CN116784982A - 手术机械臂及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械臂技术领域，提供一种手术机械臂及手术机器人，手术机械臂包括：机械臂模组、正交关节模组和手术器械模组，机械臂模组适于展开或折叠；正交关节模组与机械臂模组的首端连接，正交关节模组适于驱动机械臂模组绕第一旋转轴线和/或第二旋转轴线转动，且第一旋转轴线与第二旋转轴线相互正交分布；手术器械模组与机械臂模组的末端连接，机械臂模组适于驱动手术器械模组转动。本发明可以实现手术机械臂的多自由度运动，从而精准调节手术器械的姿态，适应不同大小的手术活动空间，且具有结构轻巧、灵活性好、精度高、操作空间大、运动响应及时等特点。

Description

手术机械臂及手术机器人

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种手术机械臂及手术机器人。

背景技术

手术机械臂主要用于支撑手术器械，协助医生进行手术。但是现有手术机械臂的自由度较少，导致无法精准调节手术器械的姿态，并且无法适应有限的手术活动空间，从而影响手术进程。

发明内容

本发明提供一种手术机械臂及手术机器人，用以解决相关技术中手术机械臂的自由度较少的缺陷，实现手术机械臂的多自由度运动，从而精准调节手术器械的姿态，适应不同大小的手术活动空间，且具有结构轻巧、灵活性好、精度高、操作空间大、运动响应及时等特点。

本发明提供一种手术机械臂，包括：

机械臂模组，适于展开或折叠；

正交关节模组，与所述机械臂模组的首端连接，所述正交关节模组适于驱动所述机械臂模组绕第一旋转轴线和/或第二旋转轴线转动，且所述第一旋转轴线与所述第二旋转轴线相互正交分布；

手术器械模组，与所述机械臂模组的末端连接，所述机械臂模组适于驱动所述手术器械模组转动；

所述机械臂模组包括：

第一节臂，包括：第一臂体和驱动机构，所述第一臂体的首端与所述正交关节模组连接，所述驱动机构设置于所述第一臂体；

第二节臂，包括：第二臂体、第一传动轮、第二传动轮和第二传动带，所述第二臂体的首端与所述驱动机构相连，所述第一传动轮设置于所述第二臂体的首端且与所述第一臂体固定连接，所述第二传动轮可转动地设置于所述第二臂体的末端，所述第二传动带的两端分别与所述第一传动轮和所述第二传动轮固定连接；

第三节臂，包括：第三臂体、第三传动轮、第四传动轮和第三传动带，所述第三臂体的首端与所述第二传动轮相连，所述第三传动轮设置于所述第三臂体的首端且与所述第二臂体固定连接，所述第四传动轮可转动地设置于所述第三臂体的末端且与所述手术器械模组相连，所述第三传动带的两端分别与所述第三传动轮和所述第四传动轮固定连接；

其中，所述驱动机构适于驱动所述第二节臂和所述第三节臂相对所述第一节臂转动。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述驱动机构包括：第一驱动电机、第五传动轮、第六传动轮、第一传动带和第一谐波减速机，所述第五传动轮设置于所述第一臂体的首端，所述第一驱动电机与所述第五传动轮相连，所述第六传动轮设置于所述第一臂体的末端，所述第一传动带的两端分别与所述第五传动轮和所述第六传动轮相连，所述第一谐波减速机设置于所述第一臂体的末端，且所述第一谐波减速机的输入轴与所述第六传动轮连接，所述第一谐波减速机的第一输出法兰与所述第二臂体的首端相连。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述第一臂体的内部设有控制电路板和散热器，所述控制电路板与所述第一驱动电机电连接，所述散热器连接于所述控制电路板上。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述第一臂体的末端固定设有第一耦合轴，所述第一耦合轴经所述第一谐波减速机的输入轴的轴向通孔穿设于所述第二臂体的首端，所述第一传动轮与所述第一耦合轴固定连接。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述第二臂体的首端内壁设有第一编码器，用于检测所述第二节臂的转动角度。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述第二臂体的末端固定设有第二耦合轴，所述第二耦合轴穿设于所述第三臂体的首端，所述第二传动轮与所述第二耦合轴可转动连接，所述第三传动轮与所述第二耦合轴固定连接。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述第二传动带和所述第三传动带均包括：

带体部；

第一连接部和第二连接部，分别与所述带体部的两端相连；

所述第一连接部的末端设有固定块，且与所述第一连接部对应连接的传动轮设有固定槽，所述固定槽与所述固定块卡接；

所述第二连接部的末端设有张紧块，且与所述第二连接部对应连接的传动轮设有限位槽，所述张紧块可滑动地设置于所述限位槽内，用于调节对应传动带的张紧。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述第二臂体和所述第三臂体的首末两端分别设有与所述固定块和所述张紧块对应设置的安装窗口，且所述安装窗口可拆卸连接密封罩壳。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述第一传动带为同步带，所述第二传动带和所述第三传动带为刚性带；

且所述第二节臂和所述第三节臂分别设有两条所述刚性带，两条所述刚性带的第一连接部和第二连接部呈C型，所述第二节臂和所述第三节臂中的两条所述刚性带沿对应传动轮的轴向错位且上下反向分布。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述正交关节模组包括：两个相互正交的旋转驱动关节，每个所述旋转驱动关节包括：关节外壳以及设置于所述关节外壳内的第二谐波减速机和第二驱动电机；所述第二谐波减速机包括：

外层输入轴，为中空结构且与所述第二驱动电机相连；

第二波发生器，套接于所述外层输入轴的第一端；

第二柔轮，套接于所述第二波发生器的外壁；

第二钢轮，所述第二钢轮的内圈齿与所述第二柔轮的外圈齿啮合，所述第二钢轮相对所述第二柔轮可转动；

内层输出轴，同轴设置于所述外层输入轴内，且所述内层输出轴的第一端同轴连接第二输出法兰，所述第二输出法兰位于所述外层输入轴的第一端，所述第二输出法兰与所述第二钢轮相连；

