CN209713135U - 一种八自由度串联型主操作手及应用其的手术机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种八自由度串联型主操作手及应用其的手术机器人。一种八自由度串联型主操作手，其包括位置部分和姿态部分;所述位置部分包括通过旋转关节依次串接的基座、第一连杆、中间连接件和第二连杆，位置部分共有3个自由度；所述姿态部分包括通过旋转关节依次串接的第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆和开合机构，姿态部分共有5个自由度。其中，基座、第一连杆、中间连接件、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆和开合机构依次通过第一、二、三、四、五、六、七关节串联，构成了具有八自由度的串联型主操作手。由于本实用新型的主操作手共有八个自由度，其自由度相对较多，灵活性较好。

Description

一种八自由度串联型主操作手及应用其的手术机器人

技术领域

本实用新型涉及手术机器人用主操作手技术领域，尤其是涉及一种八自由度串联型主操作手及应用其的手术机器人。

背景技术

随着科学技术与医疗技术的发展以及二者之间的有益融合，机器人辅助系统在微创手术中的应用越来越广泛。机器人辅助系统多为主从式遥控操作结构，医生操作主操作手，通过远程通信和计算机来控制从端机构的运动从而完成手术。在此过程中，主操作手作为整个系统的输入端，扮演着极其重要的角色。外科医生通过它在手术过程中控制外科手术器械完成剪切、打结等动作。

现有主操作手在使用过程中存在的主要问题是：自由度最多只能达到6个，自由度偏少，导致灵活性偏低。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种八自由度串联型主操作手，以解决现有主操作手的自由度偏少，导致灵活性降低的技术问题。

本实用新型还提供一种应用上述八自由度串联型主操作手的手术机器人。

为达到上述目的，本实用新型主要提供如下技术方案：

一方面，本实用新型的实施例提供一种八自由度串联型主操作手，包括位置部分和姿态部分;

所述位置部分包括基座、第一连杆、中间连接件和第二连杆；所述基座与所述第一连杆通过第一关节转动连接，所述第一连杆与所述中间连接件通过第二关节转动连接，所述中间连接件与所述第二连杆通过第三关节转动连接；其中，所述第一关节和所述第二关节两者的轴线竖向设置，所述第三关节的轴线水平设置；

所述姿态部分包括第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆和开合机构；所述第三连杆的一端与所述第二连杆固定连接,另一端与所述第四连杆通过第四关节转动连接；所述第四连杆和所述第五连杆通过第五关节转动连接，所述第五连杆与所述第六连杆通过第六关节转动连接，所述第六连杆与所述开合机构通过第七关节转动连接；其中，所述第四关节、第五关节和第六关节三者的轴线交汇于一点。

通过采用上述技术方案，本实用新型的主操作手共有八个自由度，其自由度相对较多，灵活性较好。

本实用新型进一步设置为：所述第一关节包括第一转轴，以通过所述第一转轴连接所述基座和所述第一连杆；所述第一关节的轴线与所述第一转轴的轴线为同一轴线；

所述第一转轴可转动地设置在所述基座上、且与所述第一连杆固定连接；

所述基座上设有第一电机，所述第一电机通过第一减速装置与所述第一转轴传动连接。

通过采用上述技术方案，由于第一关节的轴线竖向设置，因此无需考虑重力的影响。第一电机用于根据器械末端实时采集的力信号输出相应的扭矩，以对第一连杆转动时的阻力大小进行调节，从而可以让医生能够实时感受到器械末端移动时的受力变化，进而做出更为准确的判断，提升了手术过程的安全性。

本实用新型进一步设置为：所述第一减速装置包括第一主动轮、第一从动轮和第一皮带；

所述第一主动轮固定地套设地套设在所述第一电机的输出轴上，所述第一从动轮固定地套设地套设在所述第一转轴上，所述第一主动轮和所述第一从动轮通过所述第一皮带传动连接。

通过采用上述技术方案，为了确保第一电机可提供足够的扭矩，采用带有减速比的皮带传动方式，一方面避免了选用体积过大的电机，另一方面避免了使用齿轮减速箱造成的信号延时和丢失。

本实用新型进一步设置为：所述第二关节包括第二转轴，以通过所述第二转轴连接所述第一连杆和所述中间连接件；所述第二关节的轴线与所述第二转轴的轴线为同一轴线；

所述第二转轴可转动地设置在所述第一连杆上、且与所述中间连接件固定连接；

所述第一连杆上设有第二电机，所述第二电机通过第二减速装置与所述第二转轴传动连接。

通过采用上述技术方案，由于第二关节的轴线竖向设置，因此无需考虑重力的影响。第二电机用于根据器械末端实时采集的力信号输出相应的扭矩，以对第中间连接件转动时的阻力大小进行调节，从而可以让医生能够实时感受到器械末端移动时的受力变化，进而做出更为准确的判断，提升了手术过程的安全性。

