CN220404117U - 并联操作臂、主操作手、操控台以及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种并联操作臂、主操作手、操控台以及机器人，所述并联操作臂包括静平台、动平台以及分别连接到所述动平台和所述静平台的至少三条支链，所述并联操作臂还包括设置在所述静平台上的用于驱动相应的支链旋转的至少三个旋转驱动组件，其中，所述旋转驱动组件沿圆周方向设置在相邻的两个铰接支点之间，所述圆周方向是所述至少三条支链与所述静平台的铰接支点所围成的圆的圆周方向，这样，可以防止旋转驱动组件干涉所述至少三条支链的运动，从而增大支链的运动范围，提高并联操作臂的灵活度。

Description

并联操作臂、主操作手、操控台以及机器人

技术领域

本实用新型涉及遥操作机器人技术领域，具体涉及一种并联操作臂以及包括该并联操作臂的主操作手、控制台和机器人。

背景技术

遥操作机器人通常包括操作端和执行端(也称从动端)。在遥操作机器人系统中，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执行端接收的力的信息，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。由于遥操作机器人的上述特性，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，要求其具备更多的自由度，以辅助医生进行精准的操作，并且要求其能够精准地反馈从动端的受力情况，以使医生有操作沉浸感。

主操作手通常包括手柄和操作臂，而操作臂的类型主要包括三自由度并联机构、用在达芬奇手术机器人中的六自由度串联机构以及两者结合的混联机构。三自由度并联主操作手结构简单、布线方便，能够能实现力反馈，但只有3个平动自由度，无法进行姿态控制，无法满足运动自由度需求。六自由度串联主操作手的结构小巧，但是内部设有繁杂的电缆，提高了制造和装配成本，同时也会降低设备的使用寿命，此外，其串联结构不利于实现力反馈。混联主操作手可提供至少四个自由度，但其布线复杂，实现困难。

此外，在采用并联机构并使用电机实现力反馈的情况下，电机设置在静平台上，并与支链相邻的设置，当操作者操作主操作手时，则电机与支链之间容易发生干涉，导致主操作手的活动范围变小。

实用新型内容

本实用新型的主要实用新型目的之一在于提供一中并联操作臂、包括该并联操作臂的主操作手及包括该主操作手的机器人，所述并联操作臂能够在确保所需的扭矩的情况下使运动支链保持较大的活动范围。

针对上述实用新型目的，本实用新型提供如下技术方案：

根据本实用新型的一方面，提供一种并联操作臂，所述并联操作臂包括静平台、动平台以及分别连接到所述动平台和所述静平台的至少三条支链，所述并联操作臂还包括设置在所述静平台上的用于驱动相应的支链旋转的至少三个旋转驱动组件，其中，所述旋转驱动组件沿圆周方向设置在相邻的两个铰接支点之间，所述圆周方向是所述至少三条支链与所述静平台的铰接支点所围成的圆的圆周方向，这样，可以防止旋转驱动组件干涉所述至少三条支链的运动，从而增大支链的运动范围，提高并联操作臂的灵活度。

所述旋转驱动组件与支链之间设有用于改变所述旋转驱动组件的力矩输出方向的传动组件，以将旋转驱动组件输出的驱动力传递到相应的支链。

所述旋转驱动组件能够输出围绕第一旋转轴的第一旋转驱动力，所述传动组件能够将所述第一旋转驱动力转换为绕第二旋转轴的第二旋转驱动力，所述支链从所述传动组件上接收所述第二旋转驱动力，所述第一旋转轴和所述第二旋转轴交叉设置。

所述传动组件和所述旋转驱动组件围绕所述静平台布置，并与至少三个铰接支点大致共面设置，以最大程度地避免彼此发生干涉。

所述静平台包括支撑主体、围绕所述支撑主体设置的传动支架和电机支架，其中，所述传动组件安装在所述支撑主体与所述传动支架以及所述支撑主体与所述电机支架之间，以能够容易地实现传动组件的安装。

所述并联操作臂包括三条支链，所述至少三个旋转驱动组件包括三个旋转电机，其中，所述三条支链以120°的间隔通过传动支架围绕所述支撑主体安装，所述三个旋转电机以120°的间隔通过电机支架分别安装在相邻的两条支链之间，以合理布局静平台、三条支链以及旋转电机之间的位置关系。

至少一个所述旋转电机的输出轴垂直于所述圆的圆心与相应的支链的铰接支点的连线，所述传动组件为锥齿轮组，所述锥齿轮组包括一对轴线垂直设置的锥齿轮，用于将所述至少一个所述旋转电机输出的第一旋转驱动力转换为与所述第一旋转驱动力垂直的第二旋转驱动力。

所述锥齿轮组包括主动锥齿轮和从动锥齿轮，其中，所述电机支架与所述支撑主体的侧表面的一部分形成用于容纳所述主动锥齿轮第一容纳空间，以通过轴承将所述主动锥齿轮的主动齿轮轴的两端分别支撑在所述电机支架和所述支撑主体上，所述传动支架与所述支撑主体的侧表面的一部分形成用于容纳所述从动锥齿轮的第二容纳空间，以通过轴承将所述从动锥齿轮的从动齿轮轴的两端分别支撑在所述传动支架和所述支撑主体上。

