本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于微創(chuàng)傷手術(shù)用的機械臂。

背景技術(shù)：

微創(chuàng)傷手術(shù)是一種利用微小通道進行手術(shù)治療的介入方法，其采用相應的微創(chuàng)傷手術(shù)器械，可達到與傳統(tǒng)手術(shù)一樣或更佳的療效。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，微創(chuàng)傷手術(shù)具有創(chuàng)傷小、出血少、恢復快等特點，已成為當代醫(yī)療技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

作為微創(chuàng)傷手術(shù)的一個部分，利用微創(chuàng)傷手術(shù)機器人進行的手術(shù)，相較于一般的微創(chuàng)傷手術(shù)而言，醫(yī)生的手術(shù)壓力小、手術(shù)操作更精準、且手術(shù)操作也更為靈活。因此，微創(chuàng)傷手術(shù)機器人的發(fā)展也越加迅猛。

微創(chuàng)傷手術(shù)機器人不同于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人，其對運動精度、運動空間、運動方式都具有較高的要求。微創(chuàng)傷手術(shù)機器人的主要實現(xiàn)方式為：術(shù)前定位和術(shù)中控制。術(shù)前定位是指手術(shù)開始前，對手術(shù)機器人和患者之間的位置做調(diào)整；術(shù)中控制是指手術(shù)過程中的實時操作及控制。任何手術(shù)機器人在進行手術(shù)之前都需要通過機械臂對手術(shù)器械進行位置的調(diào)整，調(diào)整的效果會直接影響到手術(shù)是否可順利進行。

然而，目前的微創(chuàng)傷手術(shù)機器人的機械臂仍存在著一定的缺陷。具體地說，現(xiàn)有的機械臂往往結(jié)構(gòu)復雜，外形尺寸龐大，操作便捷性差，此主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)現(xiàn)有機械臂采用的水平運動多采用多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的方式來實現(xiàn)，即以多個相互疊加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來代替水平移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)水平方向的運動，并以多個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個豎直移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)機械臂的空間運動。這樣的設(shè)置，一方面擴大了機械臂的外形尺寸，增加了機械臂的質(zhì)量，繼而造成醫(yī)療手術(shù)機器人整體質(zhì)量的增加，此不符合醫(yī)療手術(shù)機器人簡潔化、輕量化的需求；另一方面疊加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)增加了結(jié)構(gòu)的復雜度，同時也降低了運動控制的精度，而且由于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動過程中會產(chǎn)生額外方向的位移，造成過多不必要的運動調(diào)整，操作繁瑣。

(2)工業(yè)機械臂的各個關(guān)節(jié)驅(qū)動大多采用電機驅(qū)動，這樣方便控制與操作，但是在醫(yī)療機器人行業(yè)，機械臂的各個關(guān)節(jié)較少采用電機作為驅(qū)動，因為在手術(shù)過程中，機械臂通常需要處于“鎖死”狀態(tài)，而電機會存在一定的故障風險。因而，醫(yī)療手術(shù)機器人上機械臂多采用人工施力操作，以確保機械臂的可靠性。然而，人工施力最大的問題在于豎直移動機械臂時，需要克服機械臂前端所懸掛的其他結(jié)構(gòu)的重力。目前的做法是將豎直移動關(guān)節(jié)置于機械臂的后端，并采用重物去平衡重力，但是這樣會較大增加手術(shù)機器人的質(zhì)量，同時豎直調(diào)整的精度也難以得到保證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種手術(shù)機器人及其機械臂，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的機械臂結(jié)構(gòu)復雜、外形尺寸龐大、操作便捷性差等中的一個或者多個問題。

為實現(xiàn)上述目的以及其它相關(guān)目的，本發(fā)明提供了一種機械臂，包括：

豎直移動關(guān)節(jié)，包括連接器，所述豎直移動關(guān)節(jié)用以驅(qū)動與連接器連接的外部構(gòu)件沿豎直方向運動；

第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，包括第一轉(zhuǎn)軸以及套設(shè)于所述第一轉(zhuǎn)軸上的第一外筒，所述第一外筒可繞所述第一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；

連接臂，分別連接所述第一外筒和豎直移動關(guān)節(jié)；以及

水平移動關(guān)節(jié)，連接所述第一轉(zhuǎn)軸，并用以驅(qū)動第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)沿水平方向運動。

優(yōu)選地，所述機械臂還包括第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，包括第二轉(zhuǎn)軸以及套設(shè)于所述第二轉(zhuǎn)軸上的第二外筒，所述第二外筒和第二轉(zhuǎn)軸可相對轉(zhuǎn)動；所述連接臂分別連接所述第一外筒和第二外筒；所述豎直移動關(guān)節(jié)連接所述第二轉(zhuǎn)軸；所述第二轉(zhuǎn)軸平行于第一轉(zhuǎn)軸。

優(yōu)選地，所述機械臂還包括設(shè)置于所述連接臂的重力平衡機構(gòu)，所述重力平衡機構(gòu)連接所述豎直移動關(guān)節(jié)，用以配平所述外部構(gòu)件和連接器的重量。

