机械臂及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种用于机器人的机械臂及其工作方法，且该机械臂尤其适用于微创伤手术机器人。
【背景技术】
[0002]微创伤手术是指通过腹腔镜、胸腔镜等内窥镜在人体内施行手术的一种新技术。由于微创伤手术具有创伤小、疼痛轻、出血少等优点，因而，能够有效减短病人的恢复时间，减轻病人的不适，以及避免传统手术的一些有害副作用。但是，早期的微创伤手术因体表切口的限制，致使手术器械的自由度减少，而且医生手持器械在内窥镜内操作时，操作方向也会与期望的方向相反。这些缺陷的存在，增加了微创伤手术的难度，使得医生只有经过长期的微创伤手术训练才能较顺利地实施手术操作。
[0003]机器人技术的发展，却为早期的微创伤手术中存在的问题找到了更好的解决方法，由此，微创伤手术机器人也同时应运而生。微创伤手术机器人能够使医生在主操控台处，通过二维或三维的显示设备观察患者体内的组织特征，并通过操控设备，以遥控方式操控微创伤手术机器人上的机械臂，并以机械臂末端上的手术器械来完成手术操作，
[0004]如图1所示，在手术机器人辅助微创伤手术中，手术器械1通过体表2上的切口探入到患者体内，进行夹持、切割、缝合、打结等手术操作。在完成这些手术操作过程中，手术器械1的运动始终受到切口点的约束，该约束称为不动点约束，这样可以避免手术器械1对患者切口造成非手术性伤害，因此，整个手术过程中手术器械1在切口处的位置必须保持不变，手术器械1仅实现以切口为中心的3自由度倒圆锥运动，即以切口为中心的圆锥摆动以及沿手术器械轴线的直线移动。因而，为了满足不动点约束需求，用于承载手术器械的机械臂上应具有一个不动点机构，使得实际手术时，该不动点机构的不动点与患者体表的切口点相重合，进而消除不动点约束对手术器械运动的影响，提高手术器械运动的灵活性。
[0005]但是，现有的机械臂采用的不动点机构都存在一定的问题。例如CN101919739B的专利中，公开了一种微创机器人机械臂，其采用连杆双平行四边形机构，实现了不动点约束需求。具体的，该连杆双平行四边形机构通过第一组平行四边形结构的固定边与系统自转转轴之间形成一定的夹角，从而满足了不动点约束需求，而且，其“不动点”还能够发生偏移。然而，连杆双平行四边形机构采用连杆搭建的结构形式，存在结构复杂、笨重、占用空间大、关节数较多以及各关节精度要求高等问题，不利于微创伤手术的实施。此外，CN102813553B的专利公开了一种模块化机械手支架。但是，该模块化机械手支架上采用的不动点机构与前述专利相似，因而，存在同样的问题。另外，CN101027010B的专利中公开了一种偏心机械臂。该偏心机械臂通过柔性丝传动和/或带传动的方式代替了双平行四边形连杆机构。虽然该偏心机械臂能够减小不动点机构占用的空间，但由于为带传动和柔性丝传动，因此，不动点机构的刚度和可靠性低。
[0006]以双平行四边形结构为主体的不动点机构，其动力装置通常位于第一级平行四边形结构的某个转轴处(例如第一级平行四边形结构的下部转轴)。使用时，该动力装置驱动第一级平行四边形结构运动，而与第一级平行四边形结构相连的第二级平行四边形结构由第一级平行四边形结构驱动，从而实现两级平行四边形结构联动，形成不动点机构。然而，动力经第一级平行四边形结构传递至第二级平行四边形结构，通常会存在动作延迟和动力传递效率低等问题，因此，机构的总体精度受到了严重影响。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种用于机器人的机械臂及其工作方法，以解决现有技术中机器人机械臂采用的双平行四边形机构占用空间大、结构复杂、传递精度和效率低中的一个或者多个问题。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供了一种机械臂，包括连杆机构、柔性传动机构、连接器以及第一驱动装置；
[0009]所述连杆机构包括固定杆、连杆、第一驱动杆和第二驱动杆，所述连杆机构按照包括第一本体的固定杆、第一驱动杆、包括第二本体和第一远端延伸部的连杆和第二驱动杆的顺序依次转动形成四个连接点，分别为第一连接点、第二连接点、第三连接点和第四连接点，四个所述连接点的连接线组成第一平行四边形；
