不动点机构、机械臂及手术机器人的制作方法

1.本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种不动点机构、机械臂及手术机器人。


背景技术：

2.在微创伤手术机器人的研究领域，如何使机器人所把持的手术器械可靠地以体表小切口为支点进行摆动而不扩大切口是一个关键技术问题。为此，研究出了多种机械结构，其中远心不动点机构是一种最为直接有效的解决方案。如果机构中的某一部分或者一个点在机构的运动中始终通过远离机构本身的一个不动点并且该点没有实际的物理约束则该类机构就被称为远心不动点机构。
3.如果机构中的某一部分或者一个点在机构的运动中始终通过或者绕着远离机构本身的一个不动点并且该点没有实际的物理约束则该点就被称为远心不动点。目前应用于微创伤手术机器人的不动点机械臂主要包括单平行四边形串联机械臂、多平行四边形串联机械臂、串联球面连杆机械臂这三种。但是这些不动点机械臂通常使用数量较多的铰接连杆，结构复杂，传动减速比大，传动效率低，控制精度和结构刚度难以保证，或者使用钢丝、钢带等柔性部件来实现末端双自由度的控制，传动链长，传动刚度和结构刚度较差，而且大部分需要使用谐波减速机，价格贵，成本高。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中所存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种不动点机构，使用并联直线运动机构实现了不动点约束，其具有结构刚度好、传动刚度大、减速比小、传动效率高、成本低等优点。
5.为实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种不动点机构，其包括第一直线运动装置和第二直线运动装置；所述第一直线运动装置包括至少两个平行设置的第一直线运动机构，所述第一直线运动机构用以输出等比例的直线运动；所述第二直线运动装置包括至少两个相串联的第二直线运动机构，所述第二直线运动机构用以输出等比例的直线运动，至少一个所述第二直线运动机构与至少一个所述第一直线运动机构平行设置或部分重合设置。
6.可选地，所述不动点机构还包括末端执行装置；所述第一直线运动装置与所述末端执行装置滑动连接，以驱动所述末端执行装置摆动；所述第二直线运动装置与所述末端执行装置固定连接，以驱动所述末端执行装置伸缩；所述末端执行装置用于在所述第一直线运动装置和所述第二直线运动装置的共同作用下产生绕不动点的摆动。
7.可选地，所述第一直线运动机构和所述第二直线运动机构均包括导轨以及用以在所述导轨上滑动的滑块；所述第一直线运动装置中的所有导轨平行设置；至少一个所述第二直线运动机构中的导轨与所述第一直线运动机构中的导轨平行设置或重合设置；所述末端执行装置与所述第一直线运动装置中的所有滑块滑动连接，并与所述第二直线运动装置中的对应滑块固定连接。
8.可选地，所述第二直线运动装置中与所述第一直线运动机构平行或重合的导轨上的滑块与所述第二直线运动装置中的另外一个导轨铰接，所述末端执行部与所述第二直线运动装置中的所述另外一个导轨上的滑块固定连接。
9.可选地，每个所述第一直线运动机构中的所述滑块包括相互铰接的滑块本体和滑动部，所述滑块本体在所述导轨上滑动，所述滑动部与所述末端执行装置滑动连接。
10.可选地，所述第一直线运动机构的数量为两个，所述第二直线运动机构的数量为两个或大于两个的偶数个；
11.当所述第二直线运动机构的数量为两个时，一个所述第二直线运动机构中的导轨与所述第一直线运动机构中的导轨平行或重合；
12.当所述第二直线运动机构的数量为大于两个的偶数个时，至少两个所述第二直线运动机构中的导轨与所述第一直线运动机构中的导轨平行或重合。
13.可选地，至少一个所述第二直线运动机构中的滑块的移动方向与所述末端执行装置的轴线垂直，所述末端执行装置的轴线经过所述不动点。