優(yōu)選地，所述連接臂具有內(nèi)腔，所述重力平衡機構(gòu)置于所述內(nèi)腔中。

優(yōu)選地，所述重力平衡機構(gòu)包括恒力彈簧、彈簧接頭、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)；所述恒力彈簧的一端連接所述連接臂，所述恒力彈簧的另一端連接所述彈簧接頭的一端，所述彈簧接頭的另一端連接所述柔性結(jié)構(gòu)的一端，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)分布在所述連接臂的內(nèi)腔和/或豎直移動關(guān)節(jié)上，用以改變所述柔性結(jié)構(gòu)的延伸方向；所述柔性結(jié)構(gòu)延伸經(jīng)過所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向后另一端與所述豎直移動機構(gòu)的連接器的上端連接。

優(yōu)選地，所述重力平衡機構(gòu)還包括水平放置的滑動槽，所述彈簧接頭設(shè)置于所述滑動槽中，以限定所述彈簧接頭的運動方向。

優(yōu)選地，所述重力平衡機構(gòu)還包括一個比例輪，所述比例輪包括同軸安裝且同步轉(zhuǎn)動的內(nèi)輪和外輪；所述柔性結(jié)構(gòu)包括第一柔性結(jié)構(gòu)和第二柔性結(jié)構(gòu)；所述第一柔性結(jié)構(gòu)包括第一端部、自所述第一端部延伸的第一本體、以及與所述第一本體連接的第二端部，所述第一端部連接所述彈簧接頭的另一端，所述第二端部與所述內(nèi)輪連接；所述第二柔性結(jié)構(gòu)包括第一延伸部、第二本體以及第二延伸部，所述第二本體包括第三端部和第四端部，所述第二本體圍繞所述外輪的外圍并至少部分與所述外輪的外圍固連，所述第二本體的第三端部圍繞所述外輪的方向與第一柔性體圍繞所述內(nèi)輪的方向相反，所述第一延伸部與第二本體的第三端部連接后，經(jīng)過所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向，然后與所述豎直移動關(guān)節(jié)的連接器的上端連接，所述第二延伸部與第二本體的第四端部連接后，經(jīng)過所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向，然后與所述豎直移動關(guān)節(jié)的連接器的下端連接，且所述第一延伸部和第二延伸部被配置為當連接器移動時，所述第一延伸部和第二延伸部的位移變化量相等。

優(yōu)選地，除所述連接器，所述豎直移動關(guān)節(jié)還包括底座、固設(shè)于所述底座上的豎直導軌；所述底座之背面與所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之連接轉(zhuǎn)軸連接，所述豎直導軌沿豎直方向固設(shè)于所述底座之正面上，所述連接器滑動設(shè)置于所述豎直導軌上。

優(yōu)選地，所述底座之背面具有與所述第二外筒的外周面相配合的表面。

優(yōu)選地，所述底座之背面上設(shè)置有一凹槽，所述豎直移動關(guān)節(jié)通過所述凹槽與所述第二轉(zhuǎn)軸連接。

優(yōu)選地，所述底座為一套筒結(jié)構(gòu)，所述豎直導軌設(shè)置于所述底座中。

優(yōu)選地，所述機械臂還包括至少一個制動器；所述制動器設(shè)置于所述第一外筒和/或第二外筒內(nèi)，并圍繞所述第一轉(zhuǎn)軸和/或第二轉(zhuǎn)軸，用以將所述第一外筒和/或第二外筒鎖接在對應的轉(zhuǎn)軸上而靜止。

優(yōu)選地，所述水平移動關(guān)節(jié)包括N個上下堆疊的水平移動模塊，N為大于或等于2的自然數(shù)；其中：

第一個水平移動模塊與外部固定架連接，其余水平移動模塊用以沿水平方向運動；所述第一轉(zhuǎn)軸與第N個水平移動模塊連接；所述第一個水平移動模塊位于底層，所述第N個水平移動模塊位于頂層；并且：

其中，第m個水平移動模塊滑動連接第m-1個水平移動模塊，以使第m個水平移動模塊可在第m-1個水平移動模塊上滑動，m為2至N中的所有自然數(shù)。

優(yōu)選地，每個水平移動模塊均包括一底塊，而且，第m-1個水平移動模塊還包括固設(shè)于其底塊上的水平導軌、以及滑動設(shè)置于所述水平導軌上的滑塊，第m-1個水平移動模塊之滑塊與第m個水平移動模塊之底塊連接。

優(yōu)選地，所述水平移動模塊的數(shù)量為三個，分別是第一水平移動模塊、第二水平移動模塊和第三水平移動模塊；

所述第一水平移動模塊固設(shè)于手術(shù)機器人的基座上，并包括第一底塊、固設(shè)于所述第一底塊上的第一水平導軌、以及滑動設(shè)置于所述第一水平導軌上的第一滑塊；

