CN114711966A - 机械臂、机器人、微创手术机器人系统及机械臂的位姿确定方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种机械臂、机器人、微创手术机器人系统及机械臂的位姿确定方法，机械臂包括动平台、静平台以及与动平台和静平台分别连接的至少三条支链，支链包括连接杆和与连接杆连接的移动杆，连接杆通过第一连接组件与静平台转动连接，支链相对于静平台具有两个转动自由度，移动杆通过第二连接组件与动平台转动连接，支链相对于动平台具有至少两个转动自由度，机械臂还包括用于驱动移动杆相对于连接杆移动的移动驱动组件和用于驱动支链相对于静平台旋转的旋转驱动组件，旋转驱动组件与第一连接组件相连。

Description

机械臂、机器人、微创手术机器人系统及机械臂的位姿确定 方法

技术领域

本公开涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机械臂、机器人、微创手术机器人系统及机械臂的位姿确定方法。

背景技术

随着机器人行业的不断发展和创新，机器人的功能、操作的灵活性以及动作的精细化程度也在不断提升，不仅能够代替人工完成很多日常工作，还能够完成很多人工难以完成的操作，除了为人们的工作生活带来了极大的便利之外，在工业、医疗领域也极大地提升了作业效率、作业安全性和成功率。尤其是在将机器人应用于医疗领域之后，促进了微创手术的诞生，极大地促进了医疗技术的进步和发展。

通过手术机器人辅助医生进行微创手术，能够使得手术操作更精确和稳定，大大提高了手术的安全性，在很大程度上克服了传统外科手术存在伤口大、出血量大、并发症多以及手术风险大等缺陷。微创手术因为近年来的迅猛发展正逐步获得医务人员与患者的青睐，成为目前医学研究与临床应用的新领域。

手术机器人主要包括被动臂、主动臂以及执行组件，被动臂安装在支撑立柱上，主动臂安装在被动臂的前端，执行组件安装在主动臂的前端。手术过程中，医生通过操作台来控制被动臂和主动臂，达到控制执行组件进行手术操作的目的。

虽然手术机器人为医务人员进行手术操作带来了极大的便利，然而，传统的手术机器人在临床表现上仍然存在诸多的局限性，无法完全满足使用要求。例如被动臂及主动臂通常为串联结构，存在误差逐级递增、刚度以及精度相对较低的缺陷，并且存在受力差以及在大负载时结构复杂能耗高等问题；再例如，有的主动臂采用六支链并联臂，类似于Stewart平台，存在动平台的运动范围小，易干涉、运动学求解复杂，自重大，受力差，在大负载时结构复杂能耗高等问题。

发明内容

本公开的目的在于提供一种具有多支链并联结构的机械臂以及具有该机械臂的机器人、微创手术机器人系统及机械臂的位姿确定方法，解决现有技术中存在的至少一个技术问题。虽然前面列举了现有技术中存在的多个问题，但是并不意味着本公开的技术方案必须同时解决上述所有问题。

为了实现上述目的，本公开提供如下技术方案：

根据本公开的一方面，提供了一种机械臂，所述机械臂包括动平台、静平台以及与所述动平台和所述静平台分别连接的至少三条支链，所述支链包括连接杆和与所述连接杆连接的移动杆，所述连接杆通过第一连接组件与所述静平台转动连接，所述支链相对于所述静平台具有两个转动自由度，所述移动杆通过第二连接组件与所述动平台转动连接，所述支链相对于所述动平台具有至少两个转动自由度，所述机械臂还包括用于驱动所述移动杆相对于所述连接杆移动的移动驱动组件和用于驱动所述支链相对于所述静平台旋转的旋转驱动组件，所述旋转驱动组件与所述第一连接组件相连。

根据本公开的机械臂，至少三个支链并联连接动平台和静平台，提高了机械臂的控制精度和刚度，避免了串联结构存在误差逐级递增、刚度低以及精度相对较低的缺陷。

根据本公开的一方面，所述机械臂还包括角度测量装置，用于测量所述支链相对于所述静平台的两个旋转自由度中其中一个旋转自由度的旋转角度，所述旋转驱动组件用于驱动所述支链相对于所述静平台的两个旋转自由度中另一个旋转自由度的旋转。

通过移动驱动组件移动位移量，旋转驱动组件获得的另一个旋转自由度的旋转角度以及角度测量装置获得支链相对静平台的其中一个旋转自由度的旋转角度，以获取支链的位姿，从而可以快速确定动平台的位姿。在确定支链的位姿的情况下，能够通过算法唯一获得该机械臂的正运动学正解，从而解决机械臂正运动学求解困难的问题。

根据本公开的一方面，所述角度测量装置安装在所述连接杆上，或者所述角度测量装置安装在所述第一连接组件上。通过角度测量装置安装在连接杆上或者第一连接组件上，能够直接获取支链相对于静平台的旋转角度。

根据本公开的一方面，所述旋转驱动组件设置在所述静平台上，并通过所述第一连接组件与所述支链连接。通过将旋转驱动组件设置在静平台上，使得机械臂的运动部分的自重和运动惯量尽可能减小，提高了机械臂的稳定性并且能够减小旋转驱动组件的输出转矩，提高机械臂的负载能力。

根据本公开的一方面，所述支链相对于所述静平台的两个旋转自由度分别通过围绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转获得，所述第一连接组件具有位于所述第一旋转轴线上的第一旋转轴和位于所述第二旋转轴线上的第二旋转轴，所述第一连接组件通过所述第一旋转轴与所述旋转驱动组件连接，并通过所述第二旋转轴与所述支链连接，所述角度测量装置设置在所述第二旋转轴上。

如此设置，支链可以绕第一旋转轴线转动，也可以绕第二旋转轴线转动，避免绕第一旋转轴线的转动与绕第二旋转轴线的转动相互干涉，使得支链能够顺畅转动。此外，通过将旋转驱动组件和角度测量装置分别设置在第一旋转轴和第二旋转轴上，可以通过旋转驱动组件获得支链围绕第一旋转轴的旋转角度并且通过角度测量装置获得支链围绕第二旋转轴线旋转的旋转角度，从而能够方便获得运动学正解。

根据本公开的一方面，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线相互垂直，并相交于交点o，各所述交点o位于第一圆上并围绕所述第一圆均匀布置，所述第一旋转轴和第二旋转轴中的一个沿着所述第一圆的径向方向延伸，另一个沿着所述第一圆的切线方向延伸。如此设置，交点o为支链的摆动中心，多个支链在第一圆上均匀分布，整个机械臂受力均匀。

根据本公开的一方面，所述第一旋转轴沿着所述第一圆的径向方向延伸，所述第二旋转轴沿着所述第一圆的切线方向延伸，所述旋转驱动组件设置各所述支链的内侧。

如此设置，与将旋转驱动组件设置于支链的外侧的结构相比，避免机器人的多个机械臂之间相互干涉，从而提高了机械臂的操作灵活性。

根据本公开的一方面，所述旋转驱动组件包括第一驱动电机，所述第一连接组件包括第一连接支架，所述第一连接支架设置在所述静平台与所述支链之间，所述第一连接支架的一端与所述第一驱动电机的输出轴连接，所述第一连接支架的第二端连接到所述支链。如此设置，通过第一连接支架实现了第一驱动电机与支链之间的旋转驱动力的传递，在实现支链的两个转动自由度的情况下，简化了支链的结构。

根据本公开的一方面，所述第一连接支架为U型支架，所述U型支架的开口朝向连接杆，所述U 型支架底部的连接轴作为第一旋转轴与所述第一驱动电机的输出轴连接，在所述连接杆的两侧，所述 U型支架的两个支脚通过所述第二旋转轴与所述支链转动连接。如此设置，通过第一连接支架设置为 U型支架，提高了第一连接支架与支链间的连接稳定性。

根据本公开的一方面，所述旋转驱动组件还包括蜗轮蜗杆组件，所述第一驱动电机通过蜗轮蜗杆组件将旋转驱动力传递给所述第一连接组件，所述蜗轮蜗杆组件包括相互啮合的蜗轮和蜗杆，所述蜗轮与所述第一旋转轴固定连接，所述蜗杆与所述第一驱动电机的输出轴同轴固定连接。

如此设置，第一驱动电机通过蜗轮蜗杆组件与第一连接组件连接，可以提高动力传递的精度，能够通过控制第一驱动电机与支链之间的传动比，提高动平台的负载能力，且蜗轮蜗杆组件具有自锁功能，进一步提高了机械臂的运行可靠性。

根据本公开的一方面，所述静平台包括支撑板、设置在所述支撑板的远离所述动平台一侧的底板以及连接在所述支撑板和所述底板之间的连接板，所述第一驱动电机安装在所述底板和所述支撑板之间，所述蜗轮蜗杆组件设置在所述支撑板的面向所述动平台的一侧，所述第一驱动电机的输出轴穿过所述支撑板与所述蜗杆连接。

如此设置，通过蜗轮蜗杆组件设置在支撑板的面向动平台的一侧，避免第一圆的直径过大，从而避免静平台尺寸过大。

根据本公开的一方面，所述旋转驱动组件还包括谐波减速器，所述谐波减速器连接在所述第一驱动电机与所述第一连接支架之间，所述旋转驱动组件还包括主动轮和从所述主动轮接收旋转驱动力的从动轮，所述主动轮固定连接在所述第一驱动电机的输出轴上，所述从动轮与所述谐波减速器的波发生器同轴固定连接。

如此设置，通过谐波减速器能够改变第一驱动电机和第一连接支架之间的传动比，放大扭矩，从而增加对支链施加的扭矩，提升驱动力矩，提高动平台的负载能力。

根据本公开的一方面，所述旋转驱动组件设置在所述静平台的远离所述动平台的一侧，所述旋转驱动组件与所述连接杆通过第三连接组件转动连接，所述第三连接组件设置于所述第一连接组件的背离所述动平台的一侧，所述旋转驱动组件包括直线驱动组件。如此设置，通过将旋转驱动组件设置在连接支点的远离动平台的一侧，使得旋转驱动组件可以部分或全部平衡支链的自重、动平台以及负载重力所产生的力矩。

根据本公开的一方面，所述机械臂还包括载荷旋转驱动组件，所述载荷旋转驱动组件用于驱动执行组件相对于所述动平台绕所述动平台的法线转动，所述载荷旋转驱动组件设置在所述动平台上。

如此设置，载荷旋转驱动组件可以驱动执行组件绕动平台的法线转动，从而提高了执行组件的运动范围。

根据本公开的一方面，所述连接杆设有与所述第一连接组件相连的连接支点，所述旋转驱动组件通过所述第一连接组件以所述连接支点为力作用点驱动所述连接杆旋转，所述第一连接组件与所述支链的连接支点位于所述连接杆的两端之间。

通过将连接支点设置在连接杆的两端之间，使得支链的自重、动平台以及负载重力所产生的不平衡力矩因连接支点位于非端部，得以部分或全部平衡，实现了通过自身重力补偿的方式实现至少一部分的自重力平衡；另一方面，在通过旋转驱动组件补偿重力情况下，减小了旋转驱动组件的输出力臂，从而减小了输出力矩；因此，降低了旋转驱动组件在自身重力补偿上的损耗，进而提高机械臂的负载能力。

根据本公开的一方面，所述连接支点设置在所在连接杆的中点与所述连接杆的远离所述动平台的一端之间。

如此设置，通过将连接支点设置为相对远离动平台，避免动平台和静平台之间距离太小，导致两者之间发生干涉，同时避免机械臂的外形尺寸过大。

根据本公开的一方面，所述两个转动自由度中的一个转动自由度由所述旋转驱动组件驱动所述连接杆实现，所述两个转动自由度中的另一个由所述连接杆绕所述连接支点所在的第二旋转轴线实现，所述第一旋转轴线与所述第二旋转轴线相交。

如此设置，支链可以绕第一旋转轴线转动，也可以绕第二旋转轴线转动，且绕第一旋转轴线的转动与绕第二旋转轴线的转动并无干涉，使得支链能够顺畅转动。另一方面，通过设置使连接支点位于第一旋转轴线和第二旋转轴线上，使得在垂直于第二旋转轴线的方向上实现了部分的自重力平衡，在支链运动情况下，进一步平衡了支链的自身重力，从而减小了旋转驱动组件的输出力矩。

根据本公开的另一方面，提供了一种机器人，所述机器人包括如如前所述机械臂。

根据本公开的另一方面，所述机器人为手术机器人或工业机器人，所述工业机器人为焊接机器人、喷涂机器人或加工机床。

根据本公开的另一方面，提供了一种微创手术机器人系统，包括机器人和与所述机器人控制连接的医生控制台，所述机器人包括第一机械臂；所述微创手术机器人系统还包括设置在医生控制台上的主手，所述主手包括手柄和第二机械臂，所述手柄连接在所述第二机械臂的动平台上，所述第二机械臂的静平台与所述医生控制台连接，所述第一机械臂和第二机械臂控制连接，所述第一机械臂和所述第二机械臂为如上所述的机械臂。

