CN115568949A - 手术机器人、摆位装置及其摆位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人、摆位装置及其摆位方法。该摆位装置包括：第一摆位结构；第二摆位结构，包括悬吊连杆以及多个摆位机械臂；操作装置；多个所述摆位机械臂的一端经悬吊连杆与第一摆位结构旋转连接，另一端安装有操作装置；控制设备，用于控制所述第一摆位结构及所述第二摆位结构带动所述操作装置自主运动。对操作装置进行摆位时，第一摆位结构带动第二摆位结构及其上的操作装置运动，各个摆位机械臂带动对应的操作装置运动，实现操作装置的摆位，使得操作装置处于所需的空间位置，该摆位装置结构单紧凑，便于集成到手术机器人或者其他需要摆位的设备中。

Description

手术机器人、摆位装置及其摆位方法

技术领域

本发明涉及医用设备技术领域，特别是涉及一种手术机器人、摆位装置及其摆位方法。

背景技术

随着技术的快速发展，微创手术机器人也被赋予了更强大的功能。摆位机械臂作为微创手术机器人的主要定位辅助单元，其运动性能和调整能力直接决定手术机器人的性能，影响着手术的效果和医护人员的操作体验。赋予摆位机械臂主动摆位功能，可以缩短术前准备时间，提高手术的效率。

目前有的微创手术机器人，其在手术准备阶段和手术过程中主要以人工拖动方式实现摆位，只有在收缩和展开过程中才能通过摆振方式实现自动摆位；有的微创手术机器人，虽然能够自动摆位，但是，实现主动摆位功能往往造成机械臂外形臃肿、传动结构复杂等问题。也就是说，目前的微创手术机器人实现主动摆位的结构复杂，外形臃肿，影响使用性能。

发明内容

基于此，有必要针对目前微创手术机器人实现主动摆位的结构复杂等问题，提供一种结构简单并易于实现主动摆位的手术机器人、摆位装置及其摆位方法。

一种手术机器人的摆位装置，包括：

第一摆位结构；

第二摆位结构，包括悬吊连杆以及多个摆位机械臂；

操作装置；

多个所述摆位机械臂的一端经悬吊连杆与第一摆位结构旋转连接，另一端安装有操作装置；

控制设备，用于控制所述第一摆位结构及所述第二摆位结构带动所述操作装置自主运动。

在其中一个实施例中，所述摆位机械臂包括多个关节件，多个所述关节件串联连接所述悬吊连杆和所述操作装置，所述关节件设置有驱动装置，用于驱动所述关节件带动操作装置自主运动。

在其中一个实施例中，所述多个关节件包括第一旋转组件与第二旋转组件，以及第一直线运动组件与第二直线运动组件，所述悬吊连杆与所述操作装置经所述第一旋转组件、所述第一直线运动组件、所述第二旋转组件以及所述第二直线运动组件串联连接。

在其中一个实施例中，所述第一旋转组件包括第一输出件、第一安装壳体以及设置于所述第一安装壳体的旋转电机、第一制动器与第一编码器，所述第一安装壳体安装于所述第一直线运动组件，所述第一制动器设置于所述旋转电机的端部，所述第一编码器电连接所述旋转电机，所述旋转电机的输出端安装所述第一输出件，所述第一输出件连接所述悬吊连杆。

在其中一个实施例中，所述第一直线运动组件为低减速比的传动结构，所述第一直线运动组件中的传动结构为链传动结构、带传动结构或绳传动结构；

所述第一直线运动组件包括第二安装壳体以及设置于所述第二安装壳体中的传动组、驱动组，所述驱动组连接所述传动组，并驱动所述传动组运动，所述传动组连接所述第二旋转组件并带动所述第二旋转组件移动；

所述传动组为绳传动结构时，所述传动组通过多个平行布置的线束实现传动。

在其中一个实施例中，所述第二旋转组件采用关节驱动模组的结构，所述第二旋转组件的输出端连接所述第二直线运动组件。

在其中一个实施例中，所述第二直线运动组件为重力平衡结构；

所述第二直线运动组件包括第四安装壳体、重力平衡组、升降组以及升降连杆，所述重力平衡组设置于所述第四安装壳体中，且所述重力平衡组的底部连接所述升降连杆，所述升降组设置于所述第四安装壳体中，所述升降组连接所述升降连杆，并驱动所述升降连杆升降，所述升降连杆的端部连接所述操作装置。

一种摆位方法，应用于上述任一技术特征所述的摆位装置，所述摆位方法包括如下步骤：

获取操作装置的目标位置；

进行第二摆位结构的多个摆位机械臂的运动学逆解，获取多个所述摆位机械臂的控制指令；

对多个所述摆位机械臂进行运动学正解，检查多个所述摆位机械臂的干涉情况；

若无干涉情况，下发所述控制指令至多个所述摆位机械臂；

多个所述摆位机械臂根据对应的所述控制指令运动；

所述摆位机械臂带动操作装置运动至目标位置，完成摆位操作。

一种摆位方法，应用于上述任一技术特征所述的摆位装置，所述摆位方法包括如下步骤：

按动摆位机械臂的使能按键；

各所述摆位机械臂解锁，各所述摆位机械臂进入跟随模式；

周期获取所述摆位机械臂中各关节的位置差值；

比较所述摆位机械臂的各个关节位置差值和关节阈值；

若所述位置差值小于等于所述关节阈值，继续获取所述位置差值；

若所述位置差值大于所述关节阈值，生成运动指令控制所述摆位机械臂(对应的关节运动；直至完成摆位操作。

一种手术机器人，包括台车底座、操作器械以及如上述任一技术特征所述的摆位装置；

所述摆位装置的第一摆位结构安装到所述台车底座，所述摆位装置的操作装置承载所述操作器械。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下技术效果：

上述实施例的手术机器人、摆位装置及其摆位方法，第一摆位结构可转动连接第二摆位结构的悬吊连杆，悬吊连杆分别连接第二摆位结构的多个摆位机械臂，每个摆位机械臂远离悬吊连杆的另一端连接操作装置，第一摆位结构与多个摆位机械臂电连接外界的控制设备，操作控制设备控制第一摆位结构带动第二摆位结构运动，并控制多个摆位机械臂带动对应的操作装置运动，使得操作装置运动至所需位置，从而完成操作装置的摆位。本发明的摆位装置对操作装置进行摆位时，第一摆位结构带动第二摆位结构及其上的操作装置运动，各个摆位机械臂带动对应的操作装置运动，实现操作装置的摆位，使得操作装置处于所需的空间位置，而且，该摆位装置的结构单紧凑，便于集成到手术机器人或者其他需要摆位的设备中。