所述第二水平移動模塊包括固設(shè)于所述第一滑塊上的第二底塊、固設(shè)于所述第二底塊上的第二水平導軌、以及滑動設(shè)置于所述第二水平導軌上的第二滑塊；所述第三水平移動模塊包括固設(shè)于所述第二滑塊上的第三底塊，所述第一轉(zhuǎn)軸連接所述第三底塊。

優(yōu)選地，所述機械臂還包括設(shè)置于所述第N個水平移動模塊上的制動器，并還包括第三柔性結(jié)構(gòu)；所述第三柔性結(jié)構(gòu)包括第三延伸部、第三本體以及第四延伸部，所述第三本體包括第五端部和第六端部，所述第三本體圍繞并部分固連所述制動器，所述第三延伸部與第三本體的第五端部連接后，延伸經(jīng)過轉(zhuǎn)向，與第一底塊的一端連接，所述第四延伸部與第三本體的第六端部連接后，延伸經(jīng)過轉(zhuǎn)向，與第一底塊的另一端連接，所述第三延伸部和第四延伸部被布置為當水平移動關(guān)節(jié)移動時，所述第三延伸部和第四延伸部的位移變化量相等。

為實現(xiàn)上述目的以及其它相關(guān)目的，本發(fā)明還提供了一種手術(shù)機器人，包括如上任一項所述的機械臂。

綜上所述，本發(fā)明所提供的手術(shù)機器人及其機械臂，具有以下有益效果：

1、本發(fā)明通過一個水平移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)機械臂的水平運動，并通過一個豎直移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)機械臂的豎直運動，由于關(guān)節(jié)數(shù)量少，結(jié)構(gòu)關(guān)系簡化，故而縮小了機械臂的外形尺寸，降低了機械臂的整體質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)簡化的同時，運動控制精度得到了提高，且不會產(chǎn)生額外的運動位移，操作更為簡便；

2、本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之外筒分別套設(shè)在平行設(shè)置的轉(zhuǎn)軸上，并均可與對應轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動，這樣可以實現(xiàn)機械臂的冗余調(diào)整；

3、本發(fā)明還設(shè)置有用以配平豎直移動關(guān)節(jié)上懸掛的外部機構(gòu)以及連接器的重力平衡機構(gòu)，且所述重力平衡機構(gòu)設(shè)置于連接臂中，在實現(xiàn)自身功能且不影響其他機構(gòu)的情況下，合理的利用了內(nèi)部空間，有效縮減了機械臂的外形尺寸，而且也不會增加豎直移動關(guān)節(jié)的質(zhì)量，確保了豎直調(diào)整精度；

4、本發(fā)明的豎直移動關(guān)節(jié)之底座具有與第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的外周面配合的背面，這樣可使所述豎直移動關(guān)節(jié)緊貼第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，增強了結(jié)構(gòu)的緊湊性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例的機械臂的整體示意圖；

圖2是圖1所示的機械臂的各個關(guān)節(jié)的運動方向示意圖；

圖3是本發(fā)明一實施例的第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的內(nèi)部視圖；

圖4是本發(fā)明一實施例的豎直移動關(guān)節(jié)的正面視圖；

圖5是本發(fā)明一實施例的豎直移動關(guān)節(jié)的背面視圖；

圖6是本發(fā)明一實施例的重力平衡機構(gòu)的示意圖；

圖7是本發(fā)明一實施例的重力平衡機構(gòu)的原理圖；

圖8是本發(fā)明一實施例的另一重力平衡機構(gòu)的原理圖；

圖9是本發(fā)明一實施例的水平移動關(guān)節(jié)的示意圖；

圖10是圖9所示的水平移動關(guān)節(jié)的原理圖；

圖11是本發(fā)明一實施例的豎直移動關(guān)節(jié)之底座采用套筒的示意圖。

圖中的附圖標記說明如下：

1-水平移動關(guān)節(jié)；101-第一底塊；102-第一水平導軌；103-第一滑塊；104-第二底塊；105-第二水平導軌；106-第二滑塊；107-第三底塊；2-第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；3-連接臂；4-第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；5-豎直移動關(guān)節(jié)；501-底座；502-豎直導軌；503-連接器；504-凹槽；6-第一轉(zhuǎn)軸；7-第二轉(zhuǎn)軸；8-連接軸；9-第一制動器；10-第二制動器；11-第三制動器；1201-恒力彈簧；1202-彈簧接頭；1203-滑動槽；1204-比例輪；13-第四制動器。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特征更加清楚，以下結(jié)合附圖1～11對本發(fā)明提出的手術(shù)機器人及其機械臂作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