其中，两个所述旋转驱动关节的关节外壳上下布置且固定连接，两个所述旋转驱动关节的第二输出法兰的中轴线分别为所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线，对应所述第一旋转轴线的第二输出法兰与所述机械臂模组的首端连接，对应所述第二旋转轴线的第二输出法兰固定连接于基座。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述第二谐波减速机还包括：

制动器，连接于所述外层输入轴的第二端；

第二编码器，连接于所述外层输入轴的第二端，用于检测所述外层输入轴的输入转动角度；

第三编码器，连接于所述内层输出轴的第二端，用于检测所述内层输出轴的输出转动角度。

根据本发明提供的一种手术机械臂，所述手术器械模组包括：

直线驱动平台，与所述机械臂模组的末端连接；

手术器械，可滑动连接于所述直线驱动平台。

本发明还提供一种手术机器人，包括：基座和上述的手术机械臂，所述手术机械臂设置于所述基座上。

本发明提供的手术机械臂及手术机器人，通过正交关节模组可以驱动机械臂模组绕相互正交分布的第一旋转轴线和/或第二旋转轴线转动，即可以驱动机械臂组绕第一旋转轴线旋转以及绕第二旋转轴线俯仰转动，从而带动手术器械模组进行相应移动，并且机械臂模组自身可以展开或折叠，同时还可以驱动手术器械模组转动，从而进一步调节手术器械模组的姿态。因此，本发明手术机械臂在空间中具有多个自由运动的方向，可以实现手术机械臂的多自由度运动，从而精准调节手术器械的姿态，适应不同大小的手术活动空间，且具有结构轻巧、灵活性好、精度高、操作空间大、运动响应及时等特点。

进一步地，本发明提供的机械臂模组，通过三个节臂巧妙的传动连接方式，只需一套驱动机构即可同步驱动多个节臂转动，从而达到优化控制、简化结构、降低成本等目的；并且可以根据手术活动空间以及手术伤口位置等信息，控制驱动机构驱动第二节臂和第三节臂的转动角度，从而精准调节手术器械的姿态，达到高效安全手术的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的手术机械臂的结构示意图；

图2是本发明提供的手术机械臂的运动状态示意图；

图3是本发明提供的手术机械臂的结构剖视图；

图4是本发明提供的机械臂模组内部的传动结构示意图；

图5是本发明提供的第一谐波减速机的结构示意图；

图6是本发明提供的第一节臂的结构爆炸图；

图7是本发明提供的第一耦合轴的结构示意图；

图8是本发明提供的第二节臂的结构爆炸图；

图9是本发明提供的第二耦合轴的结构示意图；

图10是本发明提供的第三节臂的结构爆炸图；

图11是本发明提供的刚性带的结构示意图；

图12是本发明提供的刚性带与传动轮的装配示意图之一；

图13是本发明提供的刚性带与传动轮的装配示意图之二；

图14是本发明提供的固定块装配结构示意图；

图15是本发明提供的张紧块装配结构示意图；

图16是本发明提供的正交关节模组的结构示意图；

图17是本发明提供的正交关节模组的结构爆炸图；

图18是本发明提供的正交关节模组的结构剖视图；

图19是本发明提供的第二谐波减速机的结构示意图；

图20是本发明提供的正交关节模组与第一节臂的装配结构图；

图21是本发明提供的手术机械臂的结构设计图。

附图标记：

100：机械臂模组；

101：第一节臂；1011：第一臂体；10111：第一机架；

10112：第一盖板；1012：第一驱动电机；10121：第一定子；

10122：第一转子；10123：第四编码器；10124：第一调节螺栓；

1013：第五传动轮；1014：第六传动轮；1015：第一传动带；

1016：第一谐波减速机；10161：输入轴；10162：第一波发生器；

10163：第一柔轮；10164：第一钢轮；10165：第一输出法兰；

10166：第一安装法兰；10167：第一深沟球轴承；

10168：第一交叉滚子轴承；1017：第一耦合轴；

1018：固定法兰盘；10191：控制电路板；10192：散热器；

102：第二节臂；1021：第二臂体；10211：第二机架；

10212：第二盖板；10213：塑料罩壳；

10214：第一安装窗口；10215：第一密封罩壳；

1022：第一传动轮；1023：第二传动轮；1024：第二传动带；

1025：第一编码器；1026：第二耦合轴；1027：安装圆柱台；

1028：第一轴承；1029：第一轴承端盖；

103：第三节臂；1031：第三臂体；10311：第三机架；

10312：第三盖板；10313：第二安装窗口；

10314：第二密封罩壳；1032：第三传动轮；1033：第四传动轮；

1034：第三传动带；1035：第二轴承；1036：第二轴承端盖；

1041：带体部；1042：第一连接部；1043：第二连接部；

1044：固定块；1045：固定槽；1046：张紧块；1047：限位槽；

1048：第二调节螺栓；1049：定位槽；

200：正交关节模组；

201：旋转驱动关节；202：关节外壳；2021：壳体；2022：盖体；

203：第二谐波减速机；

2031：外层输入轴；2032：第二波发生器；2033：第二柔轮；

2034：第二钢轮；2035：内层输出轴；20351：第二输出法兰；

2036：第二安装法兰；

2037：第二深沟球轴承；2038：第二交叉滚子轴承；

20391：制动器；20392：第二编码器；20393：第三编码器；

204：第二驱动电机；205：安装盒；206：安装盖；

207：T型法兰；208：外六角螺钉；209：连接法兰盘；

300：手术器械模组；

301：直线驱动平台；302：手术器械。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“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发明实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；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。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发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图21描述本发明的手术机械臂及手术机器人。