14.可选地，所述第一直线运动装置被配置为用于同时输出具有第一速度值和第二速度值的移动，所述第一速度值与所述第二速度值的比值保持不变；
15.所述第二直线运动装置被配置为用于同时输出具有第三速度值和第四速度值的移动，所述第三速度值与所述第四速度值的比值保持不变；
16.其中所述第一速度值小于所述第二速度值，所述第三速度值小于或等于所述第四速度值。
17.可选地，所述第二直线运动装置设置在所述第一直线运动装置中的所述第一直线运动机构之间，或者，所述第一直线运动装置设置在所述第二直线运动装置的上方。
18.为实现上述目的，根据本发明的第二个方面，还提供一种机械臂，其包括末端关节以及任一项所述的不动点机构，所述不动点机构与所述末端关节连接。
19.为实现上述目的，根据本发明的第三个方面，还提供一种手术机器人，包括机械臂以及任一项所述的不动点机构，所述不动点机构与所述机械臂连接。
20.与现有技术相比，本发明提供的不动点机构、机械臂及手术机器人具有如下优点：
21.第一、以上不动点机构包括：第一直线运动装置和第二直线运动装置；所述第一直线运动装置包括至少两个平行设置的第一直线运动机构，所述第一直线运动机构用以输出等比例的直线运动；所述第二直线运动装置包括至少两个相串联的第二直线运动机构，所述第二直线运动机构用以输出等比例的直线运动，至少一个所述第二直线运动机构与所述第一直线运动机构平行设置或部分重合设置；如此配置时，降低了不动点机构中运动联动的串联级数，提高了不动点机构的传动结构刚度，并改善了不动点机构的运动控制精度，提升了手术的精准性；而且通过将至少一个第二直线运动机构与第一直线运动机构部分重合设置，可以减少不动点机构上的零件数量，简化机械结构，减小整个不动点机构的重量和体积，进一步提升运动控制精度；另外，通过输出直线运动来实现不动点的约束时，不仅可以采用结构简单的直线运动装置来实现，而且直线运动的减速比小，传动效率高，提升了运动控制精度；
22.第二、以上不动点机构可以自带末端执行装置，从而可通过第一直线运动装置驱动末端执行装置摆动，并通过第二直线运动装置驱动末端执行装置伸缩，由此实现了末端
执行装置的摆动和伸缩的双自由度，并最终在第一直线运动装置和第二直线运动装置的共同作用下实现了末端执行装置相对于不动点的摆动，也即，第一直线运动装置作用于末端执行装置，使末端执行装置产生摆动，第二直线运动装置作用于末端执行装置，使末端执行装置产生伸缩；末端执行装置的摆动和伸缩共同形成了其绕不动点进行摆动的这一特性；
23.第三、通过将所有所述第二直线运动机构设置在所述第一直线运动装置的下方，或者，将所有所述第二直线运动机构设置在所述第一直线运动装置的所述第一直线运动机构之间，能够改善重心分布，提高整个不动点机构的结构刚度，以进一步改善运动控制精度。
附图说明
24.本发明的实施方法以及相关实施例的特征、性质和优势将通过结合下列附图进行描述，其中：
25.图1为根据本发明一优选实施例的手术机器人系统的工作场景示意图；
26.图2为根据本发明一优选实施例的手术机器人的结构示意图；
27.图3为根据本发明第一实施例的不动点机构原理示意图；
28.图4为根据本发明第一实施例的不动点机构几何原理图；
29.图5为根据本发明第一实施例的不动点机构发生运动后的示意图；
30.图6为根据本发明第一实施例的不动点机构往复运动示意图；
31.图7为根据本发明第一实施例的调整不动点位置前的示意图；
32.图8为根据本发明第一实施例的调整不动点位置后的示意图；
33.图9为根据本发明第二实施例的不动点机构原理示意图；
34.图10为根据本发明第二实施例的不动点几何原理图；
35.图11为根据本发明第二实施例的调整不动点位置前的示意图；
36.图12为根据本发明第二实施例的调整不动点位置后的示意图；
37.图13为根据本发明第三实施例的不动点机构原理示意图；
38.图14为根据本发明第四实施例的不动点机构原理示意图；