圖1是本發(fā)明一實施例的機械臂的整體示意圖，圖2是圖1所示的機械臂的各個關(guān)節(jié)的運動方向示意圖。

如圖1～2所示，一種機械臂，適用于一手術(shù)機器人，尤其是微創(chuàng)傷手術(shù)機器人，特別是微創(chuàng)傷手術(shù)機器人的病人端，其可實現(xiàn)空間運動，包括：水平移動關(guān)節(jié)1、第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2、連接臂3、第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4和豎直移動關(guān)節(jié)5；所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2包括第一轉(zhuǎn)軸6以及套設(shè)于第一轉(zhuǎn)軸6上的第一外筒，所述第一外筒可繞第一轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動；所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4包括第二轉(zhuǎn)軸7以及套設(shè)于第二轉(zhuǎn)軸7上的第二外筒，且所述第二外筒和第二轉(zhuǎn)軸7可相對轉(zhuǎn)動；所述連接臂3的一端連接所述第一外筒，另一端連接所述第二外筒；所述豎直移動關(guān)節(jié)5連接第二轉(zhuǎn)軸7；所述第一轉(zhuǎn)軸6的一端連接水平移動關(guān)節(jié)1(優(yōu)選垂直固連于水平移動關(guān)節(jié)1)；其中：所述水平移動關(guān)節(jié)1用以驅(qū)動第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2沿水平方向運動，所述豎直移動關(guān)節(jié)5包括連接器503，所述豎直移動關(guān)節(jié)5用以驅(qū)動與連接器503連接的外部構(gòu)件(例如手術(shù)器械等)沿豎直方向運動，并且，所述第一轉(zhuǎn)軸6平行于第二轉(zhuǎn)軸7。使用時，所述水平移動關(guān)節(jié)1可連接手術(shù)機器人上的固定架，并相對于所述固定架運動。

本發(fā)明通過一個水平移動關(guān)節(jié)1，實現(xiàn)機械臂的水平運動，并通過一個豎直移動關(guān)節(jié)，實現(xiàn)機械臂的豎直方向運動，由于關(guān)節(jié)數(shù)量少，結(jié)構(gòu)關(guān)系簡化，故而縮小了機械臂的外形尺寸，降低了機械臂的整體質(zhì)量，這樣符合醫(yī)療機器人簡潔化、輕量化的需求；而且，在結(jié)構(gòu)簡化的同時，運動控制精度得到了提高，且不會產(chǎn)生由于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)引起的額外方向的位移，因此，簡化了操作過程。

需要說明的是，上述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的數(shù)量不局限于兩個，在一實施例中(未圖示)，所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的數(shù)量可以為一個，即所述機械臂僅包括一個第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2，此時，所述連接臂3的一端連接第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2之第一外筒，另一端連接豎直移動關(guān)節(jié)5，而豎直移動關(guān)節(jié)5直接在連接臂3的帶動下水平移動和/或轉(zhuǎn)動，且其余結(jié)構(gòu)與具有兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的機械臂相同，這樣也可實現(xiàn)機械臂的空間運動，當然，也可取得上述有益效果。相比于單個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，本發(fā)明的一實施例中通過設(shè)置兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，例如圖1所示的第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2和第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4，可以實現(xiàn)機械臂的冗余控制即通過第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4對第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2的運動補償來實現(xiàn)精度提高。

在一實施例中，所述機械臂還包括一個重力平衡機構(gòu)，所述重力平衡機構(gòu)連接豎直移動關(guān)節(jié)5，用以配平豎直移動關(guān)節(jié)5所連接的負載(也包括連接器的重量，但是可以忽略不計)，也就是連接器503連接的所述外部構(gòu)件。所述重力平衡機構(gòu)可以設(shè)置在所述豎直移動關(guān)節(jié)5上。然而，在豎直移動關(guān)節(jié)5上設(shè)置重力平衡機構(gòu)，會增加機械臂末端的質(zhì)量。因而，優(yōu)選在豎直移動關(guān)節(jié)5外部設(shè)置所述重力平衡機構(gòu)，更優(yōu)選，在連接臂3上設(shè)置所述重力平衡機構(gòu)。例如，連接臂3設(shè)有貫通的內(nèi)腔，所述重力平衡機構(gòu)容置于連接臂3的內(nèi)腔中，這樣，在可實現(xiàn)重力平衡機構(gòu)的功能且不影響其他機構(gòu)的情況下，有效縮減了機械臂的外形尺寸。

更優(yōu)選地，通過手動驅(qū)動水平移動關(guān)節(jié)1和豎直移動關(guān)節(jié)5運動。所謂“手動驅(qū)動”也就是業(yè)界所稱的“被動式調(diào)整”。被動式調(diào)整指的是人工對關(guān)節(jié)施加力，使它們運動，而非采用電機或其他驅(qū)動手段來實現(xiàn)相應的運動。這是因為，在手術(shù)過程中，所述機械臂需要處于“鎖死狀態(tài)”，而通過電機等進行鎖死易發(fā)生故障，可靠性不高。

承上述，若所述機械臂具有兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，則本發(fā)明可實現(xiàn)四個自由度，分別是沿水平方向的移動自由度、沿豎直方向的移動自由度、所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2之第一外筒繞第一轉(zhuǎn)軸6的轉(zhuǎn)動自由度、以及所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之第二外筒與第二轉(zhuǎn)軸7之間的相對轉(zhuǎn)動自由度。

