CN220128805U - 操控台及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种操控台及机器人，操控台包括主操作手，主操作手包括：静平台；动平台，设置在静平台一侧；手柄，与所述动平台连接；以及连接臂，连接臂的两端分别铰接连接到静平台和动平台，连接臂包括N个支链组件，其中，N大于等于3，即，所述连接臂至少包括第一支链组件、第二支链组件和第三支链组件，第一支链组件至第N支链组件分别在第一静铰接点至第N静铰接点处铰接到静平台。其中，主操作手还包括用于驱动每个支链组件相对于静平台旋转的N个第一驱动组件，并且所述静平台与水平面的夹角小于45度，从而降低了对旋转驱动组件的要求，能够在最大限度地平衡重力的同时减小旋转驱动组件的体积，提高主操作手的设计自由度。

Description

操控台及机器人

技术领域

本实用新型涉及主从控制机器人技术领域，具体涉及一种包括主操作手的操控台以及包括该操控台的机器人。

背景技术

主从控制机器人通常包括主操作端和从动端。在主从控制机器人系统中，主操作端的主操作手作为操作者与机器人之间的交互设备，向从动端传递操作者给出的位姿、速度等信息，同时也可向操作者传递从动端受到的力/力矩等环境信息，让操作者直观感受到从动端接收的力的信息，使其具有操作临场感，可及时对从动端系统的运动做有效的控制和干预。由于主从控制机器人的上述特性，使得其用作手术机器人在医疗服务领域的优势日益凸显。

在手术机器人中，主操作手是医生与从动端机械臂之间传递信息的载体，用以辅助医生进行精准的操作。主操作手包括静平台、动平台以及连接在静平台和动平台之间的多个连接臂，手柄安装在动平台上，操作者通过手柄来控制连接臂相对于静平台的伸缩和旋转。

主操作手自身的重力会影响操作者的操作体验，如果不对重力进行补偿或重力平衡效果不理想，操作者在操作过程中需要克服主操作手自身重力的影响，长时间操作的情况下肌肉会感到疲劳。另一方面，主操作手自身的重力还会影响操作者对力反馈真实性的感知，如果不对重力进行补偿，操作者感受到的将是主操作手自身重力和反馈力的合力，降低操作沉浸感。另外，主操作手自身的结构设计也会影响操作者的操作体验，如主操作手的结构设计不合理，会增加操作的疲劳感，降低操作的舒适性。

现有技术中的主操作手存在限制操作者的操作体验的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的之一在于提供一种操控台及机器人，以解决相关技术中操控台的主操作手的操作体验不佳的问题。

根据本实用新型的一部分，提供一种操控台，所述操控台包括主操作手，所述主操作手可包括：静平台；动平台，设置在所述静平台一侧；手柄，与所述动平台连接；以及连接臂，所述连接臂的两端分别铰接连接到所述静平台和所述动平台，所述连接臂包括N个支链组件，其中，N大于等于3，即，所述连接臂至少包括第一支链组件、第二支链组件和第三支链组件，所述第一支链组件至第N支链组件分别在第一静铰接点至第N静铰接点处铰接到所述静平台，其中，所述主操作手还包括用于驱动每个支链组件相对于所述静平台旋转的N个第一驱动组件，并且其中，所述静平台与水平面的夹角小于45度。

所述静平台与水平面的夹角可小于等于10度。

所述夹角可等于0度或者5度。

所述静平台和/或所述动平台的周向可分为相对的周向第一侧和周向第二侧，相对于所述周向第二侧，所述N个支链组件围绕所述静平台和/或所述动平台布置在所述静平台和所述动平台的周向第一侧，所述周向第二侧的角度范围为大于等于150度且小于300度。

所述周向第二侧的角度范围可为180度。

所述N个支链组件在所述周向第一侧中沿圆周方向可均匀布置；和/或，所述手柄可位于所述周向第二侧的中间位置。

N个所述第一驱动组件可布置在所述周向第一侧所在的区域内；和/或，所述第一支链组件的第一驱动组件可布置在所述静平台的投影区域内。

所述第一支链组件、所述第二支链组件和所述第三支链组件可分别通过第一静铰接点、第二静铰接点、第三静铰接点连接到所述静平台，第一静铰接点、第二静铰接点、第三静铰接点可位于第一圆上，所述第一支链组件对应的第一驱动组件和所述第三支链组件对应的第一驱动组件可布置在所述第一圆的同一条直径上，所述第一支链组件对应的第一驱动组件的输出轴和所述第三支链组件对应的第一驱动组件的输出轴可朝向同一侧。

所述第一静铰接点至所述第N静铰接点可分别与所述静平台的虚拟中心连接形成第一虚拟直线至第N虚拟直线，其中，相邻的两条虚拟直线之间可形成夹角，所述第一虚拟直线至第N虚拟直线可形成N个夹角，其中，第N虚拟直线与第一虚拟直线之间形成的第N夹角可大于等于150度且小于300度。

所述第一支链组件至第N支链组件分别在第一动铰接点至第N动铰接点处铰接到所述动平台，所述动平台与所述静平台彼此平行地设置，其中，所述第一支链组件至第N支链组件从所述动平台向所述静平台的投影分别与所述第一虚拟直线至所述第N虚拟直线重合。

所述第N夹角可等于180度；和/或，所述N个夹角之和可等于360度，除所述第N夹角之外的其他夹角可彼此相等。

所述手柄可位于所述第一支链组件与所述第N支链组件之间；和/或，所述N可为奇数，所述手柄与第(N+1)/2个支链组件在所述静平台上的投影可位于同一直线上。

所述手柄可包括握持部，所述握持部与水平面可呈预定角度设置，和/或，所述握持部与所述静平台可呈所述预定角度设置。

所述预定角度可为45度至90度；和/或，所述预定角度与所述支链组件和所述静平台之间的夹角可接近或相等。

所述手柄可设置于所述静平台与所述动平台之间；和/或，所述动平台可设置在所述静平台的上方，所述第一驱动组件可设置在相应的支链组件的下端。

所述第一驱动组件的驱动力可通过齿轮组传递到相应的支链组件，所述齿轮组可包括与所述第一驱动组件的输出轴连接的主动齿轮以及可转动地设置在所述静平台上并与所述主动齿轮啮合的从动齿轮，所述从动齿轮的旋转轴可与相应的支链组件连接。

