臂平衡组件和所述手腕平衡组件分别设置于所述手臂组件和所述手腕组件的转动关节处，用于平衡所述转动关节处由于所述手臂组件和/或所述手腕组件的自重所导致的关节重力矩。

在其中一个实施例中，所述手臂组件构造为平行四边形机构，所述手臂平衡组件设置于所述平行四边形机构的一转动关节处；在所述转动关节处，所述平行四边形机构的连杆延伸出所述转动关节。

在其中一个实施例中，所述手臂平衡组件为两个，一个所述手臂平衡组件连接于所述转动关节处的一个平行四边形连杆。

在其中一个实施例中，所述手臂平衡组件包括手臂平衡弹簧，所述手臂平衡弹簧的两端分别与所述平行四边形连杆的延伸端以及所述转动关节的支撑基体连接。

在其中一个实施例中，所述手臂平衡组件还包括手臂平衡绳索和转向轮，所述转向轮设置于所述转动关节的支撑基体，所述手臂平衡弹簧的一端与所述手臂平衡绳索连接，所述手臂平衡弹簧的另一端与所述转动关节的支撑基体连接，所述手臂平衡绳索的另一端与所述转动关节连接，所述手臂平衡绳索绕过所述转向轮并改变延伸方向，使得所述手臂平衡绳索与所述手臂平衡弹簧的轴线方向成夹角。

在其中一个实施例中，所述转动关节由驱动件进行驱动，所述驱动件与所述平行四边形连杆的延伸端传动连接，所述驱动件相对于所述转动关节的重力矩至少部分平衡所述手腕组件和/或所述手臂组件相对于所述转动关节的重力矩；所述手臂平衡绳索远离所述手臂平衡弹簧的一端连接于所述驱动件的输出轴；所述手臂平衡弹簧的刚度系数和所述平行四边形连杆的延伸长度保证所述主操作手动作过程中的势能不变。

在其中一个实施例中，所述手腕组件包括手腕转动关节，所述手腕转动关节具有手腕转轴；所述平衡结构包括手腕平衡组件，所述手腕平衡组件设置于所述手腕转动关节，所述手腕平衡组件包括手腕平衡弹簧，所述手腕平衡弹簧的两端分别与所述手腕转动关节以及所述手腕转动关节的支撑基体连接，所述手腕平衡弹簧的弹性力至少部分平衡所述手腕组件对所述手腕转轴的重力矩。

在其中一个实施例中，所述手腕转动关节具有手腕转轴，所述手腕平衡组件还包括转轮和手腕平衡绳索，所述转轮与所述手腕转轴保持同步转动，所述手腕平衡弹簧的一端与所述手腕平衡绳索连接，所述手腕平衡弹簧的另一端与所述手腕转动关节的支撑基体连接，所述手腕平衡绳索的另一端缠绕于所述转轮。

在其中一个实施例中，所述转轮为凸轮，所述手腕转动关节在转动到与重力方向成任意夹角处，所述手腕转轴上的重力矩与所述凸轮和所述手腕平衡弹簧形成的平衡力矩大小相同，其作用方向与所述重力矩方向相反。

一种手术机器人，包括从机械臂、内窥镜图像系统以及上述各个实施例中任一项所述的主操作手，所述主操作手与所述从机械臂连接，所述内窥镜图像系统用于显示手术区域的图像。

上述主操作手及手术机器人，手腕组件安装在手臂组件上进而便于操作者根据实际工况进行操作。同时平衡结构安装在手臂组件和/或手腕组件上，或者平衡结构安装在手臂组件和手腕组件之间，能够有效平衡所述转动关节处由于所述手臂组件和/或所述手腕组件的自重所导致的关节重力矩，进而缓解或者避免长时间操作的医生产生疲劳，提升手术效率。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的主操作手结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的手臂组件结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的第一转动关节结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的第二转动关节结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的第三转动关节结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的第四转动关节示意图；

