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手术 机器人及其 机械臂

阅读：83发布：2020-05-12

专利汇可以提供手术机器人及其机械臂专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种手术机器人及其机械臂；机械臂包括水平移动关节、第一旋转关节、连接臂和竖直移动关节；第一旋转关节包括第一转轴和套设于第一转轴上的第一外筒，第一外筒可绕第一转轴转动；连接臂分别连接第一外筒和竖直移动关节；竖直移动关节包括连接器，并用以驱动与连接器连接的外部构件沿竖直方向运动；水平移动关节连接第一转轴，并用以驱动第一旋转关节沿水平方向运动。本发明通过一个水平移动关节可实现机械臂的水平运动，并通过一个竖直移动关节可实现机械臂的竖直运动，由于关节数量少，结构关系简化，故缩小了机械臂的外形尺寸，降低了机械臂的整体质量，而且运动控制的精度高，且不会产生额外的运动位移，操作更为简便。，下面是手术机器人及其机械臂专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种机械臂，其特征在于，包括：
竖直移动关节，包括连接器，所述竖直移动关节用以驱动与连接器连接的外部构件沿竖直方向运动；
第一旋转关节，包括第一转轴以及套设于所述第一转轴上的第一外筒，所述第一外筒可绕所述第一转轴转动；
连接臂，分别连接所述第一外筒和竖直移动关节；以及
水平移动关节，连接所述第一转轴，并用以驱动第一旋转关节沿水平方向运动。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括第二旋转关节；所述第二旋转关节，包括第二转轴以及套设于所述第二转轴上的第二外筒，所述第二外筒和第二转轴可相对转动；所述连接臂分别连接所述第一外筒和第二外筒；所述竖直移动关节连接所述第二转轴；所述第二转轴平行于第一转轴。
3.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括设置于所述连接臂的重力平衡机构；所述重力平衡机构连接所述竖直移动关节，用以配平所述外部构件和连接器的重量。
4.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述连接臂具有内腔，所述重力平衡机构设置于所述内腔中。
5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述重力平衡机构包括恒力弹簧、弹簧接头、转向机构和柔性结构；所述恒力弹簧的一端连接所述连接臂，所述恒力弹簧的另一端连接所述弹簧接头的一端，所述弹簧接头的另一端连接所述柔性结构的一端，所述转向机构分布在所述连接臂的内腔和/或竖直移动关节上，用以改变所述柔性结构的延伸方向；所述柔性结构延伸经过所述转向机构的转向后另一端与所述竖直移动关节的连接器的上端连接。
6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述重力平衡机构还包括水平放置的滑动槽，所述弹簧接头设置于所述滑动槽中，以限定所述弹簧接头的运动方向。
7.根据权利要求6所述的机械臂，所述重力平衡机构还包括一比例轮，所述比例轮包括同轴安装且同步转动的内轮和外轮；所述柔性结构包括第一柔性结构和第二柔性结构；所述第一柔性结构包括第一端部、自所述第一端部延伸的第一本体、以及与所述第一本体连接的第二端部；所述第一端部连接所述弹簧接头的另一端，所述第二端部与所述内轮连接；
所述第二柔性结构包括第一延伸部、第二本体以及第二延伸部，所述第二本体包括第三端部和第四端部，所述第二本体围绕所述外轮的外围并至少部分与所述外轮的外围固连，所述第二本体的第三端部围绕所述外轮的方向与第一柔性体围绕所述内轮的方向相反，所述第一延伸部与第二本体的第三端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与所述竖直移动关节的连接器的上端连接，所述第二延伸部与第二本体的第四端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与所述竖直移动关节的连接器的下端连接，且所述第一延伸部和第二延伸部被配置为当连接器移动时，所述第一延伸部和第二延伸部的位移变化量相等。
8.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，除所述连接器，所述竖直移动关节还包括底座以及固设于所述底座上的竖直导轨；所述底座之背面与所述第二旋转关节之连接转轴连接，所述竖直导轨沿竖直方向固设于所述底座之正面上，所述连接器滑动设置于所述竖直导轨上。
9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述底座之背面具有与所述第二外筒的外周面相配合的表面。
10.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述底座之背面上设置有一凹槽，所述竖直移动关节通过所述凹槽与所述第二转轴连接。
11.根据权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述底座为一套筒结构，所述竖直导轨设置于所述底座中。
12.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括至少一个制动器；所述制动器设置于所述第一外筒和/或第二外筒内，并围绕所述第一转轴和/或第二转轴，用以将所述第一外筒和/或第二外筒锁接在对应的转轴上而静止。
13.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述水平移动关节包括N个上下堆叠的水平移动模块，N为大于或等于2的自然数；其中：
第一个水平移动模块与外部固定架连接，其余水平移动模块用以沿水平方向运动；所述第一转轴与第N个水平移动模块连接；所述第一个水平移动模块位于底层，所述第N个水平移动模块位于顶层；并且：
其中，第m个水平移动模块滑动连接第m-1个水平移动模块，以使第m个水平移动模块可在第m-1个水平移动模块上滑动，m为2至N中的所有自然数。
14.根据权利要求13所述的机械臂，其特征在于，每个水平移动模块均包括一底块，而且，第m-1个水平移动模块还包括固设于其底块上的水平导轨、以及滑动设置于所述水平导轨上的滑块，第m-1个水平移动模块之滑块与第m个水平移动模块之底块连接。
15.根据权利要求13所述的机械臂，其特征在于，所述水平移动模块的数量为三个，分别为第一水平移动模块、第二水平移动模块和第三水平移动模块；所述第一水平移动模块固设于手术机器人的基座上，并包括第一底块、固设于所述第一底块上的第一水平导轨、以及滑动设置于所述第一水平导轨上的第一滑块；所述第二水平移动模块包括固设于所述第一滑块上的第二底块、固设于所述第二底块上的第二水平导轨、以及滑动设置于所述第二水平导轨上的第二滑块；所述第三水平移动模块包括固设于所述第二滑块上的第三底块，所述第一转轴连接所述第三底块。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括设置于所述第N个水平移动模块上的制动器，并还包括第三柔性结构；所述第三柔性结构包括第三延伸部、第三本体以及第四延伸部，所述第三本体包括第五端部和第六端部，所述第三本体围绕并部分固连所述制动器，所述第三延伸部与第三本体的第五端部连接后，延伸经过转向，与第一底块的一端连接，所述第四延伸部与第三本体的第六端部连接后，延伸经过转向，与第一底块的另一端连接，所述第三延伸部和第四延伸部被布置为当水平移动关节移动时，所述第三延伸部和第四延伸部的位移变化量相等。
17.一种手术机器人，其特征在于，包括如权利要求1至16中任一项所述的机械臂。