附图说明

图1为本发明一实施例的摆位装置应用于手术机器人的示意图；

图2为图1所示的摆位装置中第一摆位结构连接悬吊连杆的示意图；

图3为图1所示的摆位装置中第一摆位结构的示意图；

图4为图3所示的第一摆位结构中摆位机械臂的立体图；

图5为图4所示的摆位机械臂中第一旋转组件的立体图；

图6为图5所示的第一旋转组件的剖视图；

图7为图4所示的摆位机械臂中第一直线运动组件的结构示意图；

图8为图7所示的第一直线运动组件中传动组与驱动组在两个角度的示意图；

图9为图4所示的摆位机械臂中第二旋转组件的立体图；

图10为图9所示的第二旋转组件的内部结构示意图；

图11为图4所示的摆位机械臂中第二直线运动组件的示意图；

图12为图11所示的第二直线运动组件中传动组以及安装组的示意图；

图13为图3所示的摆位机械臂中的供电通信链路图；

图14为图1所述的摆位装置的主动摆位拖动摆位的流程图。

其中：10、摆位装置；100、第一摆位结构；110、升降件；120、第一转动件；130、移动件；140、第二转动件；200、第二摆位结构；210、悬吊连杆；220、摆位机械臂；221、第一旋转组件；2211、第一输出件；2212、第一安装壳体；2213、旋转电机；22131、电机定子；22312、电机转子；2214、第一制动器；22141、制动器定子；22142、制动器转子；2215、第一编码器；2216、第一支撑轴承；2217、固定法兰；2218、编码器支座；2219、第二支撑轴承；2210、线缆支架；222、第一直线运动组件；2221、第二安装壳体；2222、传动组；22221、张紧轮；22222、线束；22223、动滑轮；22224、定滑轮；22225、固定轮；22226、第一惰轮；22227、第二惰轮；22228、转接板；2223、驱动组；22231、驱动电机；22232、驱动轮；22233、从动轮；22234、同步带；22235、张紧部件；22236、电机连接板；222237、第三驱动器；2224、第二编码器；2225、导向组；22251、导向滑轨；22252、滑块；2226、防尘卷绕器；223、第二旋转组件；2231、第二输出件；2232、第三安装壳体；2233、驱动模组；2234、减速器；224、第二直线运动组件；2241、第四安装壳体；2242、重力平衡组；22421、恒力弹性件；22422、卷绕件；22423、安装板；22424、固定块；2243、升降组；22431、升降电机；22432、电机固定板；22433、传动带组；224331、第一带轮；224333、第二带轮；224332、传动绳；22434、安装组；224341、承载板；224342、张紧块；224343、导向轮；224344、绕绳轮；224345、转接块；224346、第五制动器；2244、升降连杆；2245、第二制动器；2246、第五编码器；2247、导轨；20、操作装置；300、病床；40、操作器械；50、台车底座；60、控制设备。

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。

参见图1至图12，本发明提供一种摆位装置10。该摆位装置10的末端安装操作装置20。操作装置20是手术机器人在手术过程中带动手术器械进行手术操作的装置，操作装置20的末端能够与套管对接，操作装置20可以承载手术器械，经套管进入目标对象体内进行手术操作。进一步地，该操作装置20可以通过驱动装置带动手术器械在手术过程中实现旋转、俯仰和平移等姿态的调整。该摆位装置10能够通过运动来带动操作装置20的摆位到达目标位置，使得操作装置20所处的空间位置便于后期使用。而且，该摆位装置10可以安装在地面、桌面或者其他平台的表面。

本发明中摆位装置10应用于手术机器人中，摆位装置10的末端安装操作装置20，该摆位装置10对操作装置20完成摆位后，操作装置20能够与患者体表的戳卡对接，此时，操作装置20进行手术时的初始位置即为目标位置，该目标位置指的是操作装置与患者体表戳卡完成对接，并运动至适合手术操作的合适位置。操作装置到达目标位置后，操作装置20能够承载操作器械40进行手术操作。目前，微创手术机器人其在手术准备阶段和手术过程中主要以人工拖动方式实现摆位，只有在收缩和展开过程中才能通过摆振方式实现自动摆位；有的微创手术机器人，虽然能够自动摆位，但是，实现主动摆位功能往往造成机械臂外形臃肿、传动结构复杂等问题。也就是说，目前的微创手术机器人实现主动摆位的结构复杂，外形臃肿，影响使用性能。

为此，本发明提供一种摆位装置10，该摆位装置10能够实现操作装置20的自动摆位，使得操作装置20处于手术前所需的目标位置，而且该摆位装置10的结构单紧凑，便于集成到手术机器人或者其他需要摆位的设备中。以下介绍摆位装置10的具体结构。

参见图1至图3，在一实施例中，摆位装置10包括第一摆位结构100、第二摆位结构200、操作装置20以及控制设备60。第二摆位结构200设置于第一摆位结构100；第二摆位结构200包括悬吊连杆210以及多个摆位机械臂220，多个所述摆位机械臂的一端经悬吊连杆210与第一摆位结构100旋转连接，另一端安装有操作装置20；第一摆位结构100与第二摆位结构200电连接外界的控制设备60，控制设备60用于控制第一摆位结构100及第二摆位结构200带动操作装置20自主运动，以调节操作装置20的位置。

第一摆位结构100为摆位装置10的支撑结构，第二摆位结构200设置于第一摆位结构100上。第二摆位结构200的末端安装操作装置20。第一摆位结构100运动时能够带动第二摆位结构200运动，进而第二摆位结构200能够带动其上的操作装置20同步运动，第二摆位结构200运动时能够带动其上的操作装置20运动。

第一摆位结构100用于操作装置20较大空间位置的调节，实现操作装置20与病灶区域的粗对准，第二摆位结构200用于实现操作装置20与病灶区域的精对准，通过第一摆位结构100与第二摆位结构200的配合实现操作装置20空间位置的自动调节。本发明中，第一摆位结构100与第二摆位结构200带动操作装置20运动，使得操作装置20能够对准患者体表的戳卡，并将戳卡安装到操作装置20，完成操作装置20的摆位。

具体的，第一摆位结构100能够带动第二摆位结构200在竖直面中做升降运动、水平面中做移动运动、在竖直面做至少一个旋转运动。这样，第一摆位结构100能够实现在较大的空间范围内带动第二摆位结构200，进而实现第二摆位结构200末端的操作装置20与病灶区域的粗对准。第二摆位结构200能够带动操作装置20做升降、平移与旋转运动，以带动操作装置20移动，使得操作装置20能够对准戳卡，便于其与戳卡对接。而且，操作装置20摆位时，可以先控制第一摆位结构100运动，再控制第二摆位结构200运动；还可以第一摆位结构100与第二摆位结构200同时运动。

第二摆位结构200包括悬吊连杆210以及多个摆位机械臂220，悬吊连杆210可转动连接第一摆位结构100的末端，第一摆位结构100的末端能够驱动悬吊连杆210相对于第一摆位结构100的主体转动。悬吊连杆210上间隔、可转动安装多个摆位机械臂220，摆位机械臂220能够相对于悬吊连杆210转动。每个摆位机械臂220的末端安装一个操作装置20。这样，第一摆位结构100驱动悬吊连杆210转动时，悬吊连杆210能够带动多个摆位机械臂220同步转动，而且，每个摆位机械臂220能够带动对应的操作装置20相对于悬吊连杆210转动。

值得说明的是，本申请中摆位机械臂220的数量可以为多个，包括2个，3个或其他数量。在本申请的一个实施例中，摆位机械臂的数量为4个。相应的，悬吊连杆210上具有四个安装位以可转动安装四个摆位机械臂220。每个摆位机械臂一端与悬吊连杆210连接，另一端安装操作装置20，操作装置20用于承载操作器械40，需要说明的是操作器械不仅仅包括手术器械，还包括内窥镜等辅助手术操作的工具。不同摆位机械臂220末端安装的操作装置20上承载的手术器械40可以相同也可以不同。各个摆位机械臂220的摆位结构相同，下文中仅以其中一个摆位机械臂220的结构进行说明。