39.图15为根据本发明第五实施例的不动点机构原理示意图；
40.图16为根据本发明第六实施例的不动点机构原理示意图；
41.图17为根据本发明第七实施例的不动点机构原理示意图。
42.图中：100-主端；101-主控制台；200-从端；201-手术机器人；2011-机械臂；202-手术台车；203-病床；204-工具车；300-图像台车；400-麻醉机；500-第一直线运动装置；501-第一导轨；502-第二导轨；503-第一滑块本体；504-第二滑块本体；505-第一滑动部；506-第二滑动部；600-第二直线运动装置；601-第三导轨；602-第四导轨；603-第三滑块；604-第四滑块；605-第五导轨；606-第六导轨；607-第五滑块；608-第六滑块；700-末端执行装置；o-不动点。
具体实施方式
43.以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明优选实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提
下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，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”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。另外，术语“末端”或“远端”通常是指远离器械操作者的一端；术语“近端”或“头端”通常是指靠近器械操作者的一端。
45.以下结合附图以及优选实施例对本发明作进一步的说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互补充或相互组合。
46.图1示出了本发明一优选实施例的手术机器人系统的工作场景示意图。所述手术机器人系统为主从式遥操作的手术机器人系统，即所述手术机器人系统包括通信连接的主端100和从端200。所述主端100为遥操作式手术机器人的操作端，并包括主控制台101，所述主控制台101包含安装其上的主操作单元(未标注，如主操作手)，所述主操作单元用于接收操作者的手部运动信息，以作为整个系统的运动控制信号输入。所述主端100还包括计算设备，所述主端100的计算设备用于将操作者的操作信息转换为主从控制指令，所述主从控制指令包括运动信息和主从映射关系。所述主端100还可包括脚踏手术控制设备(未标注)，操作者还可通过脚踏手术控制设备，完成电切、电凝等相关操作指令的输入。所述从端200为遥操作式手术机器人系统的具体执行平台，并包括执行手术操作的手术机器人201；所述主端100的计算设备将所述主从控制指令发送至从端200；所述从端200的计算设备用于运行可读存储介质中的程序，以输出主从控制指令；所述手术机器人201根据所接收的主从控制指令，控制手术器械的运动；所述主端100和从端200可配置单独的计算设备，或者共用同一计算设备。
47.更详细地，所述从端200的计算设备用于根据主端100的计算设备所发送的运动信息和预设的主从映射关系，输出主从控制指令，以控制手术机器人201执行主从控制指令来驱动手术器械运动。例如，所述从端200根据获取的主控制台101中操作单元的移动速度，控制手术机器人201以驱动手术器械移动，并根据获取的操作单元的转动角度或转动速度，控制手术机器人201以驱动手术器械转动，还可根据获取的操作单元的弯曲角度或弯曲方向，控制手术机器人201以驱动手术器械弯曲。操作者及主端100优选与从端200位于不同的房间，以实现操作者与患者的物理隔离。
48.所述主端100和从端200两者也可分置在不同医院，不同地区，通过远程通信技术通信连接。如此，在呼吸道疾病诊断和治疗过程中，操作者在另外一个房间、另一个医院或另外一个城市根据图像采集设备采集的图像信息完成所需要的手术操作，而手术机器人201复现操作者的所有动作，由此实现操作者与患者在手术过程中的物理隔离。