針對上述四個自由度，本發(fā)明的機械臂可以實現(xiàn)以下操作

1)沿水平方向的移動：采用手動推動水平移動關(guān)節(jié)1沿水平方向運動，即可實現(xiàn)機械臂沿水平方向運動。具體而言，水平移動關(guān)節(jié)1沿其中的水平導軌方向運動。

2)沿豎直方向的移動：同樣通過手動驅(qū)動豎直移動關(guān)節(jié)5的連接器做上下運動，即實現(xiàn)機械臂沿豎直方向運動。

3)所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2之第一外筒的轉(zhuǎn)動：由于所述第一轉(zhuǎn)軸6的一端與水平移動關(guān)節(jié)1連接，故而所述第一轉(zhuǎn)軸6固定無法轉(zhuǎn)動，而所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2之第一外筒可在第一轉(zhuǎn)軸6上進行轉(zhuǎn)動；可選所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2之第一外筒通過軸承與第一轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動連接，即可實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動；此時，可通過手動驅(qū)動第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2之第一外筒繞第一轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動。

可以理解的是，由于所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4通過連接臂3與第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2一體式連接，故而所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4在第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2的帶動下也可圍繞第一轉(zhuǎn)軸6同步發(fā)生轉(zhuǎn)動。

4)所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之第二外筒與第二轉(zhuǎn)軸7之間的相對轉(zhuǎn)動：同理，所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之第二外筒可在第二轉(zhuǎn)軸7上進行轉(zhuǎn)動，例如所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之第二外筒通過軸承與第二轉(zhuǎn)軸7轉(zhuǎn)動連接；此時，可通過手動驅(qū)動第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之第二外筒與第二轉(zhuǎn)軸7相對轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選方案中，所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2之第一外筒、連接臂3、以及第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之第二外筒一體成型，由此機械臂的結(jié)構(gòu)剛度好。

圖3是本發(fā)明一實施例的第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的內(nèi)部視圖。如圖3所示，所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4設(shè)有連接軸8，所述豎直移動關(guān)節(jié)5與第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之連接軸8連接，所述連接軸8同時連接第二轉(zhuǎn)軸7的一端。故而，所述豎直移動關(guān)節(jié)5在第二轉(zhuǎn)軸7的驅(qū)動下，也會跟隨第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之連接軸8轉(zhuǎn)動。

在本發(fā)明一個實施例中，除了上述連接器503外，所述豎直移動關(guān)節(jié)5還包括底座501和豎直導軌502；所述底座501的背面連接于第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之連接軸8；所述豎直導軌502固設(shè)于底座501的正面上，并沿豎直方向延伸；所述連接器503與豎直導軌502滑動配合連接，以在豎直導軌502上上下滑動，并可懸掛所述外部構(gòu)件。

圖4是本發(fā)明一實施例的豎直移動關(guān)節(jié)的正面視圖，圖5為圖4所示的豎直移動關(guān)節(jié)的背面視圖。在此，所述豎直移動關(guān)節(jié)5之正面即為遠離第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4的一側(cè)，所述豎直移動關(guān)節(jié)5之背面是靠近第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4的一側(cè)。

參閱圖4～5，所述底座501的背面(即靠近第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4的一面)設(shè)有凹槽504，所述凹槽504與連接軸8連接。因而，所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4可以驅(qū)動所述豎直移動關(guān)節(jié)5旋轉(zhuǎn)?？蛇x，所述凹槽504與連接軸8卡扣連接。優(yōu)選所述連接軸8的軸線與第二轉(zhuǎn)軸7垂直。優(yōu)選，所述底座501具有與第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4之第二外筒的外周面配合的背面，例如所述第二外筒的外周面為向外凸起的弧面，則所述底座501之背面為向內(nèi)凹陷的弧面，如此，可以很好的與第二外筒的外周面契合，增加了關(guān)節(jié)之間連接的緊湊性。

本發(fā)明的一實施例，所述機械臂還包括至少一個制動器，以控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。繼續(xù)參閱圖3，所述機械臂還包括第一制動器9和第二制動器10，所述第一制動器9和第二制動器10沿第一轉(zhuǎn)軸6軸向設(shè)置于第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2，以制動第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2。優(yōu)選，所述第一制動器9包括第一定子和第一轉(zhuǎn)子，所述第二制動器10包括第二定子和第二轉(zhuǎn)子。其中，第一定子、第二定子固定于第一外筒內(nèi)，并圍繞所述第一轉(zhuǎn)軸6布置；第一轉(zhuǎn)子、第二轉(zhuǎn)子固定于第一轉(zhuǎn)軸6上，并與相應的定子軸向匹配布置。兩個制動器工作時，兩個定子和對應的轉(zhuǎn)子抱合，可使第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2之第一外筒與第一轉(zhuǎn)軸6緊固，而不發(fā)生相對的轉(zhuǎn)動，而兩個制動器不工作時，兩個定子和轉(zhuǎn)子分離，所述第一旋轉(zhuǎn)2之第一外筒可在第一轉(zhuǎn)軸6上自由轉(zhuǎn)動。本發(fā)明對用以制動第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2的制動器的數(shù)量并不特別的限定。