参见图1和图2，在一实施例中，第一摆位结构100包括多个关节件，多个关节件具有驱动装置，可以驱动第一摆位结构100实现升降、旋转和平移运动。在本申请的一个实施例中，第一摆位结构100包括升降件110、第一转动件120、移动件130以及第二转动件140，第一转动件120设置于升降件110与移动件130之间，并转动连接升降件110与移动件130之间，第二转动件140设置于移动件130，并可转动连接悬吊连杆210。

本发明的摆位装置10应用于手术机器人时，摆位装置10安装到台车底座50。即升降件110的底部安装到台车底座50，升降件110为可升降的结构，升降件110的顶部安装第一转动件120，并且，第一转动件120还连接移动件130，移动件130远离第一转动件120的端部安装第二转动件140，第二转动件140连接悬吊连杆210。

这样，升降件110能够通过第一转动件120带动移动件130及第二转动件140做升降运动，进而第二转动件140能够通过悬吊连杆210带动摆位机械臂220及其上的操作装置20做升降运动。第一转动件120能够带动移动件130及第二转动件140在水平面中转动，进而第二转动件140能够通过悬吊连杆210带动摆位机械臂220及其上的操作装置20做旋转运动。移动件130运动时，能够通过第二转动件140带动悬吊连杆210及摆位机械臂220及其上的操作装置20做平移运动。第二转动件140转动时能够通过悬吊连杆210带动摆位机械臂220及其上的操作装置20做旋转运动。

可选地，升降件110以及移动件130为滚珠丝杆结构、带传动结构或者其他能够输出直线运动的结构。示例性地，升降件110与移动件130均包括电机、移动安装外壳以及滚珠丝杆件。移动安装外壳包括主壳体以及移动壳体，移动壳体可移动设置在主壳体中，并可伸出主壳体。滚珠丝杆件的滚珠丝杆可转动设置在移动安装外壳中，并连接电机，滚珠丝杆件的丝杆螺母套设在滚珠丝杆，并连接移动壳体。这样电机驱动滚珠丝杆转动时，丝杆螺母能够沿滚珠丝杆运动，进而丝杆螺母能够带动移动壳体伸出或缩回主壳体中。当然，在本发明的其他实施方式中，升降件110以及移动件130还可为其他能够输出直线运动的结构。

可选地，第一转动件120与第二转动件140为电机、转动关节等等。示例性地，第一转动件120与第二转动件140均包括电机、转动安装壳体。电机安装到转动安装壳体中，电机的输出端输出旋转运动。第一转动件120的转动安装壳体安装到升降件110的顶部，第一转动件120的电机输出端连接移动件130，并驱动移动件130转动。第二转动件140的转动安装壳体安装到移动件130，第二转动件140的电机输出端连接悬吊连杆210，并驱动悬吊连杆210转动。当然，在本发明的其他实施方式中，第一转动件120与第二转动件140还可以其他能够输出转动运动的结构，或者，在上述的实施例中增加制动器或减速器等部件。

上述实施例的第一摆位结构100为四个自由度的结构，即通过升降件110、第一转动件120、移动件130与第二转动件140这四个关节串联使得第一摆位结构100具有四个自由度，通过四个自由度的结构实现第二摆位结构200及操作装置20的摆位。当然，在本发明的其他实施方式中，第一摆位结构100还可以包括更多个移动件、升降件与转动件，增加第一摆位结构100的自由度。

参见图1至图4，在一实施例中，摆位机械臂220包括多个关节件，多个关节件串联连接悬吊连杆210和操作装置20，关节件设置有驱动装置，用于驱动关节件带动操作装置20自主运动。进一步地，多个所述关节件包括多个旋转组件与多个直线运动组件，各旋转组件与各直线运动组件串联连接，串联后首端的旋转组件可转动连接悬吊连杆210，串联后尾端的直线运动组件连接操作装置20。

摆位机械臂220通过多个旋转组件与多个直线运动组件带动末端的操作装置20运动。旋转组件输出旋转运动，直线运动组件输出直线运动。各旋转组件与各直线运动组件串联连接，形成摆位机械臂220，并且，摆位机械臂220的首端为旋转组件，用于转动连接悬吊连杆210，摆位机械臂220的尾端为直线运动组件，用于连接操作装置20。

多个旋转组件与多个直线运动组件串联：可以是多个旋转组件串联，再串联多个直线运动组件；也可以多个旋转组件与多个直线运动组件交错设置，首端为旋转组件尾端为直线运动组件；还可以是部分旋转组件与部分旋转组件交错，首端为旋转组件尾端为直线运动组件。当然，在本发明的其他实施方式中，多个旋转组件与多个直线运动组件还可为其他能够带动操作装置20运动的结构。本实施例中，多个旋转组件与多个直线运动组件交错串联设置，且首端为旋转组件尾端为直线运动组件。

参见图1至图4，在一实施例中，多个旋转组件包括第一旋转组件221与第二旋转组件223，多个直线运动组件包括第一直线运动组件222与第二直线运动组件224，第一旋转组件221、第一直线运动组件222、第二旋转组件223以及第二直线运动组件224串联连接，所述悬吊连杆210与所述操作装置20经第一旋转组件221可转动连接悬吊连杆210，第二直线运动组件224连接操作装置20。

也就是说，本实施例的摆位机械臂220包括四个关节件，分别为第一旋转组件221、第二旋转组件223、第一直线运动组件222以及第二直线运动组件224。四个关节件分别串联连接，即为第一旋转组件221串联连接第一直线运动组件222，第一直线运动组件222串联连接第一旋转组件221，第一旋转组件221串联连接第一直线运动组件222。第一旋转组件221为摆位机械臂220的首端，用于连接悬吊连杆210，第二直线运动组件224为摆位机械臂220的末端，用于安装操作装置20。

第一直线运动组件222沿水平方向设置，第一旋转组件221设置在第一直线运动组件222的端部，以转动连接悬吊连杆210。第二旋转组件223与第一直线运动组件222连接时，是与第一直线运动组件222的传动组2222(后文详述)连接，这样第一直线运动组件222能够带动第二旋转组件223移动，第二旋转组件223的旋转轴线与第一直线运动组件222垂直。第二直线运动组件224连接第二旋转组件223后与第一直线运动组件222垂直设置。

第一旋转组件221连接悬吊连杆210后，第一旋转组件221能够相对于悬吊连杆210转动，这样，第一旋转组件221转动时能够带动第一直线运动组件222、第二旋转组件223以及第二直线运动组件224转动。第一直线运动组件222输出直线运动带动第二旋转组件223移动，第二旋转组件223转动时能够带动第二直线运动组件224转动，第二直线运动组件224能够输出升降运动(直线运动)，以带动操作装置20升降。

通过第一旋转组件221、第一直线运动组件222、第二旋转组件223以及第二直线运动组件224的配合，能够使得尾端的操作装置20直线移动操作、升降操作以及旋转操作，实现操作装置20的摆位。也就是说，摆位机械臂220可以通过四个关节的自由度，将操作装置20的远心点送达手术空间的目标位置。