本实用新型进一步设置为：所述第二减速装置包括第一钢丝张紧轮、第一钢丝固定轮、第一钢丝导向轮和第二钢丝导向轮；

所述第二电机的输出轴水平设置，所述第一钢丝张紧轮固定地套设在所述第二电机的输出轴上；所述第一钢丝固定轮固定地套设在所述第二转轴上；所述第一钢丝张紧轮和所述第一钢丝固定轮通过第一钢丝绳传动连接；

所述第一钢丝导向轮的轴线竖向设置、且位于所述第一钢丝张紧轮的一侧；所述第二钢丝导向轮的轴线竖向设置、且位于所述第一钢丝固定轮的另一侧。

通过采用上述技术方案，为了确保第二电机可提供足够的扭矩，采用带有减速比的钢丝绳传动方式，一方面避免了选用体积过大的电机，另一方面避免了使用齿轮减速箱造成的信号延时和丢失。

本实用新型进一步设置为：所述第三关节包括第三转轴，以通过所述第三转轴连接所述中间连接件和所述第二连杆；所述第三关节的轴线与所述第三转轴的轴线为同一轴线；

所述第三转轴固定在所述中间连接件上，所述第二连杆套设在所述第三转轴上、且可相对所述第三转轴转动；

所述第二连杆上设有第三电机，所述第三电机的输出轴通过第三减速装置与所述第三转轴传动连接；

所述第三电机用于根据所述第二连杆的重心位置输出相应的扭矩，以使所述第二连杆保持平衡。

通过采用上述技术方案，当第二连杆在转动时，第三电机可以根据第二连杆的重心位置输出实时变化的扭矩，使第二连杆保持动态平衡，相对于单一的配重平衡（单一配重只能满足特定点的平衡，且无法考虑力反馈功能）或者无平衡的水平关节而言，本实用新型技术方案中第二连杆的操作更加轻巧灵活，舒适性大大提高。

本实用新型进一步设置为：所述第三减速装置为二级减速装置，其中一级通过皮带减速，另一级通过绳索减速。

通过采用上述技术方案，采用两级传动方式放大扭矩，避免了单级传动放大倍数过小或者大小轮尺寸相差过大，难以在结构上集成的缺陷。并且采用一级皮带传动+一级绳索传动的好处在于：相对于两级皮带传动而言，大大节约了安装空间，使整体结构更加紧凑；相对于两级绳索传动而言，组装困难程度大大降低。

本实用新型进一步设置为：所述开合机构包括支撑座和设置在所述支撑座上的开合组件；

所述开合机构通过所述支撑座与第七关节连接；

所述开合组件包括可相对所述支撑座开合的操作臂。

通过采用上述技术方案，方便医生通过操作臂进行手术。

本实用新型进一步设置为：所述开合组件包括连接机构、第二滑块和弹性件；

所述支撑座上还设有限位导向结构，所述限位导向结构用于对第二滑块限位和导向；

所述操作臂通过连接机构与第二滑块连接，以在开合时带动第二滑块沿限位导向结构限定的轨迹运动；

所述弹性件用于提供操作臂打开的力。

通过采用上述技术方案，医生在操作操作臂时更有力感，操作体验较佳。

另一方面，本实用新型的实施例还提供一种手术机器人，其包括上述任一种所述的八自由度串联型主操作手。

在上述示例中，本实用新型提供的手术机器人由于设置上述八自由度串联型主操作手的缘故，其自由度相对较多，灵活性较好。

借由上述技术方案，本实用新型八自由度串联型主操作手及应用其的手术机器人至少具有以下有益效果：

在本实用新型提供的技术方案中，由于主操作手的位置部分包括由旋转关节串联的基座、第一连杆、中间连接件和第二连杆，其具有三个自由度；主操作手的姿态部分包括由旋转关节串联的第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆和开合机构，其具有五个自由度，从而本实用新型的主操作手共有八个自由度，其自由度相对较多，灵活性较好。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型的一实施例提供的一种主操作手的整体结构示意图；