图7为本发明一实施例提供的第二转动关节处重力平衡结构示意图；

图8为本发明一实施例提供的第三转动关节处重力平衡结构示意图；

图9为本发明一实施例提供的手臂组价重力平衡力学计算示意图；

图10为本发明一实施例提供的手腕组件第一视角示意图；

图11为本发明一实施例提供的手腕组件第二视角示意图；

图12为本发明一实施例提供的第五转动关节处重力平衡力学计算示意图；

图13为本发明另一实施例提供的第五转动关节处重力平衡力学计算示意图。

其中：10、主操作手；100、手臂组件；110、第一转动关节；111、主手基板；112、第一安装板；113、第一驱动电机；114、第一绕线轮；120、第二转动关节；121、第二安装板；122、第二驱动电机；123、第二绕线轮；124、绕线筒；125、从绕线轮；126、第二连接板；130、第三转动关节；131、第三驱动电机；132、安装连杆；200、手腕组件；210、第四转动关节；211、第四驱动电机；212、第四绕线轮；213、第五绕线轮；220、第五转动关节；221、第五基座；310、第二平衡弹簧；320、第二钢丝绳；330、第二换向轮；410、挂钩；420、拉线柱；430、第三钢丝绳；440、第三转向轮；450、第三平衡弹簧；510、凸轮；520、第五钢丝绳；530、第五平衡弹簧；A1、第一转轴；A2、第二转轴；A3、第三转轴；A4、第四转轴；A5、第五转轴。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

具有主操作手以及从机械臂的手术机器人能够辅助医生进行更准确的手术操作。同时，主操作手的操作便捷程度也是影响医生手术过程的关键因素之一。本发明提供一种主操作手及对应的手术机器人，能够以力(力矩)平衡的方式缓解甚至避免医生在操作过程中产生疲劳，进而保证手术效果。

如图1-6所示，在本发明一实施例中，主操作手10包括手臂组件100、手腕组件200以及平衡结构。手臂组件100具有安装端和连接端，安装端能够与主操作手10的支撑基体进行固定连接，手臂组件100具有至少一个活动自由度。手腕组件200活动设置于手臂组件100的连接端，手腕组件200允许操作者执行对应的操作，比如转动或者夹持等。平衡结构包括手臂平衡组件和手腕平衡组件，手臂平衡组件和手腕平衡组件分别设置于手臂组件100和手腕组件200的转动关节处，在主操作手10动作的过程中平衡结构用于平衡转动关节处由于手臂组件100和/或所述手腕组件200的自重所导致的关节重力矩。上述主操作手10，手腕组件200安装在手臂组件100上进而便于操作者根据实际工况进行操作。同时平衡结构安装在手臂组件100和/或手腕组件200上，或者平衡结构安装在手臂组件100和手腕组件200之间，能够有效平衡转动关节处由于手臂组件100和/或手腕组件200的自重所导致的关节重力矩，进而缓解或者避免长时间操作的医生产生疲劳，提升手术效率。

可选的，手臂组件100和/或手腕组件200的活动可以是平动、转动或者其他类型的运动。对应的，平衡结构也根据手臂组件100和/或手腕组件200的运动类型进行适应性的变化。以下各个实施例仅以手臂组件100内部关节的转动以及手腕组件200内部关节的转动为例进行说明。可以理解的，手臂组件100和/或手腕组件200进行其他类型的运动时，平衡结构可以基于以下实施例中的形式进行合理变形得到。

如图1-6所示，在本发明一实施例中，手臂组件100包括手臂转动关节，手臂转动关节设置于安装端和连接端之间，手臂转动关节转动时带动连接端以及手腕组件200同步转动。手臂转动关节具有手臂转轴，手臂转轴的轴向与手腕组件200的重力方向垂直，进而手腕组件200的重力会对手臂转轴形成一定的重力矩。手臂平衡组件设置于手臂组件100，手臂平衡组件包括手臂平衡弹簧，手臂平衡弹簧的两端分别与手臂转动关节以及手臂转动关节的支撑基体连接，手臂平衡弹簧的弹性力对手臂转轴的平衡力矩至少部分平衡手腕组件200对手臂转轴的重力矩。手臂平衡弹簧具有结构简单、寿命长、重量轻、弹性力稳定的优点，能够在不明显增加主操作手10的结构复杂性以及整体重量的前提下有效平衡手腕组件200对手臂转轴的重力矩。可以理解的，平衡结构是通过弹性件的弹性力平衡手腕组件200的重力，在其它的实施例中，还可以通过橡胶、弹性绳等代替手臂平衡弹簧。