参见图1、图4至图6，在一实施例中，第一旋转组件221包括第一输出件2211、第一安装壳体2212以及设置于第一安装壳体2212的旋转电机2213、第一制动器2214与第一编码器2215，第一安装壳体2212安装于第一直线运动组件222，第一制动器2214设置于旋转电机2213的端部，第一编码器2215电连接旋转电机2213，旋转电机2213的输出端安装第一输出件2211，第一输出件2211连接悬吊连杆210。第一旋转组件221用于实现直驱传动。

第一安装壳体2212为第一旋转组件221的外壳，通过第一安装壳体2212承载第一旋转组件221的各个零部件，方便第一旋转组件221的安装，并对第一旋转组件221的各个零部件进行防护，避免损坏。第一旋转组件221安装到第一直线运动组件222时，第一安装壳体2212与第一直线运动组件222的第二安装壳体2221(后文提及)连接。

旋转电机2213为第一旋转组件221的旋转动力源，旋转电机2213安装于第一安装壳体2212中。旋转电机2213的输出端连接第一输出件2211，第一输出件2211伸出第一安装壳体2212。第一旋转组件221安装到第一直线运动组件222，并转动连接悬吊连杆210的安装位时，第一输出件2211连接悬吊连杆210。这样，旋转电机2213输出旋转运动时，旋转电机2213通过第一输出件2211驱动第一直线运动组件222相对于悬吊连杆210运动。

第一制动器2214为第一旋转组件221的制动件，通过第一制动器2214对旋转电机2213进行抱闸，使得旋转电机2213停止转动时能够锁定，并避免旋转电机2213在轻微外力作用下运动，保证第一旋转组件221及第一直线运动组件222在停止运动后的位置精度。第一制动器2214位于第一安装壳体2212中，并位于旋转电机2213远离第一输出件2211的端部。

第一编码器2215设置于第一安装壳体2212中，并与旋转电机2213电连接，用于检测旋转电机2213输出旋转运动的旋转角度。本发明的摆位装置10具有主动摆位功能和拖动摆位功能，二者都能够实现摆位机械臂220的自动摆位。在主动摆位时，第一旋转组件221接收外界控制设备60反馈的设定旋转角度，第一编码器2215检测旋转电机2213的旋转角度，若该旋转角度与设定旋转角度相同，表明转动到位，若不同则表明转动未到位或过度。拖动摆位时，第一编码器2215记录旋转电机2213在不同时刻的位置差值，通过位置差值与刚度的乘积间接计算第一旋转组件221的受力。这样控制设备60会根据受力计算第一旋转组件221的差值，进而驱动旋转电机2213输出相应的旋转角度。

可选地，第一旋转组件221包括第一驱动器，第一驱动器与控制设备60传输连接，第一驱动器还与旋转电机2213以及制动器电连接。第一驱动器能够根据控制设备60发出的控制指令控制旋转电机2213输出相应的旋转运动，能够根据控制设备60发出的停止指令控制第一制动器2214锁定旋转电机2213。

可选地，旋转电机2213包括电机定子22131与电机转子22312，电机定子22131安装于第一安装壳体2212，电机转子22312可转动安装于电机定子22131，并连接第一输出件2211。电机定子22131通电后能够驱动电机转子22312带动第一输出件2211转动。可选地，电机定子22131通过胶粘方式固定在第一安装壳体2212的内壁；当然，也可通过其他方式固定在第一安装壳体2212的内壁。可选地，第一输出件2211与电机转子22312之间通过压圈(未示出)固定。可选地，第一输出件2211与电机转子22312还可通过螺栓等连接方式固定。可选地，第一输出件2211为输出法兰或输出轴等能够传输电机转子22312旋转运动的部件，并能够连接悬吊连杆210。

可选地，第一旋转组件221还包括第一支撑轴承2216，第一支撑轴承2216设置于电机转子22312与第一安装壳体2212之间，用于转动支撑电机转子22312。第一支撑轴承2216的外圈抵接第一安装壳体2212的内壁，第一支撑轴承2216的内圈套设与电机转子22312的外壁，第一支撑轴承2216的内圈与外圈通过压圈(未示出)固定。

可选地，第一旋转组件221还包括固定法兰2217，固定法兰2217安装于第一安装壳体2212的顶部，固定法兰2217用于支撑第一制动器2214。具体的，第一制动器2214包括摩擦片、弹簧片、制动器定子22141以及制动器转子22142，摩擦片固定在弹性片上，弹簧片与制动器转子22142固定连接。制动器定子22141安装到固定法兰2217。摩擦片能够相对制动器转子22142做轴向运动。制动器通电后会吸附摩擦片使得摩擦片抵接在制动器转子22142，限制制动器转子22142的转动。制动器转子22142与电机转子22312连接，进而会限制电机转子22312的转动。制动器断电后会释放摩擦片，摩擦片在弹簧片作用下远离制动器转子22142，此时，制动器转子22142能够随电机转子22312同步转动。制动器的通断电由控制设备60控制。

可选地，第一旋转组件221还包括编码器支座2218以及第二支撑轴承2219，编码器支座2218通过第二支撑轴承2219安装到固定法兰2217，编码器支座2218的端部与第一输出件2211连接。第一编码器2215的码盘固定在编码器支座2218，第一编码器2215的读头与码盘同轴固定在固定法兰2217。这样，电机转子22312带动第一输出件2211转动时，第一输出件2211带动第一编码器2215的码盘转动，第一编码器2215的读头能够在固定法兰2217上读取码盘的位置。可选地，第一编码器2215为高分辨率编码器。

如图6所示，第一输出件2211延伸至固定法兰2217处，通过第二支撑轴承2219、第一编码器2215做间接连接到固定法兰2217，对第一输出件2211进行旋转支撑，保证第一输出件2211能够转动平稳。可选地，旋转电机2213、第一制动器2214、第一编码器2215需要同轴放置，以保证各个部件整个正常旋转。

可选地，第一旋转组件221还包括线缆支架2210，线缆支架2210位于第一编码器2215的上方，第一输出件2211为中空结构。来自上一结构的线缆通过第一输出件2211的内孔(如图6所示的虚线)，受到线缆支架2210的约束，在通过第一安装壳体2212上的通孔通往下一结构。该线缆穿过第一摆位结构100的各个关节，并穿过第二摆位结构200的各个摆位机械臂220，实现摆位机械臂220的通电与通信，再连接到操作装置20，为操作装置20通电与通信，如图13所示。

可选地，第一支撑轴承2216与第二支撑轴承2219十字交叉滚子轴承，当然也可为其他类型的周侧。在主动摆位时，第一旋转组件221需要驱动摆位机械臂220带动操作装置20运动，其负载具有驱动惯量大、承载弯矩大的特点。因此，第一旋转组件221采用第一制动器2214抱闸、旋转电机2213、十字交叉滚子轴承、高分辨率编码器的紧凑布置，在实现结构小型化的同时，使得第一旋转组件221所处的关节具备高精度的运动与位置保持。

参见图1、图4、图7和图8，在一实施例中，第一直线运动组件222为低减速比的传动结构，第一直线运动组件222中的传动结构为链传动结构、带传动结构或绳传动结构。低减速比的第一直线运动组件222可以实现反驱运动，并具有较高的传动刚度，并以高精度做位置反馈，实现了准确的位置控制。其结构具体介绍如下：