所述锥齿轮组的传动比大于1，从而能够增大扭矩，提高旋转电机400的输出功率或力矩。

所述支撑主体整体具有朝向所述动平台渐缩的截面形状，以与初始状态下的支链的延伸方向平行，避免与支链发生干涉。

所述支撑主体的在面对所述电机支架的区域设置有避让槽，所述第一容纳空间包括所述避让槽，以实现空间的合理布局，减小并联操作臂的整体尺寸。

所述支链通过第一铰接件连接到所述静平台，其中，所述旋转电机的输出轴固定地连接到所述主动锥齿轮的主动齿轮轴，所述从动锥齿轮的从动齿轮轴固定地连接到所述第一铰接件。

所述铰接支点设置在每条支链的两个端点之间的位置处，以平衡支链的自身重力，提高支链的运动范围。

所述静平台中央形成有孔或槽，以被设置成镂空的形式，以减小静平台的重量。

根据本实用新型的另一方面，提供一种主操作手，所述主操作手包括：如上所述的并联操作臂；以及手柄，所述手柄安装在所述动平台上。

根据本实用新型的另一方面，提供一种操控台，所述操控台包括如上所述的主操作手。

根据本实用新型的另一方面，提供一种机器人，所述机器人包括如上所述的操控台。

所述机器人为手术机器人。

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示出了根据本实用新型的实施例的机器人的操作端的结构示意图；

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的局部结构示意图；

图4示出了根据本实用新型的实施例的静平台及相关结构的立体示意图；

图5示出了根据本实用新型的实施例的静平台的立体示意图；

图6示出了支链的运动范围的示意图；

图7示出了根据本实用新型的实施例的三个第一电机相对于三个铰接支点的位置关系的布置示意图；

图8示出了根据本实用新型的实施例的手柄与动平台之间的结合结构的示意图；

图9示出了根据本实用新型的实施例的动平台的结构示意图；

图10示出了根据本实用新型的实施例的第二铰接件的结构示意图；

图11和图12分别示出了根据本实用新型的主操作手的初始状态和一个运动状态的结构示意图。

附图标记说明：

10-操作端(医生控制台)，100-主操作手，110-静平台，111-支撑主体，111a-避让槽，112-传动支架，113-电机支架，113a-凸台，113b-支架主体，113c-延伸部，120-动平台，122-结合凸起，122a-第三旋转轴，122b-第三轴承，128-缺口，131-支杆连接块，131a-第一轴承，132-第一旋转块，132a-第一连接块，132b-第二连接块，133-第二旋转块，133a-第二轴承，200-支链，210-连接支架，210a-支架连接块，211-电机导轨，212-支杆导轨，220-移动支杆，224-支杆滑块，224a-安装部，225-支杆固定件，230a,230b-转轮，232-传送带/链，300-手柄，310-手柄固定块，400-旋转电机，500-直线驱动组件(直线电机，磁轴电机)，510-动子(滑块)，520-定子(磁轴)，530-第一轴支架，540-第二轴支架，550-电机固定件，560-电机固定板，610-光栅主尺，620-光栅尺读数头，710-主动锥齿轮，720-从动锥齿轮，721-从动齿轮轴，810-旋转支架，820-编码器，830-编码器固定架。

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并联操作臂、主操作手、操控台和机器人时，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遥操作机器人。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操作端的结构示意图。

根据本实用新型的实施例的机器人可包括操作端10、执行端(未示出)和成像设备(未示出)。如图1中所示，操作端10可包括医生控制台，执行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100设置在医生控制台10上，操作者(医生)可通过操作主操作手100来控制执行端的操作，位于执行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100，以在操作端10与执行端之间的建立力学模型。

图2和图3分别示出了根据本实用新型的实施例的主操作手的主体结构和局部结构的示意图。下面参照图2和图3描述根据本实用新型的实施例的主操作手100的具体结构。

根据本实用新型的实施例的主操作手100可包括并联操作臂和手柄300。并联操作臂可包括静平台110、动平台120和连接在静平台110与动平台120之间的至少三条支链200。

此外，并联操作臂还可包括设置在支链200上的驱动组件500。驱动组件500的数量可与支链200的数量对应，并且分别设置在相应的支链200上，以分别用于驱动支链200的伸长或缩短。虽然图2中示出了主操作手100包括并联连接的三条支链且三条支链的结构相同的情形，然而，根据本实用新型的支链不限于三个，而是还可包括更多数量的支链。此外，支链组的结构可彼此不同，例如，在连接到静平台110和动平台120的支链中，可仅一个支链或两个支链具有根据本实用新型的实施例所公开的结构。在下文中，将以主操作手100包括三个彼此相同且并联连接的三个支链为例进行介绍。

根据本实用新型的实施例，并联操作臂可采用3-UPS并联机构实现，即，每条支链200可采用UPS支链实现，使动平台120可具备六个自由度，进而使主操作手100可以实现六自由度的运动和六自由度的力反馈。

参照图2和图3，根据本实用新型的每条支链200可以为UPS支链，例如，每条支链200可通过U副与静平台110连接并且可通过S副与动平台120连接，此外，在每条支链200上可设有移动P副，以使其能够伸长或缩短。其中，U副可通过第一铰接件实现，S副可通过第二铰接件实现，下文中将对第一铰接件和第二铰接件进行详细描述。