在上述实施例中，手臂平衡弹簧的两端可以直接固定在手臂转动关节及其对应的支撑基体上，或者通过其他的连接件实现手臂平衡弹簧与手臂转动关节及其支撑基体的连接。在本发明一实施例中，手臂平衡组件还包括手臂平衡绳索和转向轮，转向轮设置于手臂转动关节的支撑基体，手臂平衡弹簧的一端与手臂平衡绳索连接，手臂平衡弹簧的另一端与手臂转动关节的支撑基体连接，手臂平衡绳索的另一端与手臂转动关节连接，手臂平衡绳索绕过转向轮并改变延伸方向，能够适应更复杂的主操作手10结构。可以理解的，手臂平衡绳索可以是钢丝绳、线绳等。

上述几个实施例中以手臂组件100中的一个手臂转动关节为例进行了说明。在实际工况中，手臂组件100内部可能具有两个或者更多个手臂转动关节。在本发明一实施例中，如图1-6所示，手臂组件100包括两个或者多个手臂转动关节，两个或者多个手臂转动关节顺次设置于安装端和连接端之间，两个或者多个手臂转动关节转动时分别带动连接端以及手腕组件200同步转动。两个或者多个手臂转动关节分别具有对应的手臂转轴，两个或者多个手臂转轴的轴向与手腕组件200的重力方向分别垂直。平衡结构包括两组或者多组手臂平衡组件，每组手臂平衡组件分别对应一个手臂转动关节，每组手臂平衡组件的弹性力相对于对应手臂转轴的平衡力矩至少部分平衡手腕组件200相对于对应手臂转轴的重力矩。本实施例中的主操作手10能够对每个手臂转动关节进行手腕组件200的重力平衡，避免医生在操作主操作手10的过程中由自身力量克服手腕组件200的重力而造成的疲劳。

上述各个实施例中记述了通过平衡结构平衡手腕组件200重力的方式。在本发明进一步的实施例中，每个手臂转动关节包括转动件和驱动件，转动件转动设置于对应的手臂转轴，驱动件与转动件传动连接，驱动件用于驱动转动件绕对应的手臂转轴转动。至少一个驱动件相对于对应手臂转轴的重力矩至少部分平衡手腕组件200相对于对应手臂转轴的重力矩。通过对驱动件的位置进行合理的布置，也能够进一步平衡手腕组件200的重力，进而进一步提升主操作手10的重力平衡效果。可选的，各个实施例中的弹簧和钢丝绳配合形成零自由长度弹簧，零自由长度弹簧中的弹簧在未承受拉力时钢丝绳承受的拉力也为零，钢丝绳远离弹簧的一端与转向轮之间的部分钢丝绳可视为零长度(不承受拉力)。当弹簧拉紧时，钢丝绳远离弹簧的一端与转向轮之间的部分钢丝绳可视为弹簧长度的一部分(承受一定的拉力)。

以上各个实施例从原理的角度对手腕组件200的重力平衡进行了较为详细的阐述。在本发明一个具体的实施例中，如图1-6所示，手臂组件100包括三个转动关节，分别为第一转动关节110、第二转动关节120和第三转动关节130，对应的转轴分别为第一转轴A1、第二转轴A2以及第三转轴A3。

其中第一转轴A1在使用状态的水平面内旋转，第二转轴A2和第三转轴A3分别在使用状态的竖直平面内旋转，第二转轴A2的延伸轴向和第三转轴A3的延伸轴向分别与重力方向垂直。主手基板111为整个主操作手10的固定板，第一转动关节110的第一安装板112可旋转的安装到主手基板111上，可以绕着第一转轴A1旋转。第一转动关节110中的第一驱动电机113通过套筒固定到主手基板111上，第一绕线轮114与第一驱动电机113的电机轴相对固定，第一绕线轮114上布置有螺旋的绕线槽(通常是圆弧形或是V型)，钢丝绳通过绕线槽缠绕在第一绕线轮114上，钢丝绳的另外一端分别固定到第一转动关节110的第一安装板112上。第一转动关节110旋转并带动第一绕线轮114旋转，从而钢丝绳可以在螺旋线槽上缠绕，进而拉动第一安装板112相对于主手基板111绕着第一转轴A1旋转。