所述主动齿轮可包括同轴并排设置并且结构相同的第一主动齿轮和第二主动齿轮，所述第一主动齿轮的传动齿和第二主动齿轮的传动齿可在旋转方向上错位设置；和/或，所述从动齿轮可包括同轴并排设置并且结构相同的第一从动齿轮和第二从动齿轮，所述第一从动齿轮的传动齿和第二从动齿轮的传动齿可在旋转方向上错位设置。

所述第一主动齿轮的传动齿和第二主动齿轮的传动齿之间的错位距离可大约等于所述第一主动齿轮和所述从动齿轮之间的传动间隙；和/或，所述第一从动齿轮的传动齿和第二从动齿轮的传动齿之间的错位距离可大约等于所述主动齿轮和所述第一从动齿轮之间的传动间隙。

所述从动齿轮可为扇形齿轮，所述扇形齿轮的扇形角度可为60度至150度，所述扇形齿轮可设置为镂空形状；和/或，所述主动齿轮与所述从动齿轮的传动可为2：1至10：1。

所述第一支链组件、所述第二支链组件和所述第三支链组件中的每个可包括铰接到所述静平台的连接支架、沿所述连接支架移动的推拉杆和设置在所述连接支架上的第二驱动组件，所述第二驱动组件可包括动子和定子，所述动子与所述推拉杆可固定连接并同步运动；和/或，每个支链组件可通过铰接副与所述动平台转动连接，所述铰接副可包括：第一连接块，第一连接块呈U型，包括彼此相对的第一支撑部和第二支撑部以及连接所述第一支撑部和所述第二支撑部的一端的连接支撑部；以及第二连接块，可旋转地安装在所述第一支撑部和所述第二支撑部上，其中，所述连接支撑部可通过第一转轴与相应的支链组件转动连接，所述第二连接块可通过第二转轴与所述动平台转动连接，其中，所述第一转轴的中心轴线可平行于所述第一支撑部和所述第二支撑部的延伸方向，并与所述第二连接块在所述第一支撑部和所述第二支撑部上旋转的旋转轴线垂直。

所述操控台可包括两个所述主操作手，所述两个主操作手可对称地布置，且所述第N夹角的开口可朝向同一侧，其中，所述手柄在所述静平台上的投影可位于第N夹角内。

所述操控台可包括两个所述主操作手，所述两个主操作手可对称地布置在操控台的底板上，其中，分别驱动所述两个主操作手的所述第一支链组件和所述第三支链组件的绕各自的静铰接点旋转的四个第一驱动组件可沿同一直线设置。

分别驱动所述两个主操作手的所述第二支链组件可绕各自的静铰接点旋转的第一驱动组件平行设置；和/或，分别驱动所述两个主操作手的所述第一支链组件的两个第一驱动组件可位于所述静平台的下方。

根据本实用新型的又一方面，提供一种机器人，所述机器人可包括如上所述的操控台。

所述机器人可为手术机器人。

根据本实用新型的实施例，通过将静平台与水平面的夹角设置为小于45度，可以较大限度地平衡重力，同时降低了对旋转驱动组件的要求，减小旋转驱动组件的体积，提高操控台的主操作手的设计空间。

根据本实用新型的实施例，通过利用两个齿轮错位布置来消除传动间隙，避免了延迟啮合而发生的抖动现象。

根据本实用新型的实施例，通过设置扇形齿轮和合适的传动比，降低了旋转惯量，降低了迟滞感，提高了操作者的手感。

根据本实用新型的实施例，通过设计包括U型连接件的铰接副，避免了动平台与铰接副的干涉，扩大了动平台的运动范围。

附图说明

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

图1示出了包括根据本实用新型的实施例的主操作手的操控台的示意性结构图；

图2示出了根据本实用新型的实施例的主操作手的结构示意图；

图3示出了根据本实用新型的实施例的主操作手处于与图2的状态不同的操作状态的示意图；

图4示出了一个支链组件的重力分量的分布的示意图。

图5示出了静平台的平面示意图，并示出了三个静铰接点相对于静平台的中心位置的布置示意图；

图6示出了根据本实用新型的实施例的齿轮组的第一实施例的结构示意图；

图7示出了根据本实用新型的实施例的齿轮组的第二实施例的结构示意图；

图8示出了根据第二实施例的齿轮组的结构平面图；

图9示出了图7的A部分的放大图；

图10示出了根据本实用新型的实施例的铰接副的示意性结构图；

图11示出了根据本实用新型的铰接副的第一连接块的立体图；

图12示出了根据本实用新型的铰接副的第二连接块的立体图。

附图标记说明：

10-主操作端；11-底板；20-主操作手；100-静平台；100’-支撑平台；110-第一静铰接点；120-第二静铰接点；130-第三静铰接点；111-虚拟中心；200-动平台；300-连接臂；310-第一支链组件；320-第二支链组件；330-第三支链组件；340-连接支架；350-第二驱动组件；351-动子；352-定子；360-推拉杆；400-第一驱动组件；500-齿轮组；510-主动齿轮；520-从动齿轮；511-第一主动齿轮；512-第二主动齿轮；521-第一从动齿轮；522-第二从动齿轮；525-旋转轴；600-手柄；610-握持部；700-第一连接块；800-第二连接块；710-第一支撑部；720-第二支撑部；730-连接支撑部；731-第一轴孔；711，721-孔；810-主体；820-凸轴；831-第二轴孔。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。然而，不应被理解为本实用新型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。