根据本实用新型的实施例的主操作手100还可包括驱动组件400。具体而言，驱动组件400可以是安装在静平台110上的旋转驱动组件并且其数量与支链200的数量对应，以分别用于驱动三条支链200转动。在操作者通过手柄300和并联操作臂输入手势和姿态信息后，传感器感测执行端的受力情况，驱动组件400和500可根据传感器感测的信息提供相应的力和/或力矩而将该受力情况通过手柄300反馈至操作者，使操作者的感觉像是手正直接使用器械接触患者的手术部位进行手术。

如图3中所示，根据本实用新型的实施例的每条支链200可包括连接支架210和移动支杆220，连接支架210和移动支杆220均形成为长条形状并且沿同一直线设置。移动支杆220可沿其长度方向相对于连接支架210移动，以使支链200的整体伸长或缩短。驱动组件500可设置在连接支架210上，并且包括与连接支架210固定连接的定子520和与移动支杆220连接的动子510。

此外，连接支架210可包括设置在连接支架210上的铰接支点O，以在铰接支点O处通过第一铰接件铰接到静平台110，从而使得连接支架210可作为支链200的支撑部分通过静平台110支撑连接支架210，驱动组件500的动子510与移动支杆220能够在连接支架210上相对于铰接支点O(即，相对于静平台110)沿相反的方向移动，从而能够动态地平衡每条支链的至少一部分重力。

根据本实用新型的实施例，移动支杆220可通过第二铰接件铰接到动平台120，根据动子510的移动而沿相反的方向移动，进而带动与动平台120连接的手柄300移动，以可将执行组件受到的力或力矩传递给动平台120。或者，移动支杆220可根据从动平台120接收的操作者的操控动作而移动，进而带动动子510沿相反的方向移动，以将操控指令传递到执行端。

根据本实用新型的实施例，设置在每条支链200上的驱动组件500可采用直线驱动组件，例如，可采用直线电机，直线电机可包括能够相对移动的动子和定子，通过将直线电机500的定子设置为与静平台110固定连接并且直线电机500的动子设置为能够沿着支链200的延伸方向移动，从而直线电机500的动子可作为配重块平衡主操作手100的自身重力。

根据本实用新型的实施例，直线电机可以是磁轴电机，在下面的描述中，将以磁轴电机作为直线驱动组件的示例对本实用新型实施例进行详细描述。磁轴电机500可包括作为动子的滑块510和作为定子的磁轴520。

根据本实用新型的实施例，响应于相应支链200的伸长或缩短，磁轴电机500的滑块510可相对于静平台110沿连接支架210向远离动平台120的方向移动，这样，当滑块510运动到相对于手柄300位于铰接支点(支链200与静平台110铰接的位置处)两侧时，滑块510可作为配重块来平衡主操作手100的自身重力。

此外，如图3中所示，连接支架210和移动支杆220可均设置成镂空的形式，以减轻主操作手100的整体重量。

根据本实用新型的实施例，如图2和图3所示，连接支架210可包括支架杆体以及与支架杆体固定连接的支架连接块210a，支架连接块210a可从连接支架210的一侧朝向静平台110延伸，用于将连接支架210与静平台110连接的铰接支点O可形成在支架连接块210a上。可选地，支架连接块210a可具有三角形的板形状，铰接支点O可设置在其一个顶点处，从而可避免支架连接块210a与其他部件发生干涉。然而，支架连接块210a的形状不限于此，也可根据结构的空间排布设置成其他形状。此外，支架连接块210a也可设置成镂空的形式，以进一步减轻整体结构的重量。

根据本实用新型的实施例，铰接支点O可设置在连接支架210的连接到动平台120的第一端部以及第一端部和第二端部之间的任意一点处，其中，移动支杆220能够从连接支架210的第一端部伸出或缩回，第二端部是连接支架210的与第一端部相对的端部。以图3中所示出的方向为例，当在滑块510在从左向右移动的过程中，滑块510的重力相对于铰接支点O的力矩随着靠近铰接支点O逐渐减小，并在运动到铰接支点O处时为0，当滑块510运动到铰接支点O的右侧，该力矩随着远离铰接支点O而逐渐变大，以平衡铰接支点O左侧的结构的重力相对于铰接支点O的力矩。

由此可知，当铰接支点O设置在连接支架210的第二端部时，滑块510最多能够运动到铰接支点O处，无法运动到其右侧来平衡左侧的重力。因此，铰接支点O可设置在连接支架210的除第二端部之外的任意点处。这样，在初始状态下，滑块510可设置在连接支架210的靠近动平台120的第一端部处，这样，当滑块510沿着连接支架210的长度方向移动时，能够跨越铰接支点O运动到连接支架210的远离动平台120的第二端部，以平衡位于铰接支点O左侧的结构的重力。

结合以上描述可知，滑块510作为配重块通过杠杆原理平衡主操作手100的一部分重力，因此，铰接支点O的最优选的设置位置还可取决于支链200的长度、手柄300的运动范围、直线电机的动子(滑块510)的重量等因素。