将第一机械臂与第二机械臂设置为相同或类似的结构，有利于提高控制的便利性，降低控制的复杂度，提高系统的稳定性。

本公开的另一方面，提供一种机械臂的位姿确定方法，所述机械臂包括如上所述机械臂，所述静平台形成有至少三个第一位置，所述动平台形成有与所述至少三个第一位置一一对应的至少三个第二位置，每个支链对应于所述静平台和所述动平台的对应的第一位置和第二位置，并且每个支链在对应的第一位置和第二位置之间的跨度是可调节的，所述方法包括：根据所述至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间的位置参量，确定每个第二位置相对于所述静平台的位置；基于每个第二位置相对于所述静平台的位置，确定所述动平台相对于所述静平台的位姿参量；基于所述位姿参量，确定所述动平台的位姿，其中，所述位置参量包括所述至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的调节方向上的距离和每个第二位置相对于对应的第一位置绕旋转轴线旋转的旋转变化量；所述距离基于所述移动驱动组件获得，所述旋转变化量基于所述角度测量装置和所述旋转驱动组件获得。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本公开的上述和/或其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1A是根据本公开第一实施例的机械臂的结构示意图；

图1B是根据本公开第一实施例的旋转驱动组件布置原理示意图；

图1C是根据本公开第一实施例的机械臂中的支链的受力分析示意图；

图1D是根据本公开第一实施例的机械臂的另一结构示意图；

图1E是图1D中机械臂横向布置状态下的主视图；

图1F是图1D中机械臂横向布置状态下的侧视图；

图1G、图1H和图1I是根据本公开第一实施例的机械臂中执行组件旋转驱动部的布置示意图；

图2A是根据本公开第二实施例的机械臂的示例性结构示意图；

图2B是根据本公开第二实施例的机械臂的局部结构示意图；

图3A是根据本公开第三实施例的机械臂的示例性结构示意图；

图3B是根据本公开第三实施例的机械臂的局部结构分解示意图；

图4A是根据本公开第四实施例的机械臂的具体结构示例图；

图4B是图4A所示的机械臂的局部结构示意图；

图5A是根据本公开第五实施例的机械臂的结构示意图；

图5B是根据本公开第五实施例的机械臂横向布置状态下的主视图；

图5C是根据本公开第五实施例的机械臂横向布置状态下的侧视图；

图6是根据本公开第六实施例的机械臂的具体结构示意图；

图7是根据本公开第七实施例的机械臂的结构示意图；

图8A是根据本公开第八实施例的机械臂的结构示意图；

图8B是根据本公开第八实施例的机械臂的旋转驱动组件的局部结构示意图；

图8C是根据本公开第八实施例的机械臂的第二连接组件的结构示意图；

图9A是根据本公开第九实施例的手术机器人的结构示意图；

图9B是根据本公开第九实施例的手术机器人的操作台的示意图；

图10A至10D是根据本公开实施例的其他类型的机器人的示意图。

图11是根据一示例性实施例示出的一种机械臂的结构原理示意图。

图12是根据一示例性实施例示出的一种机械臂的位姿确定方法的示意性流程图。

图13是根据一示例性实施例示出的一种机械臂的位姿确定方法中构建的坐标系的第一示例的示意图。

图14是根据一示例性实施例示出的一种具有角度测量装置的机械臂的示意图。

附图标记说明：

100、底座；200、立柱；300、调节组件；400、机械臂；500、执行组件；510、远心不动点； 600、隔墙；610、工件；701、滑块；702、滑轨；801、旋转柱；802、柱底座；1100、动平台；1200、静平台；1300、支链；1310、连接杆；1320、移动杆；1400、第二连接组件；1500、第一连接组件； 1510、U型支架；1600、旋转驱动组件；1700、角度测量装置；2110、负载旋转驱动组件；2120、传感器；2210、支撑板；2220、连接板；2230、底板；2240、电机座；2520、连接座；3610、旋转驱动电机；3620、蜗杆；3630、蜗轮；3640、支撑座；4340、伸缩驱动组件；4610、旋转驱动电机； 4620、主动轮；4630、从动轮；4650、谐波减速器；7800、第三连接组件；8410、轴端压板；8420、螺母；8430、第二连接块；8450、第四连接块；8610、旋转驱动电机；8620、电机安装座；8630、止转板；8640、球铰；8641、球头；8642、球座；8650、导向杆；8800、第三连接组件；8810、第三连接块；8820、衬套；8830、第三枢转轴；8900、机械臂连接座。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，不应被理解为本公开的实施形态限于在此阐述的实施方式。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

本公开提供了一种用于机器人的机械臂，机械臂包括至少三条并联支链以及分别与支链相连的动平台和静平台，该机械臂可以应用于手术机器人或工业机器人。通过在动平台上安装执行组件，例如，手术器械、喷头或焊头，可以执行手术操作、喷涂操作或焊接操作等。尤其是，应用于手术机器人的情况下，通过机械臂的灵活控制使得医生能够以微创的方法实施复杂的外科手术。下面的实施例中，以该机械臂包括三条并联支链并且应用于手术机器人为例进行详细描述，但是本公开的保护范围并不受此限制。

本公开提供的机械臂，采用至少三条支链并联设置，使得支链的传动误差不会累积传递，还实现部分相互抵消的现象，提高了机械臂的控制精度和刚度，避免了串联结构存在误差逐级递增、刚度低以及精度相对较低的缺陷。作为一种优选，设置三条支链，最大程度减少支链间以及支链与动静平台间的运动干涉可能性，从而最大程度拓宽机构的运动范围以及安装的便利性。

如图1A所示，根据本公开第一实施例的机械臂1000包括动平台1100、静平台1200以及与动平台1100和静平台1200并联连接的三条支链1300。支链1300相对于静平台1200具有两个转动自由度，相对于所动平台1100具有至少两个转动自由度。

作为一示例，机械臂1000可以具有3UPS结构，其中，U指的是诸如虎克铰(或者称为十字铰) 的具有两个方向上的自由度的连接机构，P指的是诸如移动副的具有一个方向上的自由度的连接机构， S指的是诸如球铰的具有三个方向上的自由度的连接机构。作为另一示例，机械臂1000也可以具有3UCU结构，其中，C指的是诸如圆柱副的具有两个方向上的自由度的连接机构。

图1A示出了机械臂1000具有3UPS结构的示例，支链1300通过第一连接组件1500与静平台1200 连接，并通过第二连接组件1400与动平台1100连接。第一连接组件1500具有两个彼此轴线垂直相交的旋转轴，第二连接组件1400具有至少两个彼此轴线垂直相交的旋转轴。第一连接组件1500可以通过虎克铰实现，使得支链1300相对于静平台1200具有两个转动自由度。第二连接组件1400可以通过球铰实现(如图1A所示)，也可以通过虎克铰与一个轴承形成复合球铰来实现(如图1D所示)，从而支链1300相对于动平台1100具有三个转动自由度。在使用复合球铰来实现三个转动自由度的情况下，与使用球铰相比，转动角度更大，承载能力更强。

支链1300包括连接杆1310和与连接杆1310连接的移动杆1320，移动杆1320能够相对于连接杆 1310伸缩移动和/或旋转。支链1300可以通过现有技术中的直线电缸来实现，并通过电缸支架与静平台1200连接。支链1300还可以通过液压缸、气缸等来实现，或者通过丝杆组件加旋转驱动电机来实现。

为了控制动平台1100的位姿，每个支链1300具有两个驱动，分别为移动驱动和旋转驱动，移动驱动组件可以设置在支链1300上，以用于驱动支链1300进行伸缩运动，旋转驱动组件可以设置在静平台1200上，以用于驱动支链1300能够相对于静平台1200旋转，通过移动驱动组件和旋转驱动组件，驱动各条支链1300伸缩和/或旋转，从而带动动平台1100相对于静平台1200做六自由度的运动。在本公开的实例中，旋转驱动通过第一驱动电机实现；支链1300通过直线电缸来实现，直线电缸中的伺服电机作为移动驱动组件与支链1300集成为一体结构。由于每一个支链1300独立驱动，多个支链1300 的响应时长和移动误差不会累积传递，因此，通过该机械臂能够实现对执行组件的精准控制，提高手术过程中的安全性。下面详细描述支链与静平台之间以及与旋转驱动组件之间的连接结构。

如图1A至图1B以及图1D所示，连接杆1310设有与旋转驱动组件1600相连的连接支点，旋转驱动组件1600以连接支点为力作用点驱动连接杆1310围绕第一旋转轴线1301旋转。连接支点设置在连接杆1310的轴向两端之间，通过将连接支点设置在连接杆1310的两端之间，使得支链1300的自重、动平台1100以及负载的重力所产生的不平衡力矩因连接支点位于非端部，得以部分或全部平衡，实现了通过自身重力补偿的方式实现至少一部分的自重力平衡；另一方面，在通过旋转驱动组件补偿重力情况下，减小了旋转驱动组件的输出力臂，从而减小了输出力矩；因此，降低了旋转驱动组件在自身重力补偿上的损耗，进而提高机械臂的负载能力。

本公开一示例性实施例，所述连接支点设置在所在连接杆1310的中点与连接杆1310远离动平台 1100一端之间。如此设置，通过将连接支点设置为相对远离动平台1100，避免动平台1100和静平台 1200之间距离太小，导致两者之间发生干涉，同时避免机械臂的外形尺寸过大。在实现部分重力自平衡的情况下，进一步避免支链1300后端与静平台1200之间的干涉。

本公开一示例性实施例，移动驱动组件可设置在所述连接杆1310的远离所述动平台1100的一端，所述移动驱动组件的至少一部分位于所述连接支点的远离所述动平台1100的一侧。如此设置，通过移动驱动组件设置在连接支点的远离动平台1100的一侧，使移动驱动组件具备配重块的功能，进一步平衡支链的自重、动平台以及负载重力所产生的力矩。

本公开一示例性实施例，支链1300相对于所述静平台1200的两个转动自由度中的一个转动自由度由旋转驱动组件驱动连接杆1310围绕第一旋转轴线1301旋转来实现，两个转动自由度中的另一个由连接杆1310绕连接支点所在的第二旋转轴线1302实现，第一旋转轴线1301与第二旋转轴线1302 相交。如此设置，可以通过旋转驱动组件实现支链1300相对于静平台的转动，使得支链1300可以绕第一旋转轴线1301转动，也可以绕第二旋转轴线1302转动，且绕第一旋转轴线1301的转动与绕第二旋转轴线1302的转动并无干涉，使得支链能够顺畅转动。另一方面，通过设置使连接支点位于第二旋转轴线1302上，使得在垂直于第二旋转轴线1302的方向上实现了部分的自重力平衡，在支链进行运动情况下，进一步平衡了支链等的自身重力，从而减小了旋转驱动组件的输出力矩。

其中，第一旋转轴线1301与第二旋转轴线1302相交于交点o，各交点o在分布同一圆(下面称为第一圆)上，三条支链1300围绕动平台1100和静平台1200沿着第一圆的圆周方向均匀分布。各所述交点o在第一圆周上围绕第一圆周均匀布置，第一旋转轴线1301和第二旋转轴线1302中的一个沿着第一圆周的径向方向布置，第一旋转轴线1301和第二旋转轴线1302中的另一个沿着第一圆周的切线方向布置。如此设置，可以使支链在第一圆周上均匀布置，结构更加稳定，受力分布更均衡，并且在机械臂沿水平方向布置时，能够使支链、动平台以及负载执行机构的重力尽可能均匀分布于三条支链，对旋转驱动组件功率损耗小。

本公开一示例性实施例，第一旋转轴线1301与第二旋转轴线1302相互垂直。如此设置，支链可以绕第一旋转轴线1301和第二旋转轴线1302实现较大范围的转动，实现两个转动自由度，结构简单，不易相互干涉。在此情形下，当静平台1200垂直安装时，即静平台1200的法线平行于水平面时，获益最大。本实施例中，静平台1200可以与水平面以任意夹角安装，这极大拓宽了本公开的机械臂的应用范围。

图1C示出了根据本公开第一实施例的支链1300的受力分析示意图。

如图1C所示，支链1300由直线AB表示，o点表示第一旋转轴线1301和第二旋转轴线1302的交点o，即支链1300可绕交点o摆动。假设支链1300的重心为C点，支链1300的重力为G1，G1作用于支链1300的重心C处。由于机械臂的使用状态通常是倾斜的，交点o与支链1300的重心C不重合且交点o位于重心C的远离动平台1100的一侧的情况下，重力G1相对于交点o施加的扭矩为G1*L1，动平台1100施加在A点的重力以及负载力为G2，重力以及负载力为G2相对于交点o施加的扭矩为 G2*L2，为了使该支链1300保持平衡，旋转驱动组件1600需要提供力矩T满足T＝G1*L1+G2*L2，且力矩T的方向与重力G1提供的扭矩方向相反。可选地，参照图1C，重心C相对于交点o提供的扭矩为顺时针方向，力矩T为逆时针方向，但不以此为限。

交点o是否会选在C点上，取决于电机的负载能力和各零件的干涉情况。根据本公开实施例的机械臂，通过合理设置交点o的位置，在静平台倾斜安装时能够实现一部分的自重力平衡。通过算法选择交点o最佳范围，在最佳范围内，动平台1100有相对较佳范围的自由度，静平台端的支链相对静平台的干涉较小，且有一定的自重平衡效果。因此，根据本公开的机械臂1000，支链结构的负载均衡性较现有技术有更好的改善。

根据本公开第一实施例的机械臂1000，在实际使用中，当静平台1200与水平面成一定角度时，优选地按照如图1E和图1F所示的方式布置，即其中一个第一连接组件1500与旋转驱动组件1600连接的旋转轴始终处于水平状态，本实施例中，该第一连接组件1500的第一旋转轴水平延伸，第二旋转轴纵向延伸。这种布置方式，使得支链1300、动平台1100以及设置在动平台1100上的负载执行机构的重力尽可能均布于三条支链1300上，对静平台1200上的旋转驱动组件1600的功率损耗最小，且整个机械臂的稳定性更好。

