机械手以及主从随动设备的制作方法

1.本发明至少一实施例涉及一种机械手以及主从随动设备。

背景技术：

2.主从随动设备允许用户操作主控装置来控制受控装置。主控装置与受控装置可以位于同一空间内，实现主控装置对受控装置的本地控制。主控装置与受控装置可以位于不同空间，实现主控装置对受控装置的远程控制。目前，主从随动设备已广泛应用于医疗领域，增加了医疗操作的可靠性和安全性，并减小了医生的疲劳强度。美国intuitive surgical公司推出的davinci xi机器人系统和英国cmr surgical公司推出的versius机器人系统是医疗领域常见的主从随动设备，其均能实现主控装置上的机械手控制受控装置上的医疗器械的功能。
3.重力补偿装置能减少机械装置的电驱动功率，减少被动拖动阻力。目前国际上已经推出重力补偿机器人，如美国sensable technologies公司推出的phantom，法国haption公司推出的virtuose机器人，均实现部分位置的重力平衡，没有实现完全的重力平衡。如果机器人没有完全重力平衡，就不满足力雅可比计算前提条件，最终会影响力感精度。
4.希望针对主从随动设备中的主控装置的机械手也设置重力补偿装置，减小操控机械手的阻力。

技术实现要素：

5.根据本发明的实施例，提供一种一种机械手。该机械手包括：安装座；集成座，可转动地连接到所述安装座；第一臂，包括第一端和第二端，所述第一臂的第一端可转动地连接到所述集成座；第二臂，包括第一端和第二端，所述第二臂的第一端可转动地连接到所述第一臂的第二端；以及手柄组件，可转动地连接到所述第二臂的第二端，其中，所述机械手还包括针对所述第一臂设置的第一配重组件、针对所述第二臂设置的第二配重组件以及针对所述手柄组件设置的第三配重组件。
6.例如，所述第一配重组件包括第一预形变弹性件；所述第一配重组件构造为：所述第一预形变弹性件的弹性势能随着所述第一臂的转动而变化，以补偿由于所述第一臂的转动而导致的所述机械手的重力势能的变化。
7.例如，在由于所述第一臂的转动导致所述机械手的重力势能增加的情形下，所述第一预形变弹性件的弹性势能减小；或者在由于所述第一臂的转动导致所述机械手的重力势能减小的情形下，所述第一预形变弹性件的弹性势能增加。
8.例如，所述第一配重组件构造为：所述第一预形变弹性件的弹性势能的变化量等于由于所述第一臂的转动而导致的所述机械手的重力势能的变化量。
9.例如，所述第一配重组件包括第一平衡臂、第一传动带、第一固定轮、第一支撑轮、第一平衡轮、以及所述第一预形变弹性件；所述第一平衡臂与所述第一臂连接以使得所述第一平衡臂随着所述第一臂的转动而同步转动；
所述第一固定轮设置于所述第一平衡臂上；所述第一传动带的第一端与所述第一固定轮连接，所述第一传动带经过所述第一支撑轮并且所述第一支撑轮支撑所述第一传动带，所述第一传动带的第二端与所述第一平衡轮连接；所述第一平衡轮与所述第一预形变弹性件连接；所述第一臂和所述第一配重组件构造为：所述第一臂转动带动所述第一平衡臂转动，所述第一平衡臂转动导致所述第一固定轮带动所述第一传动带发生位移，所述第一传动带位移带动所述第一平衡轮转动，所述第一平衡轮转动带动所述第一预形变弹性件的弹性形变发生变化。
10.例如，所述第一平衡臂绕第一转动轴转动，所述第一固定轮和所述第一支撑轮分别与所述第一转动轴间隔开。
11.例如，所述集成座可转动地连接到所述安装座，以使得所述集成座绕第一轴线可转动；在所述第一轴线的方向上，第一支撑轮、第一平衡轮、以及所述第一预形变弹性件设置为比所述第一平衡臂和所述第一固定轮靠近所述安装座。
12.例如，所述第一预形变弹性件为具有预形变的扭簧；所述第一传动带为钢丝绳。
13.例如，所述第二配重组件包括第二预形变弹性件；所述第二配重组件构造为：所述第二预形变弹性件的弹性势能随着所述第二臂的转动而变化，以补偿由于所述第二臂的转动而导致的所述机械手的重力势能的变化。
14.例如，在由于所述第二臂的转动导致所述机械手的重力势能增加的情形下，所述第二预形变弹性件的弹性势能减小；或者在由于所述第二臂的转动导致所述机械手的重力势能减小的情形下，所述第二预形变弹性件的弹性势能增加。
15.例如，所述第二配重组件构造为：所述第二预形变弹性件的弹性势能的变化量等于由于所述第二臂的转动而导致的所述机械手的重力势能的变化量。
16.例如，所述第二配重组件包括第二平衡臂、第二传动带、第二固定轮、第二支撑轮、第二平衡轮、以及所述第二预形变弹性件；所述第二平衡臂与所述第二臂连接以使得所述第二平衡臂随着所述第二臂的转动而同步转动；所述第二固定轮设置于所述第二平衡臂上；所述第二传动带的第一端与所述第二固定轮连接，所述第二传动带经过所述第二支撑轮并且所述第二支撑轮支撑所述第二传动带，所述第二传动带的第二端与所述第二平衡轮连接；所述第二平衡轮与所述第二预形变弹性件连接；所述第二臂和所述第二配重组件构造为：所述第二臂转动带动所述第二平衡臂转动，所述第二平衡臂转动导致所述第二固定轮带动所述第二传动带发生位移，所述第二传动带位移带动所述第二平衡轮转动，所述第二平衡轮转动带动所述第二预形变弹性件的弹性形变发生变化。
17.例如，所述机械手还包括第一连杆，所述第二平衡臂通过所述第一连杆与所述第二臂的所述第一端连接。
18.例如，所述第二平衡臂绕第二转动轴转动，所述第二固定轮和所述第二支撑轮分别与所述第二转动轴间隔开。