相應地，所述機械臂還包括一個第三制動器11，所述第三制動器11設(shè)置于第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4，以制動第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4。優(yōu)選，所述第三制動器11包括第三定子和第三轉(zhuǎn)子。其中，第三定子固定于第二外筒內(nèi)，并圍繞第二轉(zhuǎn)軸7布置；第三轉(zhuǎn)子固定于第二轉(zhuǎn)軸7上，并與第三定子軸向匹配布置。所述第三制動器11的工作原理如同第一制動器9和第二制動器10，在此，不再詳細敘述。

顯而易見，上述制動器中，所述轉(zhuǎn)子可以固定于對應旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的外筒內(nèi)壁上，所述定子固定于相應的轉(zhuǎn)軸上。

圖6是本發(fā)明一實施例的重力平衡機構(gòu)的示意圖，圖7是本發(fā)明一實施例的重力平衡機構(gòu)的原理圖。如圖6～7所示，所述連接臂3具有一內(nèi)腔，所述重力平衡機構(gòu)設(shè)置于連接臂3的內(nèi)腔中。所述重力平衡機構(gòu)包括恒力彈簧1201、彈簧接頭1202、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)，所述恒力彈簧1201的一端固定在連接臂3上，所述恒力彈簧1201的另一端連接彈簧接頭1202的一端，所述彈簧接頭1202的另一端連接所述柔性結(jié)構(gòu)的一端，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)分布在連接臂3的內(nèi)腔和(或)豎直移動關(guān)節(jié)5上，以改變所述柔性結(jié)構(gòu)的延伸方向，且所述柔性結(jié)構(gòu)延伸經(jīng)過所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向后另一端與豎直移動關(guān)節(jié)5之連接器503的上端連接。所述柔性結(jié)構(gòu)例如是絲、繩、帶等，用以輸出彈簧力。

可選，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)包括多個定滑輪，多個定滑輪分開布置在連接臂3的內(nèi)腔和(或)豎直移動關(guān)節(jié)5上，所述柔性結(jié)構(gòu)延伸經(jīng)過多個定滑輪的轉(zhuǎn)向后另一端與連接器503之上端連接。

本發(fā)明采用恒力彈簧1201作為重力平衡機構(gòu)的輸出，由于恒力彈簧1201的輸出力始終穩(wěn)定，由此重力平衡的效果好，而且也可避免由于重力變化而產(chǎn)生的繁瑣的計算問題，簡化了重力平衡的操作過程。

更優(yōu)選，所述重力平衡機構(gòu)還包括設(shè)置于連接臂3中且水平放置的滑動槽1203，所述彈簧接頭1202設(shè)置于滑動槽1203中，以限定彈簧接頭1202的運動方向，在此，重力平衡過程中的摩擦力小，重力平衡效果更好。

進一步，如圖6所示，并結(jié)合參閱圖8，圖8是本發(fā)明一實施例的另一重力平衡機構(gòu)的原理圖。所述重力平衡機構(gòu)還包括一個比例輪1204，所述比例輪1204包括同軸安裝且可同步轉(zhuǎn)動的內(nèi)輪和外輪，所述柔性結(jié)構(gòu)包括第一柔性結(jié)構(gòu)和第二柔性結(jié)構(gòu)；所述第一柔性結(jié)構(gòu)包括第一端部、自所述第一端部延伸的第一本體、以及與第一本體連接的第二端部。其中，所述恒力彈簧1201的另一端連接彈簧接頭1202的一端，所述彈簧接頭1202的另一端連接所述第一柔性結(jié)構(gòu)的第一端部，所述第一柔性結(jié)構(gòu)的第二端部與比例輪1204之內(nèi)輪連接。所述第二柔性結(jié)構(gòu)包括第一延伸部、第二本體以及第二延伸部，所述第二本體包括第三端部和第四端部，所述第二柔性結(jié)構(gòu)之第二本體圍繞比例輪1204之外輪的外圍，圍繞的長度與連接器的行程相匹配(一般為大于或等于連接器的行程)，且第二本體圍繞比例輪1204之外輪的外圍部分至少一段與所述比例輪1204之外輪的外圍固定連接，所述第二本體的第三端部圍繞所述外輪的方向與第一柔性體圍繞所述內(nèi)輪的方向相反。然后，第一延伸部與第二本體的第三端部連接后，延伸經(jīng)過所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)，然后與豎直移動關(guān)節(jié)5之連接器503的上端連接，所述第二延伸部與第二本體的第四端部連接后，經(jīng)過所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向，然后與豎直移動關(guān)節(jié)5之連接器503的下端連接，且第一延伸部和第二延伸部被配置為當連接器503移動時，所述第一延伸部和第二延伸部位移變化量相等。顯然，在本發(fā)明中所述“位移變化量”應理解為柔性體或柔性體的一部分的移動距離，其為一正值?！暗诙倔w的第三端部圍繞所述外輪的方向”，為第二本體的第三端部從第二本體與外輪固定的點出發(fā)圍繞外輪的方向，同樣“第一柔性體圍繞所述內(nèi)輪的方向”為第一柔性體從第一柔性體與內(nèi)輪的連接點出發(fā)圍繞內(nèi)輪的方向。