图2是本实用新型的一实施例提供的一种基座与第一关节两者的装配结构示意图；

图3是本实用新型的一实施例提供的一种第一连杆的内部结构示意图；

图4是本实用新型的一实施例提供的一种第二连杆与第三关节两者的装配结构示意图；

图5是本实用新型的一实施例提供的一种主操作手的姿态部分的结构示意图；

图6是本实用新型的一实施例提供的一种第三连杆的内部结构示意图；

图7是本实用新型的一实施例提供的一种开合机构的结构示意图；

图8是图7中A向的剖面视图。

附图标记：100、主操作手；1、位置部分；2、姿态部分；3、第一关节；4、第二关节；5、第四关节；6、第五关节；7、第六关节；8、第七关节；10、第一减速装置；11、基座；12、第一连杆；13、中间连接件；14、第二连杆； 21、第三连杆；22、第四连杆；23、第五连杆；24、第六连杆；25、开合机构；31、第一转轴；41、第三转轴；101、第一主动轮；102、第一从动轮；103、第一皮带；104、第一电机；111、固定板；112、水平板；113、张紧机构；120、第二减速装置；121、第一钢丝导向轮；122、第二钢丝导向轮；123、第一钢丝张紧轮；124、第一钢丝绳；125、第三钢丝导向轮；126、第四钢丝导向轮；127、第一钢丝固定轮；128、第二电机；140、第三电机；141、第二轴承；143、第三轴承；144、第二从动轮；145、传动轴；146、第二皮带；147、第二主动轮；148、刹车器；149、第三主动轮；150、绳索；151、第三从动轮；211、第四电机；212、第三钢丝张紧轮；213、第三钢丝固定轮；214、第五钢丝导向轮；215、第二钢丝绳；216、第六钢丝导向轮；251、支撑座；252、引导件；253、操作臂；255、第一连接杆；256、第一销钉；257、弹性件；258、第二销钉；259、第三销钉；260、第二连接杆；261、第四销钉；262、第二滑块；263、第一握持部；264、第二握持部；265、法兰；266、圆柱；267、弹簧；1111、第一轴承座；1112、第二轴承座；1131、第一滑块；1132、第一轴承；1401、第三电机的输出轴；2521、直线导轨；2531、第一操作臂；2532、第二操作臂；2621、凸起。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

如图1所示，本实用新型的一个实施例提出的一种八自由度串联型主操作手100，其包括位置部分1和姿态部分2。

位置部分1包括基座11、第一连杆12、中间连接件13和第二连杆14。基座11与第一连杆12通过第一关节3转动连接。第一连杆12与中间连接件13通过第二关节4转动连接。中间连接件13与第二连杆14通过第三关节转动连接。其中，第一关节3和第二关节4两者的轴线竖向设置，第三关节的轴线水平设置。

姿态部分2包括第三连杆 21、第四连杆22、第五连杆23、第六连杆24和开合机构25。第三连杆 21、第四连杆22、第五连杆23和第六连杆24均为近似L形结构。第三连杆 21的一端与第二连杆14固定连接,另一端与第四连杆22通过第四关节5转动连接。第四连杆22和第五连杆23通过第五关节6转动连接。第五连杆23与第六连杆24通过第六关节7转动连接。第六连杆24与开合机构25通过第七关节8转动连接。其中，第四关节5、第五关节6和第六关节7三者的轴线交汇于一点。

在上述提供的技术方案中，主操作手100的位置部分1包括由旋转关节串联的基座11、第一连杆12、中间连接件13和第二连杆14，其具有三个自由度；主操作手100的姿态部分2包括由旋转关节串联的第三连杆 21、第四连杆22、第五连杆23、第六连杆24和开合机构25，其具有五个自由度。主操作手100的位置部分1与姿态部分2串联，构成了具有八自由度的串联型主操作手，从而其自由度相对较多，灵活性较好。

主操作手100的位置部分1包含3个旋转关节，分别为第一关节3、第二关节4和第三关节。

如图2所示，第一关节3包括第一转轴31，以通过第一转轴31连接基座11和第一连杆12。具体来说，基座11通过第一转轴31与第一连杆12的一端连接。第一关节3的轴线与第一转轴31的轴线为同一轴线。第一转轴31可转动地设置在基座11上、且与第一连杆12固定连接。基座11上设有第一电机104，第一电机104通过第一减速装置10与第一转轴31传动连接。

在上述示例中，由于第一关节3的轴线竖向设置，因此无需考虑重力的影响。第一电机104用于根据器械末端实时采集的力信号输出相应的扭矩，以对第一连杆12转动时的阻力大小进行调节，从而可以让医生能够实时感受到器械末端移动时的受力变化，进而做出更为准确的判断，提升了手术过程的安全性。