19.例如，所述集成座可转动地连接到所述安装座，以使得所述集成座绕第一轴线可转动；在所述第一轴线的方向上，第二支撑轮、第二平衡轮、以及所述第二预形变弹性件设置为比所述第二平衡臂和所述第二固定轮靠近所述安装座。
20.例如，所述第二预形变弹性件为具有预形变的扭簧；所述第二传动带为钢丝绳。
21.例如，所述集成座可转动地连接到所述安装座，以使得所述集成座绕第一轴线可
转动；所述第一臂的第一端可转动地连接到集成座，以使得所述第一臂绕第二轴线可转动，所述第一轴线与所述第二轴线交叉；在所述第一轴线的方向上，所述安装座和所述集成座堆叠设置；并且在所述第二轴线的方向上，所述第一配重组件和所述第二配重组件位于所述集成座的相反两侧。
22.例如，所述第三配重组件包括第一转轮、第三传动带、第二转轮和平衡块，所述第一转轮设置在所述第二臂的第二端并与所述手柄组件连接以使得所述第一转轮随着所述手柄组件的转动而同步转动，所述第二转轮设置在所述第二臂的第一端，所述第三传动带连接在所述第一转轮和所述第二转轮之间，所述平衡块与所述第二转轮连接以使得所述平衡块随着所述第二转轮的转动而同步转动；所述手柄组件和所述第三配重组件设置为：所述手柄组件转动带动所述第一转轮转动，所述第一转轮转动带动所述第三传动带发生位移，所述第三传送带位移带动所述第二转轮转动，所述第二转轮转动带动所述平衡块转动，以使得所述平衡块补偿由于所述手柄组件转动而导致的所述机械手的重心偏移。
23.例如，所述手柄组件可转动地连接到所述第二臂的第二端，以使得所述手柄组件绕转动轴线可转动；在所述转动轴线的方向上，所述手柄组件和所述第三配重组件分别设置在所述第二臂的相反两侧。
24.例如，在与所述第三轴线的方向以及所述第二臂的延伸方向二者垂直的方向上，所述手柄组件和所述平衡块分别设置在所述第二臂的相反两侧。
25.例如，所述手柄组件包括与所述第二臂的第二端可转动且直接连接的第二连杆；所述配重组件还包括连接在所述第二转轮和所述平衡块之间的第三连杆；所述第二连杆平行于所述第三连杆。
26.根据本发明的实施例，还提供一种主从随动设备。该主从随动设备包括：主控装置，包括工作台以及如上所述的机械手，所述机械手的安装座固定连接到所述工作台；受控装置，与所述主控装置信号连接并包括执行器，所述执行器在所述机械手的控制下运动。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
28.图1是根据本发明实施例的机械手的示意图一，其中示出了第一配重组件；图2是根据本发明实施例的机械手的示意图二，其中示出了第二配重组件；图3是根据本发明实施例的机械手的手柄组件的放大示意图；图4是图1的部分aa的放大示意图，其中示出了第一配重组件；图5是图2的部分bb的放大示意图，其中示出了第二配重组件；图6是根据本发明实施例的机械手的示意图三，其中示出了第三配重组件；图7是根据本发明实施例的机械手的仰视示意图，其中示出了第三配重组件；图8是图7的部分cc的放大示意图，其中示出了第三配重组件；图9是根据本发明实施例的主从随动设备的示意图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“内”、“外”、“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.本发明中的附图并不是严格按实际比例绘制，各个结构的具体尺寸和数量可根据实际需要进行确定。本发明中所描述的附图仅是结构示意图。
32.虽然本文描述的实施例中的一些经常指外科手术规程或工具、或医疗规程或工具，但是本文所公开的技术也适用于非医疗规程和非医疗工具。例如，本文描述的工具、系统和方法可用于非医疗目的，包括工业用途、通用机器人用途、以及非组织工件的感测或操纵。
33.图1是根据本发明实施例的机械手的示意图一，其中示出了第一配重组件，图2是根据本发明实施例的机械手的示意图二，其中示出了第二配重组件，并且图6是根据本发明实施例的机械手的示意图三，其中示出了第三配重组件。参见图1、图2和图6，根据本发明实施例的机械手包括：安装座101；集成座102，可转动地连接到安装座101；第一臂103，包括第一端和第二端，第一臂103的第一端可转动地连接到集成座102；第二臂104，包括第一端和第二端，第二臂104的第一端可转动地连接到第一臂103的第二端；以及手柄组件106，可转动地连接到第二臂104的第二端，其中，机械手还包括针对第一臂103设置的第一配重组件、针对第二臂104设置的第二配重组件以及针对手柄组件106设置的第三配重组件。根据本发明实施例，针对第一臂103设置第一配重组件、针对第二臂104设置第二配重组件并且针对手柄组件106设置的第三配重组件，即使第一臂103、第二臂104和手柄组件106转动也可以保持整个机械手的重力平衡，使得机械手在任何位置和姿态下均能保持重力平衡，实现了机械手的完全重力平衡。