圖9是本發(fā)明一實施例的水平移動關(guān)節(jié)的示意圖。如圖9所示，所述水平移動關(guān)節(jié)1包括N個上下堆疊的水平移動模塊，N為大于或等于2的自然數(shù)；其中：第一個水平移動模塊與外部固定架，例如基座以保持固定，其余水平移動模塊用以沿水平方向運動；所述第一轉(zhuǎn)軸6與第N個水平移動模塊連接；所述第一個水平移動模塊位于底層，所述第N個水平移動模塊位于頂層；并且：第m個水平移動模塊滑動連接第m-1個水平移動模塊，以使第m個水平移動模塊可在第m-1個水平移動模塊上滑動，m為2至N中的所有自然數(shù)。例如，N等于3，此時，第二個水平移動模塊滑動連接第一個水平移動模塊，第三個水平移動模塊滑動連接第二個水平移動模塊，第三個水平移動模塊連接第一轉(zhuǎn)軸6。

相比于單級滑動副，多級滑動副的串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以增大水平移動關(guān)節(jié)1的行程，使得機械臂的運動范圍更加廣泛，運動調(diào)整效率更高，而且也可以縮小水平移動關(guān)節(jié)1沿水平方向的結(jié)構(gòu)尺寸，從而減少安裝空間。

本實施例中，每個水平移動模塊均包括底塊，而且，除第N個水平移動模塊外，第m-1個水平移動模塊還包括固設(shè)于對應底塊上的水平導軌和滑動設(shè)置于所述水平導軌上的滑塊，第m個水平移動模塊之第m個底塊固設(shè)于第m-1個水平移動模塊之第m-1個滑塊上。第N個水平移動模塊之第N個底塊的下部與第N-1個水平移動模塊之第N-1個滑塊連接，同時所述第N個底塊的上部連接第一轉(zhuǎn)軸6。在此，m為2至N-1中的所有自然數(shù)。例如N等于3，則m為2，那么，第二個水平移動模塊之第二個底塊固設(shè)于第一個水平移動模塊之第一個滑塊上，第三個水平移動模塊之第三個底塊的下部固設(shè)于第二個水平移動模塊之第二個滑塊上，第三個底塊的上部連接第一轉(zhuǎn)軸6。

例如圖9所示的實施例中，所述水平移動模塊的數(shù)量為三個，分別是第一水平移動模塊(即第一個水平移動模塊)、第二水平移動模塊和第三水平移動模塊(即第三個水平移動模塊)；所述第一水平移動模塊固設(shè)于手術(shù)機器人的基座上，包括第一底塊101、固設(shè)于第一底塊101上的第一水平導軌102以及滑動設(shè)置于第一水平導軌102上的第一滑塊103；所述第二水平移動模塊包括固設(shè)于第一滑塊103上的第二底塊104、固設(shè)于第二底塊104上的第二水平導軌105、以及滑動設(shè)置于第二水平導軌105上的第二滑塊106；所述第三水平移動模塊包括固設(shè)于第二滑塊106上的第三底塊107，所述第一轉(zhuǎn)軸6與第三底塊107固定連接。

可以理解是：使用時，第一滑塊103可以驅(qū)動第二底塊104及其連接的第三底塊107在第一底塊101上做直線運動，相應地，第二滑塊可驅(qū)動第三底塊107在第二底塊104上做直線運動。在此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應當知曉：所述第一底塊101固定于任意固定物上，其始終保持不動，而所述第二底塊104僅在第一滑塊103的帶動下運動，而所述第三底塊107既可以在第一滑塊103的帶動下運動，也可以在第二滑塊106的驅(qū)動下運動。

在另一些實施例中，所述水平移動模塊的數(shù)量還可以為三個以上，例如四個或更多個，也可以為兩個，具體本發(fā)明并不限定。本發(fā)明通過導軌和滑塊形成的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)水平移動關(guān)節(jié)1的水平運動，結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠，實施方便。