根据本发明第一方面的实施例，参照图1-图3所示，本发明提供的手术机械臂，主要包括：机械臂模组100、正交关节模组200和手术器械模组300三大部分。

其中，机械臂模组100适于展开或折叠，从而实现手术机械臂的姿态调节。

正交关节模组200与机械臂模组100的首端连接，正交关节模组200适于驱动机械臂模组100绕第一旋转轴线M和/或第二旋转轴线N转动，并且第一旋转轴线M与第二旋转轴线N相互正交分布，即正交关节模组200可以为机械臂模组100以及手术器械模组300提供两个垂直自由度，再结合机械臂模组100自身的运动，从而可以实现手术器械模组300的多维度运动，以精准调节手术器械模组300的姿态。

手术器械模组300与机械臂模组100的末端连接，机械臂模组100适于驱动手术器械模组300转动。

本发明实施例提供的手术机械臂，通过正交关节模组200可以驱动机械臂模组100绕第一旋转轴线M旋转以及绕第二旋转轴线N俯仰转动，从而带动手术器械模组300进行相应的移动，并且机械臂模组100自身可以展开或折叠，同时还可以驱动手术器械模组300转动，从而进一步调节手术器械模组300的姿态。因此，本发明实施例的手术机械臂在空间中具有多个自由运动的方向，可以实现手术机械臂的多自由度运动，从而精准调节手术器械302的姿态，适应不同大小的手术活动空间，且具有结构轻巧、灵活性好、精度高、操作空间大、运动响应及时等特点。

根据本发明的一个实施例，参照图1-图15所示，本发明机械臂模组100主要包括：第一节臂101、第二节臂102和第三节臂103。

其中，第一节臂101包括：第一臂体1011和驱动机构，第一臂体1011的首端与正交关节模组200连接，驱动机构设置于第一臂体1011，驱动机构作为机械臂模组100的动力源，能够同步驱动第二节臂102和第三节臂103相对第一节臂101转动，并且第二节臂102与第三节臂103的转动方向相反，从而可以控制机械臂模组100进行展开或者折叠运动，进而调节姿态。

第二节臂102包括：第二臂体1021、第一传动轮1022、第二传动轮1023和第二传动带1024，第二臂体1021的首端与驱动机构相连，通过驱动机构可以驱动第二臂体1021转动，从而带动整个第二节臂102转动；第一传动轮1022设置于第二臂体1021的首端，并且第一传动轮1022与第一臂体1011固定连接，即第一传动轮1022为相对第一节臂101的固定轮，相对第一节臂101无法转动；第二传动轮1023可转动地设置于第二臂体1021的末端；第二传动带1024的两端分别与第一传动轮1022和第二传动轮1023固定连接。如此设计，可以使得第二节臂102转动时，第二传动带1024的长度保持不变。

第三节臂103包括：第三臂体1031、第三传动轮1032、第四传动轮1033和第三传动带1034，第三臂体1031的首端与第二传动轮1023相连，当第二传动轮1023转动时，可以带动第三臂体1031转动，从而带动整个第三节臂103转动；第三传动轮1032设置于第三臂体1031的首端，并且第三传动轮1032与第二臂体1021固定连接，即第三传动轮1032为相对第二节臂102的固定轮，相对第二节臂102无法转动；第四传动轮1033可转动地设置于第三臂体1031的末端，并且第四传动轮1033与手术器械模组300相连，带动手术器械模组300转动；第三传动带1034的两端分别与第三传动轮1032和第四传动轮1033固定连接。如此设计，可以使得第三节臂103转动时，第三传动带1034的长度保持不变。

如图4所示，下面以机械臂模组100展开为例，对本发明机械臂模组100的传动工作原理进行描述，大致包括：

第一节臂101固定不动，第一节臂101上的驱动机构驱动第二臂体1021顺时针转动，从而带动整个第二节臂102顺时针转动展开，在第二节臂102顺时针转动展开的过程中，会同步带动第二节臂102的第二传动轮1023顺时针摆动，改变其位置，而此时由于第一传动轮1022为相对第一节臂101的固定轮，无法转动，且与第一传动轮1022连接的第二传动带1024固定不动，因此，当第二臂体1021带动第二传动轮1023顺时针摆动时，会给予第二传动带1024顺时针作用力，当第二传动带1024无法转动时，相应的，与第二传动轮1023固定连接的第二传动带1024会给予第二传动轮1023一个反向作用力，从而驱动第二传动轮1023逆时针转动，保证符合第二传动带1024整体长度不变的前提。

当第二传动轮1023逆时针转动时，同步带动第三臂体1031逆时针转动，从而带动整个第三节臂103逆时针转动展开，在第三节臂103逆时针转动展开的过程中，会同步带动第三节臂103的第四传动轮1033逆时针摆动，改变其位置，而此时由于第三传动轮1032为相对第二节臂102的固定轮，无法转动，且与第三传动轮1032连接的第三传动带1034固定不动，因此，当第三臂体1031带动第四传动轮1033逆时针摆动时，会给予第三传动带1034逆时针作用力，当第三传动带1034无法转动时，相应的，与第四传动轮1033固定连接的第三传动带1034会给予第四传动轮1033一个反向作用力，从而驱动第四传动轮1033顺时针转动，保证符合第三传动带1034整体长度不变的前提。

可以理解的是，上述传动过程完成一次机械臂模组100的展开运动，当机械臂模组100进行折叠运动时，第一节臂101上的驱动机构驱动第二节臂102的第二臂体1021逆时针转动，具体工作过程与上述展开运动的传动过程相反，此处不作赘述。