34.参见图2，根据本发明实施例的机械手具有7个可转动的关节，分别是关节111j1、关节111j2、关节111j3、关节111j4、关节111j5和关节111j6；在关节111j1处，集成座102可转动地连接到安装座101，以使得集成座102绕第一轴线s1可转动；在关节111j2处，第一臂102的第一端可转动地连接到集成座102，以使得第一臂103绕第二轴线s2可转动；在关节111j3处，第二臂104的第一端可转动地连接到第一臂103的第二端，以使得第二臂104绕第三轴线s3可转动；在关节111j4处，手柄组件106可转动地连接到第二臂104的第二端，以使得手柄组件106绕第四轴线s4可转动；手柄组件106包括关节111j5、关节111j6和关节111j7。根据本发明实施例的机械手包括如上所述的7个可转动的关节，从而使得机械手具有7个自由度，灵活度非常高，既方便用户140（参见后面将要描述的图9，并且用户140例如为医生）操控，又可以跟随用户140的任何手部动作。用户140操控机械手，机械手的7个关节转动，使得机械手的位置与姿态变化，受控装置200上的执行器210（受控装置200以及执行器210参见后面将要描述的图9）会跟随机械手的位置与姿态变化而发生相应的运动。需要
说明的是，用户140操控机械手时，7个关节同时转动，或者7个关节中的一部分关节转动而另一部关节不转动。例如，第一轴线s1与第二轴线s2交叉，与第三轴线s3交叉。例如，第一轴线s1与第二轴线s2垂直，与第三轴线s3垂直，并与第四轴线s4平行；因此，第二轴线s2和第三轴线s3平行，并且第四轴线s4分别与第二轴线s2和第三轴线s3垂直。
35.图3是根据本发明实施例的机械手的手柄组件的放大示意图。参见图1、图2和图3，机械手的手柄组件106包括关节111j5、关节111j6、关节111j7和手柄112；在关节s5处，手柄组件106的至少部分绕第五轴线s5可转动；在关节s6处，手柄组件106的至少部分绕第六轴线s6可转动；在关节s7处，手柄112绕轴线s7可转动；第五轴线s5，第六轴线s6和第七轴线s7彼此垂直并且可相交于一点。例如，手柄组件还包括与手柄112转动连接的手动构件113以及设置在手柄112上的转动控制器112c1。例如，手动构件113即为用户140的手指直接接触的构件。例如，在手动构件113上还设置有手环114，用于固定用户140的手指。例如，手柄组件106包括两个如上所述的手动构件113和两个如上所述的手环114。例如，转动控制器112c1用于控制执行器210（例如，参见后面将要描述的图9，执行器210的细长执行轴210s）的转动。例如，在实际操作中，用户140的大拇指插入左侧的指环114并控制左侧的手动构件113，用户140的中指插入右侧的指环114并控制右侧的手动构件113，而用户140的其他手指例如食指则可以灵活方便地控制转动控制器112c1。例如，手动构件113在其延伸方向上包括彼此相对的第一端和第二端，第一端与手柄112转动连接以带动第二端移动而靠近或离开手柄112。例如，用户140的手指按压手动构件113，手动构件113的第一端相对于手柄112向里转动，手动构件113的第二端移动而靠近手柄112；用户140的手指通过手环114向外拖动手动构件113，手动构件113的第一端相对于手柄112向外转动，手动构件113的第二端移动而远离手柄112。
36.例如，安装座101固定连接到主控装置100的工作台130（主控装置100和工作台130参见后面将要描述的图9），以将机械手安装至主控装置100的工作台130。例如，集成座102上集成有机械手工作所需的电机、编码器、电流传感器（未示出）等电学部件。
37.图4是图1的部分aa的放大示意图，其中示出了第一配重组件。参见图1和图4，第一配重组件包括第一预形变弹性件103c6；第一配重组件构造为：第一预形变弹性件103c6的弹性势能随着第一臂103的转动而变化，以补偿由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的变化。在机械装置中一般采用重物作为配重组件；但是，在采用重物作为配重组件的情况下，会导致整个机械装置体积庞大臃肿，每个关节的转动惯量较大，在用户操控机械装置时加速度扭矩较大，给用户带来了较强的拖动阻力感。然而，本发明实施例的第一配重组件并没有采用重物，而是采用具有预形变的弹性件103c6来实现机械臂的重力平衡，不用增加每个关节的转动惯量，整个机械手的体积可以做得更小，并且在用户操控机械手时加速度扭矩较小，用户感受到的拖动阻力感较小甚至用户感受不到拖动阻力感。例如，第一预形变弹性件103c6是具有预形变的弹性件，是指一旦机械手组装完毕处于待机状态弹性件就具有形变。例如，预形变可以是拉伸形变，压缩形变或者扭转形变，本发明实施例对此不进行限制。例如，弹性件可以是拉簧、压簧或者扭簧，本发明实施例对此不进行限制。根据本发明实施例，第一预形变弹性件103c6的弹性势能随着第一臂103的转动而变化，以补偿由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的变化；从而不论第一臂103处于任何位置时，整个机械手的总势能保持不变，整个机械手处于平衡状态。
38.例如，根据本发明实施例，“补偿”是指此消彼长或者此长彼消。例如，第一预形变弹性件103c6的弹性势能随着第一臂103的转动而变化，以补偿由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的变化，包括：在由于第一臂103的转动导致机械手的重力势能增加的情形下，第一预形变弹性件103c6的弹性势能减小；例如，第一臂103相对于图1所示的位置往上运动则机械手的重力势能增加，第一预形变弹性件103c6形变量减小则弹性势能减小。例如，第一预形变弹性件103c6的弹性势能随着第一臂103的转动而变化，以补偿由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的变化，包括：在由于第一臂103的转动导致机械手的重力势能减小的情形下，第一预形变弹性件103c6的弹性势能增加；例如，第一臂103相对于图1所示的位置往下运动则机械手的重力势能减小，第一预形变弹性件103c6形变量在原有形变量的基础上进一步形变则弹性势能增加。