可选地，动平台1100与三条支链1300的连接支点也位于同一个圆上，下面称为第二圆。优选地，第二圆的直径优选为小于第一圆的直径，从而能够减小动平台1100的自重和机械臂的前端尺寸，降低旋转驱动电机的输出扭矩，提高机械臂的负载和控制灵活性。

如图1A所示，根据本申请实施例的机械臂1000，旋转驱动组件1600安装在静平台1200上，并通过第一连接组件1500与支链1300连接。本实施例中，第一连接组件1500具有第一旋转轴和第二旋转轴，第一旋转轴的旋转轴线与第一旋转轴线1301重合，第二旋转轴的旋转轴线与第二旋转轴线1302 重合。第一连接组件1500通过第一旋转轴与旋转驱动组件1600连接，通过第二旋转轴与支链1300连接。本实施例中，第一旋转轴沿着第一圆的径向方向延伸，第二旋转轴沿着第一圆的切线方向延伸。旋转驱动组件1600在第一圆的内侧设置在静平台1200上，通过与第一旋转轴连接，将旋转驱动力通过第二旋转轴传递给支链1300，从而驱动支链1300相对于静平台1200旋转。通过将旋转驱动组件1600 安装在静平台1200上，使得运动部分的自重以及运动惯量尽可能减小，减少了动平台1100上的负载，提高了机械臂的控制效果，使得机械臂的稳定性更强，并降低运动能耗；与采用串联结构的机械臂的现有机器人相比，机械臂1000能够承受的载荷更大。

进一步地，将旋转驱动组件设置在支链1300的内侧，具体地，相对于上述第一圆，旋转驱动组件 1600设置于支链1300的径向内侧。如此设置，与将旋转驱动组件设置于支链的外侧的结构相比，能够缩小静平台的尺寸，减小机械臂的占用空间，避免机器人的多个机械臂之间相互干涉，从而提高机械臂的操作灵活性。

旋转驱动组件1600包括第一驱动电机，第一连接组件1500包括第一连接支架，第一连接支架设置在静平台1200与支链1300之间。通过第一连接支架实现了第一驱动电机与支链1300之间的旋转驱动力的传递，在实现支链1300的两个转动自由度的情况下，简化了支链1300的结构。

作为示例，在以第一圆为参考基准的情况下，第一连接支架大体上沿着第一圆的径向方向延伸，第一旋转轴设置在第一连接支架的第一端，第一连接支架的第一端通过第一旋转轴与第一驱动电机的输出轴连接，第一端为第一连接支架的径向内端，第二旋转轴设置在第一连接支架的第二端，第一连接支架的第二端通过第二旋转轴连接到连接支点，第二端为第一连接支架的径向外端，支链1300通过连接支点与第二旋转轴结合，从而连接在第一连接支架的径向外端。通过设置第一连接支架，实现了第一驱动电机与支链之间的旋转驱动力的传递；另一方面，第一连接支架设置在所述静平台与所述支链之间，进一步优化了机械臂的空间结构，使其整体体积较小。

在图1A所示的示例中，第一连接支架包括U型支架1510和销轴，U型支架1510的开口朝向连接杆1310，位于U型支架1510一端的两个支腿布置在连接杆1310的两侧，通过销轴连接到连接杆1310 上，本实施例中，销轴可以作为第一连接组件1500的第二旋转轴。U型支架的另一端设置有底部连接轴，底部连接轴作为第一旋转轴与设置在静平台1200上的第一驱动电机的输出轴固定连接，用于对U 型支架施加旋转驱动力，使得U型支架能够绕第一旋转轴转动，从而通过U型支架带动支链围绕第一旋转轴线1301相对于静平台1200旋转。通过采用U型支架1510，使得旋转驱动组件1600与支链1300 之间连接稳定、且结构简单，能够对支链传递较大的转矩，提高了机械臂的负载能力。

继续参照图1A，根据本公开第一实施例的机械臂还包括角度测量装置1700，用于测量支链1300 相对于静平台1200的两个旋转自由度中其中一个旋转自由度的旋转角度，旋转驱动组件1600用于驱动支链1300相对于静平台1200的两个旋转自由度中另一个旋转自由度的旋转。

角度测量装置1700安装在支链1300上，或者安装在第一连接组件1500上，能够直接获取支链1300 相对于静平台1200的旋转角度，从而减少运算过程和间接获得支链的旋转角度过程中带来的误差。角度测量装置1700可以安装在第一连接组件1500的两个旋转轴中的其中一个旋转轴上。本实施例中，如附图所示，角度测量装置1700设置在第二旋转轴上，用于测量支链1300绕第二旋转轴的旋转角度，图1A中的直线双箭头示出了支链1300的伸缩方向。

在图1A以及图1D所示的示例中，角度测量装置1700为角度编码器，用于记录支链1300绕第二旋转轴线的转动角度。旋转驱动组件1600本身可以带有角度测量功能，能够输出测量支链1300围绕第一旋转轴线相对于静平台1200的旋转角度。支链1300上的直线电缸能够输出支链的移动杆1320相对于连接杆1310的位移量。根据本公开实施例提供的机械臂，利用角度测量装置测得支链绕第二旋转轴的转动角度、通过旋转驱动组件获得的支链绕第一旋转轴的转动角度以及通过移动驱动组件获得支链的平移位移量，可以通过算法实时唯一确定该机构的运动学正解，从而解决机械臂正运动学求解困难的问题。

图1D示出了根据本公开的另一示例性实施例，在前述实施例的机械臂的基础上，在动平台1100 上进一步设置了负载旋转驱动组件2110，用于驱动负载(执行组件)相对于动平台1100绕该动平台 1100的法线旋转。通过在动平台1100上进一步设置负载旋转驱动组件2110，能够进一步提高执行组件的旋转角度，提高执行组件的控制灵活性或空间自由度。尤其是在动平台1100在Z轴方向上的旋转角度较小的情况下，通过设置负载旋转驱动组件2110，能够大幅提高负载的控制灵活性。

例如，在附图1D所示的机械臂中，支链1300通过球铰与动平台1100连接，本实施例中的球铰为虎克铰与轴承组合形成的复合球铰，动平台1100相对于静平台1200能够具有较大的移动行程，但动平台1100绕自身法线旋转的行程较小，导致执行组件绕动平台1100的法线方向(Z轴方向)上的旋转角度较小，通过在动平台1100和执行组件之间设置上述负载旋转驱动组件2110，可以增大执行组件绕动平台9100的法线方向转动的行程，提高了执行组件的运动范围，从而进一步拓宽了机械臂的适用范围。

负载旋转驱动组件2110可以设置在动平台上。作为示例，负载旋转驱动组件2110可以设置于动平台1100的背离静平台1200的一侧。可选地，负载旋转驱动组件2110可以设置于执行组件和动平台 1100之间，但不以此为限。参照图1G、图1H和图1I，分别示出了负载旋转驱动组件2110设置于机械臂的动平台1100的不同位置处的示意图。如图所示，负载旋转驱动组件2110可以固定于动平台1100 的面向执行组件的一侧，如图1G所示；也可以固定于动平台1100的面向静平台1200的一侧，如图 1I所示；或者动平台1100的中部可以设置有通孔，负载旋转驱动组件2110还可以贯穿该通孔设置，如图1H所示。

图2A和图2B示出了根据本公开第二实施例的机械臂的示例性结构。第二实施例的机械臂与第一实施例的机械臂的结构原理基本相同，下面具体描述与第一实施例中的机械臂的不同之处。如图2A和图2B所示，第一连接组件1500包括U型支架1510，与根据第一实施例的机械臂中的U型支架的结构相同。在第二实施例中，在支链1300上设置有连接座2520，U型支架1510通过连接座2520连接到支链1300上。连接座2520包括支架板以及连接在支架板两侧的侧板，整体上呈U型并且开口朝向连接杆1310，连接座2520固定连接在支链1300的连接杆1310的外侧。通过连接座2520包裹在支链 1300的外周并与U型支架1510连接，增大了对支链1300的支撑面积，提高了支链1300与第一连接组件1500的连接强度和稳定性。连接座2520可以可拆卸地连接在支链1300上，以方便更换。

在支链1300上固定设置有连接座2520的情况下，所述连接支点设置在所述连接座2520的侧板上，并位于所述侧板沿所述连接杆1310轴向的两端之间，第一连接组件1500通过所述连接支点与所述支链1300连接。通过设置连接座2520，并将连接支点设置在连接座2520上，提高了力作用点的强度，在第一连接组件输出作用力来驱动支链1300旋转的情况下，使得作用力的分配更均衡。此外，如果连接支点直接设置在支链1300上并且连接结构损坏的情况下，可能需要更换整根立支链。然而，在第二实施例中，通过将连接座可拆卸设置在支链1300上，在连接结构损坏的情况下，可以直接更换连接座2520，降低了维护成本和维护难度。

作为示例，U型支架1510、连接座2520以及支链1300的对应位置上设置有安装孔，止动销穿过该安装孔与支链1300固定连接，U型支架1510的两个支脚通过止动销(未示出)与连接座2520的两个侧板转动连接，从而止动销作为U型支架1510的一个旋转轴，即可以作为U型支架1510的第二旋转轴。与根据第一实施例的机械臂1000相同，角度测量装置1700安装在U型支架1510上，用于测量支链1300绕第二旋转轴线相对于静平台1200的转动角度。

可选地，所述支架板设有镂空部；如此可以降低支链1300的重量。可选地，所述支架板设在所述连接杆背对静平台的一侧，如此设置，连接支点的位置可以根据实际需要设置，从而进一步提高了支链1300的通用性，可以充分利用布置空间，避免与静平台之间发生干涉。

在图2A所示的示例中，静平台1200形成为框架结构，包括支撑板2210、底板2230以及连接支撑板2210和底板2230的连接板2220，底板2230位于支撑板2210的远离动平台1100的一侧。旋转驱动组件1600为伺服电机，通过电机座2240安装在静平台1200上，以稳定地连接在支撑板2210和底板2230之间。伺服电机的输出轴与U型支架1510的连接轴固定连接，作为示例，伺服电机的输出轴直接或间接连接在U型支架1510的第一旋转轴上。静平台1200大体上位于第一圆的远离动平台1100 的一侧，相应地，旋转驱动组件1600也布置在远离动平台1100的一侧，从而使得第一圆的直径尽量小，从而机械臂2000的外形尺寸尽量小，避免机器人上安装的多个机械臂2000之间相互干涉。

继续参照图2A，动平台1100上可以设置有执行组件500，执行组件500具有远心不动点510，通过旋转驱动组件1600和移动驱动组件的协同配合，能够控制动平台1100相对于静平台1200运动并带动执行组件500伸缩以及摆动，执行组件500的伸缩路径能够始终穿过该远心不动点510，提高了执行组件500工作过程中的稳定性和操作过程的准确性。执行组件500在进行手术操作时，能够以远心不动点为中心进行摆动，因此，只需在患者皮肤表面开设一个微小的创口用于供执行组件500穿过即可，患者的创口小，术后恢复快。

为了能够为操作者提供精确的力反馈，机械臂2000还包括传感器2120，传感器2120安装在动平台1100上或者安装在执行组件500上，用于检测执行组件500受到的环境力以及/或环境力矩，并可以将该环境力和/或环境力矩反馈至主手处，从而使得操作人员在对主手进行运动控制时能够受到力学反馈，有利于提高机器人的使用效果。可选地，传感器2120可以为力和力矩传感器，例如但不限于，可以为六维力和力矩传感器。

结合图2A描述的执行组件500和传感器2120，同样可以适用于根据本公开的其他实施例的机械臂。为了使本说明书更简洁，在下面针对其他实施例的描述中，不再赘述。

图3A和图3B示出了根据本公开第三实施例的机械臂的示例性结构。第三实施例的机械臂3000 的结构总体上与第二实施例的机械臂2000的结构相同，区别之处在于旋转驱动组件1600和静平台1200 的具体结构以及旋转驱动组件1600与第一连接组件1500之间的传动结构。

在机械臂3000中，旋转驱动组件1600通过蜗轮蜗杆组件将旋转驱动力传递给第一连接组件1500。下面，参照图3A和图3B进行详细描述。

旋转驱动组件1600安装在静平台3200上，并与第一连接组件1500的第一旋转轴连接，用于驱动第一连接组件1500相对于静平台1200绕第一旋转轴线旋转，从而带动支链1300旋转。具体地，如图 3B所示，旋转驱动组件1600包括旋转驱动电机3610以及蜗轮蜗杆组件，蜗轮蜗杆组件包括蜗杆3620 和蜗轮3630，蜗杆3620通过转接轴与旋转驱动电机3610的输出轴同轴固定连接，蜗轮3630与U型支架1510的第一旋转轴同轴固定连接，蜗轮3630和蜗杆3620啮合连接。在静平台1200上还可设置有支撑座3640，U型支架1510的第一旋转轴通过轴承可转动地与支撑座3640连接，蜗轮3630与U 型支架1510的第一旋转轴的从支撑座3640伸出的部分连接，从而使得U型支架1510被稳定支撑在静平台1200上。

本实施例中，第一驱动电机通过蜗轮蜗杆组件与第一连接组件1500连接，可以提高动力传递的扭矩，能够通过控制第一驱动电机与支链1300之间的传动比，提高动平台1100的负载能力，且蜗轮蜗杆组件具有自锁功能，进一步提高了机械臂的运行可靠性。

