CN220404113U - 机械臂和具有该机械臂的机器人 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种机械臂以及具有该机械臂的机器人，机械臂包括动平台、静平台以及和动平台及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直线移动的平移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，所述驱动组件设置在各所述支链的内侧。

Description

机械臂和具有该机械臂的机器人

技术领域

本公开涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于机器人的机械臂以及具有该机械臂的机器人。

背景技术

微创手术的诞生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。通过手术机器人辅助医生进行微创手术能够使得微创手术操作更精确和稳定，大大提高了手术的安全性。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，传统的手术机器在临床变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，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，易干涉等问题。

实用新型内容

本公开的目的在于提供一种机械臂以及具有该机械臂的机器人，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，但是并以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：

本公开的一个方面，提供一种机械臂，所述机械臂包括动平台、静平台以及和动平台及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直线移动的平移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，所述驱动组件设置在各所述支链的内侧。

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，缩小了机械臂的占用空间，避免机器人的多个机械臂之间相互干涉，从而提高了机械臂的操作灵活性。

本公开一示例性实施例，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。如此设置，通过第一连接组件将旋转驱动组件和支链连接在一起，实现旋转驱动力的传递以及支链的转动自由度，使支链能够灵活摆动。如此设置，通过将旋转驱动组件设置在静平台上，能够减少动平台的自重，从而减小旋转驱动组件的驱动负载，提高机械臂的负载能力。

可选地，至少三条所述支链围绕所述静平台沿圆周均匀分布，所述支链相对于所述静平台具有分别围绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转的两个自由度，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线相交于交点o，各所述交点o在第一圆上并围绕所述第一圆均匀布置，所述旋转驱动组件位于所述第一圆的内侧。

如此设置，通过将多条支链沿着圆周均匀布置，使得受力分布更均匀。具体地，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，所述第一连接支架在所述第一圆的径向方向布置在所述支链的内侧，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，第一驱动电机的输出轴通过第一连接支架与支链连接，实现旋转驱动力向支链的传递。

进一步地，所述第一连接支架为U型支架，所述U型支架的开口朝向外部，所述U型支架底部的连接轴作为第一旋转轴与设置在所述第一圆的内侧的第一驱动电机的输出轴同轴连接，所述U型支架的两个支脚通过第二旋转轴在所述第一圆的切线方向的两侧连接道所述连接杆上，所述第一旋转轴位于所述第一旋转轴线上，所述第二旋转轴位于所述第二旋转轴线上。

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强度和连接稳定性。

本公开另一示例性实施例，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，所述第一驱动电机的输出轴与所述第一圆所在平面垂直设置；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传动比，提高机械臂的负载能力，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。

可选地，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。

具体地，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。

如此设置，通过谐波减速器能够改变旋转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。

进一步地，所述旋转驱动组件还包括主动轮和从动轮，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，所述从动轮与所述主动轮齿轮啮合，或者所述主动轮与所述从动轮啮合或者通过带传动或链传动驱动所述从动轮转动。如此设置，通过主动轮和从动轮配合将旋转驱动组件的动力传递给支链，可以进一步提高传动比，提高输出给支链的扭矩，提高机械臂的负载能力。此外，根据需要主动轮和从动轮可以借助传送带或者链条实现动力传递，也可以主动轮和从动轮直接啮合传递，使得旋转驱动组件能够适应多种场合，从而提高了旋转驱动组件的通用性。

进一步可选地，所述旋转驱动组件包括直线驱动组件，所述直线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。

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，从而提高机械臂的负载能力。

本公开另一示例性实施例，第一连接组件相对于所述静平台的旋转轴、第三连接组件相对于所述静平台的旋转轴以及所述支链三者在一个平面内，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。

如此设置，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，使得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。

可选地，所述旋转驱动组件包括第二驱动电机，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与所述连接杆转动连接，所述第二驱动电机与所述静平台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之间具有一个转动自由度。如此设置，本实施例中的旋转驱动组件为伸缩组件，以将旋转驱动组件的直线运动转变成支链的摆动。