49.所述手术机器人系统还可包括手术台车202。所述手术机器人201设置在手术台车202上。通过手术台车202可实现手术机器人201在手术室内的大范围移动，使手术过程更为
方便。所述手术机器人系统还可包括其他辅助设备，如病床203，病床203负责支撑和调整病人的高度。所述主端100通过操作单元实现对病床203上的病人进行手术，例如微创伤手术治疗。另外，在一些手术的应用场景中，手术器械先放置在工具车204上，方便从工具车204上拿取手术器械，而后将手术器械安装在手术机器人201的机械臂的末端。
50.可选的，所述手术机器人系统还可包括图像台车300，图像台车300包括与图像采集设备通信连接的图像处理设备。所述图像采集设备例如为内窥镜，用于获取腔内(指患者的体腔内)的术野图像。所述图像处理设备用于对图像采集设备获取的术野图像进行图像化处理，并传输至图像显示设备。图像显示设备可设置在图像台车300上和/或主控制台101处。图像台车300能够实现图像处理设备在手术室内的大范围移动。此外，所述手术机器人系统还可配置麻醉机400、呼吸机等辅助部件，以用于供手术中使用。所述麻醉机400一般设置在病床203旁，用于将麻醉药送入患者，以满足手术麻醉的需求。本领域技术人员可根据现有技术对这些辅助部件进行选择和配置，这里不再展开描述。
51.需要说明的，上述示范例所公开的手术机器人系统仅为一个应用场景的示范而非对手术机器人系统应用场景的限定，手术机器人系统也不限于为主从式遥操作的手术机器人，也可以是单端式的手术机器人系统，即没有主从控制，操作者直接在患者端操作手术机器人执行手术，本发明对此不限。
52.进一步地，所述手术机器人201包括为为手术器械提供支撑并具有多个自由度的机械臂，机械臂的数量主要根据手术需要进行设定，因此，本技术对机械臂的数量不作限定。例如图2中，所述手术机器人201包括3个机械臂2011，机械臂2011能够为手术器械或内窥镜提供支撑和驱动。还需理解，在手术过程中，经常要借助于各种不同的器械来完成手术，但均需要满足器械通过固定切口(戳卡)的要求，因此远心不动点机构是微创伤手术器械装置中的重要部分。
53.如背景技术，现有的远心不动点机构主要是单平行四边形串联机械臂、多平行四边形串联机械臂、串联球面连杆机械臂这三种。这些不动点机构大部分常用连杆铰接的方式来实现，而且连杆的数量较多，结构复杂，运动关系也复杂，控制精度难以保证，且也难以确保结构刚度，同时整体成本高。而对于串联球面连杆机械臂，手臂连杆的加工精度要求高，传动减速比大，且球面连杆占用空间较大，使得机械臂工作空间受到限制。不止于此，还会使用柔性部件实现末端双自由的控制，传动链较长，传动刚度和结构刚度较差。并且现有驱动关节转动用的都是电机和谐波减速机，由于电机额定力矩小，减速比基本都在80以上，而谐波减速机效率不高，因此，存在减速比大，传动效率低的问题，特别是谐波减速机的价格高昂，也进一步增加了成本。
54.为了解决现有的远心不动点机构所存在的技术问题，本发明公开了一种不动点机构，可以驱动自带或外部的末端执行装置进行伸缩和摆动运动，因此具有两个自由度，并且末端执行装置的摆动和伸缩共同形成了其绕不动点进行摆动的不动点特性。具体地，所述不动点机构包括第一直线运动装置和第二直线运动装置；所述第一直线运动装置包括至少两个平行设置的第一直线运动机构；所述第二直线运动装置包括至少两个相串联的第二直线运动机构；第一直线运动机构和第二直线运动机构均用于输出等比例的直线运动，并且都为刚性传动结构；其中至少一个第二直线运动机构与第一直线运动机构平行设置或部分重合设置。其中不同的第一直线运动机构的移动速度是不相等的，但各个第一直线运动机