本发明实施例提供的机械臂模组100，通过三个节臂巧妙的传动连接方式，只需一套驱动机构即可同步驱动多个节臂转动，从而达到优化控制、简化结构、降低成本等目的；并且可以根据手术活动空间以及手术伤口位置等信息，控制驱动机构驱动第二节臂102和第三节臂103的转动角度，从而精准调节手术器械302的姿态，达到高效安全手术的目的。

并且，如图2所示，本发明机械臂模组100具有多种运动状态，并且在多种运动状态中，都能保证手术器械模组300始终穿过远离机械臂模组100的空间中的一个固定的不动点P摆动，即具有远心不动点的功能。其中，不动点P的位置为手术伤口位置。

具体地，根据手术伤口位置，可以控制正交关节模组200驱动机械臂模组100绕第二旋转轴线N俯仰转动，从而带动机械臂模组100以及手术器械模组300进行相应移动，当调节至手术伤口位置后，可以根据手术活动空间以及手术路径等信息控制机械臂模组100绕第一旋转轴线M转动或者进行展开折叠运动，以进一步调节手术器械模组300的姿态，达到精准手术的目的。

其中，当机械臂模组100绕第一旋转轴线M转动时，不动点P的位置为转动轨迹的圆心，始终不变；当机械臂模组100绕第二旋转轴线N转动时，可以调节不动点P的位置，以更好地适应手术伤口位置，使得整机的操作空间增大，灵活性更好。

可以理解的是，在控制机械臂模组100进行展开或折叠的过程中，机械臂模组100的第二节臂102的转动轴线、第三节臂103的转动轴线、第四传动轮1033的转动轴线以及不动点P可以形成一个平行四边形，当机械臂模组100展开或折叠时，平行四边形的夹角发生改变，但是不动点P的位置始终固定不变，如此设计，可以在手术器械模组300随机械臂模组100移动时，使得微创手术的伤口尽量小，从而保证安全性。

因此，本发明实施例的机械臂模组100和正交关节模组200作为手术机器人的核心部件，可以为手术机器人末端的手术器械302提供机械支撑，实现手术器械302的多维度姿态调节，并且在调整好位置后，可以保证在手术过程中，手术器械302始终穿过机械臂模组100的远端运动中心（remote center of motion），即不动点P，手术器械302只能过不动点P进行摆动，从而可以避免对微创手术的伤口造成额外损伤，有效提高了整机的安全性。

根据本发明的一个实施例，参照图21所示，手术器械模组300的手术器械302的中轴线（见图中虚线）至第三节臂103的第四传动轮1033的中心距离为d，第二节臂102的两个传动轮的中心距为L，手术器械302的中轴线与第二节臂102的两个传动轮的中心线所确定的平面的夹角为α，整个机构在设计上满足如下关系：。

本发明实施例通过上述结构设计关系，可以使得整个机构能够实现远心不动点的功能，满足从设计到具体实施的实际需求，从而避免对微创手术的伤口造成额外损伤，有效提高了整机的安全性。

根据本发明的一个实施例，参照图3-图6所示，第一节臂101的驱动机构主要包括：第一驱动电机1012、第五传动轮1013、第六传动轮1014、第一传动带1015和第一谐波减速机1016。其中，第五传动轮1013设置于第一臂体1011的首端，第一驱动电机1012与第五传动轮1013相连，第六传动轮1014设置于第一臂体1011的末端，第一传动带1015的两端分别与第五传动轮1013和第六传动轮1014相连，第一谐波减速机1016设置于第一臂体1011的末端，并且第一谐波减速机1016的输入轴10161与第六传动轮1014连接，第一谐波减速机1016的第一输出法兰10165与第二臂体1021的首端相连。

工作时，控制第一驱动电机1012驱动第五传动轮1013转动，通过第一传动带1015带动第六传动轮1014转动，通过第六传动轮1014带动第一谐波减速机1016转动，然后通过第一谐波减速机1016驱动第二臂体1021转动，从而带动整个第二节臂102转动。即第一驱动电机1012通过第五传动轮1013、第六传动轮1014以及第一传动带1015向第一谐波减速机1016的输入轴10161传递动力，并通过第一谐波减速机1016来驱动第二节臂102转动。

本发明实施例通过将第一谐波减速机1016应用至机械臂模组100中，可以有效提高动力传递的精度，实现第二节臂102转动角度的微调，从而有效提高手术的精度、稳定性以及安全性。

根据本发明的一个实施例，参照图5所示，第一谐波减速机1016主要包括：输入轴10161、第一波发生器10162、第一柔轮10163、第一钢轮10164和第一输出法兰10165。其中，输入轴10161的第一端连接第一节臂101的第六传动轮1014，第一波发生器10162与输入轴10161的第二端相连，第一柔轮10163套接于第一波发生器10162的外壁，第一钢轮10164套接于第一柔轮10163的外壁，且第一钢轮10164的内圈齿与第一柔轮10163的外圈齿啮合，第一钢轮10164相对第一柔轮10163可转动，第一输出法兰10165位于输入轴10161的第二端且与第一钢轮10164固定连接。

工作时，通过第一节臂101的第六传动轮1014驱动第一谐波减速机1016的输入轴10161转动，从而带动第一波发生器10162转动，由于第一波发生器10162为椭圆形，从而可以挤压第一柔轮10163使其形变，当第一柔轮10163的外圈齿与第一钢轮10164的内圈齿啮合时，带动第一钢轮10164转动，从而带动第一输出法兰10165转动。