根据本实用新型的实施例，将连接支架210的连接到动平台120的一端定义为“位置为0的点”，将连接支架210的另一端定义为“位置为1的点”，铰接支点O的位置越靠近第二端部，自重力平衡效果越差，因此，铰接支点O可优选地设置在距第二端部预定距离的位置处，此外，如果铰接支点O设置在第一端部或越靠近第一端部，则静平台110与动平台120的设置可能发生干涉。此外，考虑到支链200的长度、手柄300的运动范围、直线电机的动子(滑块510)的重量等，铰接支点O的位置可优选地位于连接支架210的位置为1/6的点至位置为2/3的点之间的范围内。这样，滑块510在初始状态下可位于连接支架210的位置为0的点，并且可沿着支链200运动到位置为1的点处，以能够最大程度地实现自重力平衡效果。

如图2中所示，磁轴电机500和移动支杆220设置在连接支架210的彼此相对的两个表面上，并通过传动机构将磁轴电机500的滑块510连接到移动支杆220，使得滑块510的移动与移动支杆220的移动彼此关联。

根据本实用新型的实施例，磁轴电机500可包括第一轴支架530和第二轴支架540，第一轴支架530和第二轴支架540安装在连接支架210的第一表面上，并位于连接支架210在长度方向上的两个端部，磁轴520的两端分别安装在第一轴支架530和第二轴支架540上，由此沿着磁轴520滑动的滑块510被安装在连接支架210的第一表面上。其中，第一表面可以是连接支架210的背对静平台110的表面，通过将磁轴电机500设置在第一表面上，能够防止磁轴电机500的滑块510在运动时与静平台110或主操作手100的其他结构发生干涉。

此外，连接支架210的第一表面上可设置有电机导轨211，电机导轨211可位于第一轴支架530和第二轴支架540之间，滑块510的下方可固定有沿着电机导轨211滑动的引导块(未示出)，引导块既能够将滑块510支撑在连接支架210上，又能够引导滑块510在第一轴支架530和第二轴支架540之间移动。然而，本实用新型的实施例不限于此，由于磁轴520本身可起到引导滑块510的移动的作用，因此也可省略设置在连接支架210的第一表面上的电机导轨211。

移动支杆220设置在连接支架210的与第一表面背对的第二表面(即，面对静平台110的表面)上，并且连接支架210的第二表面上可设置有支杆导轨212。根据本实用新型的实施例，移动支杆220的一个端部可铰接到动平台120，另一端部可设置有支杆滑块224，支杆滑块224与滑块510通过传动机构(下文中将描述)联动，能够在滑块510的带动下沿着支杆导轨212移动，进而带动移动支杆220移动。

支杆导轨212和支杆滑块224的结构不受具体限制，只要能够实现支杆滑块224沿着支杆导轨212移动而不脱离支杆导轨212的结构都是可行的。如图3中所示，支杆导轨212可以是附接到连接支架210的长条形板，并且其两侧可形成有导向槽(未示出)，支杆滑块224可紧固到移动支杆220的安装部224a并且可设置有与导向槽相对应的两个滑动突起(未示出)。根据本实用新型的另一实施例，也可在支杆导轨212上设置滑动突起，在支杆滑块224上设置与之对应的导向槽。根据本实用新型的又一实施例，支杆导轨212可以是形成在连接支架210的第二表面中的导向槽，支杆滑块224具有与之匹配的滑动突起。然而，本实用新型不限于此，支杆导轨212和支杆滑块224也可通过其他结构或形式实现。

此外，上文中所提及的支架连接块210a可设置在连接支架210的第二表面的一侧，以避免与支杆导轨212和支杆滑块224干涉。

根据本实用新型的实施例，每条支链200还包括传动结构，传动结构用于将磁轴电机500输出的力传递到移动支杆220。根据本实用新型的实施例的传动结构可为链轮组结构或带轮组结构，其可包括两个转轮230a和230b以及绕转轮230a和230b设置的传送带/链232。转轮230a和230b分别固定到连接支架210的一个侧表面的两个端部，并且它们的转动轴的轴线与连接支架210的侧表面垂直地设置。

根据本实用新型的实施例，滑块510和移动支杆220可分别固定地结合到传送带/链232的两侧。这里，传送带/链232的“两侧”是以连接两个转轮230a和230b的旋转轴的连线为基准而言的。具体地，通过两个转轮230a和230b支撑的传送带/链232被转轮230a和230b分为首尾相连并且移动方向相反的第一段和第二段，第一段位于连接支架210的第一表面所在的一侧，第二段位于连接支架210的第二表面所在的一侧。滑块510与第一段连接，移动支杆220的支杆滑块224与第二段连接。此外，在主操作手100的初始状态下，滑块510可以位于支链200的靠近动平台120的端部，支杆滑块224位于支链200的远离动平台120的端部。这样，在传送带/链232运动时，滑块510能够与移动支杆220沿相反的方向移动。

以图3中所示的方向为例，当滑块510通过电机固定件550带动传送带/链232的上侧向右移动时，传送带/链232将带动支杆固定件225沿着支杆导轨212向左移动，使得滑块510能够与带动移动支杆220同步移动。因此，根据本实用新型的实施例的主操作手100在为操作者输出反馈力时，磁轴电机500的滑块510可充当配重块平衡支链200两端的部分重力，操作者在操作手柄300时，存在部分自重力动态平衡的效果，减少电机补偿重力需要输出的扭矩。