如圖9所示的實施例中，所述機械臂的水平移動關(guān)節(jié)1還包括第四制動器13，所述第四制動器13用以限制水平移動關(guān)節(jié)1的運動。圖10示出的是圖9所示的水平移動關(guān)節(jié)的原理圖。如圖10所示，所述水平移動關(guān)節(jié)1還包括第三柔性結(jié)構(gòu)，所述第四制動器13設(shè)置于頂層的第三底塊107上，以限制第三底塊107的運動。此處本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，由于第三底塊107上連接有第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2，因此，第三底塊107為最終的水平運動輸出端，由此將第四制動器13設(shè)置于第三底塊107上，以限定運動輸出端相對于固定基座的運動。所述第三柔性結(jié)構(gòu)包括第三延伸部、第三本體以及與第四延伸部，所述第三本體包括第五端部和第六端部，所述第三本體圍繞并部分固連第四制動器13，圍繞的長度與水平移動關(guān)節(jié)1的行程相匹配，然后，所述第三延伸部與第三本體的第五端部連接后，延伸經(jīng)過轉(zhuǎn)向，然后與第一底塊101的一端連接，所述第四延伸部與第三本體的第六端部連接后，延伸經(jīng)過轉(zhuǎn)向，然后與第一底塊101的另一端連接，所述第三延伸部和第四延伸部被布置為當水平移動關(guān)節(jié)移動時，所述第三延伸部和第四延伸部的位移變化量相等。這樣，可確保正常運動，不會出現(xiàn)因伸縮長度不等引起的運動問題。其中，圖10示出的第三延伸部可連接第一底塊101的左端，第四延伸部連接第一底塊101的右端。“位移變化量”同上所述，這里可以更具體理解為第三柔性體、或其部分，如第三延伸部和第四延伸部移動的距離。

優(yōu)選，所述第四制動器13包括轉(zhuǎn)軸和固連于所述轉(zhuǎn)軸上的滾輪，所述轉(zhuǎn)軸的兩端通過軸承約束于所述固定基座上，并可轉(zhuǎn)動，同時所述滾輪可與所述轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動；所述滾輪上圍繞有所述第三本體。所述第四制動器13還包括第四定子和第四轉(zhuǎn)子；第四定子固定于所述固定基座上，并圍繞所述轉(zhuǎn)軸布置；第四轉(zhuǎn)子固定于所述轉(zhuǎn)軸上，并與第四定子軸向匹配布置。第四制動器13工作時，第四定子和第四轉(zhuǎn)子抱合，可使所述轉(zhuǎn)軸與所述固定基座緊固，而不發(fā)生相對的轉(zhuǎn)動，從而制動第三底塊107，致使第三底塊107相對于第一底塊101保持靜止；所述固定基座可選固定于第三底塊107上；而第四制動器13不工作時，第四定子和第四轉(zhuǎn)子分離，所述滾輪可隨所述轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動，從而通過第三柔性結(jié)構(gòu)傳遞運動，實現(xiàn)第三底塊107相對于第一底塊101做水平運動。

當然，若水平移動模塊的數(shù)量為三個以上，或三個以下時，只要將第四制動器13設(shè)置于與第一轉(zhuǎn)軸6連接的水平移動模塊上，例如第一轉(zhuǎn)軸6與第N個水平移動模塊連接，那么，第四制動器13設(shè)置于第N個水平移動模塊上；并且所述第四制動器13通過第三柔性結(jié)構(gòu)的第三延伸部和第四延伸部與用于連接外部固定架的水平移動模塊的相對兩端連接，例如底層的第一個水平移動模塊與所述外部固定架連接，使第三延伸部和第四延伸部被布置為當水平移動關(guān)節(jié)移動時，第三延伸部和第四延伸部的位移變化量相等。

圖11是本發(fā)明一實施例的豎直移動關(guān)節(jié)之底座采用套筒的示意圖。如圖11所示，所述豎直移動關(guān)節(jié)5之底座501為一套筒，所述豎直移動關(guān)節(jié)5之豎直導軌502設(shè)置于底座501的內(nèi)部，這樣可以保證豎直導軌502正常運行所需的空間。

綜上所述，本發(fā)明通過一個水平移動關(guān)節(jié)1實現(xiàn)機械臂的水平運動，并通過一個豎直移動關(guān)節(jié)，實現(xiàn)機械臂的豎直方向運動，由于關(guān)節(jié)數(shù)量少，結(jié)構(gòu)關(guān)系簡化，故而縮小了機械臂的外形尺寸，降低了機械臂的整體質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)簡化的同時，運動控制精度得到了提高，且不會產(chǎn)生額外的運動位移，操作更為簡便。

此外，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2和第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4，兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之外筒分別套設(shè)在平行設(shè)置的轉(zhuǎn)軸上，并均可與對應轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動，這樣可以實現(xiàn)機械臂的冗余調(diào)整，運動控制的精度更高。

另外，本發(fā)明還設(shè)置有用以配平豎直移動關(guān)節(jié)5上懸掛的外部機構(gòu)以及連接器的重力平衡機構(gòu)，且所述重力平衡機構(gòu)設(shè)置于連接臂3的內(nèi)腔中，在實現(xiàn)自身功能且不影響其他機構(gòu)的情況下，合理的利用了內(nèi)部空間，有效縮減了機械臂的外形尺寸。

還有，本發(fā)明的豎直移動關(guān)節(jié)5之底座501具有與第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4的外周面配合的背面，這樣可使豎直移動關(guān)節(jié)5緊貼第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4，增強了結(jié)構(gòu)的緊湊性。

上述描述僅是對本發(fā)明較佳實施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)利要求書的保護范圍。