在描述根据本实用新型的实施例的铰链副、主操作手和操控台时，将以手术机器人作为示例进行介绍，但本领域技术人员将意识到，根据本实用新型的主操作手不限于应用于手术机器人，而是可以是用于各种其他领域的主从控制作机器人。

图1示出了根据本实用新型的实施例的主操作手应用在手术机器人的主操作端的结构示意图。

手术机器人通常可包括主操作端10、从动端(未示出)和成像设备(未示出)。如图1中所示，主操作端10可包括主操作手20，从动端可以是执行手术的机械臂系统，成像设备可包括用于显示病人病灶处的图像和其他相关信息的显示器。主操作手20设置在医生控制台上，操作者(医生)可通过操作主操作手20来控制从动端的操作，位于从动端末端的器械的受力情况可通过力传感器反馈至主操作手20，以在主操作端10与从动端之间的建立力学模型。

图2和图3示出了根据本实用新型的实施例的主操作手处于不同的操作状态的立体图。其中，图2示出了主操作手处于初始状态的立体图，在下面的描述中，除非另有明确说明，否则都是以主操作手20处于初始状态时的结构位置关系进行介绍。

如图2和图3所示，根据本实用新型的实施例的主操作手20可包括静平台100、动平台200和连接臂300。动平台200可设置在静平台100一侧，连接臂300的两端可分别铰接连接到静平台100和动平台200。其中，连接臂300可包括N个支链组件，N为大于等于3的自然数，即，连接臂300可至少包括第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330。本实用新型的附图中示出了连接臂300包括三个支链组件的情形，但本实用新型不限于此。

在现有技术中，静平台与地面大体垂直设置，需要通过设置在静平台上的旋转电机来平衡主操作手自身的重力，增加了旋转电机的负载。因此需要旋转电机具有较大的功率，而旋转电机的功率越大，体积也越大，导致需要较大的空间来安装旋转电机，如果旋转电机的体积较大，连接臂容易与旋转电机发生干涉，导致主操作手的运动范围受限。因此，难以同时兼顾重力平衡效果和运动范围，限制了主操作手的发展。

为解决上述问题：

根据本实用新型的实施例，静平台100与水平面的夹角可小于45度。优选地，静平台100与水平面的夹角可小于等于35度、30度、25度、15度或10度等。优选地，静平台100与水平面之间的夹角可小于等于5度。更优选地，静平台100与水平面之间的夹角也可等于0度，即，静平台100与水平面大致平行设置。

图4示出了一个支链组件的重力分量的分布，如图所示，每个支链组件的重力G可被分解为具有沿其长度方向的第一分量G1和沿着大致平行于静平台并朝向相应的静铰接点的第二分量G2，当静平台100与水平面的夹角小于45度时，相比静平台100垂直于水平面布置的情形，会有较多的重力分量(即，第一分量G1)沿每个支链组件的长度方向分布。因此，当对支链组件的重力进行平衡时，大部分重力将由驱动各个支链组件沿直线方向运动的直线驱动组件(下文中也称为第二驱动组件)进行补偿，而用于使各个支链组件旋转的旋转驱动组件(下文中也称为第一驱动组件)可提供较小的扭矩，从而降低了旋转驱动组件输出扭矩的要求，使旋转驱动组件保留较大余量。其次，也使直线驱动组件与旋转驱动组件的在重力平衡过程中负载分配更加均衡。尤其在主操作手的初始状态下，锁定各驱动组件时，各负载的均衡性较佳。随着静平台100与水平面之间的夹角变小，重力G的第一分量G1的值越大，因此需要直线驱动组件补偿的重力越多，对旋转驱动电机的要求越低，进而能够实现主操作手的较佳重力平衡的效果。在一种实施方式中，由于旋转驱动组件具有较多余量，各驱动组件之间的负载分配更加均衡，更易于实现实时的力反馈，使操作者能够更加真实地感受从动端的力反馈。

由于调整了主操作手的静平台的位置，改变了操作者手部与主操作手之间的控制角度，因此操作者的手感较好，不易疲劳，其符合人体工学设计。此外，由于降低了对旋转驱动组件的要求，在一种实施方式中，可以减小旋转驱动组件的体积，从而可以扩大了可用空间设计范围，使主操作手的结构更加紧凑，同时可以扩大主操作手的运动范围。

此外，动平台200可在竖直方向上设置在静平台100的上方，通过第一驱动组件和第二驱动组件驱动各个支链组件运动，使得动平台200相对于静平台100运动。根据本实用新型的实施例，动平台200与静平台100平行地设置，并且动平台可具有6个自由度。

然而，本实用新型不限于此，根据空间的布置需求，动平台200也可以设置在静平台100的下方。

需要注意的是，“静平台”通常指连接臂300的各个支链组件的静铰接点所在的平面。在一种实施方式中，“静平台”指的是一个虚拟的平面；在另一种实施方式中，“静平台”也可以是一个实体平台。在本实施例中，静平台100与在静铰接点处支撑各个支链组件的支撑平台100’彼此平行，因此，静平台100与水平面之间的夹角关系与实际的支撑平台100’与水平面的之间的关系相同。在另一种实施例中，静平台100也可以与实际的支撑平台100’共面。在下文中，为便于理解和描述，可将静平台100理解为实际的支撑平台100’，下文中将静平台100和实际的支撑平台100’均描述为“静平台100”。

“动平台”的概念与“静平台”相似，具体而言，“动平台”通常指连接臂300的各个支链组件的动铰接点所在的平面。在一种实施方式中，“动平台”指的是一个虚拟的平面；在另一种实施方式中，“动平台”也可以是一个实体平台。在其他实施方式中，实体动平台可以与各动铰接点所在的平面彼此平行。在本实施例中，实体动平台与各动铰接点所在的平面彼此共面。因此，在下文中，可将“动平台200”既可以理解为是虚拟的平台，也可以理解为是实际的平台，但为了便于理解，下文中以动平台200为实体平台进行描述。