说明书全文

手术机器人及其 机械臂

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种用于微创伤手术用的机械臂。

背景技术

[0002] 微创伤手术是一种利用微小通道进行手术治疗的介入方法，其采用相应的微创伤手术器械，可达到与传统手术一样或更佳的疗效。与传统手术相比，微创伤手术具有创伤小、出血少、恢复快等特点，已成为当代医疗技术发展的一个重要方向。

[0003] 作为微创伤手术的一个部分，利用微创伤手术机器人进行的手术，相较于一般的微创伤手术而言，医生的手术压力小、手术操作更精准、且手术操作也更为灵活。因此，微创伤手术机器人的发展也越加迅猛。

[0004] 微创伤手术机器人不同于传统的工业机器人，其对运动精度、运动空间、运动方式都具有较高的要求。微创伤手术机器人的主要实现方式为：术前定位和术中控制。术前定位是指手术开始前，对手术机器人和患者之间的位置做调整；术中控制是指手术过程中的实时操作及控制。任何手术机器人在进行手术之前都需要通过机械臂对手术器械进行位置的调整，调整的效果会直接影响到手术是否可顺利进行。

[0005] 然而，目前的微创伤手术机器人的机械臂仍存在着一定的缺陷。具体地说，现有的机械臂往往结构复杂，外形尺寸庞大，操作便捷性差，此主要表现在以下两个方面：

[0006] (1)现有机械臂采用的水平运动多采用多旋转关节的方式来实现，即以多个相互叠加的旋转关节来代替水平移动关节实现水平方向的运动，并以多个旋转关节和一个竖直移动关节实现机械臂的空间运动。这样的设置，一方面扩大了机械臂的外形尺寸，增加了机械臂的质量，继而造成医疗手术机器人整体质量的增加，此不符合医疗手术机器人简洁化、轻量化的需求；另一方面叠加的旋转关节增加了结构的复杂度，同时也降低了运动控制的精度，而且由于旋转关节运动过程中会产生额外方向的位移，造成过多不必要的运动调整，操作繁琐。

[0007] (2)工业机械臂的各个关节驱动大多采用电机驱动，这样方便控制与操作，但是在医疗机器人行业，机械臂的各个关节较少采用电机作为驱动，因为在手术过程中，机械臂通常需要处于“锁死”状态，而电机会存在一定的故障风险。因而，医疗手术机器人上机械臂多采用人工施力操作，以确保机械臂的可靠性。然而，人工施力最大的问题在于竖直移动机械臂时，需要克服机械臂前端所悬挂的其他结构的重力。目前的做法是将竖直移动关节置于机械臂的后端，并采用重物去平衡重力，但是这样会较大增加手术机器人的质量，同时竖直调整的精度也难以得到保证。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种手术机器人及其机械臂，以克服现有技术中存在的机械臂结构复杂、外形尺寸庞大、操作便捷性差等中的一个或者多个问题。