在一个具体的应用示例中，如图2所示，前述的第一减速装置10可以为皮带减速装置。具体来说，第一减速装置10可以包括第一主动轮101、第一从动轮102和第一皮带103。第一主动轮101固定地套设地套设在第一电机104的输出轴上。第一从动轮102固定地套设地套设在第一转轴31上。第一主动轮101和第一从动轮102通过第一皮带103传动连接。在本示例中，为了确保第一电机104可提供足够的扭矩，采用带有减速比的皮带传动方式，一方面避免了选用体积过大的电机，另一方面避免了使用齿轮减速箱造成的信号延时和丢失。

进一步的，如图2所示，上述的基座11包括“倒F型”固定板111。固定板111的上下伸出部位分别设置为第一轴承座1111和第二轴承座1112。第一轴承座1111和第二轴承座1112内安装有成对的角接触轴承。第一转轴31安装在角接触轴承内。第一转轴31的顶端安装有磁旋转编码器，用来测量第一转轴31的旋转角度。固定板111的底端连接有水平板112。第一电机104设置在水平板112的上端面上，第一电机104的输出轴和第一转轴31均自上而下穿过水平板112。前述的第一主动轮101和第一从动轮102可以均为同步带轮，相应的，上述的第一皮带103为同步带。第一主动轮101固定地套设在第一电机104的输出轴上、且位于水平板112的下侧。第一从动轮102固定地套设在第一转轴31的下端、且位于水平板112的下侧。第一主动轮101和第一从动轮102具有固定的减速比，第一皮带103套设在第一主动轮101和第一从动轮102轮上。

进一步的，如图2所示，前述第一皮带103的两侧可以设有用于对第一皮带103进行张紧的张紧机构113。张紧机构113包括第一滑块1131和设置在第一滑块1131上的第一轴承1132。第一轴承1132的数量可以为多组、且通过销轴固定在第一滑块1131上。水平板112上设有滑槽，该滑槽可以为腰圆槽。第一滑块1131可滑动地设置在滑槽内，以带动第一轴承1132对第一皮带103的松紧进行调节。张紧机构113还包括用于固定第一滑块1131的固定结构。该固定机构可以包括螺钉，以通过螺钉对第一滑块1131进行固定。具体来说，第一滑块1131可以沿滑槽约束的方向移动，当第一滑块1131上的第一轴承1132与第一皮带103相抵，拧紧螺钉即可固定第一滑块1131。

如图2所示，上述张紧机构113的数量可以为两个，一个张紧机构113设置在第一皮带103的一侧，另一个张紧机构113设置在第一皮带103的另一侧。

如图3所示，第一连杆12的两端可以均为半圆柱结构。第一连杆12的一端自上而下开有圆柱状通孔，该圆柱状通孔套接在第一转轴31上。第一转轴31通过紧定螺钉与第一连杆12固定。这样第一转轴31转动时，就能带动第一连杆12转动。

进一步的，如图3所示，上述的第二关节4包括第二转轴，以通过第二转轴连接第一连杆12和中间连接件13。具体来说，第一连杆12的另一端通过第二转轴与中间连接件13的一端转动连接。第二关节4的轴线与第二转轴的轴线为同一轴线。第二转轴可转动地设置在第一连杆12上、且与中间连接件13固定连接。第一连杆12上设有第二电机128，第二电机128通过第二减速装置120与第二转轴传动连接。

其中，如图3所示，第一连杆12的中间部分可以为中空的长方体状结构，上述的第二电机128设置在该中空的长方体状结构的内部。第二电机128通过电机座水平固定在第一连杆12内。第二电机128设置在第一连杆12内距离第一转轴31尽可能近的区域，可最大程度地降低第一关节3的转动惯量。

如图3所示，第一连杆12的另一端为“侧凹型”结构，上下成对安装有角接触轴承，角接触轴承内径与第二转轴配合安装。第二转轴的底端安装有磁旋转编码器，用来测量第二转轴的旋转角度。

在上述示例中，由于第二关节4的轴线竖向设置，因此无需考虑重力的影响。第二电机128用于根据器械末端实时采集的力信号输出相应的扭矩，以对第中间连接件13转动时的阻力大小进行调节，从而可以让医生能够实时感受到器械末端移动时的受力变化，进而做出更为准确的判断，提升了手术过程的安全性。

进一步的，如图3所示，前述的第二减速装置120可以为绳索减速装置。优选的，该绳索可以为钢丝绳。具体来说，第二减速装置120可以包括第一钢丝张紧轮123、第一钢丝固定轮127、第一钢丝导向轮121和第二钢丝导向轮122。第二电机128的输出轴水平设置。第一钢丝张紧轮123固定地套设在第二电机128的输出轴上。第一钢丝固定轮127固定地套设在第二转轴上。第一钢丝张紧轮123和第一钢丝固定轮127通过第一钢丝绳124传动连接。第一钢丝导向轮121的轴线竖向设置、且位于第一钢丝张紧轮123的一侧。第二钢丝导向轮122的轴线竖向设置、且位于第一钢丝固定轮127的另一侧。在本示例中，为了确保第二电机128可提供足够的扭矩，采用带有减速比的钢丝绳传动方式，一方面避免了选用体积过大的电机，另一方面避免了使用齿轮减速箱造成的信号延时和丢失。