旋转驱动电机3610安装在支撑板2210与底板2230之间。蜗轮蜗杆组件位于底板2230的面向动平台1100的一侧，旋转驱动电机3610的输出轴与蜗杆3620固定，蜗轮3630与U型支架1510固定连接，从而实现旋转驱动电机3610的驱动力到U型支架1510的传动。例如但不限于，旋转驱动电机3610 在支撑板2210的朝向底板2230的一侧，设置于底板2230上。蜗轮3630和蜗杆3620可以设置于支撑板2210的背离底板2230的一侧。为了对传动组件进行保护，根据本公开实施例的机械臂还可以包括静平台罩壳3240，将蜗轮蜗杆组件罩设在静平台罩壳3240内，防止操作人员意外接触传动结构而造成伤害，同时也对传动结构进行保护，防止灰尘或其他杂质进入传动结构中。通过设置静平台罩壳3240，提高了机械臂的使用安全性。

底板2230大体上位于支链1300与静平台1200的连接支点所在第一圆的远离动平台1100的一侧，相应地，旋转驱动组件1600也大体上布置在第一圆的远离动平台1100的一侧，避免第一圆的直径为了设置旋转驱动组件1600而增大，使得第一圆的直径尽量小，从而使得机械臂的静平台的外形尺寸尽量减小。

手术机器人通常具有多条机械臂，通过多条机械臂协同配合执行手术操作。在手术操作中，为降低各个机械臂发生干涉的几率，需要将静平台的直径尽可能缩小。根据本公开第三实施例的机械臂，通过采用蜗轮蜗杆组件进行传动，能够使用更小的电机，缩小了静平台的直径。

手术操作中由于意外而发生断电等情况时，如果机械臂不能保持当前姿态而是受重力的作用发生变形，会有不可预计的后果。根据本公开第三实施例的机械臂，当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，蜗轮蜗杆具有自锁性，由于P副采用的电推缸本身也具有自锁性，因此在设备断电后，机械臂3000可以保持当前状态，从而避免机械臂由于自重发生变形对患者造成伤害，如此通过使用蜗轮蜗杆组件传递驱动力进一步提高了机械臂的使用安全性。

图4A和图4B示出了根据本公开第四实施例的机械臂4000的示例性结构。第四实施例的机械臂 4000与第二实施例的机械臂2000的结构原理相同，区别之处在于支链的驱动组件的结构和布置以及驱动组件与第一连接组件之间的连接方式。

与前述第二实施例相同的是，第四实施例的旋转驱动组件1600包括旋转驱动电机4610，与前述第二实施例不同的是，旋转驱动电机4610通过传动带或传动链与U型支架1510连接，以将旋转动力传递给U型支架1510。

如图4A和图4B所示，旋转驱动组件1600包括主动轮4620、从动轮4630以及传动带或传动链(未示出)。主动轮4620可以固定连接在旋转驱动电机4610的输出轴上，从动轮4630可以与U型支架 1510连接，主动轮4620通过传动带或传动链带动从动轮4630旋转，可以将旋转驱动电机4610的动力传递给U型支架1510。

进一步地，为了提高旋转驱动组件1600的承载能力，从动轮4630和U型支架1510的连接轴之间通过谐波减速器4650连接，但不以此为限。具体地，谐波减速器4650包括刚轮、柔轮以及波发生器，波发生器作为输入端接收旋转驱动电机4610的旋转驱动力，刚轮或柔轮可以作为输出端与U型支架 1510连接。

通过谐波减速器4650能够改变旋转驱动电机4610和U型支架1510之间的传动比，放大扭矩，从而增加对支链1300施加的扭矩，提升驱动力矩，提高动平台1100的负载能力。

通过使用传动带或传动链使旋转驱动组件1600形成为带轮组，带轮组能够放大扭矩，增强了动平台的承载能力。此外，由于谐波减速器中谐波齿轮传动时同时啮合的齿数多，承载能力高，在机械臂侧安装时可以承受更大的转矩，通过使用谐波减速器，能够进一步增强了动平台的承载能力。

作为示例，除了带传动或链传动之外，主动轮4620还可以采用与从动轮4630直接啮合的传动方式实现将旋转驱动电机4610的动力传递给U型支架1510，也可以通过不同的齿数比来改变传动比。

为了对旋转驱动组件1600以及支链1300进行稳定支撑并且减小整个机械臂的自重，静平台1200 形成为框架结构。如图4A所示，旋转驱动电机4610安装在连接板2220上。在附图所示的示例中，旋转驱动电机4610的主体布置在连接板2220的外侧，驱动轴穿过连接板2220后与主动轮4620连接。旋转驱动电机4610设置为靠近底板2230，远离动平台1100设置，三个旋转驱动电机4610等间隔布置，并且三个旋转驱动电机4610的输出轴的延长线相交于第一圆的圆心。通过如此设置，一方面，使得旋转驱动电机4610与第一连接组件1500沿机械臂的延伸方向错开布置，使得静平台1200与支链1300 之间的连接支点所在的第一圆的直径尽可能减小，从而减小静平台1200的总体尺寸，使得机械臂的外形尺寸较小，避免多个机械臂之间相互干涉，另一方面，使得机械臂的支链结构均匀布置，受力或传动结构稳定。

第四实施例的机械臂，与前述实施例所示结构的不同点还包括支链和移动驱动组件的布置结构。在前述第二实施例和第三实施例中采用的支链与移动驱动组件同轴布置，例如，采用模块化设置的线性电动缸，而在根据本公开第四实施例中采用的是折叠电动缸。在本实施例中采用的折叠电动缸的电机与缸体平行安装，电机通过同步带轮组件(主动带轮、从动带轮以及同步带)驱动螺杆转动。这种电动缸不仅具有直线伺服电动缸的特点，而且由于整体长度较短，适用于安装位置较平时较小的场合。另外，折叠式伺服电动缸选用的同步带可以做减速，这样可以放大推力，降低惯量，加大旋转力矩，提高支链的位移行程，使得动平台的负载能力提高，并且运动空间更大。此外，折叠电动缸具有强度高、间隙小、寿命长的特点，具有较高的控制能力和控制精度。通过采用折叠式电动缸，同样可以提高动平台的控制精度。

在上述实施例的机械臂中，对于支链的移动驱动组件的电动缸，可以根据安装场合来具体进行选择。

图5A至图5C示出了根据本公开第五实施例的机械臂5000的结构示意图。第五实施例的机械臂的结构，与前述实施例的结构不同的之处在于旋转驱动组件的布置方式。具体地，在前述实施例中，旋转驱动组件设置在支链1300的内侧，与第一连接组件1500的沿着第一圆的径向方向延伸的第一旋转轴连接。在第五实施例的机械臂中，旋转驱动组件1600设置在支链1300的侧向，沿着静平台1200 的周向布置，与第一连接组件1500的沿着周向延伸的第一旋转轴连接。更具体地说，相对于支链1300 与静平台1200之间的连接点所在的第一圆而言，旋转驱动组件1600的输出轴沿着第一圆的切线方向设置。三条旋转驱动组件1600的输出轴的延长线相交形成以第一圆的圆心为中心的正三角形。

如图5A所示，静平台1200包括底板2230以及固定设置在底板2230上的连接板2220，连接板2220 从底板2230的朝向静平台2200的表面突出设置。第一连接组件1500和旋转驱动组件1600分别设置于连接板2220的相对的两侧，第一连接组件1500可以绕第一旋转轴线旋转，并且使得支链1300可以绕第一旋转轴线相对于静平台1200摆动。图5A中弧线双箭头显示了支链1300绕第二旋转轴线的摆动方向，直线双箭头显示了支链1300的伸缩方向。

如图5A所示，第一连接组件1500的第二旋转轴沿着第一圆的径向方向延伸，第一连接组件1500 的第一旋转轴沿着第一圆的切线方向设置，旋转驱动组件1600与第一旋转轴连接，以用于驱动支链 1300绕第一旋转轴旋转，角度测量装置1700设置在该第二旋转轴上，以用于测量支链1300绕第二旋转轴的转动角度。

在实际使用中，当静平台1200与水平面成一定角度时，即机械臂5000倾斜设置时，优选地按照如图5B和图5C所示的方式布置，即第一连接组件1500的沿着第一圆的切线方向延伸的第一旋转轴处于水平状态，第二旋转轴处于竖直状态。具体地，第一连接组件1500的与旋转驱动组件1600连接的第一旋转轴沿水平方向布置。通过这种布置方式，使得支链1300、动平台1100以及设置在动平台 1100上的负载执行机构的重力尽可能均布于三条支链，对静平台1200上的旋转驱动组件1600的功率损耗最小，且整个机械臂的稳定性更好。

图6示出了根据本公开第六实施例的机械臂6000的结构示意图。第六实施例的机械臂与第五实施例的机械臂的结构原理相同，不同之处在于：

机械臂6000的旋转驱动组件1600可以分别采用第三实施例以及第四实施例中描述的旋转驱动组件对第一连接组件1500施加旋转驱动力，静平台1200的结构也可以根据旋转驱动组件1600的布置进行相应调整，这里不再一一进行详细描述。

进一步的，在第六实施例中，连接座2520和U型支架1510布置在支链的同一侧，更具体的，布置在支链在第一圆的周向方向上。与参照第一实施例描述的结构基本相同，连接座2520大体上呈U型，并且连接板上设置有镂空结构，这里不再重复描述。

图7示出了根据本公开第七实施例的机械臂7000的结构示意图。本实施例中的机械臂具有3RSPS 结构。

机械臂7000包括动平台1100、静平台1200以及三条支链1300，支链1300包括连接杆1310和移动杆1320，连接杆1310通过第一连接组件1500连接到静平台1200，移动杆1320通过第二连接组件 1400连接到动平台1100。三条支链1300连接在动平台1100和静平台1200之间，且沿第一圆的周向上均匀分布。

机械臂3000还包括旋转驱动组件1600以及角度测量装置1700。旋转驱动组件1600安装在静平台 1200上，角度测量装置1700安装在第一连接组件1500的一个旋转轴上。

本实施例中，角度测量装置1700设置于第一连接组件1500的第一旋转轴上，该旋转轴可以为第一连接组件1500与静平台1200的连接轴，第一连接组件1500通过该连接轴可转动地连接在静平台 1200上，角度测量装置1700用于测量第一连接组件1500绕该第一旋转轴的旋转角度。

与前述实施例不同的是，旋转驱动组件1600通过第三连接组件7800连接到支链1300上。更具体地，第一连接组件1500和第三连接组件7800均连接到连接杆1310上，第三连接组件7800相对于第一连接组件1500位于远离动平台1100的一侧。静平台1200位于第一连接组件1500和第三连接组件 7800之间。第三连接组件7800具有与旋转驱动组件1600连接的第一连接轴以及与支链连接第二连接轴，第三连接组件7800的第一连接轴与旋转驱动组件1600的输出轴同轴固定连接，第三连接组件7800 能够通过第二连接轴与支链1300转动连接。

旋转驱动组件1600的一端通过球铰与静平台1200转动连接，旋转驱动组件1600的另一端与第三连接组件7800的第一连接轴固定连接。第一连接组件1500的第一旋转轴的延长线和第三连接组件7800 的第一连接轴的延长线在静平台1200上相交于一点，换句话说，连接杆1310、第一连接组件1500的第一旋转轴、第三连接组件7800第一连接轴三者在一个平面内，延长线相互连接形成一个三角形。更具体地，第一连接组件1500的第一旋转轴的延长线和第三连接组件7800的第一连接轴的延长线相交于静平台1200上，进一步地，第一连接组件1500第一旋转轴的延长线和第三连接组件7800的第一旋转轴的延长线相交于球铰处。通过使第一连接组件1500相对于所述静平台1200的旋转轴、第三连接组件7800相对于所述静平台1200的旋转轴以及所述支链1300三者在一个平面内，三者的延长线相互连接形成一个三角形，并且所述三角形的一个顶点位于第三连接组件与静平台的连接点上，使得旋转驱动组件与第一连接组件沿机械臂的延伸方向错开布置，能够使第一圆的直径尽可能减小，从而减小静平台的总体尺寸，使得机械臂的外形尺寸较小，避免多个机械臂之间相互干涉。

根据本实施例的一方面，所述旋转驱动组件1600包括第二驱动电机，所述第二驱动电机包括电机本体和能够相对于所述电机本体伸缩的驱动轴，所述电机本体和所述驱动轴中的一者铰接在所述静平台上，另一者通过所述第三连接组件7800与所述连接杆1310转动连接，所述第二驱动电机与所述静平台1200之间具有三个转动自由度，所述第二驱动电机与所述连接杆1310之间具有一个转动自由度。

根据本实施例的一方面，本实施例中的旋转驱动组件为伸缩组件，以将旋转驱动组件1600的直线运动转变成支链的摆动。作为示例，所述第二驱动电机为直线驱动组件，例如，直线驱动电机、气缸、或电动缸等。如图7所示，在静平台1200和第三连接组件7800之间形成为P副。第三连接组件7800 与支链1300转动连接，形成一个R副，旋转驱动组件1600的一端与第三连接组件7800固定连接，另一端通过球铰与静平台1200转动连接，从而在旋转驱动组件1600与静平台1200之间形成S副。

根据本实施例的一方面，所述直线驱动组件设置在所述静平台1200的远离所述动平台1100的一侧，所述直线驱动组件与所述连接杆1310通过第三连接组件7800转动连接，所述第三连接组件7800 设置于所述静平台1200的背离所述动平台1100的一侧。如此设置，使得直线驱动组件可以部分或全部平衡支链的自重、动平台以及负载重力所产生的力矩，提高机械臂的负载能力。