39.例如，根据本发明实施例，第一配重组件构造为：第一预形变弹性件103c6的弹性势能的变化量等于由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的变化量。在此情形下，第一预形变弹性件103c6的弹性势能的变化量将完全补偿由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的变化，使得整个机械手的势能完全保持不变，整个机械手处于完全平衡状态。第一预形变弹性件103c6的弹性势能的变化量等于由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的变化量，包括：第一预形变弹性件103c6的弹性势能的减小量等于由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的增加量；或者，第一预形变弹性件103c6的弹性势能的增加量等于由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的减小量。
40.例如，继续参见图1和图4，根据本发明实施例，第一配重组件包括第一平衡臂103c1、第一传动带103c2、第一固定轮103c3、第一支撑轮103c4、第一平衡轮103c5、以及第一预形变弹性件103c6；第一平衡臂103c1与第一臂103连接以使得第一平衡臂103c1随着第一臂103的转动而同步转动；第一固定轮103c3设置于第一平衡臂103c1上，例如，第一固定轮103c3固定地设置于第一平衡臂103c1上；第一传动带103c2的第一端与第一固定轮103c3连接，第一传动带103c2经过第一支撑轮103c4并且第一支撑轮103c4支撑第一传动带103c2，第一传动带103c2的第二端与第一平衡轮103c5连接；第一平衡轮103c5与第一预形变弹性件103c6连接；第一臂103和第一配重组件构造为：第一臂103转动带动第一平衡臂103c1转动，第一平衡臂103c1转动导致第一固定轮103c3带动第一传动带103c2发生位移，第一传动带103c2位移带动第一平衡轮103c5转动，第一平衡轮103c5转动带动第一预形变弹性件103c6的弹性形变发生变化。例如，第一臂103相对于图1所示的位置往上运动，第一预形变弹性件103c6的弹性形变的形变量减小。例如，第一臂103相对于图1所示的位置往下运动，第一预形变弹性件103c6的弹性形变的形变量增加。通过第一配重组件的如上所述的各个部分之间的相互配合，本发明实施例即可通过具有预形变的弹性件103c6来实现机械臂的重力平衡，从而不用增加每个关节的转动惯量，整个机械手的体积可以做得更小，并且在用户操控机械手时加速度扭矩较小，用户感受到的拖动阻力感较小甚至用户感受不到拖动阻力感。
41.例如，继续图4，根据本发明实施例，第一平衡臂103c1绕第一转动轴107转动，并且第一固定轮103c3和第一支撑轮103c4分别与第一转动轴107间隔开。为了使得第一预形变弹性件103c6的弹性势能的变化能够补偿由于第一臂103的转动而导致的机械手的重力势能的变化，需要设计合适的第一预形变弹性件103c6。本发明的发明人发现，第一预形变弹
性件103c6的弹性系数与第一固定轮103c3和第一转动轴107之间的距离成反比并与第一支撑轮103c4与第一转动轴107之间的距离成反比；如果第一固定轮103c3和第一转动轴107之间的距离为零和/或第一支撑轮103c4与第一转动轴107之间的距离为零，则第一预形变弹性件103c6的弹性系数需要无穷大，这显然是不可能实现的；因此，根据本发明的实施例，第一固定轮103c3和第一支撑轮103c4分别与第一转动轴107间隔开。例如，第一转动轴107的轴线与如上所述的第二轴线s2重合，使得第一臂103和第一平衡臂103c1绕同一轴线同步转动。
42.例如，继续参见图1和图4，根据本发明实施例，集成座102可转动地连接到安装座101，以使得集成座102绕第一轴线s1可转动；在第一轴线s1的方向上，第一支撑轮103c4、第一平衡轮103c5、以及第一预形变弹性件103c6设置为比第一平衡臂103c1和第一固定轮103c3靠近安装座101。通过这样的布置方式，可以使得第一配重组件的布局更紧凑，避免由于第一配重组件的设置而增加机械手的体积。
43.例如，继续参见图1和图4，根据本发明实施例，第一预形变弹性件103c6为具有预形变的扭簧；在此情形下，相对于拉簧和压簧，可以灵活方便地使第一预形变弹性件103c6的弹性形变随着第一平衡轮103c5的转动动作而变化。例如，根据本发明实施例，第一传动带103c2为钢丝绳；在此情形下，传动阻力很小，传动效率高，避免用户操控机械手时产生疲劳。需要说明的是，第一传动带103c2也可以实现为皮带、链条等。