进一步的，如图3所示，前述的第二减速装置120还包括第三钢丝导向轮125和第四钢丝导向轮126。第三钢丝导向轮125和第四钢丝导向轮126两者的轴线均竖向设置。第三钢丝导向轮125和第四钢丝导向轮126两者相对第一钢丝导向轮121和第二钢丝导向轮122靠近第一钢丝固定轮127设置。基于此，第二电机128输出轴的水平旋转运动可依次通过第一钢丝张紧轮123、第一钢丝导向轮121、第二钢丝导向轮122、第三钢丝导向轮125、第四钢丝导向轮126传递到第一钢丝固定轮127，实现第二转轴的竖直旋转运动。此外，第一钢丝张紧轮123和第一钢丝固定轮127间具有固定的传动比。

进一步的，如图4所示，前述的第三关节包括第三转轴41，以通过第三转轴41连接中间连接件13和第二连杆14。具体来说，中间连接件13的另一端通过第三转轴41与第二连杆14的一端连接。第三关节的轴线与第三转轴41的轴线为同一轴线。第三转轴41固定在中间连接件13上，比如第三转轴41可以通过螺钉与中间连接件13连接。第二连杆14套设在第三转轴41上、且可相对第三转轴41转动。优选的，第二连杆14可以通过第二轴承141与第三转轴41配合。第二连杆14在第三转轴41的轴向上保持固定，以防止从第三转轴41上松脱。第二连杆14上设有第三电机140，第三电机140的机座固定在第二连杆14上。第三电机140的输出轴通过第三减速装置与第三转轴41传动连接。该第三减速装置可以放大第三电机140输出的扭矩，以确保第三电机140可以提供足够的扭矩。第三电机140用于根据第二连杆14的重心位置输出相应的扭矩，以使第二连杆14保持平衡。此处的“平衡”是指第二连杆14在转动后的位置可以与中间连接件13保持相对固定，而不会在自身重力的影响下自行转动。

上述第三电机140输出的扭矩有时也可称为反向扭矩，主要是为了抵消第二连杆14自身重力的影响。

进一步的，前述的第三减速装置可以通过皮带和/或绳索减速。

由于齿轮减速箱存在背隙，会导致控制精度降低并产生信号延时或丢失。而通过采用上述技术方案，可以避免使用齿轮减速箱的缺陷。

进一步的，如图4所示，前述的第三减速装置可以为二级减速装置，其中一级通过皮带减速，另一级通过绳索减速。

在一个具体的应用示例中，如图4所示，前述的第三减速装置可以包括第二主动轮147、第三主动轮149、第二从动轮144、第三从动轮151以及传动轴145。传动轴145可转动地设置在第二连杆14上。优选的，传动轴145通过第三轴承143与第二连杆14配合，使传动轴145可相对第二连杆14转动。传动轴145与第三电机140的输出轴以及第三转轴41均平行。第二主动轮147固定地套设在第三电机140的输出轴1401上。第二从动轮144和第三主动轮149固定地套设在传动轴145上。第三从动轮151固定地套设在第三转轴41上。优选的，第三从动轮151可以一体成型在第三转轴41上，以提高第三从动轮151与第三转轴41的连接稳定性，提高了第三转轴41的强度。其中，第二主动轮147与第二从动轮144通过第二皮带146传动连接，第三主动轮149与第三从动轮151通过绳索150传动连接。

优选的，上述的第二皮带146为同步带，上述的绳索150可以为钢丝绳。

当皮带为同步带时，上述的第二主动轮147和第二从动轮144为与同步带配合的同步带轮。当绳索150为钢丝绳时，上述的第三主动轮149和第三从动轮151为与钢丝绳配合的钢丝张紧轮。

在上述提供的技术方案中，通过采用一级同步带传动加一级钢丝绳传动方式放大扭矩，该方式具有如下有益效果：①避免选用体积过大，价格过高的第三电机；②避免使用齿轮减速箱，齿轮减速箱存在背隙，会导致控制精度降低并产生信号延时或丢失；③采用两级传动方式放大扭矩，避免了单级传动放大倍数过小或者大小轮尺寸相差过大，难以在结构上集成的缺陷；④采用一级同步带传动+一级钢丝绳传动的好处在于：相对于两级同步带传动而言，大大节约了安装空间，使整体结构更加紧凑；相对于两级钢丝绳传动而言，组装困难程度大大降低。