参见图1、图4、图7和图8，在一实施例中，第一直线运动组件222包括第二安装壳体2221以及设置于第二安装壳体2221中的传动组2222、驱动组2223与第一编码组，驱动组2223连接传动组2222，并驱动传动组2222运动，传动组2222连接第二旋转组件223并带动第二旋转组件223移动。

第二安装壳体2221的一端安装第一安装壳体2212，第一安装壳体2212中安装传动组2222、驱动组2223件以及第一编码组。第一旋转组件221通过第一安装壳体2212与第二安装壳体2221的连接驱动第二直线运动组件224旋转。驱动组2223与传动组2222连接，驱动组2223能够驱动传动组2222运动，使得传动组2222输出直线运动。传动组2222连接第二旋转组件223的第三安装壳体2232。驱动组2223驱动传动组2222运动时，传动组2222能够带动第三安装壳体2232做直线运动，实现驱动第三旋转组件223移动。第一编码组用于检测第三安装壳体2232移动的位置以及驱动组2223的输出的运动。

可选地，驱动组2223包括驱动电机22231，驱动电机22231连接传动组2222驱动传动组2222做直线运动。当然，驱动组2223还包括转接组，转接组连接驱动电机22231的输出端与传动组2222。可选地，转接组为同步带22234结构、齿轮结构、链轮结构等等。示例性地，转接组为带传动结构，其包括驱动轮22232、从动轮22233以及同步带22234，驱动轮22232安装于驱动电机22231的输出端，从动轮22233与传动组2222的输入端连接，同步带22234连接驱动轮22232与从动轮22233。驱动电机22231通过驱动轮22232、同步带22234、从动轮22233的配合驱动传动组2222运动。可选地，驱动轮22232的直径小于从动轮22233的直径。可选地，驱动组2223还包括张紧部件22235，张紧部件22235用于对同步带22234进行张紧，通过螺钉调整位置，实现同步带22234的张紧。

参见图1、图4、图7和图8，可选地，第一直线运动组件222包括导向组2225，导向组2225设置于第二安装壳体2221的内壁，并连接传动组2222，用于对传动组2222的运动进行导向，保证传动组2222输出的直线运动轨迹准确，进而保证第二旋转组件223准确运动。可选地，导向组2225包括导向滑轨22251与滑块22252，导向滑轨22251设置于第一安装壳体2212的内壁，滑块22252可滑动设置于导向滑轨22251。滑块22252连接传动组2222件以及第三安装壳体2232。可选地，导向滑轨22251的数量为两个，每个导向滑轨22251可滑动设置两个滑块22252。

参见图1、图4、图7和图8，可选地，编码组包括第二编码器2224与第三编码器，第三编码器集成于驱动组2223，第二编码器2224设置于第二旋转组件223。第三编码器集成在驱动电机22231中，其检测驱动电机22231端的编码器值，第二编码器2224的栅尺贴在第一安装壳体2212，第二编码器2224的读头固定在第二旋转组件223的第三安装壳体2232。当驱动电机22231驱动传动组2222带动滑块22252沿导向滑轨22251移动式，第二编码器2224通过栅尺能够检测读头的位置，进而第二编码器2224能够反馈第二旋转组件223相对于第二安装壳体2221的绝对位置。

参见图1、图4、图7和图8，在一实施例中，第二旋转组件223还包括防尘卷绕器2226，该防尘卷绕器2226设置于第二安装壳体2221中，能够与第三安装壳体2232的外壁抵接，以密封第二安装壳体2221与第三安装壳体2232。防尘卷绕器2226能够伸展或卷绕，防尘卷绕器2226的端部连接第三安装壳体2232，当传动组2222带动第二旋转组件223移动时，第三安装壳体2232能够带动防尘卷绕器2226部分卷绕部分伸展，在第二旋转组件223移动的过程中，防尘卷绕器2226的防尘带活动贴合第二旋转组件223与第二安装壳体2221之间的空隙。

在一实施例中，传动组2222为链传动结构、带传动结构或绳传动结构等能够输出直线运动的结构。以往的直线运动结构采用滚珠丝杆传动，具有传动刚度好、精度高等优点，但是难以反驱运动。所以本发明中的传动组2222为链传动结构、带传动结构或绳传动结构等等。

本实施例中，传动组2222为绳传动结构，其具有低减速比，可以实现反驱运动。同时，该传动组2222具有较高的传动刚度，并以高精度的第二编码器2224做位置反馈，实现了准确的位置控制。绳传动的传动组2222为多束钢丝绳传动，实现柔顺反驱的同时保持了传动高刚度和运行的位置精度。为绳传动的传动组2222的结构如下：

参见图1、图4、图7和图8，在一实施例中，传动组2222包括多个张紧轮22221、线束22222以及滑轮组，张紧轮22221与滑轮组设置于第二安装壳体2221长度方向的两端，线束22222套设驱动组2223的输出端、张紧轮22221及滑轮组，线束22222连接第二旋转组件223。

滑轮组与驱动组2223的从动轮22233设置于第二安装壳体2221的两端，线束22222绕过从动轮22233与滑轮组，多个张紧轮22221与驱动轮22232同侧设置用于对线束22222进行张紧。传动组2222还包括两个动滑轮22223，该线束22222设置于从动轮22233与滑轮组后，线束22222分别绕过动滑轮22223，此时，两个动滑轮22223承载线束22222相对设置，形成传动组2222的两个输出端，两个动滑轮22223分别与两个滑块22252连接。驱动电机22231通过从动轮22233驱动线束22222转动时，线束22222能够带动两个动滑轮22223移动，进而两个动滑轮22223能够带动对应的滑块22252移动，使得滑块22252带动第二旋转组件223移动。

当然，在本发明的其他实施方式中，滑轮组与从动轮22233设置在第二安装壳体2221的两端线束22222绕过从动轮22233与滑轮组，多个张紧轮22221与驱动轮22232同侧设置用于对线束22222进行张紧。滑块22252直接与线束22222连接。这样，驱动电机22231通过从动轮22233驱动线束22222转动时，线束22222带动两个滑块22252移动，使得滑块22252带动第二旋转组件223移动。

可选地，驱动组2223还包括电机连接板22236，驱动电机22231与驱动轮22232、从动轮22233分设于电机连接板22236的两侧。张紧轮22221与从动轮22233同侧设置，用于对线束22222张紧。可选地，传动组2222还包括绕线轮，绕线轮与从动轮22233同轴设置，该绕线轮供线束22222绕设，这样，从动轮22233转动时能够带动同轴的绕线轮同步转动，进而驱动线束22222转动。可选地，驱动组2223还包括支撑轴及第三制动器，第三制动器与绕线轮及从动轮22233同轴设置，支撑轴上设置绕线轮，支撑轴的一端安装第三制动器的转子，支撑轴的另一端安装从动轮22233，支撑轴通过轴承与电机连接板22236及第三制动器的固定板耦合。可选地，驱动组2223还包括第二驱动器，该第二驱动器与驱动电机22231及外界的控制设备60电连接。