构的移动速度的比值是固定不变的；而不同的第二直线运动机构的移动速度可以相等或不相等，但各个第二直线运动机构的移动速度的比值也是固定不变的；而且与第一直线运动机构平行的至少一个第二直线运动机构的移动方向与第一直线运动机构的移动方向平行(包括移动方向相同)。
55.优选地，所述不动点机构自动末端执行装置；所述第一直线运动装置与所述末端执行装置滑动连接，以驱动所述末端执行装置摆动，并限制所述末端执行装置的摆动角度；所述第二直线运动装置与所述末端执行装置固定连接，以驱动所述末端执行装置伸缩，并限制所述末端执行装置的伸缩位移；所述末端执行装置用于在所述第一直线运动装置和所述第二直线运动装置的共同作用下产生绕不动点的摆动。也就是说，所述末端执行装置既能够摆动，还能够伸缩，从而实现双自由度运动，并在所述至少两个平行的第一直线运动机构的角度限制，以及至少两个串联的第二直线运动机构的位移限制的共同作用下绕不动点进行摆动。当然末端执行装置可以是外部结构，用于单独组装在不动点机构上。如此配置后，可通过至少两个平行设置的第一直线运动机构来驱动末端执行装置进行摆动，以及通过将至少一个第二直线运动机构与第一直线运动机构平行或部分重合设置，降低了不动点机构中运动联动的串联级数，提高了整个不动点机构的传动结构刚度，从而提高不动点机构的运动控制精度，提升手术的精准性。另外，将至少一个所述第二直线运动机构与所述第一直线运动机构部分重合设置后，减少了不动点机构上的零件数量，简化了机械结构，减小了整个不动点机构的重量和体积，进一步了提升运动控制精度。但是至少两个第二直线运动机构相互连接以实现串联设置，从而实现第二直线运动机构之间的联动，即当一个第二直线运动机构产生运动时，另一个与之连接的第二直线运动机构也随之产生运动。还需理解，当第二直线运动机构与第一直线运动机构部分重合时，第一直线运动机构中的部分结构可以充当第二直线运动机构中对应的结构，反过来亦是如此，这种情况下，第二直线运动机构与第一直线运动机构共用部分结构。
56.但是本发明的不动点机构不限于在手术机器人的机械臂上使用，还可以应用在其他领域的机械臂或相应设备上，本技术对此不作限定。需要说明的，由于实际中手术器械或内窥镜有一定的体积，上述的“不动点”应理解为一个不动区域。当然本领域技术人员可根据现有技术对“不动点”进行理解。
57.本发明还公开了一种机械臂，其包括末端关节以及不动点机构，所述不动点机构与所述末端关节连接。例如所述机械臂的末端关节包括基座，所述不动点机构设置在所述基座上，且可在基座上设置能够驱动第一直线运动装置和第二直线运动装置的驱动装置。本实施例中，第一直线运动装置作为主运动机构，其在外部的驱动装置的驱动下输出等比例的直线运动，并带动第二直线运动装置输出等比例的直线运动，而第二直线运动装置可在外部从动装置的控制下输出等比例运动。但是本技术对机械臂的结构不限制，即对组成机械臂的关节的数量和类型没有特别的特定，如可以是三个自由度的机械臂或更多自由度的机械臂。
58.需理解，刚性传动结构可以显著提高整个不动点机构的结构刚度。所谓“刚性传动结构”是指在受到外力作用时，整个直线运动机构不容易变形。刚性传动结构例如为导轨滑块模组、齿轮齿条模组、丝杆螺母模组等刚性传动结构。
59.本发明中，所述第二直线运动机构的数量一般为两个或大于两个的偶数个，当然
在其他情况下，第二直线运动机构的数量也可以为大于两个的奇数个。如当第二直线运动机构的数量为两个时，将一个第二直线运动机构与第一直线运动机构平行或部分重合。如当第二直线运动机构的数量为大于两个尤其是偶数个时，至少两个第二直线运动机构与第一直线运动机构平行或部分重合。其中当第二直线运动机构的数量大于两个时，一部分第二直线运动机构之间相互连接形成串联布置，另一部分第二直线运动机构之间平行设置并与第一直线运动机构平行，优选地，一部分第二直线运动机构与第一直线运动机构部分重合。如此配置，整个不动点机构的结构刚度好，运动控制精度高，手术精准性好。