在本说明书中，“重力补偿”是指驱动组件输出力矩用以平衡重力。“重力平衡”是指驱动组件输出力矩能够与重力相抵消。

图5示出了根据本实用新型的实施例的三个支链组件的三个静铰接点与静平台的位置关系的示意性平面图。

现有设计中的主操作手自身的结构设计，容易与操作者发生干涉，操作者为避开主操作手的运动范围，通常离主操手较远，较大程度的影响操作者的操作体验，增加了操作的疲劳感。因此，难以同时兼顾运动范围和操作的舒适度，限制了主操作手的发展。

为解决上述问题：

结合图2和图3，连接臂300的第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330可分别在第一静铰接点110、第二静铰接点120和第三静铰接点130处铰接到静平台100。连接第一静铰接点110和静平台100的虚拟中心111的第一虚拟直线L1与连接第二静铰接点120和静平台100的虚拟中心111的第二虚拟直线L2之间形成第一夹角α1，第二虚拟直线L2与连接第三静铰接点130和静平台100的虚拟中心111的第三虚拟直线L3之间形成第二夹角α2，第一虚拟直线L1与第三虚拟直线L3之间形成第三夹角α3，第三夹角α3可大于等于150度且小于300度。在一种实施例方式中，第一夹角α1、第二夹角α2和第三夹角α3之和等于360。

在一种实施例方式中，动平台200与各支链组件之间的分布结构与静平台100与各支链组件之间的分布结构相同。其中，两者分布结构在同一个主操作手上可相同，但也可以不相同。此外，第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330可分别在第一动铰接点、第二动铰接点和第三动铰接点处铰接到动平台200，各个动铰接点与动平台200的虚拟中心的连线所形成的夹角与相应的静铰接点与静平台100的虚拟中心111的连线所形成的夹角彼此对应。也就是说，在初始状态下，静平台100与动平台200彼此平行地设置，且静平台100的虚拟中心111与动平台200的虚拟中心的连线垂直于静平台100和动平台200，并且第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330在静平台100上的投影分别与第一虚拟直线L1、第二虚拟直线L2和第三虚拟直线L3重合。

在本说明书中，“在静平台上的投影”指的是相应的部件在垂直于静平台100的方向上投射到静平台100上。

根据本实用新型的实施例，操作者控制主操作手进行操作时，第三夹角α3可用于容纳操作者身体(例如，腿部，手部)，避免主操作手与操作者发生干涉，同时，也使操作者与主操作手之间保持适当操作空间，得以同时兼顾运动范围和操作的舒适度。

根据本实用新型的实施例，主操作手还包括手柄600，手柄600可设置在动平台200上，操作者持握手柄600进行操作，当手柄位于第一支链组件310与第三支链组件330之间时，第一支链组件310和第三支链组件330靠近操作者设置，如果第一虚拟直线与第三虚拟直线之间的第三夹角α3较小(例如，α3＜150度)，用于容纳操作者身体(例如，腿部，手部)的空间较小，存在第一支链组件310与第三支链组件330的下端容易与操作者的腿发生干涉的问题，及第一支链组件310与第三支链组件330的上端容易与操作者的手部发生干涉的问题。

在本实用新型中，第三夹角α3设置为大于等于150度且小于300度，可以为操作者留出较大的活动空间，进而可以避免上述问题。

根据本实用新型的优选实施例，第三夹角α3可以为180度。其中，第一夹角α1和第二夹角α2可彼此相等。在其它实施例中，第三夹角α3可以为160度、200度、220度、245度、260度或285度等。但本实用新型不限于此，第一夹角α1和第二夹角α2也可不相等。

然而，附图中仅示出了连接臂300包括三个支链组件的情形，但根据本实用新型的连接臂300也可包括更多数量的支链组件。

当连接臂300包括N(N＞3)个支链组件时，各个支链组件的布置与包括三个支链组件时相似。具体地，当连接臂300包括N(N＞3)个支链组件时，第一支链组件310至第N支链组件可分别在第一静铰接点110至第N静铰接点处铰接到静平台100，第一静铰接点110至所述第N静铰接点分别与静平台100的虚拟中心111连接形成第一虚拟直线L1至第N虚拟直线LN(未示出)，其中，相邻的两条虚拟直线之间形成夹角，因此第一虚拟直线L1至第N虚拟直线LN相邻的两条线之间共形成N个夹角。在这种情况下，第N虚拟直线LN与第一虚拟直线L1之间形成的第N夹角大于等于150度且小于300度。优选地，N个夹角之和等于360度。优选地，第N夹角约等于180度。

同理，第一支链组件310至第N支链组件分别在第一动铰接点至第N动铰接点处铰接到动平台200，第一动铰接点至第N动铰接点与动平台200的虚拟中心的连线所形成的夹角与相应的静铰接点与静平台100的虚拟中心111的连线所形成的夹角彼此对应。即，当向静平台100投影时，第一支链组件310至第N支链组件分别与第一虚拟直线L1至第N虚拟直线LN重合。

此外，除第N夹角之外的其他夹角可彼此相同。

根据本实用新型的实施例，可将静平台100和/或动平台200的周向分为相对的周向第一侧和周向第二侧，相对于所述周向第二侧，N个支链组件可围绕静平台100和/或动平台200布置在静平台100和动平台200的周向第一侧。优选地，周向第二侧的角度范围为大于120度。优选地，周向第二侧的角度范围为大于等于150度且小于300度。优选地，周向第二侧的角度范围为180度。在一种实施方式中，N个支链组件在周向第一侧中沿圆周方向均匀布置，以提高重力分配的均衡性。在其它实施例中，周向第二侧的角度范围可以为160度、200度、220度、245度、260度或285度等。用以使操作者与主操作手之间保持适当操作空间，得以同时兼顾运动范围和操作的舒适度。