并且，第一谐波减速机1016还包括：第一安装法兰10166、两个第一深沟球轴承10167以及第一交叉滚子轴承10168，其中，第一安装法兰10166与第一臂体1011固定连接，第一安装法兰10166套接于输入轴10161的第一端；两个第一深沟球轴承10167间隔分布于第一安装法兰10166与第一输出法兰10165之间，用于支撑输入轴10161；第一交叉滚子轴承10168设置于第一安装法兰10166与第一输出法兰10165之间，且第一交叉滚子轴承10168的外圈与第一柔轮10163和第一安装法兰10166固定连接，作为第一谐波减速机1016的外壳，第一交叉滚子轴承10168的内圈与第一输出法兰10165和第一钢轮10164固定连接，作为第一谐波减速机1016的输出端。

根据本发明的一个实施例，参照图3、图6和图7所示，第一臂体1011的末端固定设有第一耦合轴1017，第一耦合轴1017经第一谐波减速机1016的输入轴10161的轴向通孔穿设于第二臂体1021的首端，第二节臂102的第一传动轮1022与第一耦合轴1017固定连接。并且第一耦合轴1017为中空结构，便于走线。

并且，如图6所示，第一臂体1011的末端固定设有固定法兰盘1018，第一耦合轴1017的第一端与固定法兰盘1018固定连接，第一耦合轴1017的第二端与第二节臂102的第一传动轮1022固定连接。

具体地，如图7所示，第一耦合轴1017的第二端圆周面的相对两侧对称设有平面，以传递力矩，并且第一耦合轴1017的第二端可以设计多个沿圆周方向均匀分布的紧定螺栓孔，以便于通过紧定螺栓与第二节臂102的第一传动轮1022固定连接。如此设计，可以有效提高第二节臂102的第一传动轮1022的固定效果，进而提高第二传动带1024的传动精度，保证第二节臂102的转动精度。

根据本发明的一个实施例，参照图3所示，本发明第一驱动电机1012包括第一定子10121和第一转子10122，第一定子10121固定于第一臂体1011内且位于第一转子10122的外部，第一转子10122的第一端与第五传动轮1013相连，用于提供驱动力，第一转子10122的第二端连接有第四编码器10123，第四编码器10123主要用于检测第一转子10122的输出转动角度；并且第一转子10122为中空结构，便于走线。

根据本发明的一个实施例，参照图3和图6所示，第一臂体1011的内部设有控制电路板10191和散热器10192，控制电路板10191与第一驱动电机1012电连接，用于接收控制指令对第一驱动电机1012的转动速度、角度以及方向等参数进行控制，从而控制机械臂模组100的展开或折叠运动；散热器10192连接于控制电路板10191上，用于散热。其中，散热器10192可以为散热风扇。

并且，如图6所示，第一臂体1011主要包括：第一机架10111和第一盖板10112，第一盖板10112盖设于第一机架10111的开口侧，共同形成第一节臂101的外壳，并且第一机架10111内可以设置驱动机构、控制电路板10191和散热器10192等部件。本发明实施例通过将第一臂体1011设计为可拆卸结构，可以便于内部部件的快速装配。

此外，如图4所示，第一驱动电机1012的侧面设有两个上下分布的第一调节螺栓10124，且两个第一调节螺栓10124沿第一传动带1015的长度方向设置于第一机架10111上，通过旋拧第一调节螺栓10124，可以推动第一驱动电机1012横向移动，从而调节第一传动带1015的张紧，调节完成后，再通过紧固螺钉将第一驱动电机1012固定于第一机架10111内。

根据本发明的一个实施例，参照图3和图8所示，第二臂体1021的首端内壁设有第一编码器1025，用于检测第二节臂102的转动角度，实现姿态的精准控制。

根据本发明的一个实施例，参照图3和图9所示，第二臂体1021的末端固定设有第二耦合轴1026，第二耦合轴1026穿设于第三臂体1031的首端，第二传动轮1023与第二耦合轴1026可转动连接，第三节臂103的第三传动轮1032与第二耦合轴1026固定连接。并且第二耦合轴1026为中空结构，便于走线。

具体地，第二耦合轴1026的两端侧壁分别具有扁平面，以形成定位台阶，第二臂体1021的末端设有安装圆柱台1027，安装圆柱台1027为中空结构，便于走线，且安装圆柱台1027同轴设置于第二传动轮1023内，第二耦合轴1026第一端的定位台阶插入安装圆柱台1027并通过螺丝固定，第二耦合轴1026第二端的定位台阶插入第三节臂103的第三传动轮1032并通过螺丝固定。

如此设计，可以防止第三节臂103的第三传动轮1032相对第二节臂102转动，有效提高第三传动轮1032与第二节臂102的固定效果，从而可以保证在对第三传动带1034张紧微调的过程中，避免带动第三传动轮1032转动导致第二节臂102转动，从而避免对第二节臂102的姿态造成影响，可以使得第二节臂102两端的转动轴线所在的平面与第一旋转轴线M的夹角保持不变。

根据本发明的一个实施例，如图8所示，第二臂体1021主要包括：第二机架10211和第二盖板10212，第二盖板10212盖设于第二机架10211的开口侧，共同形成第二节臂102的外壳，并且第二机架10211内可以设置第一传动轮1022、第二传动轮1023以及第二传动带1024等部件。本发明实施例通过将第二臂体1021设计为可拆卸结构，可以便于内部部件的快速装配。

并且，第二机架10211的侧面设有布线口，布线口与第二臂体1021末端的安装圆柱台1027对应设置，便于布线，并且布线口可拆卸连接塑料罩壳10213，塑料罩壳10213主要用于遮挡内部的走线，提高安全和美观性。

此外，第二节臂102的第一传动轮1022以及第二传动轮1023的两侧均通过第一轴承1028安装于第二机架10211上，第一轴承1028的外侧均设有第一轴承端盖1029，第一轴承端盖1029与第二机架10211固定连接，从而将第一轴承1028压紧于第二机架10211上。第一轴承端盖1029的具体形状不受特别限制，可根据实际需求进行设计。