[0009] 为实现上述目的以及其它相关目的，本发明提供了一种机械臂，包括：

[0010] 竖直移动关节，包括连接器，所述竖直移动关节用以驱动与连接器连接的外部构件沿竖直方向运动；

[0011] 第一旋转关节，包括第一转轴以及套设于所述第一转轴上的第一外筒，所述第一外筒可绕所述第一转轴转动；

[0012] 连接臂，分别连接所述第一外筒和竖直移动关节；以及

[0013] 水平移动关节，连接所述第一转轴，并用以驱动第一旋转关节沿水平方向运动。

[0014] 优选地，所述机械臂还包括第二旋转关节；所述第二旋转关节，包括第二转轴以及套设于所述第二转轴上的第二外筒，所述第二外筒和第二转轴可相对转动；所述连接臂分别连接所述第一外筒和第二外筒；所述竖直移动关节连接所述第二转轴；所述第二转轴平行于第一转轴。

[0015] 优选地，所述机械臂还包括设置于所述连接臂的重力平衡机构，所述重力平衡机构连接所述竖直移动关节，用以配平所述外部构件和连接器的重量。

[0016] 优选地，所述连接臂具有内腔，所述重力平衡机构置于所述内腔中。

[0017] 优选地，所述重力平衡机构包括恒力弹簧、弹簧接头、转向机构和柔性结构；所述恒力弹簧的一端连接所述连接臂，所述恒力弹簧的另一端连接所述弹簧接头的一端，所述弹簧接头的另一端连接所述柔性结构的一端，所述转向机构分布在所述连接臂的内腔和/或竖直移动关节上，用以改变所述柔性结构的延伸方向；所述柔性结构延伸经过所述转向机构的转向后另一端与所述竖直移动机构的连接器的上端连接。

[0018] 优选地，所述重力平衡机构还包括水平放置的滑动槽，所述弹簧接头设置于所述滑动槽中，以限定所述弹簧接头的运动方向。

[0019] 优选地，所述重力平衡机构还包括一个比例轮，所述比例轮包括同轴安装且同步转动的内轮和外轮；所述柔性结构包括第一柔性结构和第二柔性结构；所述第一柔性结构包括第一端部、自所述第一端部延伸的第一本体、以及与所述第一本体连接的第二端部，所述第一端部连接所述弹簧接头的另一端，所述第二端部与所述内轮连接；所述第二柔性结构包括第一延伸部、第二本体以及第二延伸部，所述第二本体包括第三端部和第四端部，所述第二本体围绕所述外轮的外围并至少部分与所述外轮的外围固连，所述第二本体的第三端部围绕所述外轮的方向与第一柔性体围绕所述内轮的方向相反，所述第一延伸部与第二本体的第三端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与所述竖直移动关节的连接器的上端连接，所述第二延伸部与第二本体的第四端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与所述竖直移动关节的连接器的下端连接，且所述第一延伸部和第二延伸部被配置为当连接器移动时，所述第一延伸部和第二延伸部的位移变化量相等。

[0020] 优选地，除所述连接器，所述竖直移动关节还包括底座、固设于所述底座上的竖直导轨；所述底座之背面与所述第二旋转关节之连接转轴连接，所述竖直导轨沿竖直方向固设于所述底座之正面上，所述连接器滑动设置于所述竖直导轨上。

[0021] 优选地，所述底座之背面具有与所述第二外筒的外周面相配合的表面。

[0022] 优选地，所述底座之背面上设置有一凹槽，所述竖直移动关节通过所述凹槽与所述第二转轴连接。

[0023] 优选地，所述底座为一套筒结构，所述竖直导轨设置于所述底座中。

[0024] 优选地，所述机械臂还包括至少一个制动器；所述制动器设置于所述第一外筒和/或第二外筒内，并围绕所述第一转轴和/或第二转轴，用以将所述第一外筒和/或第二外筒锁接在对应的转轴上而静止。

[0025] 优选地，所述水平移动关节包括N个上下堆叠的水平移动模块，N为大于或等于2的自然数；其中：

[0026] 第一个水平移动模块与外部固定架连接，其余水平移动模块用以沿水平方向运动；所述第一转轴与第N个水平移动模块连接；所述第一个水平移动模块位于底层，所述第N个水平移动模块位于顶层；并且：

[0027] 其中，第m个水平移动模块滑动连接第m-1个水平移动模块，以使第m个水平移动模块可在第m-1个水平移动模块上滑动，m为2至N中的所有自然数。

[0028] 优选地，每个水平移动模块均包括一底块，而且，第m-1个水平移动模块还包括固设于其底块上的水平导轨、以及滑动设置于所述水平导轨上的滑块，第m-1个水平移动模块之滑块与第m个水平移动模块之底块连接。