此外，根据本实用新型的实施例，磁轴电机500的滑块510上可设置有与其固定结合的电机固定件550，移动支杆220上可设置有与其固定结合的支杆固定件225，电机固定件550和支杆固定件225分别将滑块510和移动支杆220固定连接到传送带/链232的两侧，以实现滑块510和移动支杆220彼此关联地沿相反方向的移动。根据本实用新型的实施例，电机固定件550的结构不受限制，只要其能够将滑块510固定到传送带/链232即可。支杆固定件225的结构也不受限制，只要其能够将移动支杆220固定到传送带/链232即可。

根据本实用新型的实施例，每条支链200上还可设置有位移传感器。为了精准地测量磁轴电机500的滑块510的位移信息，根据本实用新型的位移传感器可使用光栅尺传感器。

如图3中所示，光栅尺传感器可包括光栅主尺610和光栅尺读数头620，光栅主尺610可安装在连接支架210的一侧，光栅尺读数头620固定地结合到磁轴电机500的滑块510上。当滑块510沿着磁轴520移动时，光栅尺读数头620与磁轴电机500的滑块510同步运动，从而能够检测到磁轴电机500的位移信息。

根据本实用新型的实施例，为了将光栅尺读数头620固定地结合到滑块510，可设置电机固定板560，可通过将电机固定板560紧固到滑块510和光栅尺读数头620两者而使它们彼此固定连接。因此，根据本实用新型的电机固定板560的结构不受具体限制，只要能够实现上述功能即可。

图4示出了根据本实用新型的实施例的静平台110及相关结构的立体示意图。图5示出了根据本实用新型的实施例的静平台的立体示意图。图6示出了支链的运动范围的示意图。图7示出了根据本实用新型的实施例的三个旋转驱动组件(例如，旋转电机400)相对于三个铰接支点O的位置关系的布置示意图。

如上所述，每条支链200通过支架连接块210a铰接到静平台110，以铰接支点O为顶点相对于静平台110转动，并且旋转电机400用于驱动支链200的转动。如图6所示，每条支链200的运动范围为：以铰接支点O为顶点，以支链200为母线围成的两个顶头圆锥体。

在这种情况下，如果旋转电机400靠近支链200设置，当操作者操作主操作手100时，则旋转电机400与支链200之间可能发生干涉。如果旋转电机400选用体积较小的电机，则有可能达不到输出转矩的要求。

因此，根据本实用新型的实施例，旋转电机400沿圆周方向设置在相邻的两个铰接支点O之间，使支链200的位置与旋转电机400的位置错开，能够在满足转矩要求的同时不与支链发生干涉。优选地，三个旋转电机400在静平台110上以等间隔布置，即，三个旋转电机400呈120°的角度布置。

参照图7，S₁、S₂、S₃分别表示三条支链200与静平台110铰接的第一铰接件，M₁、M₂、M₃分别表示驱动三条支链200的三个旋转电机400。根据支链200的运动范围可知，三个铰接支点所围成的圆周的区域是支链200无法运动到的区域，当在该区域内设置旋转电机400时，不容易与支链200发生干涉，可以增大支链200的活动范围。因此，根据本实用新型的实施例的旋转电机400沿圆周方向与三个铰接支点O共面地设置在相邻的两个铰接支点O之间。

需要注意的是，虽然图7中示出了三个第一铰接件S₁、S₂、S₃所围成的圆与三个旋转电机M₁、M₂、M₃所围成的圆共面的情形，但由于旋转电机400的在该圆的轴向方向上的尺寸大于铰接支点O在轴向方向的尺寸，因此上文中所提及的“与三个铰接支点O共面”并非是指旋转电机400与三个铰接支点O严格共面，而是只要大致共面不与支链200发生干涉即可。

另外，“沿圆周方向设置在相邻的两个铰接支点O之间”并不意味着旋转电机400的设置位置与铰接支点O共圆设置，而是指在三个铰接支点O所围成的圆中，旋转电机400位于两个铰接支点O与圆的中心点的连线所围成的扇形区域之内，并且可优选地设置在距离两个铰接支点O大致相等的位置处，以最大程度地避免与支链200发生干涉。

然而，根据本实用新型的实施例，由于旋转电机400设置在第一铰接件的在圆周方向上的一侧，其输出的扭矩无法直接传递到第一铰接件，因此，旋转电机400与铰接支点O的距离还取决于旋转电机400与第一铰接件之间设置的传动结构。

如图7所示，根据本实用新型的实施例，旋转电机400与相应的第一铰接件可通过锥齿轮组连接并传动。参照图4和图7，锥齿轮组可包括彼此啮合的主动锥齿轮710和从动锥齿轮720，旋转电机400的输出轴与主动锥齿轮710的主动齿轮轴固定连接，第一铰接件的转轴(如后文中所提及的能够使第一铰接件绕第二轴线L2(参见图4)旋转的部分)与从动锥齿轮720的从动齿轮轴721固定连接，从而旋转电机400输出的转矩可被传递到第一铰接件。