60.作为一优选实施例，所述第一直线运动机构和所述第二直线运动机构均可包括导轨以及能够在所述导轨上滑动的滑块；所述第一直线运动装置中的所有导轨平行设置，从而使第一直线运动机构形成并联关系，减少串联级数；至少一个所述第二直线运动机构中的导轨与所述第一直线运动机构中的导轨平行设置或重合设置。进一步地，所述末端执行部与所述第一直线运动装置中的所有滑块滑动连接，并与所述第二直线运动装置中的对应滑块固定连接。如此配置后，可通过导轨滑块组件输出直线运动，结构刚度好，传动效率高，运动控制精度也好。尤其当第二直线运动装置中的部分导轨与第一直线运动装置中的导轨重合(即共用)时，可以减少导轨的数量，简化结构，减小整个不动点机构的重量和体积。例如当所述第二直线运动机构的数量为两个时，一个所述第二直线运动机构中的导轨与所述第一直线运动机构中的导轨重合；例如当所述第二直线运动机构的数量为大于两个的偶数个时，至少两个所述第二直线运动机构中的导轨与所述第一直线运动机构中的导轨重合。
61.作为一具体实施例，所述第二直线运动装置中与所述第一直线运动机构平行或重合的导轨上的滑块与所述第二直线运动装置中的另外一个导轨铰接，使得两个铰接的导轨能够相对转动，并只要将末端执行部与所述第二直线运动装置中的所述另外一个导轨上的滑块固定连接，即可驱动末端执行部进行伸缩。
62.本发明实施例中不动点机构整体上采用刚性传动结构，避免使用钢丝、钢带等柔性传动结构，从而提高传动刚度，降低运动控制难度，并提高运动控制精度。而且本发明实施例中不动点机构采用直线运动装置来输出直线运动，与现有技术中连杆铰接或柔性传动相比，直线运动装置的结构更简单，而且减速比小，传动效率高，运动控制精度和可靠性得到了有效的提升。
63.接下去对不动点机构的优选实施方式作进一步的说明。但所需理解的是，本技术中的第一直线运动机构的数量不限于两个，还可以是更多个，只要所有第一直线运动机构相互平行即可；同理，所述第二直线运动机构的数量不限于两个或四个，还可以是更多个或者奇数个，通常情况下，为了简化结构，第一直线运动机构的数量为两个，第二直线运动机构的数量为两个或四个，即可驱动末端执行装置进行摆动和伸缩，并约束末端执行装置围绕不动点摆动。
64.《第一实施例》
65.如图3和图4所示，本实施例提供一种不动点机构，其包括第一直线运动装置500和第二直线运动装置600，优选还包括末端执行装置700。所述第一直线运动装置500包括两个第一直线运动机构，该两个第一直线运动机构相互平行，从而形成并联的运动机构。所述第二直线运动装置600包括四个第二直线运动机构，该四个第二直线运动机构中的两个平行设置，另外两个也平行设置，但相邻两个第二直线运动机构相互连接形成串联的位置关系，
使相互连接的两个第二直线运动机构能够相对转动。此外，四个第二直线运动机构中两个平行设置的第二直线运动机构与第一直线运动机构平行设置。
66.所述末端执行装置700用于安装外部器械，如手术器械、内窥镜等或者其他医用或非医用的器械。末端执行装置700具有安装外部器械用的安装通道，所述安装通道的延伸方向用于限定器械的延伸方向。所述安装通道的延伸方向经过不动点o，所述安装通道的延伸方向即为末端执行装置700的轴线方向，末端执行装置700的轴线也经过不动点o。所述末端执行装置700与第一直线运动装置500滑动连接，并与第二直线运动装置600固定连接。可选地，所述末端执行装置700为中空的杆状部件，内部可用于插入器械。
67.如图4所示，本实施例中，所述第一直线运动装置500包括第一导轨501、第二导轨502、第一滑块和第二滑块，使其中一个第一直线运动机构包括第一导轨501和第一滑块，另一个第一直线运动机构包括第二导轨502和第二滑块。第一导轨501和第二导轨502平行设置，且第一导轨501更靠近不动点o。第一滑块沿第一导轨501滑动；第二滑块沿第二导轨502滑动。所述末端执行装置700分别与第一滑块和第二滑块可滑动地连接。如此配置，所述第一直线运动装置500可以驱动末端执行装置700进行摆动，并限制末端执行装置700的摆动角度，而且还用于限制不动点o的位置，使不动点o不会沿着末端执行装置700产生轴向移动。