张紧轮22221用于实现线束22222的张紧，保证传动组2222的传动效果。多个张紧轮22221能够分别缠绕线束22222。示例性地，张紧轮22221的数量为五个，五个张紧轮22221设置电机连接板22236，实现对线束22222的张紧。通过扭矩扳手拧紧线张紧轮22221的螺钉可以调节线束22222的张紧力。可选地，传动组2222还包括第一惰轮22226、第二惰轮22227，第一惰轮22226设置在电机连接板22236，第二惰轮22227对应滑轮组设置，第一惰轮22226与第二惰轮22227能够限制线束22222的位置。可选地，滑轮组包括定滑轮22224与固定轮22225，定滑轮22224与固定轮22225设置在第二安装壳体2221的内壁，其中一个动滑轮22223设置在定滑轮22224与固定轮22225之间。

可选地，传动组2222还包括转接板22228，转接板22228连接滑块22252与线束22222或滑轮组，转接板22228连接第二旋转组件223。转接板22228连接动滑轮22223与滑块22252，并连接第三安装壳体2232，这样线束22222移动时能够通过动滑轮22223、滑块22252及转接板22228带动第二旋转组件223移动。可选地，线束22222的数量为多个，多个线束22222平行设置，能够增强传动组2222的刚度，保证传动组2222的性能。

绳传动的传动组2222的线束22222一端固定在固定轮22225上，中间绕过一个动滑轮22223、定滑轮22224、第二惰轮22227，然后绕过绕线轮再次绕过另一动滑轮22223，通过第一惰轮22226，分别固定在五个张紧轮22221上。驱动电机22231可以带着驱动轮22232旋转，驱动轮22232通过同步带2223451带动从动轮22233转动，同时绕线轮旋转带动线束22222上的动滑轮22223向指定方向移动，动滑轮22223通过转接板22228及滑块22252连接第二旋转组件223移动。

参见图1、图4、图9和图10，在一实施例中，第二旋转组件223采用关节驱动模组的结构。也就是说，第二旋转组件223所使用的驱动模组2233为通用机器人的关节驱动模组，提高了关节响应能力，同时降低了成本。可选地，第一转动件120与第二转动件140也可采用上述的驱动模组2233。

参见图1、图4、图9和图10，在一实施例中，第二旋转组件223包括第二输出件2231、第三安装壳体2232以及设置于第三安装壳体2232中的驱动模组2233与减速器2234，减速器2234安装于驱动模组2233的输出端，第二输出件2231安装于减速器2234的输出端，第二输出件2231连接第二直线运动组件224，驱动模组2233中集成至少两个第四编码器。

第三安装壳体2232中安装驱动模组2233，减速器2234设置在驱动模组2233的端部，减速器2234的输出端安装第二输出件2231。第三安装壳体2232通过转接板22228连接动滑轮22223与滑块22252连接，使得第三安装壳体2232随线绳的移动而移动。第二输出件2231连接第二直线运动组件224的第四安装壳体2241。驱动模组2233通过减速器2234减速并带动第二输出件2231转动，第二输出件2231能带动第四安装壳体2232转动。

可选地，第二输出件2231为输出法兰或输出轴等。可选地，第二安装壳体2221呈筒形设置，并且，第二安装壳体2221的纵截面呈方形设置。可选地，第二旋转组件223还包括第三支撑轴承，第三支撑轴承连接第三安装壳体2232与减速器2234。可选地，减速器2234为谐波减速器2234或者其他类型的减速器2234。可选地，第三支撑轴承为交叉滚子轴承。驱动模组2233由第四制动器、力矩电机以及两个第四编码器高度集成设置。驱动模组2233呈中空设置，便于布置线缆。可选地，驱动模组2233中集成第三驱动器222237，该第三驱动器222237与力矩电机及外界的控制设备60电连接。

两个第四编码器能够提供精确的角度反馈和减速反馈，具备90°/s²的加速度响应能力。位于驱动模组2233输出端的第四编码器的编码值乘以减速器2234的减速比，与电机端的第四编码器值作差，用差值来检测第二旋转组件223的受力大小。

参见图1、图4、图11和图12，在一实施例中，第二直线运动组件224为重力平衡结构，以平衡负载的大部分重量，这里的重力平衡结构主要做负载重量补偿以及提供主动运动。

参见图1、图4、图11和图12，在一实施例中，第二直线运动组件224包括第四安装壳体2241、重力平衡组2242、升降组2243、升降连杆2244、第二制动器2245、第五编码器2246及第六编码器，重力平衡组2242设置于第四安装壳体2241中，且重力平衡组2242的底部连接升降连杆2244，升降组2243设置于第四安装壳体2241中，第二制动器2245设置于重力平衡组2242及升降组2243，升降组2243连接升降连杆2244，并驱动升降连杆2244升降，升降连杆2244的端部连接操作装置20，第五编码器2246与第二制动器2245连接，第六编码器集成于升降组2243。

第四安装壳体2241为直线运动组件的外壳，第四安装壳体2241连接第二旋转组件223的第二输出件2231。第四安装壳体2241能够随第二输出件2231转动，以带动第二直线运动组件224转动。升降连杆2244可移动安装在第四壳体的底部，并能够伸出或缩回第四壳体中。升降连杆2244的升降通过升降组2243实现，升降组2243设置在第四安装壳体2241中，并且，升降组2243与升降连杆2244连接，升降组2243运动时能够带动升降连杆2244升降。

重力平衡组2242用于平衡升降杆的重力，这样，升降组2243驱动升降连杆2244做升降运动时，能够减少升降组2243的损耗，减少升降组2243输出的力的大小。第二制动器2245设置在升降连杆2244的顶部并连接重力平衡组2242的底座，第二制动器2245能够使得重力平衡组2242停止运动，并固定升降连杆2244的位置。第六编码器集成在升降组2243中，用于检测升降组2243电机输出端的编码值。第五编码器2246与第二制动器2245同轴设置，用于能够检测升降连杆2244在不同时刻的位置差值，以计算第二直线运动组件224的受力。

参见图1、图4、图11和图12，在一实施例中，重力平衡组2242包括恒力弹性件22421、卷绕件22422以及安装板22423，安装板22423的下方连接升降连杆2244，卷绕件22422及第二制动器2245安装于安装板22423的上方，恒力弹性件22421的一端固定于第四安装壳体2241的顶部，另一端可卷绕设置于卷绕件22422。

恒力弹性件22421的顶部安装到第四安装壳体2241的顶部，恒力弹性件22421的卷绕安装到安装板22423上，安装板22423的底部安装升降连杆2244。恒力弹性件22421的弹性力能够抵消一部分重力。当受到外力时，可通过恒力弹性件22421的自动旋转使得升降连杆2244沿外力方向升降。并且，升降连杆2244的重力能够使得恒力弹性件22421伸展。恒力弹性件22421卷绕在卷绕件22422上，第二制动器2245的转子与第五编码器2246同轴设置，并连接恒力弹性件22421。第二制动器2245制动时，第二制动器2245的转子无法转动，使得恒力弹性件22421无法自动旋转释放，进而无法带动升降连杆2244转动。第二制动器2245用于对恒力弹性件22421制动。

可选地，重力平衡组2242还包括固定块22424，固定块22424设置在第四安装壳体2241的顶部，固定块22424用于连接恒力弹性件22421。可选地，恒力弹性件22421为恒力卷绕弹簧或其他能够卷绕的弹性件。由于恒力弹性件22421平衡了负载的大部分重量，这里的升降组2243主要做负载重量补偿以及提供主动运动。