[0029] 优选地，所述水平移动模块的数量为三个，分别是第一水平移动模块、第二水平移动模块和第三水平移动模块；

[0030] 所述第一水平移动模块固设于手术机器人的基座上，并包括第一底块、固设于所述第一底块上的第一水平导轨、以及滑动设置于所述第一水平导轨上的第一滑块；

[0031] 所述第二水平移动模块包括固设于所述第一滑块上的第二底块、固设于所述第二底块上的第二水平导轨、以及滑动设置于所述第二水平导轨上的第二滑块；所述第三水平移动模块包括固设于所述第二滑块上的第三底块，所述第一转轴连接所述第三底块。

[0032] 优选地，所述机械臂还包括设置于所述第N个水平移动模块上的制动器，并还包括第三柔性结构；所述第三柔性结构包括第三延伸部、第三本体以及第四延伸部，所述第三本体包括第五端部和第六端部，所述第三本体围绕并部分固连所述制动器，所述第三延伸部与第三本体的第五端部连接后，延伸经过转向，与第一底块的一端连接，所述第四延伸部与第三本体的第六端部连接后，延伸经过转向，与第一底块的另一端连接，所述第三延伸部和第四延伸部被布置为当水平移动关节移动时，所述第三延伸部和第四延伸部的位移变化量相等。

[0033] 为实现上述目的以及其它相关目的，本发明还提供了一种手术机器人，包括如上任一项所述的机械臂。

[0034] 综上所述，本发明所提供的手术机器人及其机械臂，具有以下有益效果：

[0035] 1、本发明通过一个水平移动关节实现机械臂的水平运动，并通过一个竖直移动关节实现机械臂的竖直运动，由于关节数量少，结构关系简化，故而缩小了机械臂的外形尺寸，降低了机械臂的整体质量，在结构简化的同时，运动控制精度得到了提高，且不会产生额外的运动位移，操作更为简便；

[0036] 2、本发明的旋转关节包括第一旋转关节和第二旋转关节，两个旋转关节之外筒分别套设在平行设置的转轴上，并均可与对应转轴相对转动，这样可以实现机械臂的冗余调整；

[0037] 3、本发明还设置有用以配平竖直移动关节上悬挂的外部机构以及连接器的重力平衡机构，且所述重力平衡机构设置于连接臂中，在实现自身功能且不影响其他机构的情况下，合理的利用了内部空间，有效缩减了机械臂的外形尺寸，而且也不会增加竖直移动关节的质量，确保了竖直调整精度；

[0038] 4、本发明的竖直移动关节之底座具有与第二旋转关节的外周面配合的背面，这样可使所述竖直移动关节紧贴第二旋转关节，增强了结构的紧凑性。附图说明

[0039] 图1是本发明一实施例的机械臂的整体示意图；

[0040] 图2是图1所示的机械臂的各个关节的运动方向示意图；

[0041] 图3是本发明一实施例的第一旋转关节和第二旋转关节的内部视图；

[0042] 图4是本发明一实施例的竖直移动关节的正面视图；

[0043] 图5是本发明一实施例的竖直移动关节的背面视图；

[0044] 图6是本发明一实施例的重力平衡机构的示意图；

[0045] 图7是本发明一实施例的重力平衡机构的原理图；

[0046] 图8是本发明一实施例的另一重力平衡机构的原理图；

[0047] 图9是本发明一实施例的水平移动关节的示意图；

[0048] 图10是图9所示的水平移动关节的原理图；

[0049] 图11是本发明一实施例的竖直移动关节之底座采用套筒的示意图。

[0050] 图中的附图标记说明如下：

[0051] 1-水平移动关节；101-第一底块；102-第一水平导轨；103-第一滑块；104-第二底块；105-第二水平导轨；106-第二滑块；107-第三底块；2-第一旋转关节；3-连接臂；4-第二旋转关节；5-竖直移动关节；501-底座；502-竖直导轨；503-连接器；504-凹槽；6-第一转轴；7-第二转轴；8-连接轴；9-第一制动器；10-第二制动器；11-第三制动器；1201-恒力弹簧；
1202-弹簧接头；1203-滑动槽；1204-比例轮；13-第四制动器。

具体实施方式

[0052] 为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～11对本发明提出的手术机器人及其机械臂作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0053] 图1是本发明一实施例的机械臂的整体示意图，图2是图1所示的机械臂的各个关节的运动方向示意图。

[0054] 如图1～2所示，一种机械臂，适用于一手术机器人，尤其是微创伤手术机器人，特别是微创伤手术机器人的病人端，其可实现空间运动，包括：水平移动关节1、第一旋转关节2、连接臂3、第二旋转关节4和竖直移动关节5；所述第一旋转关节2包括第一转轴6以及套设于第一转轴6上的第一外筒，所述第一外筒可绕第一转轴6转动；所述第二旋转关节4包括第二转轴7以及套设于第二转轴7上的第二外筒，且所述第二外筒和第二转轴7可相对转动；所述连接臂3的一端连接所述第一外筒，另一端连接所述第二外筒；所述竖直移动关节5连接第二转轴7；所述第一转轴6的一端连接水平移动关节1(优选垂直固连于水平移动关节1)；
其中：所述水平移动关节1用以驱动第一旋转关节2沿水平方向运动，所述竖直移动关节5包括连接器503，所述竖直移动关节5用以驱动与连接器503连接的外部构件(例如手术器械等)沿竖直方向运动，并且，所述第一转轴6平行于第二转轴7。使用时，所述水平移动关节1可连接手术机器人上的固定架，并相对于所述固定架运动。