因此，根据本实用新型的实施例，可通过锥齿轮组的传动比以及主动锥齿轮710和从动锥齿轮720的尺寸来确定每个旋转电机相对于对应的第一铰接件的设置位置。如图7中所示，根据本实用新型的实施例的传动比大于1，主动锥齿轮710的尺寸小于从动锥齿轮720的尺寸，因此相对于彼此相邻的两个第一铰接件，旋转电机400可设置为更加靠近其所驱动的第一铰接件。但本实用新型不限于此，也可根据需求，选择其他传动比和其他尺寸的主动锥齿轮710和从动锥齿轮720，由此调整旋转电机400的位置。此外，根据本实用新型的实施例，通过使用传动比大于1的锥齿轮组，能够增大扭矩，提高旋转电机400的输出功率或扭矩。

返回参照图4，根据本实用新型的第一铰接件可包括旋转支架810。旋转支架810的第一端可设置有朝向连接支架210的支架连接块210a延伸并结合到支架连接块210a的孔(即，铰接支点O的位置处的孔)的旋转支架转轴(未示出)，旋转支架转轴可通过轴承(未示出)安装在支架连接块210a的孔中，以使连接支架210能够绕旋转支架转轴(即，第一轴线L1)相对于旋转支架810转动。旋转支架810的第二端可以可转动地结合到静平台110，以使旋转支架810能够绕第二轴线L2相对于静平台110转动。这里，第一轴线L1沿垂直于支链200的侧表面(与连接支架210的第一表面和第二表面垂直的表面)的方向设置，第二轴线L2垂直于第一轴线L1且垂直于运动支架的长度方向设置。

根据本实用新型的实施例，静平台110可包括支撑主体111、传动支架112和电机支架113。静平台110的主要支撑作用可由支撑主体111实现，传动支架112可用于支撑和安装从动锥齿轮720和旋转支架810，电机支架113可用于支撑和安装旋转电机400和主动锥齿轮710。

传动支架112可以以120°的间隔围绕支撑主体111的侧表面布置，并且传动支架112可大体具有L形形状，其一端固定地结合到支撑主体111的一个表面，以与支撑主体111的侧表面形成大致U形的容纳空间，可将从动锥齿轮720容纳在该容纳空间中。如图5中所示，传动支架112上形成有容纳孔112a，用于安装从动锥齿轮720的从动齿轮轴721。

电机支架113可包括从支撑主体111向外延伸的凸台113a以及安装在凸台113a上的支架主体113b，支架主体113b可呈板状，旋转电机400可通过紧固件(未示出)结合到支架主体113b。支架主体113b上还可设置有第一安装孔113d，以用于安装并支撑旋转电机400的输出轴。此外，支架主体113b与支撑主体111的侧表面间隔开，从而与之形成容纳空间，主动锥齿轮710可设置在该容纳空间中。

然而，根据本实用新型的传动支架112和电机支架113的结构不限于此，例如，如图4和图5中所示，为了提高支架主体113b的强度且便于电机支架113的安装，电机支架113还可包括从支架主体113b的一端沿平行于凸台113a的方向延伸的延伸部113c。

根据本实用新型的实施例，支撑主体111可具有六边形的截面形状，并且其截面面积可在朝向动平台120的方向上渐缩，以与初始状态下的支链200的延伸方向平行，避免与支链200发生干涉。即，支撑主体111可包括六个侧表面，且每个侧表面可呈梯形。三个旋转支架810和三个旋转电机400可分别设置在该六个侧表面上。

结合图4和图5，从动锥齿轮720可位于传动支架112与支撑主体111的六个侧表面中的一个侧表面所形成的容纳空间中，并且从动锥齿轮720的从动齿轮轴721的两端可分别通过轴承(未示出)安装在支撑主体111和传动支架112上，以通过与主动锥齿轮710的啮合而旋转。

旋转支架810的第二端固定地结合到从动锥齿轮720，因而旋转支架810的第二端也被传动支架112可旋转地支撑，因此，旋转支架810可接收来自从动锥齿轮720的转矩而绕第二轴线L2转动。

根据本实用新型的实施例，主动锥齿轮710的主动齿轮轴(未示出)与从动锥齿轮720的从动齿轮轴721彼此垂直，而主动锥齿轮710所面对的支撑主体111的侧表面与从动锥齿轮720所面对的支撑主体111的侧表面不是彼此垂直的，因此，为了在使其与从动锥齿轮720啮合的情况下将主动锥齿轮710安装在静平台110上，可在支撑主体111的面对支架主体113b的表面上形成避让槽111a，以增大支撑主体111与电机支架113的支架主体113b之间的容纳空间，从而实现主动锥齿轮710的安装。

根据本实用新型的实施例，主动锥齿轮710的动齿轮轴的两端可分别通过轴承(未示出)安装在支撑主体111的避让槽111a和电机支架的支架主体113b上，以根据旋转电机400输出的转矩而旋转，进而带动从动锥齿轮720旋转。

因此，通过上述布置，旋转电机400输出的转矩可依次被传递到主动锥齿轮710、从动锥齿轮720、旋转支架810和支链200。

另外，如图4和图5所示，为了减轻主操作手100的重量，静平台110的支撑主体111的中心可设置成镂空形式，例如，如图所示，支撑主体111的中心可形成减重孔/槽111b。