根据本发明的一个实施例，参照图11-图15所示，第二传动带1024和第三传动带1034均包括：带体部1041、第一连接部1042和第二连接部1043，第一连接部1042和第二连接部1043分别与带体部1041的两端相连；第一连接部1042的末端设有固定块1044，且与第一连接部1042对应连接的传动轮设有固定槽1045，固定槽1045与固定块1044卡接。

具体地，如图14所示，固定槽1045可以为水平设置的楔形槽，卡接时，将固定块1044斜向下插入固定槽1045，水平方向卡紧，实现传动带固定。

第二连接部1043的末端设有张紧块1046，且与第二连接部1043对应连接的传动轮设有限位槽1047，张紧块1046可滑动地设置于限位槽1047内，用于调节对应传动带的张紧。

具体地，如图15所示，装配时，可以先将张紧块1046向下卡入限位槽1047内，张紧块1046的右侧水平连接第二调节螺栓1048，且第二调节螺栓1048与限位槽1047的侧壁连通，从而可以通过旋拧第二调节螺栓1048，带动张紧块1046水平移动，实现传动带的张紧调节。

根据本发明的一个实施例，第二臂体1021和第三臂体1031的首末两端分别设有与固定块1044和张紧块1046对应设置的安装窗口，并且安装窗口可拆卸连接密封罩壳。

例如，如图8所示，第二臂体1021的第二机架10211的首末两端分别设有方形的第一安装窗口10214，可以为多个，以便于第二传动带1024的安装以及张紧；并且第一安装窗口10214可拆卸连接第一密封罩壳10215进行密封，第一密封罩壳10215可以为U型。

如图10所示，第三臂体1031主要包括：第三机架10311和第三盖板10312，第三盖板10312盖设于第三机架10311的开口侧，共同形成第三节臂103的外壳，并且第三机架10311内可以设置第三传动轮1032、第四传动轮1033以及第三传动带1034等部件。本发明实施例通过将第三臂体1031设计为可拆卸结构，可以便于内部部件的快速装配。

并且，第三节臂103的第三传动轮1032以及第四传动轮1033的两侧均通过第二轴承1035安装于第三机架10311上，第二轴承1035的外侧均设有第二轴承端盖1036，第二轴承端盖1036与第三机架10311固定连接，从而将第二轴承1035压紧于第三机架10311上。

此外，第三机架10311的首末两端分别设有方形的第二安装窗口10313，可以为多个，以便于第三传动带1034的安装以及张紧；并且第二安装窗口10313可拆卸连接第二密封罩壳10314进行密封，第二密封罩壳10314可以为U型。

根据本发明的一个实施例，第一传动带1015为同步带，第二传动带1024和第三传动带1034为刚性带。因此，本发明为一种基于刚性带和同步带联合传动的手术机械臂，可以满足手术机器人的结构轻巧，刚性好，传动精度高，操作空间大，运动响应及时等要求。

并且，第二节臂102和第三节臂103分别设有两条刚性带，两条刚性带的第一连接部1042和第二连接部1043呈C型，以避免对传动轮的转动造成干涉，第二节臂102和第三节臂103中的两条刚性带沿对应传动轮的轴向前后错位设置，且上下反向分布。其中，第二节臂102和第三节臂103的传动轮上可以设置两道与第一连接部1042和第二连接部1043相适配的定位槽1049，以便于两条刚性带的定位装配，如图12所示。

需要说明的是，本发明实施例第二节臂102和第三节臂103的刚性带都不是封闭的，节臂内都有两条刚性带，两条刚性带反向装在对应的传动轮上形成闭环，并且刚性带两端分别固定在两端的传动轮上，如此设计，可以保证机械臂模组100在0°~270°的运动范围转动，操作空间大，灵活性高。

并且，相关技术中普遍采用一体结构的环形传动带套在传动轮上，当长时间使用后会出现磨损，导致传动带与传动轮之间产生相对滑动，从而导致传动效果差。

而本发明实施例采用传动带与传动轮固定连接的方式，可以使得传动带与传动轮之间无相对滑动，避免出现磨损，从而保证传动效果，使得机械臂结构的姿态调节更为精准。

此外，本发明刚性带具体可以采用钢性材质进行制备。具体地，刚性带可以由多层厚度为0.05~0.1mm的不锈钢薄钢片堆叠点焊而成。如此设计，可以使得刚性带既保证了带的柔性，也满足了传动的刚性要求，具有较高的传动精度，且重量轻，结构紧凑。

请继续参照图16-图20，对本发明手术机械臂的正交关节模组200进行描述。

根据本发明的一个实施例，参照图16-图18所示，正交关节模组200主要包括：两个相互正交的旋转驱动关节201，两个旋转驱动关节201的结构相同，每个旋转驱动关节201包括：关节外壳202以及设置于关节外壳202内的第二谐波减速机203和第二驱动电机204。具体地，第二谐波减速机203通过螺丝固定于关节外壳202内，第二驱动电机204的第二定子与关节外壳202固定连接，第二驱动电机204的第二转子与第二谐波减速机203的外层输入轴2031固定连接，第二驱动电机204可以驱动第二谐波减速机203转动。

如图18和图19所示，第二谐波减速机203主要包括：外层输入轴2031、第二波发生器2032、第二柔轮2033、第二钢轮2034和内层输出轴2035等。其中，外层输入轴2031为中空结构，并且外层输入轴2031与第二驱动电机204相连；第二波发生器2032套接于外层输入轴2031的第一端；第二柔轮2033套接于第二波发生器2032的外壁；第二钢轮2034套接于第二柔轮2033的外壁，且第二钢轮2034的内圈齿与第二柔轮2033的外圈齿啮合，第二钢轮2034相对第二柔轮2033可转动；内层输出轴2035同轴设置于外层输入轴2031内，且内层输出轴2035的第一端同轴连接第二输出法兰20351，第二输出法兰20351位于外层输入轴2031的第一端，第二输出法兰20351与第二钢轮2034相连。