44.图5是图2的部分bb的放大示意图，其中示出了第二配重组件。参见图2和图5，第二配重组件包括第二预形变弹性件104c6；第二配重组件构造为：第二预形变弹性件104c6的弹性势能随着第二臂104的转动而变化，以补偿由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势能的变化。在机械装置中一般采用重物作为配重组件；但是，在采用重物作为配重组件的情况下，会导致整个机械装置体积庞大臃肿，每个关节的转动惯量较大，在用户操控机械装置时加速度扭矩较大，给用户带来了较强的拖动阻力感。然而，本发明实施例的第二配重组件并没有采用重物，而是采用具有预形变的弹性件104c6来实现机械臂的重力平衡，不用增加每个关节的转动惯量，整个机械手的体积可以做得更小，并且在用户操控机械手时加速度扭矩较小，用户感受到的拖动阻力感较小甚至用户感受不到拖动阻力感。例如，第二预形变弹性件104c6是具有预形变的弹性件，是指一旦机械手组装完毕处于待机状态弹性件就具有形变。例如，预形变可以是拉伸形变，压缩形变或者扭转形变，本发明实施例对此不进行限制。例如，弹性件可以是拉簧、压簧或者扭簧，本发明实施例对此不进行限制。根据本发明实施例，第二预形变弹性件104c6的弹性势能随着第二臂104的转动而变化，以补偿由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势能的变化；从而不论第二臂104处于任何位置时，整个机械手的总势能保持不变，整个机械手处于平衡状态。
45.例如，根据本发明实施例，第二预形变弹性件104c6的弹性势能随着第二臂104的转动而变化，以补偿由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势能的变化，包括：在由于第二臂104的转动导致机械手的重力势能增加的情形下，第二预形变弹性件104c6的弹性势能减小；例如，第二臂104相对于图2所示的位置往上运动则机械手的重力势能增加，第二预形变弹性件104c6形变量减小则弹性势能减小。例如，根据本发明实施例，第二预形变弹性件104c6的弹性势能随着第二臂104的转动而变化，以补偿由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势能的变化，包括：在由于第二臂104的转动导致机械手的重力势能减小的
情形下，第二预形变弹性件104c6的弹性势能增加；例如，第一臂103相对于图2所示的位置往下运动则机械手的重力势能减小，第一预形变弹性件103c6形变量在原有形变量的基础上进一步形变则弹性势能增加。
46.例如，根据本发明实施例，第二配重组件构造为：第二预形变弹性件104c6的弹性势能的变化量等于由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势能的变化量。在此情形下，第二预形变弹性件104c6的弹性势能的变化量将完全补偿由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势能的变化，使得整个机械手的势能完全保持不变，整个机械手处于完全平衡状态。第二预形变弹性件104c6的弹性势能的变化量等于由于第一臂104的转动而导致的机械手的重力势能的变化量，包括：第二预形变弹性件104c6的弹性势能的减小量等于由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势能的增加量；或者，第二预形变弹性件104c6的弹性势能的增加量等于由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势能的减小量。
47.例如，继续参见图2和图5，根据本发明实施例，第二配重组件包括第二平衡臂104c1、第二传动带104c2、第二固定轮104c3、第二支撑轮104c4、第二平衡轮104c5、以及第二预形变弹性件104c6；第二平衡臂104c1与第二臂104连接以使得第二平衡臂104c1随着第二臂104的转动而同步转动；第二固定轮104c3设置于第二平衡臂104c1上，例如，第二固定轮104c3固定地设置于第二平衡臂104c1上；第二传动带104c2的第一端与第二固定轮104c3连接，第二传动带104c2经过第二支撑轮104c4并且第二支撑轮104c4支撑第二传动带104c2，第二传动带104c2的第二端与第二平衡轮104c5连接；第二平衡轮104c5与第二预形变弹性件104c6连接；第二臂104和第二配重组件构造为：第二臂104转动带动第二平衡臂104c1转动，第二平衡臂104c1转动导致第二固定轮104c3带动第二传动带104c2发生位移，第二传动带104c2位移带动第二平衡轮104c5转动，第二平衡轮104c5转动带动第二预形变弹性件104c6的弹性形变发生变化。例如，第二臂104相对于图2所示的位置往上运动，第一预形变弹性件103c6的弹性形变的形变量减小。例如，第二臂104相对于图2所示的位置往下运动，第二预形变弹性件104c6的弹性形变的形变量增加。通过第二配重组件的如上所述的各个部分之间的相互配合，本发明实施例即可通过具有预形变的弹性件104c6来实现机械臂的重力平衡，从而不用增加每个关节的转动惯量，整个机械手的体积可以做得更小，并且在用户操控机械手时加速度扭矩较小，用户感受到的拖动阻力感较小甚至用户感受不到拖动阻力感。