[0055] 本发明通过一个水平移动关节1，实现机械臂的水平运动，并通过一个竖直移动关节，实现机械臂的竖直方向运动，由于关节数量少，结构关系简化，故而缩小了机械臂的外形尺寸，降低了机械臂的整体质量，这样符合医疗机器人简洁化、轻量化的需求；而且，在结构简化的同时，运动控制精度得到了提高，且不会产生由于旋转关节引起的额外方向的位移，因此，简化了操作过程。

[0056] 需要说明的是，上述旋转关节的数量不局限于两个，在一实施例中(未图示)，所述旋转关节的数量可以为一个，即所述机械臂仅包括一个第一旋转关节2，此时，所述连接臂3的一端连接第一旋转关节2之第一外筒，另一端连接竖直移动关节5，而竖直移动关节5直接在连接臂3的带动下水平移动和/或转动，且其余结构与具有两个旋转关节的机械臂相同，这样也可实现机械臂的空间运动，当然，也可取得上述有益效果。相比于单个旋转关节，本发明的一实施例中通过设置两个旋转关节，例如图1所示的第一旋转关节2和第二旋转关节4，可以实现机械臂的冗余控制即通过第二旋转关节4对第一旋转关节2的运动补偿来实现精度提高。

[0057] 在一实施例中，所述机械臂还包括一个重力平衡机构，所述重力平衡机构连接竖直移动关节5，用以配平竖直移动关节5所连接的负载(也包括连接器的重量，但是可以忽略不计)，也就是连接器503连接的所述外部构件。所述重力平衡机构可以设置在所述竖直移动关节5上。然而，在竖直移动关节5上设置重力平衡机构，会增加机械臂末端的质量。因而，优选在竖直移动关节5外部设置所述重力平衡机构，更优选，在连接臂3上设置所述重力平衡机构。例如，连接臂3设有贯通的内腔，所述重力平衡机构容置于连接臂3的内腔中，这样，在可实现重力平衡机构的功能且不影响其他机构的情况下，有效缩减了机械臂的外形尺寸。

[0058] 更优选地，通过手动驱动水平移动关节1和竖直移动关节5运动。所谓“手动驱动”也就是业界所称的“被动式调整”。被动式调整指的是人工对关节施加力，使它们运动，而非采用电机或其他驱动手段来实现相应的运动。这是因为，在手术过程中，所述机械臂需要处于“锁死状态”，而通过电机等进行锁死易发生故障，可靠性不高。

[0059] 承上述，若所述机械臂具有两个旋转关节，则本发明可实现四个自由度，分别是沿水平方向的移动自由度、沿竖直方向的移动自由度、所述第一旋转关节2之第一外筒绕第一转轴6的转动自由度、以及所述第二旋转关节4之第二外筒与第二转轴7之间的相对转动自由度。

[0060] 针对上述四个自由度，本发明的机械臂可以实现以下操作

[0061] 1)沿水平方向的移动：采用手动推动水平移动关节1沿水平方向运动，即可实现机械臂沿水平方向运动。具体而言，水平移动关节1沿其中的水平导轨方向运动。

[0062] 2)沿竖直方向的移动：同样通过手动驱动竖直移动关节5的连接器做上下运动，即实现机械臂沿竖直方向运动。

[0063] 3)所述第一旋转关节2之第一外筒的转动：由于所述第一转轴6的一端与水平移动关节1连接，故而所述第一转轴6固定无法转动，而所述第一旋转关节2之第一外筒可在第一转轴6上进行转动；可选所述第一旋转关节2之第一外筒通过轴承与第一转轴6转动连接，即可实现相对转动；此时，可通过手动驱动第一旋转关节2之第一外筒绕第一转轴6转动。

[0064] 可以理解的是，由于所述第二旋转关节4通过连接臂3与第一旋转关节2一体式连接，故而所述第二旋转关节4在第一旋转关节2的带动下也可围绕第一转轴6同步发生转动。

[0065] 4)所述第二旋转关节4之第二外筒与第二转轴7之间的相对转动：同理，所述第二旋转关节4之第二外筒可在第二转轴7上进行转动，例如所述第二旋转关节4之第二外筒通过轴承与第二转轴7转动连接；此时，可通过手动驱动第二旋转关节4之第二外筒与第二转轴7相对转动。