进一步的，如图4所示，本实用新型的主操作手100还可以包括刹车器148。刹车器148设置在第二连杆14上，用于对第三电机140的输出轴进行制动。

上述的刹车器148可以为电磁刹车器。电磁刹车器的具体结构为现有技术中的常用技术，可以根据需要在现有技术中选取，在此不再赘述。

上述的刹车器148为断电刹车，其主要功能有两点：①在主操作手100使用过程中作为第二连杆14的配重，平衡部分重力；②主操作手100停机状态下，断电刹车，确保主操作手100不会在无控制状态下随意转动。

进一步的，如图4所示，第三转轴41的末端可以设有磁旋转编码器，以测量第二连杆14的旋转角度。

其中，当医生手握开合机构25的握持部在空间内产生任一位移时，第一关节3、第二关节4和第三关节将被动的产生相应的转动，各关节的磁编码器即可记录下转角的大小。

如图5所示，主操作手100的姿态部分2包含4个旋转关节（即第四关节5、第五关节6、第六关节7和第七关节8）和1个开合关节。第四关节5（即冗余关节）为主动关节，第五关节6、第六关节7、第七关节8和开合关节均为被动关节。

如图6所示，第四关节5将L形第三连杆 21和第四连杆22相连。L形第三连杆 21为中空方管。第三连杆 21的竖直段末端刚性固定在第二连杆14的末端。第三连杆 21的竖直段安装有第四电机211。具体来说，第四电机211的电机座固定在第三连杆 21上。第四电机211的输出轴上套装有第三钢丝张紧轮212。第三连杆 21的水平段末端通过轴承安装有第四转轴。第四转轴的底端刚性固定有第三钢丝固定轮213。第四转轴上连接有磁旋转编码器，用以测量第四关节5的转角。第三钢丝固定轮213和第三钢丝张紧轮212之间设定有传动比，用以放大第四电机211的扭矩，两者间套设有第二钢丝绳215。为避免第二钢丝绳215与第三连杆 21的内壁摩擦或发生干涉，在第二钢丝绳215的两侧边固定有第五钢丝导向轮214和第六钢丝导向轮216。当主操作手100的姿态部分2的被动关节运动到接近奇异点时，第四电机211通过钢丝绳传动方式驱动第四关节5旋转到特定位置，从而避开奇异点，有效增加了主操作手100运动的灵活性。

如图5所示，第四连杆22为近似L形中空方管。第四连杆22的一端刚性连接在第四转轴上，使得其可以在第四电机211的驱动下绕第四转轴旋转。第四连杆22的另一端通过轴承安装有第五转轴，第五转轴末端同轴安装有磁旋转编码器，用以测量第五关节6旋转角度。第五转轴轴线与第四转轴轴线垂直。

如图5所示，第五连杆23为近似L形中空方管。第五连杆23的一端刚性连接在第五转轴上，使得其可以绕第五转轴旋转。第五连杆23的另一端通过轴承安装有第六转轴。第六转轴的末端同轴安装有磁旋转编码器，用以测量第六关节7的旋转角度。第六转轴的轴线与第五转轴的轴线垂直。

如图5所示，第六连杆24为近似L形中空方管。第六连杆24的一端刚性连接在第六转轴上，使得其可以绕第六转轴旋转。第六连杆24的另一端通过轴承安装有第七转轴。第七转轴末端同轴安装有磁旋转编码器，用以测量第七关节8旋转角度。第七转轴轴线与第六转轴轴线垂直。

如图5所示，第七转轴的前端刚性固定有开合机构25。开合机构25可以整体绕第七关节8轴线旋转。

如图7和图8所示，开合机构25包括支撑座251和开合组件。开合组件设置在支撑座251上。开合机构25通过支撑座251与第七关节8连接。开合组件包括可相对支撑座251开合的操作臂253。

进一步的，如图8所示，前述的操作臂253可以包括第一操作臂2531和第二操作臂2532。第一操作臂2531和第二操作臂2532两者的一端通过转轴连接。第一操作臂2531和第二操作臂2532两者可相对开合。在本示例中，相对于单个的操作臂，两个可相对开合的操作臂更方便操作以及更符合医生的操作习惯。