可选地，第二直线运动组件224还包括导轨2247，升降连杆2244的外壁设置滑槽，滑槽与导轨2247配合对升降连杆2244的升降运动进行导向。可选地，导轨2247的数量为两个，两个导轨2247与滑槽对应设置。当然，在本其他实施方式中，也可在导轨2247上设置滑动块，该滑动块固定在升降连杆2244的外壁。

参见图1、图4、图11和图12，在一实施例中，升降组2243包括升降电机22431、电机固定板22432、传动带组22433以及安装组22434，电机固定板22432安装到第四安装壳体2241的顶部，升降电机22431安装到电机固定板22432，传动带组22433安装到第四安装壳体2241，并且，升降电机22431的输出端连接传动带组22433的一端，传动带组22433的另一端延伸至第四安装壳体2241的底部。安装组22434安装到传动带组22433，并与升降连杆2244连接。这样，升降电机22431驱动传动带组22433转动时，传动带组22433通过安装组22434带动升降连杆2244升降。第六编码器集成在升降电机22431的输出端。可选地，升降组2243包括第四驱动器，第四驱动器传输连接外界控制设备60，并电连接升降电机22431。

可选地，传动带组22433为带传动结构、链传动结构或绳传动结构。传动带组22433为绳传动结构，包括第一带轮224331、第二带轮224333以及传动绳224332，第一带轮224331安装到电机的输出端，第二带轮224333可转动安装到第四安装壳体2241的底部，传动绳224332传动连接第一带轮224331与第二带轮224333。安装组22434安装到传动绳224332上。

可选地，安装组22434包括第五制动器224346、承载板224341、张紧块224342、导向轮224343、绕绳轮224344以及转接块224345。转接块224345设置在承载板224341，用于将传动绳224332固定在承载板224341。可选地，转接块224345将两个传动绳224332的两个线头固定在承载板224341上。张紧块224342设置在承载板224341，并相对于转接块224345可移动设置，用于张紧传动绳224332。导向轮224343可转动设置于承载板224341，用于对传动绳224332的运动进行导向。承载板224341用于安装第五制动器224346的定子，绕绳轮224344与第五制动器224346的转子同轴设置。第五制动器224346用于对升降电机22431制动。

传动绳224332的一端卡在张紧块224342上，绕过第一带轮224331，通过导向轮224343，再绕过绕绳轮224344，通过导向轮224343绕过第二带轮224333，最终卡在转接块224345上。当升降电机22431驱动第一带轮224331转动时，第一带轮224331带动传动绳224332转动，带动承载板224341运动，进而通过承载板224341带动安装板22423及升降连杆2244做升降运动。

参见图1和图13，本发明的摆位机械臂220采用串联供电、通讯链路，所有控制指令通过所有控制指令通过各关节的驱动器控制对应的元器件来响应。其中第一旋转组件221通过单个绝对编码器即第一编码器2215实现位置反馈；第二直线运动组件224通过集成在驱动电机22231中的第三编码器提供速度反馈，第二编码器2224提供位置反馈；第二旋转组件223中的两个第四编码器即为输出端编码器都为绝对值编码器，能够提供速度和位置反馈。第二直线运动组件224中集成在升降电机22431中的第六编码器提供速度反馈，第五编码器2246提供位置反馈；第二制动器2245与第五制动器224346为冗余配置。

本发明的摆位装置10，通过第一摆位结构100与第二摆位结构200的多个摆位机械臂220实现操作装置20的摆位。其通过摆位机械臂220中每个关节的驱动器、编码器能够实现摆位机械臂220的主动摆位与被动柔顺的拖动摆位，响应快，运动平稳。而且，摆位装置10的各个结构紧凑，刚度包括，背隙小，定位精度高。

本发明的摆位装置10有两种摆位方法，一种是主动摆位的方法，一种是拖动摆位的方法，两种摆位方法都能够实现操作装置20的摆位。以下介绍两种摆位方法。

如图14中的(a)所示，本发明还提供一种摆位方法，应用于任一实施例的摆位装置10，摆位方法包括如下步骤：

获取操作装置20的目标位置；

进行第二摆位结构200的多个摆位机械臂220的运动学逆解，获取多个摆位机械臂220的控制指令；

对多个摆位机械臂220进行运动学正解，检查多个摆位机械臂220的干涉情况；

若无干涉情况，下发控制指令至多个摆位机械臂220；

多个摆位机械臂220根据对应的控制指令运动；

摆位机械臂220带动操作装置20运动至目标位置，完成摆位操作。

上述的摆位方法为主动摆位方法。主动摆位功能可以实现快速展开、收缩；另外搭配视觉定位，可以实现自动摆位；还可以对摆位姿态做最优处理，提高术中摆位效率。其控制方式为：先由控制设备60获取操作装置20的目标(即为远心点)要到达的位姿，再进行摆位机械臂220的运动学逆解，逆解过程中对摆位姿态、相邻臂间距等条件进行约束寻优，找到最优的一组关节位置值；然后在仿真环境对摆位机械臂220进行结构干涉、运动控制指令检查，确认无误后，下发给各关节的驱动器，由驱动器控制摆位机械臂220的各个关节动作；最后由控制设备60进行摆位完成确认。整个摆位过程具有快捷、平稳、安全，不需要人工做二次调整等优点。

如图14中的(b)所示，本发明还提供一种摆位方法，应用于上述任一实施例的摆位装置10，摆位方法包括如下步骤：

按动摆位机械臂220的使能按键；

各摆位机械臂220解锁，各摆位机械臂220进入跟随模式；

周期获取摆位机械臂220中各关节的位置差值；

比较摆位机械臂220的各个关节位置差值和关节阈值；

若位置差值小于等于关节阈值，继续获取反馈差值；

若位置差值大于关节阈值，生成运动指令控制摆位机械臂220对应的关节运动；

直至完成摆位操作。

上述的摆位方法进行被动摆位。摆位机械臂220的某个关节设置使能按键，通过使能按键实现摆位机械臂220的解锁，使得用户可以手动拖动摆位机械臂220的位置。具体的，通过按下摆位机械臂220上的使能开关来启用拖动摆位功能。在拖动摆位时，第一旋转组件221的第一编码器2215采用高分辨率编码器，通过记录不同时刻位置差值，来间接检测该关节的受力大小。第二直线运动组件224通过第二编码器2224来间接检测该关节的受力大小。第二旋转组件223中的将输出端编码器值乘以减速机的减速比，与电机端编码器值作差，用差值来检测该关节的受力大小。第四直线运动组件通过第五编码器2246不同时刻差值检测受力大小。当位置差值大于预设阈值时，说明关节受到了外力的拖动，此时通过电机端的作用消除二者之间的位置差，即实现了对拖动的助力，进而实现了摆位机械臂的拖动摆位。

具体的拖动摆位控制过程如图14(b)所示：关节阈值Pj为根据对应关节预设的位移值。在每一个时间周期T通过比较各关节的位置差值Δp与关节阈值Pj的大小，来控制关节是否响应运动。在下一周期判断j关节的Δp＞Pj时，j关节开始步进运动，方向由Δp的正负值决定，步进量为Δp；运动完成再次判断Δp与Pj的大小，进入下一循环；若Δp＜Pj时，重复比较各关节的位置差值Δp与关节阈值Pj的大小。