再次参照图4，根据本实用新型的实施例的主操作手100还包括用于感测支链200相对于第一轴线L1的摆动角度的检测装置，例如，编码器820。

编码器820可通过编码器固定架830固定地安装在旋转支架810一侧，并且编码器820可与设置在旋转支架810的第一端处的轴承同轴地设置，以记录支链200的摆动角度信息。当操作者通过移动手柄300带动支链200移动时，编码器820可采集支链的摆动角度。

图8示出了根据本实用新型的实施例的手柄300与动平台120之间的结合结构，图9示出了第二铰接件的结构示意图，图10示出了动平台的结构示意图。

参照图8、图9和图10，根据本实用新型的动平台120整体可具有圆环形状，三个第二铰接件可以以彼此间隔120°的角度连接到动平台120。根据本实用新型的实施例，每个第二铰接件可包括支杆连接块131、第一旋转块132和第二旋转块133，以使每条支链相对于动平台120能够实现彼此垂直的三个方向上的转动。

支杆连接块131的一端(图8中所示的支杆连接块131的下端)可通过紧固件(未示出)被固定地结合到移动支杆220，另一端(图8中所示的支杆连接块131的上端)可设置有与移动支杆220的长度方向平行的第一旋转轴(未示出)。

第一旋转块132可包括第一连接块132a和第二连接块132b，第一连接块132a设置有容纳支杆连接块131的第一旋转轴的孔，第一旋转轴可通过第一轴承131a安装在第一连接块132a的孔中，以使第一旋转块132能够绕第一旋转轴相对于支杆连接块131旋转。第二连接块132b可从第一连接块132a沿与第一连接块132a大致垂直的方向延伸并且可设置有用于容纳第二旋转块133的孔。

第二旋转块133的一端(图8中所示的第二旋转块133的下端)可设置有与第一旋转轴垂直的第二旋转轴，第二旋转轴可通过第二轴承133a安装在形成于第二连接块132b的孔中，以使第二旋转块133可绕第二旋转轴旋转。第二旋转块133的另一端(图8中所示的第二旋转块133的上端)可设置有容纳孔，以用于容纳动平台120上的第三旋转轴122a。

结合图8至图10，动平台120可包括从动平台120的圆环形主体向外突出的结合凸起122，结合凸起122可包括与第一旋转轴和第二旋转轴均垂直的第三旋转轴122a。第三旋转轴122a可沿动平台120的切线方向延伸并且可通过第三轴承122b安装在第二旋转块133的容纳孔中，以使动平台120可绕第三旋转轴122a旋转。

根据上面描述的第二铰接件的结构，动平台120上的每个第三旋转轴122a可实现三个方向上的转动，例如，可实现分别绕图8中所示的旋转轴线a₁、a₂和a₃的旋转。然而，第二铰接件的结构不限于此，能够实现S副的任何结构都是可行的。

此外，根据本实用新型的实施例，如图8和图9中所示，圆环形的动平台120可形成有缺口128，缺口128可形成在相邻的两个结合凸起122之间，手柄300可通过手柄固定块310紧固到与缺口128相邻的位置处，这样，在操作者在持握手柄300时，可在该缺口处随意活动手指，使得动平台120的设计满足人体工学要求。

图11和图12分别示出了根据本实用新型的主操作手的初始状态和一个工作状态的示意图。

根据本实用新型的主操作手100的初始状态如图11所示，当操作者操作手柄300，使手柄300带动动平台120移动的同时转动时，动平台120可位于如图11所示的位置处。下面将参照图11和图12中的方向和方位对根据本实用新型的主操作手100的操作及相关运动进行描述。

结合图11和图12，在上述操作中，支链200发生了沿其长度方向的移动(移动支杆220相对于连接支架210发生了移动)，还发生了绕旋转电机400的输出轴的转动(严格地说，绕从动锥齿轮720的从动齿轮轴721的转动)以及相对于铰接支点O的摆动。动平台120通过第二铰接件带动移动支杆220向左移动，移动支杆220带动传送带/链232移动，传送带/链232带动磁轴电机500的滑块510向右移动，滑块510同时带动光栅尺读数头620在光栅主尺610上读取滑块510的位移量，即，移动支杆220的移动量。支链200通过锥齿轮组带动旋转电机400的输出轴发生转动，旋转电机400的转角即为支链200的转动量。支架连接块210a绕旋转支架转轴转动，编码器820记录旋转支架转轴的转角，即，支链200的摆动量。通过记录移动支杆220的移动量、支链200的转动量和摆动量，可获得动平台120在空间中的相应位置信息，以实现主操作手100的动作在从动端上的复现。

从动端的器械进入人体或对人体组织实施手术操作的过程中会遇到阻力，控制中心将从动端受到的环境力/力矩反馈给操作者，具体方式为：控制中心控制旋转电机400输出相应的转矩，控制中心控制磁轴电机500，使滑块510在磁轴520上滑动至对应的位置，三条支链200分别发生相应的伸缩、转动和摆动，以共同带动动平台120移动，操作者能根据感受的阻力调节手柄300的移动方向与速度，从而使手术产生更真实的力反馈，有效降低手术风险，提高手术成功率。