具体来说，如图8所示，前述的开合组件可以包括连接机构、第二滑块262和弹性件。支撑座251上还设有限位导向结构。该限位导向结构用于对第二滑块262限位和导向。操作臂253通过连接机构与第二滑块262连接，以在开合时带动第二滑块262沿限位导向结构限定的轨迹运动。弹性件可以为压缩弹簧、扭簧或片簧等。弹性件用于提供操作臂253打开的力，如此具有节省人力的技术效果，使操作臂253可以自动打开，且使操作人员在捏合操作臂253时具有力感。

通过上述的设置，操作臂253、连接机构、第二滑块262以及限位导向结构配合形成类曲柄滑块机构，操作臂253在开合时带动第二滑块262做往复直线运动。

进一步的，如图8所示，前述的连接机构可以包括第一连接杆255和第二连接杆260。第一连接杆255的一端与第一操作臂2531转动连接，另一端与第二滑块262转动连接。第二连接杆260的一端与第二操作臂2532转动连接，另一端与第二滑块262转动连接。具体来说，第一连接杆255的一端可以通过第一销钉256与第一操作臂2531转动连接，另一个通过第二销钉258与滑孔转动连接。第二连接杆260的一端可以通过第三销钉259与第二操作臂2532转动连接，另一端通过第四销钉261与第二滑块262转动连接。

在上述示例中，通过设置的双连杆即第一连接杆255和第二连接杆260，使第二滑块262的运动更加平稳。

进一步的，如图8所示，前述第二滑块262的一端具有滑动部，另一端具有连接部。第二滑块262通过滑动部与限位导向结构配合，以沿限位导向结构限定的轨迹运动。第二滑块262通过连接部与第一连接杆255和第二连接杆260相连，以在第一连接杆255和第二连接杆260的带动下运动。其中，滑动部可以呈柱状。

进一步的，如图8所示，前述的限位导向结构可以包括设置在支撑座251上的引导件252。引导件252为两侧带有对称凸台的空心圆柱件。圆柱件内孔嵌有直线轴承2521。凸台卡于支撑座251的限位槽内，并通过螺钉与支撑座251连接。前述第二滑块262的呈圆柱状的滑动部穿过直线轴承2521内孔，并在其约束下进行同轴往复运动。第二滑块262的呈圆柱状的滑动部上有一凸台2621，起限位作用，避免操作臂253在捏合过程中达到死点。

前述的弹性件可以包括弹簧267，弹簧267套设在第二滑块262的滑动部上、且位于凸台2621与引导件252之间。

在一个具体的应用示例中，上述的弹性件还可以包括片簧257。片簧257穿过支撑座251左右两侧的槽口。片簧257的一端固定于第一操作臂2531的内侧，另一端固定于第二操作臂2532的内侧。

为了方便操作，优选的，如图8所示，第一操作臂2531的端部固定有第一握持部263，第二操作臂2532的端部固定有第二握持部264。

在一个具体的应用示例中，如图7和图8所示，前述支撑座251的一端可以为用于连接旋转关节的法兰265，另一端为半空心圆柱266。半空心圆柱266上下面均开有圆形台阶孔。两个圆形台阶孔中一个用于安装轴承端盖，另一个用于安装磁编码器。支撑座251的截面为空心方管。左右侧面开有贯通的槽口，上下内表面均开有旋转限位槽。

如图8所示，上述的引导件252设置在支撑座251的内部。第一操作臂2531和第二操作臂2532两者中的一个位于支撑座251的左侧，另一个位于支撑座251的右侧。

进一步的，前述的开合机构25还包括用于读取操作臂253开合角度的磁编码器，以根据操作臂253的开合角度对从臂上器械的开合角度进行控制。

本实用新型的实施例还提供一种手术机器人，其可以包括上述任一示例中的八自由度串联型主操作手100。

在上述示例中，本实用新型提供的手术机器人由于设置上述八自由度串联型主操作手100的缘故，其自由度相对较多，灵活性较好。

这里需要说明的是：在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种八自由度串联型主操作手，其特征在于，包括位置部分(1)和姿态部分(2);

所述位置部分(1)包括基座(11)、第一连杆(12)、中间连接件(13)和第二连杆(14)；所述基座(11)与所述第一连杆(12)通过第一关节(3)转动连接，所述第一连杆(12)与所述中间连接件(13)通过第二关节(4)转动连接，所述中间连接件(13)与所述第二连杆(14)通过第三关节转动连接；其中，所述第一关节(3)和所述第二关节(4)两者的轴线竖向设置，所述第三关节的轴线水平设置；