48.例如，参见图2，根据本发明实施例的机械手还包括第一连杆105，第二平衡臂104c1通过第一连杆105与第二臂104的第一端连接，从而使得第二平衡臂104c1随着第二臂104的转动而同步转动。继续参见图2，第一连杆105与第二臂104的第一端的连接位置不同于第一臂103的第二端与第二臂104的第一端的连接位置。例如，第二臂104绕第三轴线s3可转动；在第三轴线s3的方向上，第一连杆105与第二臂104的第一端的连接位置以及第一臂103的第二端与第二臂104的第一端的连接位置分别位于第二臂104的相反两侧。例如，继续参见图2，与第一臂103一样，第一连杆105位于集成座102与第二臂104之间；并且第一臂103和第一连杆105彼此间隔开。
49.例如，继续参见图5，根据本发明实施例，第二平衡臂104c1绕第二转动轴108转动，第二固定轮104c3和第二支撑轮104c4分别与第二转动轴108间隔开。为了使得第二预形变弹性件104c6的弹性势能的变化能够补偿由于第二臂104的转动而导致的机械手的重力势
能的变化，需要设计合适的第二预形变弹性件104c6。本发明的发明人发现，第二预形变弹性件104c6的弹性系数与第二固定轮104c3和第二转动轴108之间的距离成反比并与第二支撑轮104c4与第二转动轴108之间的距离成反比；如果第二固定轮104c3和第二转动轴108之间的距离为零和/或第二支撑轮104c4与第二转动轴108之间的距离为零，则第二预形变弹性件104c6的弹性系数需要无穷大，这显然是不可能实现的；因此，根据本发明的实施例，第二固定轮104c3和第二支撑轮104c4分别与第二转动轴108间隔开。例如，第二转动轴108的轴线平行于第三轴线s3。
50.例如，参见图2和图5，根据本发明实施例，集成座102可转动地连接到安装座101，以使得集成座102绕第一轴线s1可转动；在第一轴线s1的方向上，第二支撑轮104c4、第二平衡轮104c5、以及第二预形变弹性件104c6设置为比第二平衡臂104c1和第二固定轮104c3靠近安装座101。通过这样的布置方式，可以使得第二配重组件的布局更紧凑，避免由于第二配重组件的设置而增加机械手的体积。
51.例如，继续参见图2和图5，根据本发明实施例，第二预形变弹性件104c6为具有预形变的扭簧；在此情形下，相对于拉簧和压簧，可以灵活方便地使第二预形变弹性件104c6的弹性形变随着第二平衡轮104c5的转动动作而变化。例如，根据本发明实施例，第二传动带104c2为钢丝绳；在此情形下，传动阻力很小，传动效率高，避免用户操控机械手时产生疲劳。需要说明的是，第二传动带104c2也可以实现为皮带、链条等。
52.例如，参见图1和图2，根据本发明实施例，集成座102可转动地连接到安装座101，以使得集成座102绕第一轴线s1可转动；第一臂103的第一端可转动地连接到集成座102，以使得第一臂103绕第二轴线s2可转动，第一轴线s1与第二轴线s2交叉；在第一轴线s1的方向上，安装座101和集成座102堆叠设置；并且在第二轴线s2的方向上，第一配重组件和第二配重组件位于集成座102的相反两侧。这样一来，第一配重组件的重力和第二配重组件的重力大体平衡，提供了整个机械手的结构稳定性。例如，相对于第一轴线s1，第一配重组件和第二配重组件不对称设置，从而方便第一配重组件更好地配合第一臂103并且第二配重组件更好地配合第二臂104来保持整个机械手的势能不变。
53.图7是根据本发明实施例的机械手的仰视示意图，其中示出了第三配重组件；图8是图7的部分cc的放大示意图，其中示出了第三配重组件。参见图6、图7和图8，第三配重组件包括第一转轮106c1、第三传动带106c2、第二转轮106c3和平衡块106c4，第一转轮106c1设置在第二臂104的第二端并与手柄组件106连接以使得第一转轮106c1随着手柄组件106的转动而同步转动，第二转轮106c3设置在第二臂104的第一端，第三传动带106c2连接在第一转轮106c1和第二转轮106c3之间，平衡块106c4与第二转轮106c3连接以使得平衡块106c4随着第二转轮106c3的转动而同步转动；手柄组件106和第三配重组件设置为：手柄组件106转动带动第一转轮106c1转动，第一转轮106c1转动带动第三传动带106c2发生位移，第三传动带位移带动第二转轮106c3转动，第二转轮106c3带动平衡块106c4转动，以使得平衡块106c4补偿由于手柄组件106转动而导致的机械手的重心偏移。例如，参见图8，手柄组件106向右转动，则平衡块106c4向左运动；手柄组件106向左转动，则平衡块106c4向右运动。通过第三配重组件的如上所述的各个部分之间的相互配合，本发明实施例可在手柄组件106转动至任何位置时保持机械手的重力平衡。例如，平衡块106c4为铅块，铅块的密度大体积小，从而使得设置平衡块106c4不会大幅增加机械手的体积。例如，第三传动带106c2为
钢丝绳；在此情形下，传动阻力很小，传动效率高，避免用户操控机械手时产生疲劳。需要说明的是，第三传动带106c2也可以实现为皮带、链条等。
54.例如，参见图6、图7和图8，根据本发明实施例，手柄组件106可转动地连接到第二臂104的第二端，以使得手柄组件106绕转动轴线（即，如上所述的第四轴线s4）可转动；在所述转动轴线的方向上，手柄组件106和第三配重组件分别设置在第二臂104的相反两侧。也就是，如图6所示，手柄组件106设置在第二臂104的上侧，而第三配重组件设置在第二臂104的下侧。在所述转动轴线s4的方向上，如果将手柄组件106和第三配重组件设置在第二臂104的同一侧（例如，均设置在图6所示的第二臂104的上侧），则第三配重组件会影响第二臂104和手柄组件106的自由转动；因此，本发明实施例将手柄组件106和第三配重组件分别设置在第二臂104的相反两侧。例如，第一转轮106c1和手柄组件106绕转动轴线s4同步转动。