[0010]所述柔性传动机构包括第一传动轮、第二传动轮、主驱动轮、从驱动轮和柔性结构，所述主驱动轮和从驱动轮通过所述柔性结构闭环连接，且所述柔性结构从所述第一传动轮和第二传动轮的一侧通过，并与所述第一传动轮形成有第一包覆角、以及与所述第二传动轮形成有第二包覆角，且随着连杆机构的转动，所述第一包覆角的变动值与第二包覆角的变动值数值上相等，同时所述主驱动轮与从驱动轮直径相等，所述第一传动轮与第二传动轮直径相等；
[0011]所述主驱动轮位于所述第一连接点处，并且所述第一驱动装置驱动所述主驱动轮和第一驱动杆同步转动；或所述主驱动轮位于所述第四连接点处，并且所述第一驱动装置驱动所述主驱动轮和第二驱动杆同步转动；所述从驱动轮与所述连杆的第一远端延伸部转动连接，且所述从驱动轮与所述连杆连接形成的第五连接点位于所述第二连接点和第三连接点的连接线上；
[0012]所述第一传动轮位于所述第一连接点或第四连接点处，且所述第一传动轮与主驱动轮不位于同一连接点；当所述第一传动轮位于所述第一连接点时，所述第二传动轮位于所述第二连接点，当所述第一传动轮位于所述第四连接点时，所述第二传动轮位于所述第三连接点；所述连接器与所述从驱动轮同布置于所述第五连接点处，并与所述从驱动轮同步转动；
[0013]其中，所述第一连接点与第四连接点的连接线上形成有一不动点，所述不动点与第三连接点、第四连接点、第五连接点形成第二平行四边形，且所述连接器经过所述不动点。
[0014]优选的，在所述的机械臂中，所述第一传动轮和或第二传动轮为单轮结构或者双轮结构。
[0015]优选的，在所述的机械臂中，当所述主驱动轮位于第四连接点时，所述第一传动轮和第二传动轮的一侧均为第一传动轮和第二传动轮远离所述连接器的一侧。
[0016]优选的，在所述的机械臂中，所述柔性传动机构还包括至少一个转向轮，所述固定杆的第一本体远端还设有第二远端延伸部，所述转向轮位于第二远端延伸部或连杆的第二本体，用于改变所述柔性结构的延伸方向。
[0017]优选的，在所述的机械臂中，所述转向轮位于所述第二远端延伸部，所述柔性结构的延伸方向改变后，从第一传动轮和第二传动轮远离所述连接器的一侧经过，或者，
[0018]所述转向轮位于连杆的第二本体，所述柔性结构从第一传动轮和第二传动轮靠近所述连接器的一侧经过后，通过所述转向轮改变延伸方向。
[0019]优选的，在所述的机械臂中，所述机械臂还包括机座，所述固定杆的近端设有近端延伸部，所述近端延伸部与机座连接。
[0020]优选的，在所述的机械臂中，所述机械臂还包括第二驱动装置，所述第二驱动装置驱动所述近端延伸部以第一连接点和第四连接点的连接线为轴心与机座转动连接。
[0021]优选的，在所述的机械臂中，所述连接器包括连接固定器和手术器械，所述手术器械连接于所述连接固定器上，所述连接固定器位于所述第五连接点处，或者
[0022]所述连接器为连接固定器，用于连接手术器械，且所述连接固定器位于所述第五连接点处。
[0023]优选的，在所述的机械臂中，所述连接固定器直接与所述从驱动轮固定连接；或者所述连接固定器通过一转轴结构与所述从驱动轮固定连接。
[0024]优选的，在所述的机械臂中，所述连接器包含回旋体部分，且所述回旋体部分的轴线经过第五连接点和不动点。
[0025]优选的，在所述的机械臂中，所述第一驱动杆和第二驱动杆直接与主驱动轮固定连接，所述主驱动轮与所述驱动装置连接；或者所述第一驱动杆和第二驱动杆通过一转轴结构与主驱动轮固定连接，所述转轴结构与所述驱动装置连接。
[0026]优选的，在所述的机械臂中，所述固定杆的第一本体、第一驱动杆、连杆的第二本体和第二驱动杆均为直杆；所述固定杆的第一本体与连杆的第二本体平行，且所述第一驱动杆与第二驱动杆平行，以形成所述第一平行四边形。
[0027]优选的，在所述的机械臂中，所述连杆的第一远端延伸部为直杆，且与第一连接点和第四连接点的连接线平行。
[0028]此外，本发明还提供了一种如上任意一项所述的机械臂的工作方法，所述机械臂的工作方法包括:
[0029]所述第一驱动装置驱动所述第一驱动杆或第二驱动杆和主驱动轮同步转动，以带动所述连接器围绕所述不动点转动。
[0030]优选的，在所述的机械臂的工作方法中，所述机械臂还包括机座和第二驱动装置，所述固定杆包括位于其近端的近端延伸部，所述近端延伸部至少部分位于所述机座的中心孔内，所述第二