主操作手还可包括用于驱动每个支链组件相对于静平台100绕各自的静铰接点旋转的N个第一驱动组件400，N个第一驱动组件400布置在周向第一侧所在的区域内，下文中将对第一驱动组件400的具体布置进行描述。

根据本实用新型的实施例，手柄600可设置在动平台200上，并且可位于第一支链组件310和第N支链组件之间，或者手柄600可位于周向第二侧中。手柄600安装在相对各支链组件安装位的另一侧，有利于扩大操作者操作空间，避免干涉的可能性。优选地，手柄600位于周向第二侧的中间位置处。手柄设置在中间位置，有利于将手柄的重力均衡的分配到各个支链组件上，使各驱动组件的负载更加均衡，以提高操作者的操作手感。

此外，手柄600可包括握持部610，握持部610与水平面呈角度设置，和/或，握持部610与静平台100呈角度设置，以便于操作者通过抓握握持部610来操作主操作手，使主操作手的操作体验更佳。优选地，所述角度为45-90度。作为进一步优选，所述角度为75-90度。在一种实施方式中，所述角度为50度、60度、65度、70度、80度或85度。在另一种实施方式中，所述角度与支链组件在初始状态下与所述静平台100之间的夹角接近或相等，在这样的情况下，可以进一步提高操作的舒适度。

根据本实用新型的实施例，手柄600可在竖直方向上布置在静平台100与动平台200之间。可减小主操作手在整个操控台内的体积，进一步扩大了主操作的运动范围。此外，当支链组件的数量N为奇数时，手柄600与第(N+1)/2个支链组件在静平台100上的投影可位于同一直线上。有利于提高操作体检及各驱动组件的负载更加均衡。

当将根据本实用新型的实施例的主操作手安装在操控台上时，所述主操作手安装在操控台的底板11上，其中，第N夹角的开口或周向第二侧面向操控台的外侧，即面向操作者一侧。其中，底板11大致平行于水平面，即地面。在另一种实施方式中，可在操控台上对称地布置两个主操作手，使得两个主操作手的第N夹角的开口朝向同一侧，例如，使两个主操作手的第N夹角的开口朝向操作者所处的位置，从而在第一支链组件与第N支链组件之间为操作者提供较大的活动空间，从而支链组件不会与操作者的腿部干涉。在这种情况下，两个手柄600也位于同一侧，并且它们在静平台上的投影位于第N夹角内，使得操作者可以方便地持握手柄600的握持部610。

在接下来的描述中，以连接臂300包括第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330为例进行描述，当连接臂300包括其它数量的支链组件时，可进行相似的调整或设置，因此将省略相关的描述。

根据本实用新型的实施例，如图2至图4所示，第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330中的每个具有线性形状，并且包括第一端(上端)和与第一端相对的第二端(下端)，第一端铰接到动平台200，第二端分别与第一静铰接点110、第二静铰接点120和第三静铰接点130相邻地设置，即，相应的静铰接点与第二端之间的距离约为支链组件的长度的十分之一或更小，从而当操作者操作主操作手时，能够有效地避免支链组件的下端与其他结构发生干涉，并为设置旋转驱动组件(即，第一驱动组件400)提供了较大的空间，下文中将对此进行描述。

如上所述，主操作手还可包括分别驱动第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330绕各自的静铰接点旋转的三个第一驱动组件(即，旋转驱动组件)400。

第一驱动组件400的体积通常较大，由于根据本申请的实施例的静平台与水平面的夹角小于45度，使得第一驱动组件400无需提供较多的力矩平衡相应支链组件的重力，因此，第一驱动组件400的体积可适当变小。同时，由于第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330的下端与静平台100相邻地设置，因此第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330的下端具有较大的空间可布置第一驱动组件400，因此扩大了用于布置第一驱动组件400的空间。根据本实用新型的实施例，第一驱动组件400可设置在相应的支链组件的下方。

如图1和图2所示，驱动第一支链组件310的第一驱动组件400可布置在静平台100的下方，即，驱动第一支链组件310的第一驱动组件400可布置在静平台100的投影区域内，使得主操作手的一侧留出较大空间，作为操作者所处的一侧。此外，附图中示出了第一夹角α1和第二夹角α2分别为90度，第三夹角α3为180度布置第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330的情形，在这种情况下，分别驱动第一支链组件310和第三支链组件330的第一驱动组件400可布置在由第一静铰接点110、第二静铰接点120和第三静铰接点130所形成的虚拟圆(下面称为第一圆)的同一条直径上，驱动第二支链组件320的第一驱动组件400可垂直于该同一条直径布置。

当将两个主操作手安装在主操作端10的底板11上时，两个主操作手可对称设置，两个主操作手的第一支链组件310相对于两个第三支链组件330可彼此靠近地设置，即，两个主操作手20的两个第一支链组件310相邻，因此，驱动两个主操作手20的两个第一支链组件310的第一驱动组件可分别布置在静平台100的下方，避免相对于静平台100向外伸出，使得两个主操作手20之间距离合适，符合操作者双手的操作习惯，留出操作者活动的空间。此外，分别驱动两个主操作手的第一支链组件310和第三支链组件330的四个第一驱动组件400可设置在同一直线上。分别驱动两个主操作手的第二支链组件(320)的两个第一驱动组件400可彼此平行设置。

此外，驱动第一支链组件310的第一驱动组件400的输出轴与驱动第三支链组件330的第一驱动组件400的输出轴可朝向同一侧，驱动第二支链组件320的第一驱动组件400的输出轴可与驱动第一支链组件310和第二支链组件320的第一驱动组件400的输出轴垂直。

再次参照图1至图3，根据本实用新型的实施例，第一支链组件310、第二支链组件320和第三支链组件330中的每个包括铰接到静平台100的连接支架340、沿连接支架340移动的推拉杆360、和设置在连接支架340上的第二驱动组件(即，直线驱动组件)350。第二驱动组件350可包括动子351和定子352，动子351可与推拉杆360固定连接并同步运动。根据本实用新型的实施例，第二驱动组件350可为磁轴电机，定子可以为沿连接支架340的长度方向设置的磁轴，动子351可以为沿着磁轴移动的滑块，这样，当手柄600移动时，滑块在磁轴上移动，推拉杆360与滑块同步同方向移动。