并且，两个旋转驱动关节201的关节外壳202上下布置且固定连接，两个旋转驱动关节201的第二输出法兰20351的中轴线分别为第一旋转轴线M和第二旋转轴线N，对应第一旋转轴线M的第二输出法兰20351与机械臂模组100的首端连接，对应第二旋转轴线N的第二输出法兰20351固定连接于基座。

第二谐波减速机203工作时，通过第二驱动电机204驱动外层输入轴2031转动，带动第二波发生器2032转动，由于第二波发生器2032为椭圆形，从而可以挤压第二柔轮2033使其形变，当第二柔轮2033的外圈齿与第二钢轮2034的内圈齿啮合时，带动第二钢轮2034转动，从而带动第二输出法兰20351以及内层输出轴2035转动。

并且，第二谐波减速机203还包括：第二安装法兰2036、两个第二深沟球轴承2037以及第二交叉滚子轴承2038，其中，第二安装法兰2036与关节外壳202固定连接，第二安装法兰2036套接于外层输入轴2031上；两个第二深沟球轴承2037间隔分布于第二安装法兰2036与第二输出法兰20351之间，用于支撑外层输入轴2031；第二交叉滚子轴承2038设置于第二安装法兰2036与第二输出法兰20351之间，且第二交叉滚子轴承2038的外圈与第二柔轮2033和第二安装法兰2036固定连接，作为第二谐波减速机203的外壳，第二交叉滚子轴承2038的内圈与第二输出法兰20351和第二钢轮2034固定连接，作为第二谐波减速机203的输出端。

可以理解的是，由于下部的旋转驱动关节201的第二输出法兰20351与手术机器人的基座固定，当基座不动时，第二输出法兰20351、第二钢轮2034、内层输出轴2035、外层输入轴2031以及第二驱动电机204的第二转子不动，相对地，第二驱动电机204的定子、第二柔轮2033和第二安装法兰2036转动，从而使下部的关节外壳202转动，由于上下部的关节外壳202固定连接，从而可以带动上部的旋转驱动关节201绕第二旋转轴线N俯仰转动。

并且，上部的旋转驱动关节201的第二输出法兰20351可以驱动机械臂模组100绕第一旋转轴线M旋转。

本发明实施例通过将第二谐波减速机203应用至正交关节模组200中，可以有效提高动力传递的精度，实现机械臂模组100以及手术器械模组300转动角度的微调，从而有效提高手术的精度、稳定性以及安全性。

根据本发明的一个实施例，参照图17和图18所示，第二谐波减速机203还包括：制动器20391、第二编码器20392和第三编码器20393。其中，制动器20391连接于外层输入轴2031的第二端，用于制动；第二编码器20392连接于外层输入轴2031的第二端，用于检测外层输入轴2031的输入转动角度；第三编码器20393连接于内层输出轴2035的第二端，用于检测内层输出轴2035的输出转动角度，从而可以根据输入转动角度以及反馈的输出转动角度，实现闭环控制，进一步提高正交关节模组200的控制精度。

根据本发明的一个实施例，如图17所示，关节外壳202包括可拆卸连接的壳体2021和盖体2022，壳体2021为中空柱状，盖体2022盖设于壳体2021的第一端，第二输出法兰20351盖设于壳体2021的第二端，壳体2021内部依次设有编码器安装盒、制动器20391、第二驱动电机204以及第二谐波减速机203等，编码器安装盒包括可拆卸连接的安装盒205和安装盖206，编码器安装盒内设有第二编码器20392和第三编码器20393，通过编码器安装盒可以避免两个编码器受到外部电磁、杂质等影响，从而保证检测数据的准确性。其中，第二编码器20392可以为增量式编码器，第三编码器20393可以为绝对值编码器。

并且，参照图20所示，机械臂模组100的第一节臂101的首端连接有T型法兰207，T型法兰207通过外六角螺钉208安装连接法兰盘209，正交关节模组200上部的旋转驱动关节201的第二输出法兰20351与连接法兰盘209相连，实现传动装配。

下面继续对本发明手术机械臂的手术器械模组300进行描述，请参照图1所示，手术器械模组300主要包括：直线驱动平台301和手术器械302，直线驱动平台301与机械臂模组100的末端连接，具体地，直线驱动平台301与第三节臂103的第四传动轮1033固定连接，通过第四传动轮1033带动直线驱动平台301转动；手术器械302可滑动连接于直线驱动平台301。

其中，直线驱动平台301主要包括：第三驱动电机、丝杆和滑轨等部件，第三驱动电机设置于滑轨的端部，丝杆设置于滑轨内，第三驱动电机与丝杆相连，且丝杆上螺纹连接有滑块，滑块可滑动地设置于滑轨内，并且滑块与手术器械302相连。

工作时，第三驱动电机驱动丝杆转动，带动滑块沿滑轨直线运动，从而带动手术器械302直线移动。

根据本发明第二方面的实施例，本发明还提供一种手术机器人，包括：基座和上述实施例的手术机械臂，手术机械臂设置于基座上。

由于本发明实施例的手术机器人包括上述实施例的手术机械臂，因此具有上述实施例的手术机械臂的全部技术效果，此处不作赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种手术机械臂，其特征在于，包括：

机械臂模组，适于展开或折叠；

正交关节模组，与所述机械臂模组的首端连接，所述正交关节模组适于驱动所述机械臂模组绕第一旋转轴线和/或第二旋转轴线转动，且所述第一旋转轴线与所述第二旋转轴线相互正交分布；