[0066] 优选方案中，所述第一旋转关节2之第一外筒、连接臂3、以及第二旋转关节4之第二外筒一体成型，由此机械臂的结构刚度好。

[0067] 图3是本发明一实施例的第一旋转关节和第二旋转关节的内部视图。如图3所示，所述第二旋转关节4设有连接轴8，所述竖直移动关节5与第二旋转关节4之连接轴8连接，所述连接轴8同时连接第二转轴7的一端。故而，所述竖直移动关节5在第二转轴7的驱动下，也会跟随第二旋转关节4之连接轴8转动。

[0068] 在本发明一个实施例中，除了上述连接器503外，所述竖直移动关节5还包括底座501和竖直导轨502；所述底座501的背面连接于第二旋转关节4之连接轴8；所述竖直导轨
502固设于底座501的正面上，并沿竖直方向延伸；所述连接器503与竖直导轨502滑动配合连接，以在竖直导轨502上上下滑动，并可悬挂所述外部构件。

[0069] 图4是本发明一实施例的竖直移动关节的正面视图，图5为图4所示的竖直移动关节的背面视图。在此，所述竖直移动关节5之正面即为远离第二旋转关节4的一侧，所述竖直移动关节5之背面是靠近第二旋转关节4的一侧。

[0070] 参阅图4～5，所述底座501的背面(即靠近第二旋转关节4的一面)设有凹槽504，所述凹槽504与连接轴8连接。因而，所述第二旋转关节4可以驱动所述竖直移动关节5旋转。可选，所述凹槽504与连接轴8卡扣连接。优选所述连接轴8的轴线与第二转轴7垂直。优选，所述底座501具有与第二旋转关节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为向外凸起的弧面，则所述底座501之背面为向内凹陷的弧面，如此，可以很好的与第二外筒的外周面契合，增加了关节之间连接的紧凑性。

[0071] 本发明的一实施例，所述机械臂还包括至少一个制动器，以控制旋转关节的转动。继续参阅图3，所述机械臂还包括第一制动器9和第二制动器10，所述第一制动器9和第二制动器10沿第一转轴6轴向设置于第一旋转关节2，以制动第一旋转关节2。优选，所述第一制动器9包括第一定子和第一转子，所述第二制动器10包括第二定子和第二转子。其中，第一定子、第二定子固定于第一外筒内，并围绕所述第一转轴6布置；第一转子、第二转子固定于第一转轴6上，并与相应的定子轴向匹配布置。两个制动器工作时，两个定子和对应的转子抱合，可使第一旋转关节2之第一外筒与第一转轴6紧固，而不发生相对的转动，而两个制动器不工作时，两个定子和转子分离，所述第一旋转2之第一外筒可在第一转轴6上自由转动。
本发明对用以制动第一旋转关节2的制动器的数量并不特别的限定。

[0072] 相应地，所述机械臂还包括一个第三制动器11，所述第三制动器11设置于第二旋转关节4，以制动第二旋转关节4。优选，所述第三制动器11包括第三定子和第三转子。其中，第三定子固定于第二外筒内，并围绕第二转轴7布置；第三转子固定于第二转轴7上，并与第三定子轴向匹配布置。所述第三制动器11的工作原理如同第一制动器9和第二制动器10，在此，不再详细叙述。

[0073] 显而易见，上述制动器中，所述转子可以固定于对应旋转关节的外筒内壁上，所述定子固定于相应的转轴上。

[0074] 图6是本发明一实施例的重力平衡机构的示意图，图7是本发明一实施例的重力平衡机构的原理图。如图6～7所示，所述连接臂3具有一内腔，所述重力平衡机构设置于连接臂3的内腔中。所述重力平衡机构包括恒力弹簧1201、弹簧接头1202、转向机构和柔性结构，所述恒力弹簧1201的一端固定在连接臂3上，所述恒力弹簧1201的另一端连接弹簧接头1202的一端，所述弹簧接头1202的另一端连接所述柔性结构的一端，所述转向机构分布在连接臂3的内腔和(或)竖直移动关节5上，以改变所述柔性结构的延伸方向，且所述柔性结构延伸经过所述转向机构的转向后另一端与竖直移动关节5之连接器503的上端连接。所述柔性结构例如是丝、绳、带等，用以输出弹簧力。

[0075] 可选，所述转向机构包括多个定滑轮，多个定滑轮分开布置在连接臂3的内腔和(或)竖直移动关节5上，所述柔性结构延伸经过多个定滑轮的转向后另一端与连接器503之上端连接。

[0076] 本发明采用恒力弹簧1201作为重力平衡机构的输出，由于恒力弹簧1201的输出力始终稳定，由此重力平衡的效果好，而且也可避免由于重力变化而产生的繁琐的计算问题，简化了重力平衡的操作过程。

[0077] 更优选，所述重力平衡机构还包括设置于连接臂3中且水平放置的滑动槽1203，所述弹簧接头1202设置于滑动槽1203中，以限定弹簧接头1202的运动方向，在此，重力平衡过程中的摩擦力小，重力平衡效果更好。