55.例如，参见图7和图8，根据本发明实施例，在与所述转动轴线s4的方向以及第二臂104的延伸方向二者垂直的方向上，手柄组件106和平衡块106c4分别设置在第二臂104的相反两侧。这样一来，平衡块106c4可以很好地发挥重力平衡功能。例如，在实际操作中，手柄组件106的转动范围为以图3所示位置为基准位置的正负四十五度。
56.例如，参见图1，图7和图8，根据本发明实施例，手柄组件106包括与第二臂104的第二端可转动且直接连接的第二连杆106p；配重组件还包括连接在第二转轮106c3和平衡块106c4之间的第三连杆106c5；第二连杆106p平行于第三连杆106c5。这样一来，第三配重组件可以很好地发挥重力平衡功能。例如，机械手处于任何姿态和位置，第二连杆106p均平行于第三连杆106c5。
57.图9是根据本发明实施例的主从随动设备的示意图。参见图9，根据本发明的实施例，还提供一种主从随动设备，该主从随动设备包括：主控装置100，包括工作台130以及如上所述的机械手，机械手的安装座101固定连接到工作台130；受控装置200，与主控装置100信号连接并包括执行器210，执行器210在如上所述的机械手的控制下运动。主从随动设备允许用户140操作主控装置来控制受控装置。例如，用户140手动操作主控装置的机械手，受控装置上的执行器会跟随机械手的运动位置与姿态而发生相应的运动。根据本发明实施例的主从随动设备包括根据本发明实施例的机械手，因此主动随动设备可以获得与机械手相同的技术效果，在此不再赘述。
58.例如，参见图9，主控装置100包括的工作台130包括横梁120，机械手设置在工作台130上。用户140（例如，医生）的手臂搁置在横梁120上，以对设置在工作台130上的机械手进行操作。例如，主控装置100的工作台130上设置有结构相同的两个机械手，该两个机械手分别由用户140的左手和右手操作；图1至图8仅示出了一个机械手，另一个机械手在结构上与图1至图8所示的机械手相同，将不再赘述。例如，主控装置100的工作台130上还设置有观看器（未示出），用户140可以通过观看器观察受控装置处的实时工况（例如，手术位置处的实时手术情况），并基于观察结果对机械手进行操控。例如，主从随动设备为手术机器人。
59.例如，受控装置200与主控装置100信号连接，该信号连接可以通过有线连接实现也可以通过无线连接还可以通过有线连接和无线连接的组合实现，本发明实施例对此不进行限制。例如，受控装置200与主控装置100信号连接，包括：受控装置200接受主控装置100的指令并响应于该指令执行相应的动作；主控装置100接受受控装置200的反馈并基于该反馈确定下一个指令。例如，受控装置200包括臂组件，执行器210安装在臂组件上。例如，执行
器210可以是吻合器、施夹器、双极电刀、超声刀等任何能够实现某种功能的工具。作为示例，图9中示出了4个执行器210；然而本发明实施例不限制执行器210的数量。例如，参见图9，执行器210包括细长执行轴210s，如上所述的转动控制器112c1可以控制细长执行轴210s的转动。
60.以上仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

技术特征：

1.一种机械手，包括：安装座；集成座，可转动地连接到所述安装座；第一臂，包括第一端和第二端，所述第一臂的第一端可转动地连接到所述集成座；第二臂，包括第一端和第二端，所述第二臂的第一端可转动地连接到所述第一臂的第二端；以及手柄组件，可转动地连接到所述第二臂的第二端，其中，所述机械手还包括针对所述第一臂设置的第一配重组件、针对所述第二臂设置的第二配重组件以及针对所述手柄组件设置的第三配重组件。2.根据权利要求1所述的机械手，其中，所述第一配重组件包括第一预形变弹性件；所述第一配重组件构造为：所述第一预形变弹性件的弹性势能随着所述第一臂的转动而变化，以补偿由于所述第一臂的转动而导致的所述机械手的重力势能的变化。3.根据权利要求2所述的机械手，其中，在由于所述第一臂的转动导致所述机械手的重力势能增加的情形下，所述第一预形变弹性件的弹性势能减小；或者在由于所述第一臂的转动导致所述机械手的重力势能减小的情形下，所述第一预形变弹性件的弹性势能增加。4.根据权利要求2所述的机械手，其中，所述第一配重组件构造为：所述第一预形变弹性件的弹性势能的变化量等于由于所述第一臂的转动而导致的所述机械手的重力势能的变化量。5.根据权利要求2所示的机械手，其中，所述第一配重组件包括第一平衡臂、第一传动带、第一固定轮、第一支撑轮、第一平衡轮、以及所述第一预形变弹性件；所述第一平衡臂与所述第一臂连接以使得所述第一平衡臂随着所述第一臂的转动而同步转动；所述第一固定轮设置于所述第一平衡臂上；所述第一传动带的第一端与所述第一固定轮连接，所述第一传动带经过所述第一支撑轮并且所述第一支撑轮支撑所述第一传动带，所述第一传动带的第二端与所述第一平衡轮连接；所述第一平衡轮与所述第一预形变弹性件连接；所述第一臂和所述第一配重组件构造为：所述第一臂转动带动所述第一平衡臂转动，所述第一平衡臂转动导致所述第一固定轮带动所述第一传动带发生位移，所述第一传动带位移带动所述第一平衡轮转动，所述第一平衡轮转动带动所述第一预形变弹性件的弹性形变发生变化。6.根据权利要求5所述的机械手，其中，所述第一平衡臂绕第一转动轴转动，所述第一固定轮和所述第一支撑轮分别与所述第一转动轴间隔开。7.根据权利要求5所述的机械手，其中，