根据本实施例的一方面，支链1300能够伸缩，通过斜置的旋转驱动组件1600的直推，能够使支链1300绕连接支点进行旋转，即支链1300能够绕连接杆1310与第一连接组件1500之间的旋转轴转动，从而通过该3RSPS结构，能够使动平台1100产生空间六自由度的运动。通过角度测量装置1700 测量支链1300绕连接杆1310与第一连接组件1500之间的旋转轴的转动角度、旋转驱动组件1600的直线驱动位移量以及支链1300的伸缩位移量作为输入参数，能够进行运动平台位姿的解算。

根据本实施例，通过使旋转驱动组件1600斜置，能够减小静平台的尺寸，从而进一步减小机械臂的外形尺寸，避免手术机器人的多个机械臂之间相互干涉。

由于在动平台1100绕Z轴旋转时会降低负载执行机构绕X轴或Y轴倾角运动范围，以及动平台 1100绕X轴或Y轴存在一定倾角时，会减低绕Z轴旋转运动范围，因此该机构适用于动平台绕Z轴旋转角度较小的应用场合。本实施例附图中的Z轴方向与动平台1100的法线方向平行，X轴方向和Y 轴方向分别垂直于Z轴方向，且X轴方向垂直于Y轴方向。

图8A、图8B和图8C示出了根据本公开第八实施例的机械臂的结构示例图。第八实施例的机械臂与第七实施例的机械臂的结构原理相同，均为3RSPS结构。不同之处在于，图8A、图8B和图8C 进一步示出了实现该机械臂的示例性结构。

如图8B所示，旋转驱动组件1600与支链1300之间通过第三枢转轴8830连接，以使得支链1300 可以绕该第三枢转轴8830的轴线转动。

在附图8B所示的示例中，旋转驱动组件1600包括电机安装座8620和旋转驱动电机8610，旋转驱动电机8610固定于该电机安装座8620上。作为示例，本实施例中旋转驱动电机8610可以为直线电机，但不以此为限。

可选地，旋转驱动组件1600与连接杆1310通过第三连接组件8800转动连接。具体地，第三连接组件8800包括第三连接块8810，第三连接块8810的一端固定于电机安装座8620上，另一端通过轴承可转动地连接在连接杆1310上。作为示例，第三连接块8810可以呈L型，L型的第三枢转轴8830的两个支臂分别与连接杆1310和电机安装座8620连接。

第三连接块8810连接于连接杆1310的远离动平台1100的一端，第一连接组件1500沿支链1300 的延伸方向设置于第二连接组件1400和第三连接组件8800之间。

进一步地，第三连接组件8800还包括衬套8820，衬套8820固定连接到支链1300的连接杆1310 上，第三连接块8810枢转连接到第三枢转轴8830上，一方面防止第三连接块8810绕第三枢转轴8830 的轴线旋转的过程中与连接杆1310发生摩擦磨损，提高了连接杆1310的使用寿命，另一方面也方便在第三枢转轴8830损坏后，容易进行维修更换。

参照图8A，静平台1200与支链1300通过第一连接组件1500可转动的连接，第一连接组件1500 包括第一连接支架，第一连接支架大致呈L型，L型的第一连接支架的两个支臂分别铰接在连接杆1310 和静平台1200上，例如但不限于，两个支臂分别通过轴承与连接杆1310和静平台1200转动连接。

图8B示出了旋转驱动组件1600的局部放大图，旋转驱动组件1600与静平台1200通过球铰8640 连接，球铰8640包括球座8642和球头8641，球座8642可以固定在静平台1200上，球头8641可以连接在旋转驱动电机8610上，球头8641可转动地连接在球座8642上，实现两者之间的三个自由度旋转。可选地，球座8642和球头8641位置可以互换，即球座8642可以固定在旋转驱动电机8610上，球头 8641可以连接在静平台1200上。

作为示例，球头8641连接在旋转驱动电机8610的输出轴上。为了进一步提高旋转驱动组件1600 的运行可靠性，防止球头8641相对于电机安装座8620转动，球铰8640和旋转驱动电机8610间设置有止转板8630。球头8641固定在该止转板8630上，球座8642安装在所述静平台1200上。如此设置，避免支链运动过程中卡死，从而提高了机械臂运行的可靠性。

根据本实施例的一方面，所述电机安装支架和所述止转板中的一者上设置有与所述驱动轴平行的导向杆，另一者设置有与所述导向杆匹配的导向孔，所述导向杆可滑动地设置于所述导向孔内。如此设置，提高了旋转驱动组件的运行稳定性，从而提高了机械臂的运行可靠性。

本实施例中，旋转驱动组件1600还包括导向杆8650，用于引导止转板8630和电机安装座8620 之间的滑动运动。

本实施例中，电机本体可以固定于电机安装座8620内，电机安装座8620和止转板8630中一者固定设置有导向杆8650，另一者上设置有与导向杆8650匹配的导向孔，导向杆8650可滑动地插入该导向孔内，从而使得止转板8630沿导向杆8650的延伸方向靠近或者远离电机安装座8620。

作为示例，导向杆8650固定设置于止转板8630上且从止转板8630的背离静平台1200的一侧，沿旋转驱动电机8610的输出轴的伸缩方向延伸，电机安装座8620上设置有与导向杆8650匹配的导向孔，导向杆8650可滑动地设置于该导向孔内。通过设置导向孔和导向杆的配合结构，增加了第二电机伸缩运动的稳定性，同时增加了第二电机与止转板之间的连接稳定性，防止电机输出轴在扭矩较大的情况扭曲断裂。

作为示例，导向杆8650可以为两个，围绕所述驱动轴对称布置，分别与旋转驱动电机8610的输出轴平行设置。通过设置至少两根导向杆8650，能够加强驱动电机与止转板8630的连接强度，防止驱动电机的移动杆在受到扭矩的情况下发生断裂。

图8C示出了根据本公开第八实施例的机械臂中支链1300与动平台1100之间连接结构示意图。参照图8C，本实施例中的第二连接组件1400包括轴端压板8410，轴端压板8410连接在支链1300的移动杆1320的端部，以在移动杆1320的带动下能够靠近或者远离连接杆1310。例如但不限于，该端部为伸出端的端部，轴端压板8410以悬臂梁的形式从支链1300的端部横向伸出，即轴端压板8410的延伸方向垂直于支链1300的伸缩方向，以方便与动平台1100连接。

可选地，轴端压板8410上设置有通孔，支链1300的移动杆1320的端部上可以设置有外螺纹，移动杆1320的端部穿过轴端压板8410上的通孔后与螺母连接，从而将轴端压板8410连接于移动杆1320 上。可选地，轴端压板8410可以固定于移动杆1320上，以可以通过轴承枢转连接在该移动杆1320上，可以根据实际需要选择。在移动杆1320相对于连接杆1310做沿其延伸方向移动而不转动时，轴端压板8410可以固定于移动杆1320。在移动杆1320相对于连接杆1310旋转着伸出的情况下，轴端压板 8410枢转连接在该移动杆1320上，避免轴端压板8410随移动杆1320一起旋转，进而出现卡死。

第二连接组件1400还包括第一连接块8430，第一连接块8430的一端通过轴承可转动地连接在轴端压板8410上，第一连接块8430的另一端可转动地连接在动平台1100上。可选地，第一连接块8430 呈L型，L型第一连接块8430的两个支臂分别枢转连接于轴端压板8410和动平台1100。

进一步地，第二连接组件1400还包括第二连接块8450，第二连接块8450可转动地连接在动平台 1100和第一连接块8430之间。作为示例，第二连接块8450通过销钉可转动地连接在动平台1100上，且第二连接块8450通过轴承可转动地与第一连接块8430连接，第一连接块8430的两个枢转轴相互垂直，并与用于连接第二连接块8450和动平台1100的销钉垂直。

本实施例中，轴端压板8410与第一连接块8430之间的枢转轴可以具有第一轴线，第一连接块8430 和第二连接块8450之间的枢转轴可以具有第二轴线，第二连接块8450与动平台8100之间的枢转轴可以具有第三轴线，上述第一轴线、第二轴线以及第三轴线彼此垂直，以使得第二连接组件1400形成为具有三个自由度的结构，使得支链1300与动平台1100之间具有三个转动自由度。

通过上述方式形成第二连接组件1400，与通过球铰或虎克铰形成转动副的结构相比，本实施例中的动平台1100的直径更小，从而能够减轻动平台1100的自重，提高动平台1100的负载。

继续参照图8A，为了便于机械臂8000与床旁机械臂塔的底座连接，本实施例中的机械臂8000还包括机械臂连接座8900，机械臂连接座8900固定于静平台1200上且从静平台1200朝向远离动平台1100的方向延伸，机械臂连接座8900的侧壁上设置有多个通孔，方便旋转驱动组件1600以及各个信号线和电源线穿过，以避免运动干涉。

根据本公开实施例提供的机械臂，可以应用于手术机器人。参照图9A，本实施例提供一种手术机器人，该手术机器人可以包括底座100、控制臂、连接在控制臂上的多个机械臂400以及连接在每个机械臂400的前端的执行组件500，其中控制臂包括设置在底座100上的立柱200和连接在立柱200上的调节组件300、底座100可以支撑在操作平台上，例如但不限于，该操作平台可以为地面。调节组件 300活动地连接于立柱200和机械臂400之间，以带动机械臂400移动，从而找到合适的操作位置。

执行组件500设置于机械臂400上，机械臂400能够控制动平台相对于静平台运动并带动执行组件500伸缩及摆动，执行组件500可以具有预设的远心不动点，该执行组件500的摆动中心为远心不动点，且执行组件500的伸缩路径穿过远心不动点。

本实施例中，调节组件300用于承担大致移动执行组件500的功能，以使执行组件500移动至所需位置，机械臂400用于对执行组件500的精准控制，以在上述所需位置的基础上进一步定位。

根据本公开一示例性实施例，所述机器人的机械臂的其中一个支链对应的第一旋转轴线沿水平方向延伸，使得该支链对应旋转驱动组件的输出力矩的方向沿切线方向，与重力方向相反，使得输出力矩均用于补偿重力，从而最大幅度的降低了该旋转组件的功率损耗，提高了机械臂的整体负载能力。在一种实施方式中，上述支链的安装位置由机械臂400与调节组件300之间定位安装实现。如此设置，使得支链、动平台以及设置在动平台上的负载执行机构的重力尽可能均布于条每支链，避免了各个旋转驱动组件之间负荷的较大差异，从而提高了各旋转组件的负载均衡能力。

本公开另一方面，提供一种机器人控制方法，所述机器人包括控制臂和如上所述的机械臂，所述机械臂的静平台连接到所述控制臂上，所述机器人控制方法包括：控制所述控制臂使所述机械臂的至少一个支链对应的所述第一旋转轴线沿水平方向延伸。在一种实施例方案中，通过控制器引导控制臂动作，从而控制支链的位置。通过使得至少一个支链对应的第一旋转轴线沿水平方向延伸，使得该支链对应旋转驱动组件的输出力矩的方向沿切线方向，与重力方向相反，使得输出力矩均用于补偿重力，从而最大幅度的降低了该旋转组件的功率损耗，提高了机械臂的整体负载能力。

参照图9B，根据本发明的实施例的机器人系统可包括操作端900、机器人和成像设备(未示出)。操作端900可包括医生控制台，主手设置在医生控制台上，操作者(医生)可通过操作主手来控制机器人的操作，更具地体，控制机械臂400上的动平台的位姿，从而通过安装在动平台上的执行组件500 执行各种手术操作。

根据本公开实施例提供的机械臂不限于应用于手术机器人，还可以应用于工业机器人。图10A至图10D示出了本公开提供的不同应用场景下的工业机器人，该工业机器人包含根据本公开实施例提供的机械臂。

现有的用于喷涂或焊接的工业机器人多采用串联机构，依靠多个串联关节的联动，把焊头/喷头运送至预定的位置进行焊接/喷涂作业，存在能耗大、难以实现密闭空间的焊接、安全性较低以及要求封闭的空间大等缺陷。为实现密封作业，也有将串联机器人的生产线置于相对密闭的空间内，以降低事故对环境造成的伤害，但并非本质安全，机器人在喷涂时的油雾环境中作业，仍有引发爆炸的危险。

根据本公开提供的工业机器人，由于机械臂采用并联结构来实现焊接/喷涂作业，重量轻，能耗小。通过在机械臂的动平台上安装注入焊接/喷涂作业需要的焊头/喷头等执行组件，通过支链驱动动平台带动焊头/喷头，可以进行有效的焊接或喷涂作业。

本公开另一方面，提供一种工业生产系统，工业生产系统包括加工室和如上的机器人，加工室的腔壁上开设有通孔，机械臂还包括安装在动平台上的执行组件，执行组件的一端通过通孔伸入到加工室内。通过将待加工部件设置在加工室内，执行组件通过通孔伸入加工室内对待加工部件进行加工，使得操作人员能够在与待加工部件隔开的情况下进行作业，能够提高作业过程的安全性。可选地，通孔上设置有密封件，密封件与执行组件密封连接。通过设置密封部件，可以避免加工室内的有毒有害气体或粉尘泄漏。