进一步，如图1-6所示，在第一安装板112上固定设置有第二安装板121。第二转动关节120中的第二驱动电机122固定在第二连接板126上，第二转动关节120的第二绕线轮123固定在第二驱动电机122的输出轴上，随第二驱动电机122的电机轴一起旋转。绕线筒124分为大绕轮和小绕轮，大绕轮和第二转动关节120的第二绕线轮123通过钢丝绳传动，为第二转动关节120的一级传动。从绕线轮125固定在第二安装板121上，形状为部分的外圆环面。小绕轮和从绕线轮125通过钢丝绳传动，为第二转动关节120的二级传动。两级传动是为了获得更大的关节输出力矩。更进一步的，第三转动关节130中的第三驱动电机131设置在安装连杆132上，第三转动关节130的第三绕线轮固定在第三驱动电机131的输出轴上。第二安装板121远离第一安装板112的一端有弧形的外圆面，第三绕线轮与该弧形外圆面通过钢丝绳传动，把第三驱动电机131的输出力矩传递到安装连杆132上。安装连杆132为一个平行四边形连杆的驱动连杆，从而能驱动第三转动关节130绕第三转轴A3旋转。

作为一种可实现的方式，如图1-6所示，手腕组件200中还具有第四转动关节210，第四转动关节210中的第四驱动电机211固定在第二连接板126上，通过钢丝绳传动到第四转动关节210的第四转轴A4上，钢丝绳分别绕过第四绕线轮212和第五绕线轮213。

在布局上，如图1-6所示，可以利用驱动电机去平衡手腕组件200的重量。对于第二转轴A2，手腕组件200布置在第二转轴A2的下方，第二驱动电机122和第四驱动电机211设置在第二转轴A2的上方，第二驱动电机122和第四驱动电机211对第二转轴A2的重力矩与手腕组件200对第二转轴A2的重力矩方向正好相反，可以抵消一部分手腕组件200对第二转轴A2的重力矩，也就是平衡了手腕组件200的部分重力矩。同样，对于第三转轴A3，通过一个平行四边形连杆把第三驱动电机131布置在第三转轴A3的右边，也可以平衡一部分手腕组件200对第三转轴A3的重力矩。

作为一种可实现的方式，采用手臂平衡弹簧进行手腕组件200的重力平衡。如图7所示，第二平衡弹簧310的一端固定在第一安装板112上，另一端固定连接第二钢丝绳320，第二钢丝绳320绕过第二换向轮330固定在第二连接板126上。第二连接板126绕第二转轴A2旋转，第二平衡弹簧310的拉力作用在第二连接板126上，第二平衡弹簧310对第二转轴A2形成的拉力矩与手腕部件的重力对于第二转轴A2形成的重力矩方向相反，所以可以用来平衡手腕部件的重力矩。进一步，如图8所示，第二安装板121上具有挂钩410，第三驱动电机131的输出轴上还具有拉线柱420，第三平衡弹簧450的一端固定在挂钩410上，另一端通过第三钢丝绳430固定到拉线柱420上，第三钢丝绳430绕过第三转向轮440，从而改变方向。从而第三平衡弹簧450的拉力可以作用到第三驱动电机131上。进而第三平衡弹簧450的拉力与手腕组件200的重力相对于第三转轴A3产生相反方向的运动趋势，所以第三平衡弹簧450的拉力可以用来平衡手腕组件200的部分重力矩。

平衡弹簧的安装位置和刚度系数由以下方法确定。如图9所示，第二平衡弹簧310的刚度系数为K1，第二换向轮330与第二转轴A2的距离为a，另一端随第一安装板112转动，距离第二转轴A2为x。第三平衡弹簧450的刚度系数为K2，第三绕线轮与第二转轴A2的距离为b，另一端随安装连杆132转动，距离第二转轴A2为y。第二连杆与竖直方向夹角为θ2，安装连杆132与竖直夹角为θ3，定义手腕组件200在零位位置时的重心为m1所在位置，其他连杆的重量分别在m2，m3，m4所在位置。其中L1，L2，L3，L4，L5分别对应质心到转轴的距离。

则整个主操作手10的势能为：

E＝m₃gl₃cosθ₃+m₄gl₄cosθ₂+m₂g(l₂cosθ₃+l₄cosθ₂)+m₁g(l₁cosθ₃+l₅cosθ₂)+1/2K₁(a²+x²-2axcosθ₃)+1/2K₂(b²+y²-2bycosθ₂)