本公开另一示例性实施例，所述第二驱动电机通过球铰连接到所述静平台，所述球铰包括球头和球座，所述旋转驱动组件还包括电机安装支架和止转板，所述电机本体固定安装在所述电机安装支架上，所述止转板固定设置于所述伸缩驱动轴的伸出端，所述球头安装在所述止转板上，所述球座安装在所述静平台上。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。

可选地，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精度，从而提高了机械臂的运行精度。

具体地，所述导向杆固定于所述止转板且从所述止转板的背离所述静平台的一侧突出延伸，所述导向孔设置在所述电机安装支架上，所述导向杆为至少两个，围绕所述驱动轴对称布置。如此设置，通过将导向杆设置于止转板上，且导向杆相对于电机安装支架滑动，从而可以使得止转板沿导向杆的延伸方向靠近或者远离电机安装支架。

进一步地，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或静平台上。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。

本公开另一方面，提供一种机器人，所述机器人包括如上所述机械臂。

可选地，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或喷涂机器人。

附图说明

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。

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

下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。

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、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 (18)

1.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括动平台、静平台以及和动平台及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直线移动的平移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，所述旋转驱动组件设置在各所述支链的内侧。

2.根据权利要求1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。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，至少三条所述支链围绕所述静平台沿圆周均匀分布，所述支链相对于所述静平台具有分别围绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转的两个自由度，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线相交于交点o，各所述交点o在第一圆上并围绕所述第一圆均匀布置，所述旋转驱动组件位于所述第一圆的内侧。

4.根据权利要求3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，所述第一连接支架在所述第一圆的径向方向布置在所述支链的内侧，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。

5.根据权利要求4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型支架的开口朝向外部，所述U型支架底部的连接轴作为第一旋转轴与设置在所述第一圆的内侧的第一驱动电机的输出轴同轴连接，所述U型支架的两个支脚通过第二旋转轴在所述第一圆的切线方向的两侧连接到所述连接杆上，所述第一旋转轴位于所述第一旋转轴线上，所述第二旋转轴位于所述第二旋转轴线上。

6.根据权利要求5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，所述第一驱动电机的输出轴与所述第一圆所在平面垂直设置；

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。

7.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于，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。

8.根据权利要求5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。

9.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主动轮和从动轮，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，所述从动轮与所述主动轮齿轮啮合，或者所述主动轮与所述从动轮啮合或者通过带传动或链传动驱动所述从动轮转动。

10.根据权利要求2所述机械臂，其特征在于，所述旋转驱动组件包括直线驱动组件，所述直线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。

11.根据权利要求10所述的机械臂，其特征在于，第一连接组件相对于所述静平台的旋转轴、第三连接组件相对于所述静平台的旋转轴以及所述支链三者在一个平面内，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。

12.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动组件包括第二驱动电机，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与所述连接杆转动连接，所述第二驱动电机与所述静平台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之间具有一个转动自由度。

13.根据权利要求12所述的机械臂，其特征在于，所述第二驱动电机通过球铰连接到所述静平台，所述球铰包括球头和球座，所述旋转驱动组件还包括电机安装支架和止转板，所述电机本体固定安装在所述电机安装支架上，所述止转板固定设置于所述伸缩驱动轴的伸出端，所述球头安装在所述止转板上，所述球座安装在所述静平台上。

14.根据权利要求13所述的机械臂，其特征在于，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。

15.如权利要求14所述的机械臂，其特征在于，所述导向杆固定于所述止转板且从所述止转板的背离所述静平台的一侧突出延伸，所述导向孔设置在所述电机安装支架上，所述导向杆为至少两个，围绕所述驱动轴对称布置。

16.根据权利要求1-15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或静平台上。

17.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括如权利要求1-16中任一项所述机械臂。

18.根据权利要求17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或喷涂机器人。