每个支链组件的重力G沿其长度方向的第一分量G1可以通过第二驱动组件350进行平衡，且直线驱动组件的体积对于主操作的运动范围影响较小，使重力平衡的效果较佳。

根据本实用新型的实施例，推拉杆360可采用碳纤维制成，其质量非常轻，在动平台200运动过程中可忽略其对支链组件的重心的影响，平衡过程更为简单。

根据本实用新型的实施例，第一驱动组件400的驱动力可通过齿轮组500传递到相应的支链组件。

图6示出了根据本实用新型的实施例的齿轮组的第一实施例的结构示意图。如图6所示，齿轮组500可包括与第一驱动组件400的输出轴连接的主动齿轮510以及可转动地设置在静平台100上并与主动齿轮510啮合的从动齿轮520，从动齿轮520的旋转轴525与相应的支链组件连接。

如图6所示，主动齿轮510可包括一个齿轮，从动齿轮520可包括同轴并排设置并且齿结构相同的第一从动齿轮521和第二从动齿轮522，第一从动齿轮521的传动齿和第二从动齿轮522的传动齿可在旋转方向上错位设置。第一从动齿轮521的传动齿和第二从动齿轮522的传动齿之间的错位距离可大约等于主动齿轮510和单个从动齿轮之间的传动间隙。这里提到的第一从动齿轮521和第二从动齿轮522的齿结构相同，是指齿轮的节圆和节距相同，并不要求两个齿轮的轴向长度(例如，齿轮的厚度)完全相同。

然而，本实用新型的实施例不限于此，图7示出了根据本实用新型的实施例的齿轮组的第二实施例的结构示意图，如图所示，主动齿轮510可包括同轴并排设置并且齿结构相同的第一主动齿轮511和第二主动齿轮512，第一主动齿轮511的传动齿和第二主动齿轮512的传动齿可在旋转方向上错位设置。与上述实施例相似，第一主动齿轮511的传动齿和第二主动齿轮512的传动齿之间的错位距离大约等于单个主动齿轮和所述从动齿轮520之间的传动间隙。同样地，到这里提到的第一主动齿轮511和第二主动齿轮512的齿结构相同，是指齿轮的节圆和节距相同，并不要求两个齿轮的轴向长度完全相同。

根据本实用新型的实施例，“大约等于”表示传动齿之间的错位距离几乎等于或略小于主动齿轮510和从动齿轮520之间的传动间隙。

根据上述实施例，可几乎消除传动间隙，因此无论主动齿轮510是正转还是反转，主动齿轮510都能实时与从动齿轮520啮合，而不会发生延迟啮合，从而避免了抖动的现象。

图8和图9示出了在图7的实施例的情况下，消除传动间隙的原理示意图。如图9所示，由于加工误差，使得每个主动齿轮与从动齿轮520存在传动间隙，以图9所示出的方向为例，当第一主动齿轮511的传动齿的右侧面抵靠在从动齿轮520的传动齿的左侧面上，该传动齿的左侧面则无法与位于其左侧的从动齿轮520的传动齿接触，该间隙可被理解为是“传动间隙”。在这种情况下，设置与第一主动齿轮511同轴且齿形完全相同的第二主动齿轮512，使第二主动齿轮512的传动齿与第一主动齿轮511在旋转方向上些微错开，该错位距离可约等于传动间隙，从而使第二主动齿轮510的传动齿的左侧面抵靠在从动齿轮520的传动齿的右侧面上，这样可消除由于加工误差导致的传动间隙。图6的实施例的齿轮组基于相同的设置原理来消除传动间隙，因此省略其详细描述。

根据本实用新型的实施例，从动齿轮520可以为扇形齿轮，从而能够在设置较大的传动比的情况下减小从动齿轮所占用的空间，降低了整体结构的旋转惯量，让操作者感觉更轻盈。

根据本实用新型的实施例，扇形齿轮的扇形角度可以为60度至150度，以满足相应的支链组件的转动需求。根据本实用新型的一个实施例，扇形齿轮的扇形角度可以为100度至120度，优选地，扇形齿轮的扇形角度可以为120度。

根据本实用新型的实施例，主动齿轮510与从动齿轮520的传动比可设置为2：1至10：1。优选地，传动比可以为5：1至8：1。更优选地，传动比可设置为8：1，当选择该传动比时，静铰接点处的可输出扭矩较高。

根据本实用新型的实施例，扇形齿轮可设置为镂空形状，并且可利用塑料制造，从而进一步降低旋转惯量，降低迟滞感，使操作者的手感较好。

图10至图12示出了根据本实用新型的连接支链组件与动平台200的铰接副的示意性结构图。

所述铰接副包括第一连接块700和第二连接块800。第一连接块700呈U型并且包括彼此相对的第一支撑部710和第二支撑部720以及连接第一支撑部710和第二支撑部720的一端的连接支撑部730。

第二连接块800可旋转地安装在第一支撑部710和所述第二支撑部720。连接支撑部730可通过绕第一旋转轴线a1旋转的第一转轴与相应的支链组件转动连接，其中，形成在连接支撑部730上的第一轴孔731可用于容纳第一转轴，第二连接块800可通过绕第二旋转轴线a2旋转的第二转轴与动平台200转动连接，第一旋转轴线a1平行于第一支撑部710和第二支撑部720的延伸方向，并与第二旋转轴线a2垂直。

第二连接块800上设置有第二轴孔830，第二轴孔的中心轴线垂直于第二旋转轴线a2，从动平台200的动铰接点处延伸输出轴可插入到第二轴孔830中，具体地，动平台200的输出轴可通过轴承安装到第二轴孔830中，以使其可绕第二轴孔的中心轴线(即，第三旋转轴线a3)旋转。