机器人的速度雅可比矩阵有：V＝J(q)dθ/dt(1)

可得：dX＝J(q)dθ(2)

这里dX＝[px,py,pz,0,0,φz]，dθ＝[dq1,dp2,dq3,dp4]；依次令px,py,pz,φz为最小拖动量，采用公式(2)分别求取dq1,dp2,dq3,dp4，即为关节阈值Pj，该值为理论阈值；为了提高拖动精度和柔顺性，也可以采用标定的方式获取关节阈值Pj，即在操作装置20的目标位置处(x,y,z)以及z轴方向施加最小拖动位移/角度，读取各关节编码器的位置差值，选取最大值作为关节阈值Pj。同样，给定操作装置20目标位置的拖动速度，步进运动的速度由公式(1)得到。

本发明还提供一种手术机器人，包括台车底座50、操作装置20以及上述任一实施例的摆位装置10；摆位装置10的第一摆位结构100安装到台车底座50，操作装置20安装到摆位装置10的第二摆位结构200的末端，操作装置20承载操作器械40。

台车底座50采用四个轮子支撑，前两个轮子为助力轮，为手术机器人的移动提供动力，后侧的两个轮子为被动万向轮，提供转向功能。第一摆位结构100的的升降件110的底部安装到台车底座50的上方，通过带车底座带动摆位装置10移动，并在摆位装置10的末端安装操作装置20，通过操作装置20夹持操作器械40，实现手术机器人的手术功能。

在术前准备阶段，先给操作装置20穿戴好无菌罩，然后将手术机器人移动到病床300附近合适的位置，再通过摆位装置10的调整将操作装置20的末端移动到戳卡附近，实现戳卡对接；最后由人工将器械、内窥镜安装到操作装置20上；准备进行手术。本发明的摆位装置10的控制方式简单，能够作为功能单元继承到手术机器人中。

值得说明的是，上述的摆位装置10用于但不限于手术机器人中，也可应用于其他需要主动摆位的装备或领域。而且，摆位机械臂220的各个关节的结构以及实现方式不限于手术机器人领域，该摆位装置10的摆位方法也可用于但不限于手术机器人领域。

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)

1.一种手术机器人的摆位装置(10)，其特征在于，包括：

第一摆位结构(100)；

第二摆位结构(200)，包括悬吊连杆(210)以及多个摆位机械臂(220)；

操作装置(20)；

多个所述摆位机械臂的一端经悬吊连杆(210)与第一摆位结构(100)旋转连接，另一端安装有操作装置(20)；

控制设备(60)，用于控制所述第一摆位结构(100)及所述第二摆位结构(200)带动所述操作装置(20)自主运动。

2.根据权利要求1所述的摆位装置(10)，其特征在于，所述摆位机械臂(220)包括多个关节件，多个所述关节件串联连接所述悬吊连杆(210)和所述操作装置(20)，所述关节件设置有驱动装置，用于驱动所述关节件带动操作装置(20)自主运动。

3.根据权利要求2所述的摆位装置(10)，其特征在于，所述多个关节件包括第一旋转组件(221)与第二旋转组件(223)，以及第一直线运动组件(222)与第二直线运动组件(224)，所述悬吊连杆(210)与所述操作装置(20)经所述第一旋转组件(221)、所述第一直线运动组件(222)、所述第二旋转组件(223)以及所述第二直线运动组件(224)串联连接。

4.根据权利要求3所述的摆位装置(10)，其特征在于，所述第一旋转组件(221)包括第一输出件(2211)、第一安装壳体(2212)以及设置于所述第一安装壳体(2212)的旋转电机(2213)、第一制动器(2214)与第一编码器(2215)，所述第一安装壳体(2212)安装于所述第一直线运动组件(222)，所述第一制动器(2214)设置于所述旋转电机(2213)的端部，所述第一编码器(2215)电连接所述旋转电机(2213)，所述旋转电机(2213)的输出端安装所述第一输出件(2211)，所述第一输出件(2211)连接所述悬吊连杆(210)。

5.根据权利要求3所述的摆位装置(10)，其特征在于，所述第一直线运动组件(222)为低减速比的传动结构，所述第一直线运动组件(222)中的传动结构为链传动结构、带传动结构或绳传动结构；

所述第一直线运动组件(222)包括第二安装壳体(2221)以及设置于所述第二安装壳体(2221)中的传动组(2222)、驱动组(2223)，所述驱动组(2223)连接所述传动组(2222)，并驱动所述传动组(2222)运动，所述传动组(2222)连接所述第二旋转组件(223)并带动所述第二旋转组件(223)移动；

所述传动组(2222)为绳传动结构时，所述传动组(2222)通过多个平行布置的线束(22222)实现传动。

6.根据权利要求3所述的摆位装置(10)，其特征在于，所述第二旋转组件(223)采用关节驱动模组的结构，所述第二旋转组件(223)的输出端连接所述第二直线运动组件(224)。

7.根据权利要求3所述的摆位装置(10)，其特征在于，所述第二直线运动组件(224)为重力平衡结构；

所述第二直线运动组件(224)包括第四安装壳体(2241)、重力平衡组(2242)、升降组(2243)以及升降连杆(2244)，所述重力平衡组(2242)设置于所述第四安装壳体(2241)中，且所述重力平衡组(2242)的底部连接所述升降连杆(2244)，所述升降组(2243)设置于所述第四安装壳体(2241)中，所述升降组(2243)连接所述升降连杆(2244)，并驱动所述升降连杆(2244)升降，所述升降连杆(2244)的端部连接所述操作装置(20)。

8.一种摆位方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任一项所述的摆位装置(10)，所述摆位方法包括如下步骤：

获取操作装置(20)的目标位置；

进行第二摆位结构(200)的多个摆位机械臂(220)的运动学逆解，获取多个所述摆位机械臂(220)的控制指令；

对多个所述摆位机械臂(220)进行运动学正解，检查多个所述摆位机械臂(220)的干涉情况；

若无干涉情况，下发所述控制指令至多个所述摆位机械臂(220)；

多个所述摆位机械臂(220)根据对应的所述控制指令运动；

所述摆位机械臂(220)带动操作装置(20)运动至目标位置，完成摆位操作。

9.一种摆位方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任一项所述的摆位装置(10)，所述摆位方法包括如下步骤：

按动摆位机械臂(220)的使能按键；

各所述摆位机械臂(220)解锁，各所述摆位机械臂(220)进入跟随模式；

周期获取所述摆位机械臂(220)中各关节的位置差值；

比较所述摆位机械臂(220)的各个关节位置差值和关节阈值；

若所述位置差值小于等于所述关节阈值，继续获取所述位置差值；

若所述位置差值大于所述关节阈值，生成运动指令控制所述摆位机械臂(220)对应的关节运动；直至完成摆位操作。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括台车底座(50)、操作器械(40)以及如权利要求1至7任一项所述的摆位装置(10)；

所述摆位装置(10)的第一摆位结构(100)安装到所述台车底座(50)，所述摆位装置的操作装置(20)承载所述操作器械(40)。

Images