例如，如图10A所示，可以通过控制算法在执行组件上设置远心不动点，该远心不动点相对于工业机器人的基座位置固定，且始终在安装了焊头/喷头的支杆上。待焊接/喷涂工件610可以设置于封闭的空间内，与焊接/喷涂机器人通过隔墙600隔开，在隔墙600上开设操作孔，机械臂上的执行组件可以穿过该操作孔进行作业，将该远心不动点设置在该隔墙600上的穿孔位置处，以使得执行组件绕该远心不动点摆动，执行组件的伸缩路径穿过远心不动点，能够在保证操作人员安全的情况下进行有效作业。

本方案采用并联结构实现焊接/喷涂作业，具有以下技术效果：1、能耗较小。由于并联结构具有很高的刚性和强度，相对于串联结构，重量轻，功率小。驱动部分的质量大都在静平台上，作业时不需要大范围移动，故工作时的运动质量小，能量消耗少。2、可实现密闭空间的焊接。本方案通过控制算法在执行组件的支杆上设置了远心不动点，只需在封闭空间的隔墙600上开一小孔，将其与前述远心不动点重合，即可实现焊接作业。这样，焊接机器人本体全部设置在密闭空间外，密闭空间小，降低建设成本。3、安全性高。本方案通过控制算法在执行组件500上设置了远心不动点，只需在封闭空间的隔墙600上开一小孔，将其与前述远心不动点重合，即可实现喷涂作业。这样，喷涂机器人本体全部设置在密闭空间外，不会有引发爆炸的危险，本质安全性高。

图10B示出了一种工业机器人的结构示例，在该示例中，根据本公开实施例的机械臂可以固定在滑块701上，滑块701可以沿滑轨702的延伸方向移动，从而进行直线移动作业。

图10C示出了另一种工业机器人的结构示例，在该示例中，根据本公开实施例的机械臂可以固定在旋转柱801上，使得机械臂可以随旋转柱801一同相对于柱底座802旋转，从而进行旋转作业。作为示例，旋转柱801的旋转轴线垂直于静平台的法线方向，但不以此为限。

将静平台安装于滑轨702或旋转柱801上，使机器人运动范围进一步拓宽，既克服串联机构机器人负载能力弱，特别是大负载时误差累积导致精度差，刚性低，自重大运动能耗高的问题，又克服机械臂机器人如STEWART运动范围小正解困难的弱点。

根据本公开一示例性实施例，机器人包括至少两个所述机械臂，至少两个所述机械臂之间形成加工空间，至少两个所述机械臂的执行组件均朝向所述加工空间布置。如此设置，本公开提供的机器人可以具有多个机械臂，多个机械臂协同配合，从而可以提高机器人的工作效率。

图10D示出了一种加工机床，该加工机床包括多个机械臂，多个机械臂可以同时协同配合进行加工操作。作为示例，所述机器人包括五个所述机械臂，其中四个机械臂在同一个平面内围绕所述加工空间两两相互面对，其余一个机械臂垂直于所述平面布置。

现有机床旋转主轴粗大，难以布置多个主轴，难以做到多个主轴同时加工。采用根据本公开实施例的机械臂的加工机床，能够在同一台机床中布置多至5个主轴，并能同时加工工件。多轴同时加工机床采用并联结构的主轴，由于并联结构高刚性、高强度、体积小的优点，可在同一台机床中布置至多5个主轴，并能实现同时加工，提高生产效率。

在机器人的操作过程中，对动平台的轨迹规划以及在操作过程中如何准确确定动平台的位姿是实现机器人精准控制的关键要素。现有机器人控制方法通常是根据支链的运动参量采用运动学算法来计算动平台的位姿，从而确定安装在动平台上的执行组件的位置和姿态。然而，现有的机械臂的位姿确定方法的求解过程复杂，并且可能出现不唯一解的情况，例如，对于正向运动学而言，所给定的机械臂的关节变量仅为关节的旋转角度变量，在此情况下，当动平台和静平台上的对应的关节之间的距离不确定时，则机械臂的末端位置姿态会出现多解的情况，并且求解过程复杂，不利于快速、高效地求解。

为了解决机械臂的运动学求解问题，根据本公开的一方面，还提供了上述机械臂的正向运动学求解方法。正向运动学是指根据机械臂的一些关节变量，求解机械臂的末端动平台位置姿态。根据本公开机械臂以及包括该机械臂的机器人还可以包括控制器，控制器中包含有处理单元，用于执行正向运动学求解方法，从而根据支链的运动参量获得动平台的位姿。

根据本公开实施例的一个方面，提供一种机械臂的位姿确定方法，所述机械臂基于第一实施例至第八实施例的机械臂，所述静平台形成有至少三个第一位置，所述动平台形成有与所述至少三个第一位置一一对应的至少三个第二位置，每个支链对应于所述静平台和所述动平台的对应的第一位置和第二位置，并且每个支链在对应的第一位置和第二位置之间的跨度是可调节的，所述位姿确定方法包括：根据所述至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间的位置参量，确定每个第二位置相对于所述静平台的位置；基于每个第二位置相对于所述静平台的位置，确定动平台相对于静平台的位姿参量；基于所述位姿参量，确定所述机械臂的动平台的位姿，其中，所述位置参量包括所述至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的移动杆相对于连接杆的移动方向上的距离和每个第二位置相对于对应的第一位置绕旋转轴线旋转的旋转变化量；其中，距离基于移动驱动组件获得，旋转变化量基于角度测量装置和旋转驱动组件获得。

如此，可以解决机械臂的运动学的求解复杂的问题，通过考虑到对应的第一位置与第二位置之间的距离并且考虑到二者之间的旋转变化量，通过确定每个第二位置相对于静平台的位置，可以基于位姿参量，确定机械臂的动平台的位姿，从而可以简化运动学求解过程，提高计算速度和效率。

根据本公开实施例的另一方面，提供一种机器人，所述机器人包括静平台、动平台和支链，所述静平台上具有至少三个第一位置，所述动平台上具有与所述至少三个第一位置一一对应的至少三个第二位置，每个支链连接到对应的第一位置和第二位置并且每个支链在对应的第一位置和第二位置之间的跨度是可调节的，所述并联机械臂还包括：存储器，所述存储器存储有计算机程序；处理器，所述处理器执行存储在所述存储器中的计算机程序以实现根据本公开所述的机械臂的位姿确定方法。

下面，参照附图对根据本公开的机械臂的位姿确定法进行详细的描述。

图1A和图11分别是根据一示例性实施例示出的一种机械臂的一示例的简化结构示意图和结构原理示意图。如图1A和图11所示，机械臂可以包括静平台1200、动平台1100和支链1300，静平台1200 可以形成有至少三个第一位置S1、S2和S3，动平台1100可以形成有与至少三个第一位置S1、S2和 S3一一对应的至少三个第二位置M1、M2和M3，每个支链1300对应于对应的第一位置S1、S2和S3 和第二位置M1、M2和M3，第一位置S1、S2和S3和第二位置M1、M2和M3可分别通过支链1300 相对于静平台1200和动平台1100的旋转轴线来确定，例如，支链1300相对于静平台1200可以分别绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转，第一位置可以为第一旋转轴线和第二旋转轴线的交点，支链1300 相对于动平台1100可以分别绕第三旋转轴线、第四旋转轴线以及第一位置与第二位置的连线旋转，第二位置可以为第三旋转轴线和第四旋转轴线的交点。因此，在一示例中，第一位置S1、S2和S3和第二位置M1、M2和M3可以是支链1300连接到相应平台组件的铰接点所在位置，即，第一位置S1、 S2和S3和第二位置M1、M2和M3分别位于静平台1200和动平台1100上；在另一示例中，第一位置S1、S2和S3和/或第二位置M1、M2和M3可以不位于相应的静平台1200和/或动平台1100上，而是在平台组件之外的空间中。每个连接在对应的第一位置S1、S2和S3和第二位置M1、M2和M3 之间的跨度是可调节的。例如支链1300可以是诸如电动丝杠等的直线致动装置。

机械臂可以具有6个自由度，对于静平台1200和动平台1100而言，“静”和“动”为相对的概念，包括静平台和动平台的机械臂整体可以运动，动平台可以相对于静平台运动。

如图1A所示，每个支链1300的第一端连接到静平台1200，其第二端连接到动平台1100，例如，每个支链1300的两端可以分别连接到静平台1200上的第一位置和动平台1100上的对应的第二位置。

需要说明的是，尽管本文中以三支链结构为例对机械臂的位姿确定方法进行了描述，然而根据本公开的示例性实施例的机械臂的位姿确定方法的应用场景不限于此，其意在于提供一种确定机械臂位姿的方法构思，其适用于所有符合方法特征的6自由度机械臂，例如对于具有多于三个支链并联结构也可以适用，本领域技术人员可以根据实际应用场景的需要进行变型。

图12是根据一示例性实施例示出的一种机械臂的位姿确定方法的示意性流程图。该机械臂的位姿确定方法可以应用于包括机械臂的设备的计算或控制装置或者应用于不包括机械臂的单独的计算或控制装置。如图12所示，该机械臂的位姿确定方法可以包括以下步骤：

在步骤S10，可以根据至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间的位置参量，确定每个第二位置相对于静平台的位置；在步骤S20，可以基于每个第二位置相对于静平台的位置，确定动平台相对于静平台的位姿参量；在步骤S30，可以基于位姿参量，确定机械臂的动平台的位姿。

在上面的步骤中，位置参量可以包括至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的调节方向上的距离和每个第二位置相对于对应的第一位置绕旋转轴线旋转的旋转变化量。

根据本公开示例性实施例的机械臂的位姿确定方法，可以通过考虑到对应的第一位置与第二位置之间的距离并且考虑到二者之间的旋转变化量，并通过确定每个第二位置相对于静平台的位置，可以基于位姿参量，确定机械臂的动平台的位姿，从而可以简化正运动学求解过程，提高计算速度和效率。

具体来说，在机械臂的运动学算法中，所涉及的计算对象包括第一位置、第二位置、静平台和动平台，其运动过程涉及第二位置相对于第一位置的距离变化以及第二位置相对于第一位置绕旋转轴线的旋转变化量。

因此，本公开考虑了机械臂的运动机制，合理构建第一位置、第二位置、静平台和动平台之间的位置转换关系，如此，可以简化正运动学中的计算过程，提高计算速度和效率。

对此，根据本公开的示例性实施例，为了简化计算，可以构建第一位置转换关系和第二位置转换关系，其中，第一位置转换关系可以为动平台与静平台之间的位置转换关系，第二位置转换关系可以为以每个第一位置和旋转轴线为参照物与静平台之间的位置转换关系。

具体来说，由于静平台的位置在机械臂中是不变的，第一位置相对于静平台的位置是不变的，并且第二位置相对于动平台的位置是不变的，因此，通过设置上述的第一位置转换关系和第二位置转换关系，在正运动学中，已知第二位置相对于第一位置在支链的调节方向上的距离以及绕旋转轴线的旋转变化量，可基于第二位置转换关系确定每个第二位置相对于静平台的位置，然后可以基于第一位置转换关系和每个第二位置相对于静平台的位置，确定动平台相对于静平台的位置，从而确定机械臂的动平台的位姿。

作为示例，在步骤S10中，具体可以根据位置参量和第二位置转换关系，确定每个第二位置相对于静平台的位置；在步骤S20中，具体可以基于每个第二位置相对于静平台的位置和第一位置转换关系，确定位姿参量。

作为示例，可以构建第一坐标系、第二坐标系和第一位置坐标系用于执行上述步骤中的计算。

这里，第一坐标系的位置可以相对于至少三个第一位置固定，第二坐标系的位置可以相对于至少三个第二位置固定。也就是说，在机械臂的运动过程中，第一坐标系与静平台保持相对静止，第二坐标系与动平台保持相对静止，如此，在动平台1100相对于静平台1200运动时，第二坐标系相对于第一坐标系运动。

这里，第一位置坐标系的坐标原点可以位于对应的第一位置处，第一位置坐标系的坐标轴线中的一者可以为第二位置相对于对应的第一位置旋转的第一旋转轴线或第二旋转轴线。这里，第一位置坐标系的另外两个坐标轴线可以任意设置，三个坐标轴线满足右手定则。如此，由于第一位置坐标系的原点位于第一位置且第一位置坐标系的一个坐标轴线为旋转轴线，而第二位置绕旋转轴线相对于第一位置旋转，因此，第二位置在对应的第一位置坐标系下的位置是容易表示的，从而可以简化计算。

在该示例中，位姿参量可以包括第二坐标系的坐标原点在第一坐标系下的坐标以及第二坐标系绕自身的三个坐标轴线依次旋转的旋转角度。

第一位置转换关系为第一坐标系与第二坐标系之间的坐标转换关系。这里，由于位置参量可以表征第二位置相对于对应的第一位置之间的位置，位姿参量可以表征第二坐标系在第一坐标系下的位姿，而由于这里所建立的第一坐标系始终相对于第一位置保持相对静止，所建立的第二坐标系始终相对于第二位置保持相对静止，因此，可以在已知位置参量的情况下，确定第一坐标系与第二坐标系之间的第一位置转换关系，在确定第一位置转换关系后，则可以通过坐标转换而求解出位姿参量。

第二位置转换关系可以为第一坐标系与在每个第一位置处的第一位置坐标系之间的坐标转换关系。

下面将结合图13的示例对上面所述的第一坐标系和第二坐标系进行详细描述。

作为示例，如图13所示，至少三个第一位置(例如S1、S2和S3)可以位于第一分布圆C1的圆周上，第一坐标系的坐标原点(例如O_S)可以位于第一分布圆C1的圆心，第一坐标系的第三坐标轴线(例如Z轴)垂直于至少三个第一位置所限定的第一平面指向至少三个第二位置(例如M1、M2和M3)所限定的第二平面所在侧。这里，第一分布圆可以是虚拟的圆，其可不体现在静平台1200上，并且其可以不位于静平台1200上。然而，第一坐标系不限于此，其可位于机械臂所在的三维空间中的任意位置，其可位于静平台1200上，也可位于静平台1200之外，只要其相对于静平台1200静止以能够表征静平台1200的位姿即可。