所述姿态部分(2)包括第三连杆( 21)、第四连杆(22)、第五连杆(23)、第六连杆(24)和开合机构(25)；所述第三连杆( 21)的一端与所述第二连杆(14)固定连接,另一端与所述第四连杆(22)通过第四关节(5)转动连接；所述第四连杆(22)和所述第五连杆(23)通过第五关节(6)转动连接，所述第五连杆(23)与所述第六连杆(24)通过第六关节(7)转动连接，所述第六连杆(24)与所述开合机构(25)通过第七关节(8)转动连接；其中，所述第四关节(5)、第五关节(6)和第六关节(7)三者的轴线交汇于一点。

2.根据权利要求1所述的八自由度串联型主操作手，其特征在于，

所述第一关节(3)包括第一转轴(31)，以通过所述第一转轴(31)连接所述基座(11)和所述第一连杆(12)；所述第一关节(3)的轴线与所述第一转轴(31)的轴线为同一轴线；

所述第一转轴(31)可转动地设置在所述基座(11)上、且与所述第一连杆(12)固定连接；

所述基座(11)上设有第一电机(104)，所述第一电机(104)通过第一减速装置(10)与所述第一转轴(31)传动连接。

3.根据权利要求2所述的八自由度串联型主操作手，其特征在于，

所述第一减速装置(10)包括第一主动轮(101)、第一从动轮(102)和第一皮带(103)；

所述第一主动轮(101)固定地套设地套设在所述第一电机(104)的输出轴上，所述第一从动轮(102)固定地套设地套设在所述第一转轴(31)上，所述第一主动轮(101)和所述第一从动轮(102)通过所述第一皮带(103)传动连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的八自由度串联型主操作手，其特征在于，

所述第二关节(4)包括第二转轴，以通过所述第二转轴连接所述第一连杆(12)和所述中间连接件(13)；所述第二关节(4)的轴线与所述第二转轴的轴线为同一轴线；

所述第二转轴可转动地设置在所述第一连杆(12)上、且与所述中间连接件(13)固定连接；

所述第一连杆(12)上设有第二电机(128)，所述第二电机(128)通过第二减速装置(120)与所述第二转轴传动连接。

5.根据权利要求4所述的八自由度串联型主操作手，其特征在于，

所述第二减速装置(120)包括第一钢丝张紧轮(123)、第一钢丝固定轮(127)、第一钢丝导向轮(121)和第二钢丝导向轮(122)；

所述第二电机(128)的输出轴水平设置，所述第一钢丝张紧轮(123)固定地套设在所述第二电机(128)的输出轴上；所述第一钢丝固定轮(127)固定地套设在所述第二转轴上；所述第一钢丝张紧轮(123)和所述第一钢丝固定轮(127)通过第一钢丝绳(124)传动连接；

所述第一钢丝导向轮(121)的轴线竖向设置、且位于所述第一钢丝张紧轮(123)的一侧；所述第二钢丝导向轮(122)的轴线竖向设置、且位于所述第一钢丝固定轮(127)的另一侧。

6.根据权利要求1至3、5中任一项所述的八自由度串联型主操作手，其特征在于，

所述第三关节包括第三转轴(41)，以通过所述第三转轴(41)连接所述中间连接件(13)和所述第二连杆(14)；所述第三关节的轴线与所述第三转轴(41)的轴线为同一轴线；

所述第三转轴(41)固定在所述中间连接件(13)上，所述第二连杆(14)套设在所述第三转轴(41)上、且可相对所述第三转轴(41)转动；

所述第二连杆(14)上设有第三电机(140)，所述第三电机(140)的输出轴通过第三减速装置与所述第三转轴(41)传动连接；

所述第三电机(140)用于根据所述第二连杆(14)的重心位置输出相应的扭矩，以使所述第二连杆(14)保持平衡。

7.根据权利要求6所述的八自由度串联型主操作手，其特征在于，

所述第三减速装置为二级减速装置，其中一级通过皮带减速，另一级通过绳索减速。

8.根据权利要求1至3、5、7中任一项所述的八自由度串联型主操作手，其特征在于，

所述开合机构(25)包括支撑座(251)和设置在所述支撑座(251)上的开合组件；

所述开合机构(25)通过所述支撑座(251)与第七关节(8)连接；

所述开合组件包括可相对所述支撑座(251)开合的操作臂(253)。

9.根据权利要求8所述的八自由度串联型主操作手，其特征在于，

所述开合组件包括连接机构、第二滑块(262)和弹性件；

所述支撑座(251)上还设有限位导向结构，所述限位导向结构用于对第二滑块(262)限位和导向；

所述操作臂(253)通过连接机构与第二滑块(262)连接，以在开合时带动第二滑块(262)沿限位导向结构限定的轨迹运动；

所述弹性件用于提供操作臂(253)打开的力。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的八自由度串联型主操作手。