如图12所示，第二连接块800可包括形成有上述第二轴孔830的主体810和分别从主体810的两侧突出的凸轴820，两个凸轴820可分别插入到形成在第一支撑部710和第二支撑部720的槽或孔711和721中。具体地，两个凸轴820可分别通过轴承转动地安装在槽或孔711和721中，以用作所述第二连接块(800)的旋转轴。

此外，图11示出了在第一支撑部710和第二支撑部720上形成孔的情形，但不限于此，也可在第一支撑部710和第二支撑部720形成部槽。此外，为了方便将第二连接块800安装在第一支撑部710和第二支撑部720上，孔711和721的一部分可敞开。

然而，根据本实用新型的实施例不限于此，只要铰接副能够实现绕第一旋转轴线a1、第二旋转轴线a2和第三旋转轴线a3旋转，并且能够限制第一旋转轴线a1和第三旋转轴线a3重合的结构均是可行的。

在现有技术中，第一连接块700通常为L形，即，第一连接块700仅具有第一支撑部710和连接支撑部730，在这种情况下，第二连接块800可绕第二旋转轴线a2旋转360度，由于第二连接块800与动平台200连接，在第二连接块800绕第二旋转轴线a2旋转的过程中，存在两次使第三旋转轴线a3与第一旋转轴线a1重合的机会，第一次重合是在第二连接块800的面向动平台200的一侧背对连接支撑部730时，第二次重合是在第二连接块800的面向动平台200的一侧转动为面向连接支撑部730时。在第二次重合时，动平台200会与L形状的第一连接块700发生干涉，进而可能使动平台200发生卡顿的现象，使得动平台的运动范围受限。

根据本实用新型的实施例，通过将第一连接块700设置为U型形状，由于第一支撑部710和第二支撑部720的共同限制，可以规避上述第二次重合，因而能够避免动平台与铰接副发生干涉。也就是说，当将要发生第二次重合时，第一连接块700会绕第一旋转轴线a1的旋转，从而避免第三旋转轴线a3与第一旋转轴线a1再次重合。此外，由于第一连接块为U型的对称结构，所以对动平台200的运动范围没有限制。

在一种实施方式中，主操作手可以为3-UPS并联机构实现，即，每个支链组件可采用UPS支链实现，使动平台可具备六个自由度，进而使主操作手可以实现六自由度的运动和六自由度的力反馈。例如，每个支链组件可通过U副与静平台连接并且可通过S副与动平台连接，此外，在每条支链上可设有移动P副，以使其能够伸长或缩短。

根据本实用新型的实施例，通过将静平台与水平面的夹角设置为小于45度，可以较大限度地平衡重力，同时降低了对旋转驱动组件的要求，减小旋转驱动组件的体积，提高主操作手的设计空间。

根据本实用新型的实施例，通过利用两个齿轮错位布置来消除传动间隙，避免了延迟啮合而发生的抖动现象。

根据本实用新型的实施例，通过设置扇形齿轮和合适的传动比，降低了旋转惯量，降低了迟滞感，提高了操作者的手感。

根据本实用新型的实施例，通过设计包括U型连接件的铰接副，避免了动平台与铰接副的干涉，扩大了动平台的运动范围。在本实用新型中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述的目的，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。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，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”、“结合”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。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实用新型中的具体含义。

本实用新型所描述的特征、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实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型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实用新型的各方面。

Claims (25)

1.一种操控台，所述操控台包括主操作手，其特征在于，所述主操作手包括：

静平台(100)；

动平台(200)，设置在所述静平台(100)一侧；

手柄(600)，与所述动平台(200)连接；以及

连接臂(300)，所述连接臂(300)的两端分别铰接连接到所述静平台(100)和所述动平台(200)，所述连接臂(300)包括N个支链组件，其中，N大于等于3，即，所述连接臂(300)至少包括第一支链组件(310)、第二支链组件(320)和第三支链组件(330)，所述第一支链组件(310)至第N支链组件分别在第一静铰接点(110)至第N静铰接点处铰接到所述静平台(100)，

其中，所述主操作手还包括用于驱动每个支链组件相对于所述静平台(100)旋转的N个第一驱动组件(400)，并且

其中，所述静平台(100)与水平面的夹角小于45度。

2.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述静平台(100)与水平面的夹角小于等于10度。

3.根据权利要求2所述的操控台，其特征在于，所述夹角等于0度或者5度。

4.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述静平台(100)和/或所述动平台(200)的周向分为相对的周向第一侧和周向第二侧，相对于所述周向第二侧，所述N个支链组件围绕所述静平台(100)和/或所述动平台(200)布置在所述静平台(100)和所述动平台(200)的周向第一侧，所述周向第二侧的角度范围为大于等于150度且小于300度。

5.根据权利要求4所述的操控台，其特征在于，所述周向第二侧的角度范围为180度。

6.根据权利要求4所述的操控台，其特征在于，所述N个支链组件在所述周向第一侧中沿圆周方向均匀布置；和/或，

所述手柄(600)位于所述周向第二侧的中间位置。

7.根据权利要求4所述的操控台，其特征在于，N个所述第一驱动组件(400)布置在所述周向第一侧所在的区域内；和/或，

所述第一支链组件(310)的第一驱动组件(400)布置在所述静平台(100)的投影区域内。

8.根据权利要求7所述的操控台，其特征在于，所述第一支链组件(310)、所述第二支链组件(320)和所述第三支链组件(330)分别通过第一静铰接点、第二静铰接点、第三静铰接点连接到所述静平台(100)，第一静铰接点、第二静铰接点、第三静铰接点位于第一圆上，所述第一支链组件(310)对应的第一驱动组件和所述第三支链组件(330)对应的第一驱动组件布置在所述第一圆的同一条直径上，所述第一支链组件(310)对应的第一驱动组件的输出轴和所述第三支链组件(330)对应的第一驱动组件的输出轴朝向同一侧。