同样如图13所示，至少三个第二位置(例如M1、M2和M3)可以位于第二分布圆C2的圆周上，第二坐标系的坐标原点(例如O_M)可以位于第二分布圆C2的圆心，第二坐标系的第三坐标轴线(例如Z轴)垂直于至少三个第二位置所限定的第二平面背离第一平面所在侧。这里，第二分布圆可以是虚拟的圆，其可不体现在动平台1100上。类似地，第二坐标系不限于此，其可位于机械臂所在的三维空间中的任意位置，其可位于动平台1100上，也可位于动平台1100之外，只要其相对于动平台1100 静止以能够表征动平台1100的位姿即可。

以图13为例，第一坐标系的坐标原点O_S为各个第一位置的铰接圆心(即，第一分布圆C1的圆心)， X_S轴正向由坐标原点O_S指向第一位置，Z_S轴正向垂直于第一位置的铰接圆平面(即，第一平面)朝向动平台，Y_S轴符合右手定则；第二坐标系的坐标原点固连于各个第二位置的铰接圆心处，在初始状态时，第二坐标系的各坐标轴与第一坐标系的对应坐标轴平行。

此外，如图13的示例所示，每个第二位置相对于对应的第一位置能够绕第一旋转轴线r₁和第二旋转轴线r₂旋转，第一旋转轴线r₁和第二旋转轴线r₂彼此垂直。

在此示例中，旋转变化量可以包括第二位置相对于对应的第一位置绕第一旋转轴线的第一旋转变化量和/或第二位置相对于对应的第一位置绕第二旋转轴线的第二旋转变化量。

具体来说，在一情况下，如上文参照图1A和图11描述的结构，支链1300的两端连接在对应的第一位置与第二位置之间，每个第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的调节方向上的距离例如可以是沿着支链1300的线性移动所在轴线上的距离。在此情况下，每个第二位置相对于对应的第一位置旋转的旋转变化量可以是以第一位置为原点支链1300绕第一位置旋转的角度。

在另一情况下，支链1300可以在非端部的位置连接到第一位置和/或第二位置，该距离可以是在平行于支链1300的线性移动所在轴线的方向上从第一位置到第二平面的距离。在此情况下，每个第二位置相对于对应的第一位置旋转的旋转变化量可以等于以第一位置为原点支链1300绕第一位置旋转的角度。

以图1A所示的结构为例，可以在静平台1200上安装旋转驱动组件，以用于驱动每个支链1300 绕相应的第一位置(例如，支链1300与静平台1200的静铰接点)旋转，由于支链1300连接到第二位置(例如，支链1300与动平台1100的动铰接点)，因此旋转驱动组件驱动的旋转角度可以为上述旋转变化量，旋转驱动组件的旋转轴线可以是该旋转变化量的旋转轴线。这里，驱动装置的旋转轴线的方向可以是任意的，旋转驱动组件的旋转轴线r₁的方向可以在第一分布圆的圆心与第一位置的连线方向上；旋转驱动组件的旋转轴线r₁的方向可以在第一分布圆的圆周的切线方向上。

此外，支链1300的伸长和缩短可以通过设置在每个支链1300上的直线驱动装置来实现，从而改变第一位置与第二位置之间的距离。

在图13的示例中，在机械臂的默认状态(也可称为初始状态)下，第一坐标系和第二坐标系可以具有相同的坐标轴线方向，这里，第二坐标系在第一坐标系下的姿态可以描述为第二坐标系绕自身X 轴转动角度θ_x、再绕自身Y轴转动角度θ_y、再绕自身Z轴旋转θ_z所得到的姿态。这里，默认状态指的是第一平面平行于第二平面且每个第二位置与对应的第一位置之间的距离相等并且二者之间的距离最短的状态。

根据本公开的示例性实施例的位姿确定方法，由于考虑到对应的第一位置与第二位置之间的在支链的调节方向上的距离并且考虑到二者之间的旋转变化量，由此通过建立第一位置转换关系和第二位置转换关系可以简化求解过程。

这里，在对于支链的数量较少的机械臂的控制或位姿计算的求解过程中，上述方法是特别有利的，具体来说，以具有六个支链的机械臂为例，现有的运动学求解中，通常仅通过确定六个支链的长度的方式来进行计算，而旋转变化量不作为计算量，而出于简化结构的目的，将六个支链修改为少于六个支链(例如，具有三个支链)时，现有的运动学无法对三个支链进行求解。然而，根据本公开的方法不限于应用于少于六个支链的机械臂，其也可以应用于具有六个支链的机械臂。

下面将基于上面给出的各个参量分别描述正向运动学的求解过程的示例性实施例。

上面所述的旋转变化量可以包括第二位置相对于对应的第一位置绕第一旋转轴线的第一旋转变化量和第二位置相对于对应的第一位置绕第二旋转轴线的第二旋转变化量，这里，第一旋转轴线和第二旋转轴线彼此垂直。

下面首先描述第一位置坐标系的示例构建方式。

在一示例中，第一位置坐标系可以包括第三坐标系和第四坐标系。

这里，第三坐标系的第一坐标轴线和第三坐标轴线中的一者可以为第一旋转轴线，第三坐标系的第一坐标轴线和第三坐标轴线中的另一者可以基于第一坐标系的第一坐标轴线和第三坐标轴线中的一者来确定，第三坐标系的第二坐标轴线相对于第三坐标系的第一坐标轴线和第三坐标轴线符合右手定则。

第四坐标系的第二坐标轴线可以为第二旋转轴线，第四坐标系的第三坐标轴线可以基于第二位置与对应的第一位置之间的相对位置来确定，第四坐标系的第一坐标轴线相对于第四坐标系的第二坐标轴线和第三坐标轴线符合右手定则。

具体来说，以图13所示的结构为例，第一旋转轴线r₁经过第一分布圆的圆心，第二旋转轴线r₂与第一分布圆的圆周相切。

在该示例中，如图13所示，以对应的第一位置S1和第二位置M1为例进行描述，可以通过以下方式确定任一第一位置处的第三坐标系：

将第一位置S1确定为第三坐标系的坐标原点O_S1；

将从第一坐标系的坐标原点O_S指向第一位置的方向确定为第三坐标系的第一坐标轴线X_S1的方向，将第一坐标系的第三坐标轴线Z_S的方向确定为第三坐标系的第三坐标轴线Z_S1的方向，并且将垂直于第三坐标系的第一坐标轴线X_S1和第三坐标轴线Z_S1且符合右手定则的方向确定为第三坐标系的第二坐标轴线Y_S1的方向；

基于第三坐标系的坐标原点O_S1、第一坐标轴线X_S1的方向、第二坐标轴线Y_S1的方向和第三坐标轴线Z_S1的方向，确定第三坐标系。

如图13所示，仍以对应的第一位置S1和第二位置M1为例进行描述，可以通过以下方式确定任一第一位置处的第四坐标系：

将第一位置S1确定为第四坐标系的坐标原点O_S1’；

将从第一位置S1指向与第一位置S1对应的第二位置M1的方向确定为第四坐标系的第三坐标轴线Z_S1’的方向；

将在机械臂的默认状态下第三坐标系的第二坐标轴线Y_S1的方向确定为第四坐标系的第二坐标轴线Y_S1’的方向；

将相对于第四坐标系的第二坐标轴线Y_S1’和第三坐标轴线Z_S1’满足右手定则的方向确定为第四坐标系的第一坐标轴线X_S1’的方向；

基于第四坐标系的坐标原点O_S1’、第一坐标轴线X_S1’的方向、第二坐标轴线Y_S1’的方向和第三坐标轴线Z_S1’的方向，确定第四坐标系。

具体来说，第三坐标系O_Si-X_SiY_SiZ_Si(i＝1,2,3)的坐标原点位于第一位置S_i处，X_Si轴正向由第一坐标系的坐标原点O_S指向第一位置S_i，Z_Si轴正向垂直于第一位置的铰接圆平面向上，Y_Si轴符合右手定则；第四坐标系O_Si’-X_Si’Y_Si’Z_Si’(i＝1,2,3)的坐标原点位于第一位置S_i处，在初始状态下，Y_Si’轴正向与Y_Si重合，Z_Si’轴正向由第一位置S_i指向第二位置M_i，X_Si’轴符合右手定则。

上面参照图13中的第一位置S1和第二位置M1描述了建立在第一位置S1处的第三坐标系和第四坐标系的步骤，可以领会的是，在第一位置S2和S3处建立第三坐标系和第四坐标系的步骤与上述步骤相似，故在此不再赘述。

基于上述原理建立的坐标系，即适用于3UPS结构，也适用于3UCU结构。在第一位置处建立第一位置坐标系，以第一位置的分布圆的圆心为坐标原点建立第一坐标系，以第二位置的分布圆的圆心为坐标原点建立第二坐标系，这样的坐标系建立方式能够简化计算，各坐标系之间的位置转换关系可以用对应的第一位置与第二位置之间的旋转变化量和距离来表示，具体来说，可以用旋转驱动组件的驱动量和第一位置处的被动转角(即，通过角度测量装置测得的角度)表示。

基于上述建立的第三坐标系和第四坐标系，可以通过以下方式确定第二位置转换关系：

在步骤S111，可以针对至少三个第二位置中的任一第二位置，根据该第二位置相对于对应的第一位置旋转的第一旋转变化量和第二旋转变化量，确定第三坐标系与第一坐标系之间的第三坐标转换关系以及第四坐标系与第三坐标系之间的第四坐标转换关系。

在该步骤中，以图13为例，第一坐标系到第三坐标系的第三坐标转换关系可以表示为如下坐标转换矩阵T_{s_si}：

其中，第一位置Si在第一坐标系下的坐标为(S_ix，S_iy，S_iz)，其可根据第一分布圆的半径及至少三个第一位置的旋转角度有关，其中，i为1、2、3，以图13为例，第一位置Si在第一坐标系下的可以表示为Si＝(r_Scosφ_i,r_Scosφ_i,0,1)^T，其中，r_S为第一分布圆的半径，即，第一位置Si距圆心的距离，φ_i为第一位置Si相对于圆心的旋转角度，T为矩阵转置。

第四坐标系与第三坐标系的第四坐标转换关系可以表示为坐标转换矩阵T_{si_si'}：

其中，θ_si为第一旋转变化量，

为第二旋转变化量，其中，i表示在第一位置Si处，i∈[1,N]， N为第一位置(或者也是第二位置)的数量。

这里，第一旋转变化量和第二旋转变化量可以通过旋转驱动组件的驱动量和设置在机械臂中的角度测量装置的测量量来确定，例如，在图14中，第一旋转变化量可以为旋转驱动组件1600的驱动量，第二旋转变化量可以为角度测量装置1700的测量量；除此，第一旋转变化量可以为角度测量装置1700 的测量量，第二旋转变化量可以为旋转驱动组件1600的驱动量。然而，确定第一旋转变化量或第二旋转变化量的手段不限于上述方法，也可以通过任意手段来确定二者，只要能用于计算即可。此外，这里的旋转驱动组件1600可以是具有角度测量装置的驱动装置，角度测量装置1700例如可以是角度编码器。

需要注意的是，上述坐标转换矩阵均为齐次矩阵，其是在坐标转换中常用的形式。此外，这里给出的坐标转换矩阵的具体形式仅是示例，其可根据第一坐标系、第三坐标系和第四坐标系的构建位置的不同而改变，例如，第一坐标系的坐标原点也可位于其他位置。此外，建立已知的两个坐标系之间的坐标转换矩阵以及后面将提到的矩阵的运算均是本领域技术人员根据数学知识可获知的，因此，这里不对坐标转换矩阵的具体计算过程进行详细描述。

在步骤S112，可以基于第三坐标转换关系和第四坐标转换关系，确定第二位置转换关系。

在该步骤中，可以利用第一坐标系到第三坐标系的坐标转换矩阵T_{s_si}左乘第三坐标系到第四坐标系的坐标转换矩阵T_{si_si'}，确定第一坐标系与在对应的第一位置处的第一位置坐标系之间的第二位置转换关系，即，坐标转换矩阵T_{s_si'}。

基于在上述步骤S111和S112中确定的第二位置转换关系，在步骤S10中，可以针对至少三个第二位置中的任一第二位置，根据该第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的调节方向上的距离，确定每个第二位置相对于静平台的位置。

在该步骤中，可以基于至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的调节方向上的距离(例如，在图13的结构中为支链1300的直线驱动装置的驱动长度)，确定每个第二位置在对应的第一位置坐标系下的坐标，从而利用第二位置转换关系、即坐标转换矩阵T_{s_si'}左乘第二位置在对应的第一位置坐标系下的坐标支链，确定第二位置在第一坐标系下的坐标s_m_i，具体来说，可以确定第二位置M1、M2和M3在第一坐标系下的坐标s_m₁、s_m₂和s_m₃。

具体来说，在上面描述的第一位置坐标系包括第三坐标系和第四坐标系的示例中，可以基于至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的调节方向上的距离，确定每个第二位置在对应的第四坐标系下的坐标，从而利用坐标转换矩阵T_{s_si'}左乘第二位置在对应的第四坐标系下的坐标，确定第二位置在第一坐标系下的坐标s_m_i。