手术器械模组，与所述机械臂模组的末端连接，所述机械臂模组适于驱动所述手术器械模组转动；

所述机械臂模组包括：

第一节臂，包括：第一臂体和驱动机构，所述第一臂体的首端与所述正交关节模组连接，所述驱动机构设置于所述第一臂体；

第二节臂，包括：第二臂体、第一传动轮、第二传动轮和第二传动带，所述第二臂体的首端与所述驱动机构相连，所述第一传动轮设置于所述第二臂体的首端且与所述第一臂体固定连接，所述第二传动轮可转动地设置于所述第二臂体的末端，所述第二传动带的两端分别与所述第一传动轮和所述第二传动轮固定连接；

第三节臂，包括：第三臂体、第三传动轮、第四传动轮和第三传动带，所述第三臂体的首端与所述第二传动轮相连，所述第三传动轮设置于所述第三臂体的首端且与所述第二臂体固定连接，所述第四传动轮可转动地设置于所述第三臂体的末端且与所述手术器械模组相连，所述第三传动带的两端分别与所述第三传动轮和所述第四传动轮固定连接；

其中，所述驱动机构适于驱动所述第二节臂和所述第三节臂相对所述第一节臂转动。

2.根据权利要求1所述的手术机械臂，其特征在于，所述驱动机构包括：第一驱动电机、第五传动轮、第六传动轮、第一传动带和第一谐波减速机，所述第五传动轮设置于所述第一臂体的首端，所述第一驱动电机与所述第五传动轮相连，所述第六传动轮设置于所述第一臂体的末端，所述第一传动带的两端分别与所述第五传动轮和所述第六传动轮相连，所述第一谐波减速机设置于所述第一臂体的末端，且所述第一谐波减速机的输入轴与所述第六传动轮连接，所述第一谐波减速机的第一输出法兰与所述第二臂体的首端相连。

3.根据权利要求2所述的手术机械臂，其特征在于，所述第一臂体的内部设有控制电路板和散热器，所述控制电路板与所述第一驱动电机电连接，所述散热器连接于所述控制电路板上。

4.根据权利要求2所述的手术机械臂，其特征在于，所述第一臂体的末端固定设有第一耦合轴，所述第一耦合轴经所述第一谐波减速机的输入轴的轴向通孔穿设于所述第二臂体的首端，所述第一传动轮与所述第一耦合轴固定连接。

5.根据权利要求1所述的手术机械臂，其特征在于，所述第二臂体的首端内壁设有第一编码器，用于检测所述第二节臂的转动角度。

6.根据权利要求1所述的手术机械臂，其特征在于，所述第二臂体的末端固定设有第二耦合轴，所述第二耦合轴穿设于所述第三臂体的首端，所述第二传动轮与所述第二耦合轴可转动连接，所述第三传动轮与所述第二耦合轴固定连接。

7.根据权利要求2所述的手术机械臂，其特征在于，所述第二传动带和所述第三传动带均包括：

带体部；

第一连接部和第二连接部，分别与所述带体部的两端相连；

所述第一连接部的末端设有固定块，且与所述第一连接部对应连接的传动轮设有固定槽，所述固定槽与所述固定块卡接；

所述第二连接部的末端设有张紧块，且与所述第二连接部对应连接的传动轮设有限位槽，所述张紧块可滑动地设置于所述限位槽内，用于调节对应传动带的张紧。

8.根据权利要求7所述的手术机械臂，其特征在于，所述第二臂体和所述第三臂体的首末两端分别设有与所述固定块和所述张紧块对应设置的安装窗口，且所述安装窗口可拆卸连接密封罩壳。

9.根据权利要求7所述的手术机械臂，其特征在于，所述第一传动带为同步带，所述第二传动带和所述第三传动带为刚性带；

且所述第二节臂和所述第三节臂分别设有两条所述刚性带，两条所述刚性带的第一连接部和第二连接部呈C型，所述第二节臂和所述第三节臂中的两条所述刚性带沿对应传动轮的轴向错位且上下反向分布。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的手术机械臂，其特征在于，所述正交关节模组包括：两个相互正交的旋转驱动关节，每个所述旋转驱动关节包括：关节外壳以及设置于所述关节外壳内的第二谐波减速机和第二驱动电机；所述第二谐波减速机包括：

外层输入轴，为中空结构且与所述第二驱动电机相连；

第二波发生器，套接于所述外层输入轴的第一端；

第二柔轮，套接于所述第二波发生器的外壁；

第二钢轮，所述第二钢轮的内圈齿与所述第二柔轮的外圈齿啮合，所述第二钢轮相对所述第二柔轮可转动；

内层输出轴，同轴设置于所述外层输入轴内，且所述内层输出轴的第一端同轴连接第二输出法兰，所述第二输出法兰位于所述外层输入轴的第一端，所述第二输出法兰与所述第二钢轮相连；

其中，两个所述旋转驱动关节的关节外壳上下布置且固定连接，两个所述旋转驱动关节的第二输出法兰的中轴线分别为所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线，对应所述第一旋转轴线的第二输出法兰与所述机械臂模组的首端连接，对应所述第二旋转轴线的第二输出法兰固定连接于基座。

11.根据权利要求10所述的手术机械臂，其特征在于，所述第二谐波减速机还包括：

制动器，连接于所述外层输入轴的第二端；

第二编码器，连接于所述外层输入轴的第二端，用于检测所述外层输入轴的输入转动角度；

第三编码器，连接于所述内层输出轴的第二端，用于检测所述内层输出轴的输出转动角度。

12.根据权利要求1-9中任一项所述的手术机械臂，其特征在于，所述手术器械模组包括：

直线驱动平台，与所述机械臂模组的末端连接；

手术器械，可滑动连接于所述直线驱动平台。

13.一种手术机器人，其特征在于，包括：基座和权利要求1-12中任一项所述的手术机械臂，所述手术机械臂设置于所述基座上。