9.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述第一静铰接点(110)至所述第N静铰接点分别与所述静平台(100)的虚拟中心(111)连接形成第一虚拟直线至第N虚拟直线，

其中，相邻的两条虚拟直线之间形成夹角，所述第一虚拟直线至第N虚拟直线形成N个夹角，

其中，第N虚拟直线与第一虚拟直线之间形成的第N夹角大于等于150度且小于300度。

10.根据权利要求9所述的操控台，其特征在于，

所述第一支链组件(310)至第N支链组件分别在第一动铰接点至第N动铰接点处铰接到所述动平台(200)，

所述动平台(200)与所述静平台(100)彼此平行地设置，

其中，所述第一支链组件(310)至第N支链组件从所述动平台(200)向所述静平台(100)的投影分别与所述第一虚拟直线至所述第N虚拟直线重合。

11.根据权利要求9所述的操控台，其特征在于，所述第N夹角等于180度；和/或，

所述N个夹角之和等于360度，除所述第N夹角之外的其他夹角彼此相等。

12.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述手柄(600)位于所述第一支链组件(310)与所述第N支链组件之间；和/或，

所述N为奇数，所述手柄(600)与第(N+1)/2个支链组件在所述静平台(100)上的投影位于同一直线上。

13.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述手柄(600)包括握持部(610)，所述握持部(610)与水平面呈预定角度设置，和/或，所述握持部(610)与所述静平台(100)呈所述预定角度设置。

14.根据权利要求13所述的操控台，其特征在于，所述预定角度为45度至90度；和/或，所述预定角度与所述支链组件和所述静平台(100)之间的夹角接近或相等。

15.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述手柄(600)设置于所述静平台(100)与所述动平台(200)之间；和/或，

所述动平台(200)设置在所述静平台(100)的上方，所述第一驱动组件(400)设置在相应的支链组件的下端。

16.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述第一驱动组件(400)的驱动力通过齿轮组(500)传递到相应的支链组件，

所述齿轮组(500)包括与所述第一驱动组件(400)的输出轴连接的主动齿轮(510)以及可转动地设置在所述静平台(100)上并与所述主动齿轮(510)啮合的从动齿轮(520)，所述从动齿轮(520)的旋转轴与相应的支链组件连接。

17.根据权利要求16所述的操控台，其特征在于，所述主动齿轮(510)包括同轴并排设置并且结构相同的第一主动齿轮(511)和第二主动齿轮(512)，所述第一主动齿轮(511)的传动齿和第二主动齿轮(512)的传动齿在旋转方向上错位设置；和/或，

所述从动齿轮(520)包括同轴并排设置并且结构相同的第一从动齿轮(521)和第二从动齿轮(522)，所述第一从动齿轮(521)的传动齿和第二从动齿轮(522)的传动齿在旋转方向上错位设置。

18.根据权利要求17所述的操控台，其特征在于，所述第一主动齿轮(511)的传动齿和第二主动齿轮(512)的传动齿之间的错位距离大约等于所述第一主动齿轮(511)和所述从动齿轮(520)之间的传动间隙；和/或，

所述第一从动齿轮(521)的传动齿和第二从动齿轮(522)的传动齿之间的错位距离大约等于所述主动齿轮(510)和所述第一从动齿轮(521)之间的传动间隙。

19.根据权利要求16所述的操控台，其特征在于，所述从动齿轮(520)为扇形齿轮，所述扇形齿轮的扇形角度为60度至150度，所述扇形齿轮设置为镂空形状；和/或，

所述主动齿轮(510)与所述从动齿轮(520)的传动为2：1至10：1。

20.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述第一支链组件(310)、所述第二支链组件(320)和所述第三支链组件(330)中的每个包括铰接到所述静平台(100)的连接支架(340)、沿所述连接支架(340)移动的推拉杆(360)和设置在所述连接支架(340)上的第二驱动组件(350)，所述第二驱动组件(350)包括动子(351)和定子(352)，所述动子(351)与所述推拉杆(360)固定连接并同步运动；和/或，

每个支链组件通过铰接副与所述动平台(200)转动连接，所述铰接副包括：

第一连接块(700)，第一连接块(700)呈U型，包括彼此相对的第一支撑部(710)和第二支撑部(720)以及连接所述第一支撑部(710)和所述第二支撑部(720)的一端的连接支撑部(730)；以及

第二连接块(800)，可旋转地安装在所述第一支撑部(710)和所述第二支撑部(720)上，

其中，所述连接支撑部(730)通过第一转轴与相应的支链组件转动连接，所述第二连接块(800)通过第二转轴与所述动平台(200)转动连接，

其中，所述第一转轴的中心轴线平行于所述第一支撑部(710)和所述第二支撑部(720)的延伸方向，并与所述第二连接块(800)在所述第一支撑部(710)和所述第二支撑部(720)上旋转的旋转轴线垂直。

21.根据权利要求9所述的操控台，其特征在于，所述操控台包括两个所述主操作手，所述两个主操作手对称地布置，且所述第N夹角的开口朝向同一侧，

其中，所述手柄(600)在所述静平台(100)上的投影位于第N夹角内。

22.根据权利要求1所述的操控台，其特征在于，所述操控台包括两个所述主操作手，所述两个主操作手对称地布置在操控台的底板上，

其中，分别驱动所述两个主操作手的所述第一支链组件(310)和所述第三支链组件(330)的绕各自的静铰接点旋转的四个第一驱动组件(400)沿同一直线设置。

23.根据权利要求22所述的操控台，其特征在于，分别驱动所述两个主操作手的所述第二支链组件(320)绕各自的静铰接点旋转的第一驱动组件平行设置；和/或，分别驱动所述两个主操作手的所述第一支链组件(310)的两个第一驱动组件位于所述静平台(100)的下方。

24.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括如权利要求1至23中任一项所述的操控台。

25.根据权利要求24所述的机器人，其特征在于，所述机器人为手术机器人。