所述集成座可转动地连接到所述安装座，以使得所述集成座绕第一轴线可转动；在所述第一轴线的方向上，第一支撑轮、第一平衡轮、以及所述第一预形变弹性件设置为比所述第一平衡臂和所述第一固定轮靠近所述安装座。8.根据权利要求5所述的机械手，其中，所述第一预形变弹性件为具有预形变的扭簧；所述第一传动带为钢丝绳。9.根据权利要求1所述的机械手，其中，所述第二配重组件包括第二预形变弹性件；所述第二配重组件构造为：所述第二预形变弹性件的弹性势能随着所述第二臂的转动而变化，以补偿由于所述第二臂的转动而导致的所述机械手的重力势能的变化。10.根据权利要求9所述的机械手，其中，在由于所述第二臂的转动导致所述机械手的重力势能增加的情形下，所述第二预形变弹性件的弹性势能减小；或者在由于所述第二臂的转动导致所述机械手的重力势能减小的情形下，所述第二预形变弹性件的弹性势能增加。11.根据权利要求9所述的机械手，其中，所述第二配重组件构造为：所述第二预形变弹性件的弹性势能的变化量等于由于所述第二臂的转动而导致的所述机械手的重力势能的变化量。12.根据权利要求9所示的机械手，其中，所述第二配重组件包括第二平衡臂、第二传动带、第二固定轮、第二支撑轮、第二平衡轮、以及所述第二预形变弹性件；所述第二平衡臂与所述第二臂连接以使得所述第二平衡臂随着所述第二臂的转动而同步转动；所述第二固定轮设置于所述第二平衡臂上；所述第二传动带的第一端与所述第二固定轮连接，所述第二传动带经过所述第二支撑轮并且所述第二支撑轮支撑所述第二传动带，所述第二传动带的第二端与所述第二平衡轮连接；所述第二平衡轮与所述第二预形变弹性件连接；所述第二臂和所述第二配重组件构造为：所述第二臂转动带动所述第二平衡臂转动，所述第二平衡臂转动导致所述第二固定轮带动所述第二传动带发生位移，所述第二传动带位移带动所述第二平衡轮转动，所述第二平衡轮转动带动所述第二预形变弹性件的弹性形变发生变化。13.根据权利要求12所述的机械手，还包括第一连杆，所述第二平衡臂通过所述第一连杆与所述第二臂的所述第一端连接。14.根据权利要求12所述的机械手，其中，所述第二平衡臂绕第二转动轴转动，所述第二固定轮和所述第二支撑轮分别与所述第二转动轴间隔开。15.根据权利要求12所述的机械手，其中，所述集成座可转动地连接到所述安装座，以使得所述集成座绕第一轴线可转动；
在所述第一轴线的方向上，第二支撑轮、第二平衡轮、以及所述第二预形变弹性件设置为比所述第二平衡臂和所述第二固定轮靠近所述安装座。16.根据权利要求12所述的机械手，其中，所述第二预形变弹性件为具有预形变的扭簧；所述第二传动带为钢丝绳。17.根据权利要求1-16任一项所示的机械手，其中，所述集成座可转动地连接到所述安装座，以使得所述集成座绕第一轴线可转动；所述第一臂的第一端可转动地连接到集成座，以使得所述第一臂绕第二轴线可转动，所述第一轴线与所述第二轴线交叉；在所述第一轴线的方向上，所述安装座和所述集成座堆叠设置；并且在所述第二轴线的方向上，所述第一配重组件和所述第二配重组件位于所述集成座的相反两侧。18.根据权利要求1-16任一项所示的机械手，其中，所述第三配重组件包括第一转轮、第三传动带、第二转轮和平衡块，所述第一转轮设置在所述第二臂的第二端并与所述手柄组件连接以使得所述第一转轮随着所述手柄组件的转动而同步转动，所述第二转轮设置在所述第二臂的第一端，所述第三传动带连接在所述第一转轮和所述第二转轮之间，所述平衡块与所述第二转轮连接以使得所述平衡块随着所述第二转轮的转动而同步转动；所述手柄组件和所述第三配重组件设置为：所述手柄组件转动带动所述第一转轮转动，所述第一转轮转动带动所述第三传动带发生位移，所述第三传送带位移带动所述第二转轮转动，所述第二转轮转动带动所述平衡块转动，以使得所述平衡块补偿由于所述手柄组件转动而导致的所述机械手的重心偏移。19.根据权利要求18所述的机械手，其中，所述手柄组件可转动地连接到所述第二臂的第二端，以使得所述手柄组件绕转动轴线可转动；在所述转动轴线的方向上，所述手柄组件和所述第三配重组件分别设置在所述第二臂的相反两侧。20.根据权利要求18所述的机械手，其中，在与所述第三轴线的方向以及所述第二臂的延伸方向二者垂直的方向上，所述手柄组件和所述平衡块分别设置在所述第二臂的相反两侧。21.根据权利要求18所述的机械手，其中，所述手柄组件包括与所述第二臂的第二端可转动且直接连接的第二连杆；所述配重组件还包括连接在所述第二转轮和所述平衡块之间的第三连杆；所述第二连杆平行于所述第三连杆。22.一种主从随动设备，包括：主控装置，包括工作台以及如权利要求1-21任一项所述的机械手，所述机械手的安装座固定连接到所述工作台；受控装置，与所述主控装置信号连接并包括执行器，所述执行器在所述机械手的控制下运动。

技术总结

一种机械手以及主从随动设备。该机械手包括：安装座；集成座，可转动地连接到所述安装座；第一臂，包括第一端和第二端，所述第一臂的第一端可转动地连接到所述集成座；第二臂，包括第一端和第二端，所述第二臂的第一端可转动地连接到所述第一臂的第二端；以及手柄组件，可转动地连接到所述第二臂的第二端。所述机械手还包括针对所述第一臂设置的第一配重组件、针对所述第二臂设置的第二配重组件以及针对所述手柄组件设置的第三配重组件。所述手柄组件设置的第三配重组件。所述手柄组件设置的第三配重组件。