如果要保证平衡，即整个主操作手10的势能不变，也就是不受θ2和θ3的影响，从而可以得到弹簧的刚度系数和安装位置的关系：

在本发明一实施例中，使用平衡弹簧在手腕组件200内部平衡其自身的重力。具体的，如图10-11所示，手腕组件200包括手腕转动关节，手腕转动关节具有手腕转轴，手腕转轴的轴向与手腕组件200的重力方向垂直。平衡结构还包括手腕平衡组件，手腕平衡组件设置于手腕转动关节，手腕平衡组件包括手腕平衡弹簧，手腕平衡弹簧的两端分别与手腕转动关节以及手腕转动关节的支撑基体连接，手腕平衡弹簧的弹性力对手腕转轴的平衡力矩至少部分平衡手腕组件200对手腕转轴的重力矩。进一步，手腕转动关节具有手腕转轴，手腕平衡组件还包括转轮和手腕平衡绳索，转轮与手腕转轴保持同步转动，手腕平衡弹簧的一端与手腕平衡绳索连接，手腕平衡弹簧的另一端与手腕转动关节的支撑基体连接，手腕平衡绳索的另一端缠绕于转轮。可选的，转轮为圆轮或者凸轮510。以下具体的实施例介绍采用手腕平衡弹簧、钢丝绳以及凸轮510平衡手腕组件200的重力。

在本发明另一具体的实施例中，如图1及图10-11所示，手腕组件200包含了四个转动关节和一个夹持关节，四个转动关节中的两个分别为第四转动关节210和第五转动关节220，其对应的转轴分别为第四转轴A4和第五转轴A5。手腕组件200采用多轴交于一点的设计，好处是整个主手姿态和和位置相对解耦，方便运动学解算。其中，第五转动关节220采用凸轮510、第五钢丝绳520和第五平衡弹簧530进行了重力平衡，能够很有效的减少电机驱动负载。

第五转动关节220中的第五转轴A5可旋转的固定在第五转动关节220的第五基座221上，凸轮510与第五转轴A5相对固定。第五平衡弹簧530一端铰接在第五基座221，另外一端固定连接第五钢丝绳520，第五钢丝绳520的另一端绕在凸轮510上。手腕组件200中的负载对第五转轴A5有逆时针方向的重力矩，第五弹簧通过第五钢丝绳520对凸轮510有顺时针方向的拉力距，由于负载的重力矩与其旋转的角度有关，第五弹簧对凸轮510的拉力矩与第五弹簧伸长量以及凸轮510的半径有关，通过计算可以匹配相应的第五弹簧和凸轮510外轮廓半径，从而比较好的平衡负载的重力矩。

如图12所示，作为一种可实现的方式，凸轮510的轮廓和第五弹簧的刚度系数K由以下方式确定。

第五转轴A5负载的等效重量为mg，中心到第五转轴A5的距离为L，负载重心的偏角为a，此时第五弹簧通过第五钢丝绳520与凸轮510作用的半径为r，凸轮510圆心到第五弹簧固定点的距离为h，弹簧的自由长度为s，弹簧的拉力为F，

完全补偿重量的条件为：

mgLsina＝Fr

其中弹簧的拉力可以表示为：

由此可以得到凸轮510半径r和其他参数的关系

如图13所示，作为另一种可实现的方式，使用零自由长度弹簧，凸轮510的轮廓和第五弹簧的刚度系数K由以下方式确定。

第五转轴A5负载的等效重量为mg，中心到第五转轴A5的距离为L，负载重心的偏角为a，此时第五弹簧通过第五钢丝绳520与凸轮510作用的半径为r，凸轮510圆心到第五弹簧固定点的距离为h，弹簧的自由长度为s，弹簧的拉力为F，

完全补偿重量的条件为：

mgLsina＝Fr

其中弹簧的拉力可以表示为：

由此可以得到凸轮510半径r和其他参数的关系

对应的，本发明一实施例还提供一种手术机器人，包括从机械臂、内窥镜图像系统以及上述各个实施例中任一项所记述的主操作手10，主操作手10与从机械臂连接，内窥镜图像系统用于显示手术区域的图像。上述手术机器人，手腕组件200安装在手臂组件100上进而便于操作者根据实际工况进行操作。同时平衡结构安装在手臂组件100和/或手腕组件200上，或者平衡结构安装在手臂组件100和手腕组件200之间，能够有效平衡转动关节处由于手臂组件100和/或手腕组件200的自重所导致的关节重力矩，进而缓解或者避免长时间操作的医生产生疲劳，提升手术效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种主操作手，其特征在于，包括：