在上述过程中，磁轴电机500的滑块510从静平台110的一侧运动到另一侧，从而能够利用杠杆原理平衡至少一部分重力。

根据本实用新型的实施例，与手柄固定连接的动平台采用具有缺口的圆环形结构，使操作者在操作手柄时能够随意活动手指，提高了用户体验。

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 (18)

1.一种并联操作臂，其特征在于，所述并联操作臂包括静平台(110)、动平台(120)以及分别连接到所述动平台(120)和所述静平台(110)的至少三条支链(200)，

所述并联操作臂还包括设置在所述静平台(110)上的用于驱动相应的支链(200)旋转的至少三个旋转驱动组件，

其中，所述旋转驱动组件沿圆周方向设置在相邻的两个铰接支点(O)之间，所述圆周方向是所述至少三条支链(200)与所述静平台(110)的铰接支点(O)所围成的圆的圆周方向。

2.根据权利要求1所述的并联操作臂，其特征在于，所述旋转驱动组件与支链(200)之间设有用于改变所述旋转驱动组件力矩输出方向的传动组件。

3.根据权利要求2所述的并联操作臂，其特征在于，所述旋转驱动组件能够输出围绕第一旋转轴的第一旋转驱动力，所述传动组件能够将所述第一旋转驱动力转换为绕第二旋转轴的第二旋转驱动力，所述支链(200)从所述传动组件上接收所述第二旋转驱动力，所述第一旋转轴和所述第二旋转轴交叉设置。

4.根据权利要求2所述的并联操作臂，其特征在于，所述传动组件和所述旋转驱动组件围绕所述静平台(110)布置，并与至少三个铰接支点(O)大致共面设置。

5.根据权利要求2所述的并联操作臂，其特征在于，所述静平台(110)包括支撑主体(111)、围绕所述支撑主体(111)设置的传动支架(112)和电机支架(113)，

其中，所述传动组件安装在所述支撑主体(111)与所述传动支架(112)以及所述支撑主体(111)与所述电机支架(113)之间。

6.根据权利要求5所述的并联操作臂，其特征在于，所述并联操作臂包括三条支链(200)，所述至少三个旋转驱动组件包括三个旋转电机，

其中，所述三条支链(200)以120°的间隔通过传动支架(112)围绕所述支撑主体(111)安装，所述三个旋转电机以120°的间隔通过电机支架(113)分别安装在相邻的两条支链(200)之间。

7.根据权利要求6所述的并联操作臂，其特征在于，至少一个所述旋转电机(400)的输出轴垂直于所述圆的圆心与相应的支链(200)的铰接支点(O)的连线，

所述传动组件为锥齿轮组，所述锥齿轮组包括一对轴线垂直设置的锥齿轮，用于将所述至少一个所述旋转电机(400)输出的第一旋转驱动力转换为与所述第一旋转驱动力垂直的第二旋转驱动力。

8.根据权利要求7所述的并联操作臂，其特征在于，所述锥齿轮组包括主动锥齿轮(710)和从动锥齿轮(720)，

其中，所述电机支架(113)与所述支撑主体(111)的侧表面的一部分形成用于容纳所述主动锥齿轮(710)第一容纳空间，以通过轴承将所述主动锥齿轮(710)的主动齿轮轴的两端分别支撑在所述电机支架(113)和所述支撑主体(111)上，

所述传动支架(112)与所述支撑主体(111)的侧表面的一部分形成用于容纳所述从动锥齿轮(720)的第二容纳空间，以通过轴承将所述从动锥齿轮(720)的从动齿轮轴(721)的两端分别支撑在所述传动支架(112)和所述支撑主体(111)上。

9.根据权利要求7所述并联操作臂，其特征在于，所述锥齿轮组的传动比大于1。

10.根据权利要求5所述的并联操作臂，其特征在于，所述支撑主体(111)整体具有朝向所述动平台(120)渐缩的截面形状。

11.根据权利要求8所述的并联操作臂，其特征在于，所述支撑主体(111)的在面对所述电机支架(113)的区域设置有避让槽(111a)，所述第一容纳空间包括所述避让槽(111a)。

12.根据权利要求11所述的并联操作臂，其特征在于，所述支链(200)通过第一铰接件连接到所述静平台(110)，

其中，所述旋转电机(400)的输出轴固定地连接到所述主动锥齿轮(710)的主动齿轮轴，所述从动锥齿轮(720)的从动齿轮轴(721)固定地连接到所述第一铰接件。

13.根据权利要求1-12中任意一项所述并联操作臂，其特征在于，所述铰接支点(O)设置在每条支链(200)的两个端点之间的位置处。

14.根据权利要求1-12中任意一项所述并联操作臂，其特征在于，所述静平台(110)中央形成有孔或槽，以被设置成镂空的形式。

15.一种主操作手，其特征在于，所述主操作手(100)包括：

如权利要求1-14中任意一项所述的并联操作臂；以及

手柄(300)，所述手柄安装在所述动平台(120)上。

16.一种操控台，其特征在于，所述操控台包括如权利要求15所述的主操作手。

17.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括根据权利要求16所述的操控台。

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。