这里，由于第四坐标系的第三坐标轴线沿着支链的调节方向，因此基于第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的调节方向上的距离，可以容易地确定第二位置在对应的第四坐标系下的坐标，第二位置与对应的第一位置之间的距离为第二位置在第四坐标系的第三坐标轴线上的坐标值。

这里，需要说明的是，在机械臂中，可通过设置直线驱动装置来改变支链的长度(即，改变对应的第一位置与第二位置之间在支链的调节方向上的距离)以及通过设置旋转驱动组件来改变支链相对于静平台的绕一个轴线的旋转量(即，改变第一旋转量和第二旋转量中的一者)，在主动驱动长度和一个旋转量的情况下，另一旋转量可以是被动限定的，无需安装驱动装置，也无法确定其值。然而，在正运动学中，仅基于上述距离量和仅一个旋转量求解动平台的位姿，则可能求解出多组解，这导致计算复杂，不便于提高对机械臂的控制效率。而根据本公开的方法可以通过诸如角度测量装置等手段获得被动旋转角(第一旋转变化量和第二旋转变化量中的另一者)，从而可以基于距离、第一旋转变化量和第二旋转变化量三者确定位姿参量的唯一解，以有利于确定动平台的位姿。

需要说明的是，尽管上面以第一位置坐标系包括第三坐标系和第四坐标系为例进行了示例性描述，但是可以领会的是，第一位置坐标系也可以仅包括一个坐标系或多于两个坐标系，例如可以仅包括第三坐标系或第四坐标系，只要能够通过坐标系之间的转换矩阵确定第一坐标变换关系即可。

上面描述了根据位置参量和第二位置转换关系中，确定每个第二位置相对于静平台的位置的过程，下面返回步骤S20，可以基于每个第二位置相对于静平台的位置，确定动平台的位姿参量。

具体来说，在步骤S21中，可以基于每个第二位置相对于静平台的位置，确定第一位置转换关系。

这里，基于每个第二位置在第一坐标系下的坐标s_m_i，根据等边三角形外接圆圆心公式，可得到第二坐标系在第一坐标系下的坐标原点的坐标m₀：

需要说明的是，尽管这里以第二位置以等边三角形圆周均布为例进行了说明，但第二位置与第二坐标系的坐标原点之间的几何关系是固定的，因此给定任意的几何关系，均可以通过至少三个第二位置在第一坐标系下的坐标求出第二坐标系的坐标原点的坐标，上述运算过程是本领域技术人员根据基本几何知识可以获知的。

对于第二坐标系而言，假设第二坐标系的第一坐标轴线的单位方向向量

第二坐标轴线的单位方向向量

第三坐标轴线的单位方向向量

以图13建立的坐标系为例，第二坐标系的第一坐标轴线由坐标原点m₀指向第二位置M1，则可得第一坐标轴线的单位方向向量

为：

第二坐标系的第三坐标轴线垂直于第二平面，因此，第二坐标系的第三坐标轴线的单位方向向量

为坐标原点m₀到第二位置M1的向量

与坐标原点m₀到第二位置M2的向量

的叉积，可表示为：

第二坐标系的第二坐标轴线的单位方向向量

遵循右手螺旋定则，可表示为：

根据第二坐标系的各个坐标轴线的方向向量和第二坐标系原点坐标，可确定第一坐标系与第二坐标系之间的第一位置转换关系T_{s_m}：

其中，

和

分别表示方向向量

和

中的第k个元素，k为1、2和3，例如，

表示向量

中的第1个元素，

表示向量

中的第2个元素，

表示向量

中的第3个元素。

这里，方向向量

和

的向量求解公式是基于图13的坐标建立关系列出的，这仅是一种示例，并不是唯一的求解方式，其构思是基于第二位置在第一坐标系下的坐标，求解第二坐标系的各个坐标轴线的向量，从而可利用坐标轴线的向量组成第一坐标转换矩阵。

可以基于第一位置转换关系，确定动平台的位姿参量。

具体来说，基于第一位置转换关系、即坐标转换矩阵T_{s_m}，可以确定第二坐标系的坐标原点O_M在第一坐标系下的坐标(m_0x,m_0y,m_0z)。

可以确定第二坐标系在第一坐标系下的姿态参量，即旋转角度θ_x、θ_y和θ_z：

θ_y＝arcsin(T_{s_m}(1,3))

其中，旋转角度θ_x、θ_y和θ_z分别表示第二坐标系绕自身的三个坐标轴线(即，X轴、Y轴和Z轴) 依次旋转的旋转角度，T_{s_m}(m,n)表示坐标转换矩阵T_{s_m}的第m行第n列的元素。

此外，上面参照图2A描述了在机械臂2000的动平台1100上可以设置有执行组件500，执行组件 500具有远心不动点510。

如此，在具有远心不动点约束的正向运动学求解中，机械臂的位姿确定方法还可以包括以下步骤：确定执行件上的远心不动点相对于静平台的位置，其中，远心不动点在动平台的运动过程中相对于静平台的位置不变；根据位姿参量和远心不动点相对于静平台的位置，确定执行位置相对于静平台的位置。

具体来说，在具有远心不动点约束的应用中，如图已知第二坐标系在第一坐标系下的位姿参量，根据远心不动点510的坐标，可以确定执行组件500的执行位置在第一坐标系下的坐标。

这里，以执行位置、远心不动点、第二坐标系的原点三个位置共线的几何关系为例，根据执行位置和远心不动点之间的距离以及执行位置到第一分布圆的圆心之间的距离，根据向量关系可得到执行组件500的执行位置的坐标为：

其中，O_M为第二坐标系的原点在第一坐标系下的坐标，T为执行位置在第一坐标系下的坐标，F 为远心不动点在第一坐标系下的坐标。

需要说明的是，尽管这里以执行位置、远心不动点、第二坐标系的原点三个位置共线为例列出了上述表达式，然而，执行位置、远心不动点、第二坐标系的原点三个位置也可以不同线，然而，由于这三个位置之间的几何关系是固定的，因此给定任意的几何关系，均可以根据基本的几何学知识通过远心不动点和第二坐标系的原点的坐标求出执行位置的坐标，故在此不再列出其他示例。

通过上述附图详细描述了本公开的实施例，但是本领域技术人员应该理解，在与本公开的构思不相背离的情况下，本公开上述各个实施例之间的组件可以相互组合形成新的实施例，均在本公开的保护范围内。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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公开和简化描述，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公开的限制。

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一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

本公开所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

Claims (21)

1.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括动平台、静平台以及与所述动平台和所述静平台分别连接的至少三条支链，

所述支链包括连接杆和与所述连接杆连接的移动杆，所述连接杆通过第一连接组件与所述静平台转动连接，所述支链相对于所述静平台具有两个转动自由度，所述移动杆通过第二连接组件与所述动平台转动连接，所述支链相对于所述动平台具有至少两个转动自由度，

所述机械臂还包括用于驱动所述移动杆相对于所述连接杆移动的移动驱动组件和用于驱动所述支链相对于所述静平台旋转的旋转驱动组件，所述旋转驱动组件与所述第一连接组件相连。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括角度测量装置，用于测量所述支链相对于所述静平台的两个旋转自由度中其中一个旋转自由度的旋转角度，所述旋转驱动组件用于驱动所述支链相对于所述静平台的两个旋转自由度中另一个旋转自由度的旋转。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述角度测量装置安装在所述连接杆上，或者所述角度测量装置安装在所述第一连接组件上。

4.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动组件设置在所述静平台上，并通过所述第一连接组件与所述支链连接。

5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述支链相对于所述静平台的两个旋转自由度分别通过围绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转获得，所述第一连接组件具有位于所述第一旋转轴线上的第一旋转轴和位于所述第二旋转轴线上的第二旋转轴，所述第一连接组件通过所述第一旋转轴与所述旋转驱动组件连接，并通过所述第二旋转轴与所述支链连接，所述角度测量装置设置在所述第二旋转轴上。

6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线相互垂直，并相交于交点o，各所述交点o位于第一圆上并围绕所述第一圆均匀布置，所述第一旋转轴和第二旋转轴中的一个沿着所述第一圆的径向方向延伸，另一个沿着所述第一圆的切线方向延伸。

7.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述第一旋转轴沿着所述第一圆的径向方向延伸，所述第二旋转轴沿着所述第一圆的切线方向延伸，所述旋转驱动组件设置各所述支链的内侧。

8.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动组件包括第一驱动电机，所述第一连接组件包括第一连接支架，所述第一连接支架设置在所述静平台与所述支链之间，所述第一连接支架的一端与所述第一驱动电机的输出轴连接，所述第一连接支架的第二端连接到所述支链。

9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述第一连接支架为U型支架，所述U型支架的开口朝向连接杆，所述U型支架底部的连接轴作为第一旋转轴与所述第一驱动电机的输出轴连接，在所述连接杆的两侧，所述U型支架的两个支脚通过所述第二旋转轴与所述支链转动连接。

10.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动组件还包括蜗轮蜗杆组件，所述第一驱动电机通过蜗轮蜗杆组件将旋转驱动力传递给所述第一连接组件，所述蜗轮蜗杆组件包括相互啮合的蜗轮和蜗杆，所述蜗轮与所述第一旋转轴固定连接，所述蜗杆与所述第一驱动电机的输出轴同轴固定连接。

11.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动组件还包括谐波减速器，所述谐波减速器连接在所述第一驱动电机与所述第一连接支架之间，

所述旋转驱动组件还包括主动轮和从所述主动轮接收旋转驱动力的从动轮，所述主动轮固定连接在所述第一驱动电机的输出轴上，所述从动轮与所述谐波减速器的波发生器同轴固定连接。

12.根据权利要求2所述机械臂，其特征在于，所述旋转驱动组件设置在所述静平台的远离所述动平台的一侧，所述旋转驱动组件与所述连接杆通过第三连接组件转动连接，所述第三连接组件设置于所述第一连接组件的背离所述动平台的一侧，所述旋转驱动组件包括直线驱动组件。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括载荷旋转驱动组件，所述载荷旋转驱动组件用于驱动执行组件相对于所述动平台绕所述动平台的法线转动，所述载荷旋转驱动组件设置在所述动平台上。

14.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述连接杆设有与所述第一连接组件相连的连接支点，所述旋转驱动组件通过所述第一连接组件以所述连接支点为力作用点驱动所述连接杆旋转，所述第一连接组件与所述支链的连接支点位于所述连接杆的两端之间。

15.根据权利要求14所述的机械臂，其特征在于，所述连接支点设置在所在连接杆的中点与所述连接杆的远离所述动平台的一端之间。

16.根据权利要求14所述的机械臂，其特征在于，所述两个转动自由度中的一个转动自由度由所述旋转驱动组件驱动所述连接杆实现，所述两个转动自由度中的另一个由所述连接杆绕所述连接支点所在的第二旋转轴线实现，第一旋转轴线与所述第二旋转轴线相交。

17.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述静平台形成有至少三个第一位置，所述动平台形成有与所述至少三个第一位置一一对应的至少三个第二位置，每个支链对应于所述静平台和所述动平台的对应的第一位置和第二位置，所述机械臂还包括控制器，所述控制器被配置为：

根据所述至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间的位置参量，确定每个第二位置相对于所述静平台的位置；

基于每个第二位置相对于所述静平台的位置，确定所述动平台相对于所述静平台的位姿参量；

基于所述位姿参量，确定所述机械臂的动平台的位姿，

其中，所述位置参量包括所述至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的移动杆相对于连接杆的移动方向上的距离和每个第二位置相对于对应的第一位置绕旋转轴线旋转的旋转变化量；所述距离基于所述移动驱动组件获得，所述旋转变化量基于所述角度测量装置和所述旋转驱动组件获得。

18.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括如权利要求1-17中任一项所述机械臂。

19.根据权利要求18所述的机器人，其特征在于，所述机器人为手术机器人或工业机器人，所述工业机器人为焊接机器人、喷涂机器人或加工机床。

20.一种微创手术机器人系统，包括机器人和与所述机器人控制连接的医生控制台，其特征在于，所述机器人包括第一机械臂，所述微创手术机器人系统还包括设置在医生控制台上的主手，所述主手包括手柄和第二机械臂，所述手柄连接在所述第二机械臂的动平台上，所述第二机械臂的静平台与所述医生控制台连接，所述第一机械臂和第二机械臂控制连接，所述第一机械臂和所述第二机械臂为如权利要求1-17中任一项所述机械臂。

21.一种机械臂的位姿确定方法，所述机械臂包括如权利要求2-16中任一项所述机械臂，其特征在于，所述静平台形成有至少三个第一位置，所述动平台形成有与所述至少三个第一位置一一对应的至少三个第二位置，每个支链对应于所述静平台和所述动平台的对应的第一位置和第二位置，并且每个支链在对应的第一位置和第二位置之间的跨度是可调节的，所述方法包括：

根据所述至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间的位置参量，确定每个第二位置相对于所述静平台的位置；

基于每个第二位置相对于所述静平台的位置，确定所述动平台相对于所述静平台的位姿参量；

基于所述位姿参量，确定所述动平台的位姿，

其中，所述位置参量包括所述至少三个第二位置中的每个第二位置与对应的第一位置之间在对应的支链的调节方向上的距离和每个第二位置相对于对应的第一位置绕旋转轴线旋转的旋转变化量；

所述距离基于所述移动驱动组件获得，所述旋转变化量基于所述角度测量装置和所述旋转驱动组件获得。

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