手臂组件，具有安装端和连接端，所述安装端能够与所述主操作手的支撑基体进行固定连接，所述手臂组件具有至少一个活动自由度；

手腕组件，活动设置于所述手臂组件的所述连接端，所述手腕组件允许操作者执行对应的操作；

平衡结构，所述平衡结构包括手臂平衡组件和手腕平衡组件，所述手臂平衡组件和所述手腕平衡组件分别设置于所述手臂组件和所述手腕组件的转动关节处，用于平衡所述转动关节处由于所述手臂组件和/或所述手腕组件的自重所导致的关节重力矩；所述手臂平衡组件包括手臂平衡弹簧，所述手臂平衡弹簧的刚度系数和安装位置的关系用于保证所述主操作手的势能不变。

2.根据权利要求1所述的主操作手，其特征在于，所述手臂组件构造为平行四边形机构，所述手臂平衡组件设置于所述平行四边形机构的一转动关节处；在所述转动关节处，所述平行四边形机构的连杆延伸出所述转动关节。

3.根据权利要求2所述的主操作手，其特征在于，所述手臂平衡组件为两个，一个所述手臂平衡组件连接于所述转动关节处的一个平行四边形连杆。

4.根据权利要求3所述的主操作手，其特征在于，所述手臂平衡弹簧的两端分别与所述平行四边形连杆的延伸端以及所述转动关节的支撑基体连接。

5.根据权利要求4所述的主操作手，其特征在于，所述手臂平衡组件还包括手臂平衡绳索和转向轮，所述转向轮设置于所述转动关节的支撑基体，所述手臂平衡弹簧的一端与所述手臂平衡绳索连接，所述手臂平衡弹簧的另一端与所述转动关节的支撑基体连接，所述手臂平衡绳索的另一端与所述转动关节连接，所述手臂平衡绳索绕过所述转向轮并改变延伸方向，使得所述手臂平衡绳索与所述手臂平衡弹簧的轴线方向成夹角。

6.根据权利要求5所述的主操作手，其特征在于，所述转动关节由驱动件进行驱动，所述驱动件与所述平行四边形连杆的延伸端传动连接，所述驱动件相对于所述转动关节的重力矩至少部分平衡所述手腕组件和/或所述手臂组件相对于所述转动关节的重力矩；所述手臂平衡绳索远离所述手臂平衡弹簧的一端连接于所述驱动件的输出轴；所述手臂平衡弹簧的刚度系数和所述平行四边形连杆的延伸长度保证所述主操作手动作过程中的势能不变。

7.根据权利要求1-6任一项所述的主操作手，其特征在于，所述手腕组件包括手腕转动关节，所述手腕转动关节具有手腕转轴；所述平衡结构包括手腕平衡组件，所述手腕平衡组件设置于所述手腕转动关节，所述手腕平衡组件包括手腕平衡弹簧，所述手腕平衡弹簧的两端分别与所述手腕转动关节以及所述手腕转动关节的支撑基体连接，所述手腕平衡弹簧的弹性力至少部分平衡所述手腕组件对所述手腕转轴的重力矩。

8.根据权利要求7所述的主操作手，其特征在于，所述手腕转动关节具有手腕转轴，所述手腕平衡组件还包括转轮和手腕平衡绳索，所述转轮与所述手腕转轴保持同步转动，所述手腕平衡弹簧的一端与所述手腕平衡绳索连接，所述手腕平衡弹簧的另一端与所述手腕转动关节的支撑基体连接，所述手腕平衡绳索的另一端缠绕于所述转轮。

9.根据权利要求8所述的主操作手，其特征在于，所述转轮为凸轮，所述手腕转动关节在转动到与重力方向成任意夹角处，所述手腕转轴上的重力矩与所述凸轮和所述手腕平衡弹簧形成的平衡力矩大小相同，作用方向相反。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括从机械臂、内窥镜图像系统以及权利要求1-9任一项所述的主操作手，所述主操作手与所述从机械臂连接，所述内窥镜图像系统用于显示手术区域的图像。

Images