[0078] 进一步，如图6所示，并结合参阅图8，图8是本发明一实施例的另一重力平衡机构的原理图。所述重力平衡机构还包括一个比例轮1204，所述比例轮1204包括同轴安装且可同步转动的内轮和外轮，所述柔性结构包括第一柔性结构和第二柔性结构；所述第一柔性结构包括第一端部、自所述第一端部延伸的第一本体、以及与第一本体连接的第二端部。其中，所述恒力弹簧1201的另一端连接弹簧接头1202的一端，所述弹簧接头1202的另一端连接所述第一柔性结构的第一端部，所述第一柔性结构的第二端部与比例轮1204之内轮连接。所述第二柔性结构包括第一延伸部、第二本体以及第二延伸部，所述第二本体包括第三端部和第四端部，所述第二柔性结构之第二本体围绕比例轮1204之外轮的外围，围绕的长度与连接器的行程相匹配(一般为大于或等于连接器的行程)，且第二本体围绕比例轮1204之外轮的外围部分至少一段与所述比例轮1204之外轮的外围固定连接，所述第二本体的第三端部围绕所述外轮的方向与第一柔性体围绕所述内轮的方向相反。然后，第一延伸部与第二本体的第三端部连接后，延伸经过所述转向机构，然后与竖直移动关节5之连接器503的上端连接，所述第二延伸部与第二本体的第四端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与竖直移动关节5之连接器503的下端连接，且第一延伸部和第二延伸部被配置为当连接器503移动时，所述第一延伸部和第二延伸部位移变化量相等。显然，在本发明中所述“位移变化量”应理解为柔性体或柔性体的一部分的移动距离，其为一正值。“第二本体的第三端部围绕所述外轮的方向”，为第二本体的第三端部从第二本体与外轮固定的点出发围绕外轮的方向，同样“第一柔性体围绕所述内轮的方向”为第一柔性体从第一柔性体与内轮的连接点出发围绕内轮的方向。

[0079] 图9是本发明一实施例的水平移动关节的示意图。如图9所示，所述水平移动关节1包括N个上下堆叠的水平移动模块，N为大于或等于2的自然数；其中：第一个水平移动模块与外部固定架，例如基座以保持固定，其余水平移动模块用以沿水平方向运动；所述第一转轴6与第N个水平移动模块连接；所述第一个水平移动模块位于底层，所述第N个水平移动模块位于顶层；并且：第m个水平移动模块滑动连接第m-1个水平移动模块，以使第m个水平移动模块可在第m-1个水平移动模块上滑动，m为2至N中的所有自然数。例如，N等于3，此时，第二个水平移动模块滑动连接第一个水平移动模块，第三个水平移动模块滑动连接第二个水平移动模块，第三个水平移动模块连接第一转轴6。

[0080] 相比于单级滑动副，多级滑动副的串联结构可以增大水平移动关节1的行程，使得机械臂的运动范围更加广泛，运动调整效率更高，而且也可以缩小水平移动关节1沿水平方向的结构尺寸，从而减少安装空间。

[0081] 本实施例中，每个水平移动模块均包括底块，而且，除第N个水平移动模块外，第m-1个水平移动模块还包括固设于对应底块上的水平导轨和滑动设置于所述水平导轨上的滑块，第m个水平移动模块之第m个底块固设于第m-1个水平移动模块之第m-1个滑块上。第N个水平移动模块之第N个底块的下部与第N-1个水平移动模块之第N-1个滑块连接，同时所述第N个底块的上部连接第一转轴6。在此，m为2至N-1中的所有自然数。例如N等于3，则m为2，那么，第二个水平移动模块之第二个底块固设于第一个水平移动模块之第一个滑块上，第三个水平移动模块之第三个底块的下部固设于第二个水平移动模块之第二个滑块上，第三个底块的上部连接第一转轴6。

[0082] 例如图9所示的实施例中，所述水平移动模块的数量为三个，分别是第一水平移动模块(即第一个水平移动模块)、第二水平移动模块和第三水平移动模块(即第三个水平移动模块)；所述第一水平移动模块固设于手术机器人的基座上，包括第一底块101、固设于第一底块101上的第一水平导轨102以及滑动设置于第一水平导轨102上的第一滑块103；所述第二水平移动模块包括固设于第一滑块103上的第二底块104、固设于第二底块104上的第二水平导轨105、以及滑动设置于第二水平导轨105上的第二滑块106；所述第三水平移动模块包括固设于第二滑块106上的第三底块107，所述第一转轴6与第三底块107固定连接。

[0083] 可以理解是：使用时，第一滑块103可以驱动第二底块104及其连接的第三底块107在第一底块101上做直线运动，相应地，第二滑块可驱动第三底块107在第二底块104上做直线运动。在此，本领域技术人员应当知晓：所述第一底块101固定于任意固定物上，其始终保持不动，而所述第二底块104仅在第一滑块103的带动下运动，而所述第三底块107既可以在第一滑块103的带动下运动，也可以在第二滑块106的驱动下运动。

[0084] 在另一些实施例中，所述水平移动模块的数量还可以为三个以上，例如四个或更多个，也可以为两个，具体本发明并不限定。本发明通过导轨和滑块形成的结构实现水平移动关节1的水平运动，结构简单，运动可靠，实施方便。

[0085] 如图9所示的实施例中，所述机械臂的水平移动关节1还包括第四制动器13，所述第四制动器13用以限制水平移动关节1的运动。图10示出的是图9所示的水平移动关节的原理图。如图10所示，所述水平移动关节1还包括第三柔性结构，所述第四制动器13设置于顶层的第三底块107上，以限制第三底块107的运动。此处本领域技术人员应当理解，由于第三底块107上连接有第一旋转关节2，因此，第三底块107为最终的水平运动输出端，由此将第四制动器13设置于第三底块107上，以限定运动输出端相对于固定基座的运动。所述第三柔性结构包括第三延伸部、第三本体以及与第四延伸部，所述第三本体包括第五端部和第六端部，所述第三本体围绕并部分固连第四制动器13，围绕的长度与水平移动关节1的行程相匹配，然后，所述第三延伸部与第三本体的第五端部连接后，延伸经过转向，然后与第一底块101的一端连接，所述第四延伸部与第三本体的第六端部连接后，延伸经过转向，然后与第一底块101的另一端连接，所述第三延伸部和第四延伸部被布置为当水平移动关节移动时，所述第三延伸部和第四延伸部的位移变化量相等。这样，可确保正常运动，不会出现因伸缩长度不等引起的运动问题。其中，图10示出的第三延伸部可连接第一底块101的左端，第四延伸部连接第一底块101的右端。“位移变化量”同上所述，这里可以更具体理解为第三柔性体、或其部分，如第三延伸部和第四延伸部移动的距离。

[0086] 优选，所述第四制动器13包括转轴和固连于所述转轴上的滚轮，所述转轴的两端通过轴承约束于所述固定基座上，并可转动，同时所述滚轮可与所述转轴一起转动；所述滚轮上围绕有所述第三本体。所述第四制动器13还包括第四定子和第四转子；第四定子固定于所述固定基座上，并围绕所述转轴布置；第四转子固定于所述转轴上，并与第四定子轴向匹配布置。第四制动器13工作时，第四定子和第四转子抱合，可使所述转轴与所述固定基座紧固，而不发生相对的转动，从而制动第三底块107，致使第三底块107相对于第一底块101保持静止；所述固定基座可选固定于第三底块107上；而第四制动器13不工作时，第四定子和第四转子分离，所述滚轮可随所述转轴自由转动，从而通过第三柔性结构传递运动，实现第三底块107相对于第一底块101做水平运动。

[0087] 当然，若水平移动模块的数量为三个以上，或三个以下时，只要将第四制动器13设置于与第一转轴6连接的水平移动模块上，例如第一转轴6与第N个水平移动模块连接，那么，第四制动器13设置于第N个水平移动模块上；并且所述第四制动器13通过第三柔性结构的第三延伸部和第四延伸部与用于连接外部固定架的水平移动模块的相对两端连接，例如底层的第一个水平移动模块与所述外部固定架连接，使第三延伸部和第四延伸部被布置为当水平移动关节移动时，第三延伸部和第四延伸部的位移变化量相等。

[0088] 图11是本发明一实施例的竖直移动关节之底座采用套筒的示意图。如图11所示，所述竖直移动关节5之底座501为一套筒，所述竖直移动关节5之竖直导轨502设置于底座501的内部，这样可以保证竖直导轨502正常运行所需的空间。

[0089] 综上所述，本发明通过一个水平移动关节1实现机械臂的水平运动，并通过一个竖直移动关节，实现机械臂的竖直方向运动，由于关节数量少，结构关系简化，故而缩小了机械臂的外形尺寸，降低了机械臂的整体质量，在结构简化的同时，运动控制精度得到了提高，且不会产生额外的运动位移，操作更为简便。

[0090] 此外，本发明的旋转关节包括第一旋转关节2和第二旋转关节4，两个旋转关节之外筒分别套设在平行设置的转轴上，并均可与对应转轴相对转动，这样可以实现机械臂的冗余调整，运动控制的精度更高。

[0091] 另外，本发明还设置有用以配平竖直移动关节5上悬挂的外部机构以及连接器的重力平衡机构，且所述重力平衡机构设置于连接臂3的内腔中，在实现自身功能且不影响其他机构的情况下，合理的利用了内部空间，有效缩减了机械臂的外形尺寸。

[0092] 还有，本发明的竖直移动关节5之底座501具有与第二旋转关节4的外周面配合的背面，这样可使竖直移动关节5紧贴第二旋转关节4，增强了结构的紧凑性。

[0093] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

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