68.可选的，每个所述第一直线运动机构中的所述滑块包括相互铰接的滑块本体和滑动部，所述滑块本体在所述导轨上滑动，所述滑动部与末端执行装置700滑动连接。如所述第一滑块包括第一滑块本体503和第一滑动部505，第一滑块本体503沿第一导轨501移动且移动方向与末端执行装置700的伸缩方向相交，第一滑动部505与第一滑块本体503铰接；所述第二滑块包括第二滑块本体504和第二滑动部506，第二滑块本体504沿第二导轨502移动且移动方向与第一滑块本体503的移动方向平行，第二滑动部506与第二滑块本体504铰接；末端执行装置700分别与第一滑动部505和第二滑动部506可滑动地连接。第一滑动部505和第二滑动部506可为滑块结构。
69.继续参阅图4，本实施例中，所述第二直线运动装置600包括第三导轨601、第四导轨602、第三滑块603、第四滑块604、第五导轨605、第六导轨606、第五滑块607和第六滑块608，使其中第一个第二直线运动机构包括第三导轨601和第三滑块603，第二个第二直线运动机构包括第四导轨602和第四滑块604，第三个第二直线运动机构包括第五导轨605和第五滑块607，第四个第二直线运动机构包括第六导轨606和第六滑块608。第三导轨601和第五导轨605均与第一导轨501及第二导轨502平行，以形成并联的运动机构，且第三导轨601更靠近不动点o。第三滑块603沿第三导轨601滑动；第四滑块604沿第四导轨602滑动；第三滑块603与第四导轨602铰接；第四滑块604与末端执行装置700固定连接；优选地，第四滑块604的移动方向与末端执行装置700的轴线方向始终垂直。第五导轨605与第三导轨601平行设置；第六导轨606与第四导轨602平行设置；第五滑块607沿第五导轨605滑动；第六滑块608沿第六导轨606滑动；第五滑块607与第六导轨606铰接；第六滑块608与末端执行装置700固定连接；优选地，第六滑块608的移动方向与末端执行装置700的轴线方向始终垂直。末端执行装置700的轴线方向即为自身的伸缩方向。末端执行装置700的运动行程为
±
90
°
，以末端执行部1000的轴线与第一直线运动机构的移动方向垂直时为零位，在零位的一侧为0
°
～90
°
，在零位的另一侧为-90
°
～0
°
。
70.可以理解的是，在实际使用过程中，第四导轨602和第六导轨606保持平行，且均可相对于第二直线运动装置600中的第三导轨601和第五导轨605转动，如当末端执行装置700摆动至与第一导轨501和第二导轨502垂直的位置时，第四导轨602也转动至与第三导轨601平行或共线，且第六导轨606也转动至与第五导轨605平行或共线，而在其他位置，第四导轨602与第三导轨601不平行也不共线，第六导轨606与第五导轨605不平行也不共线。
71.使用时，两个第一直线运动机构用以驱动末端执行装置700做摆动，并限制末端执行装置700的摆动角度，四个第二直线运动机构用以驱动末端执行装置700做伸缩运动，并限制末端执行装置700的伸缩位移，而且两个第一直线运动机构同时输出直线运动，且两个第一直线运动机构的移动速度不相等但移动速度的比值保持不变，同样的，四个第二直线运动机构同时输出直线运动，且四个第二直线运动机构的移动速度的比值保持不变。需理解，在图3所示的实施例中，两个平行的第二直线运动机构的移动速度不相等。
72.具体地，一个所述第一直线运动机构输出具有第一速度值v1的移动，另一个第一直线运动机构输出具有第二速度值v2的移动；且所述第一速度值v1与所述第二速度值v2的比值是固定的，保持不变；如此配置，能够约束不动点o，使不动点o保持固定不动。同样的，一个所述第二直线运动机构输出具有第三速度值v3的移动，另一个所述第二直线运动机构输出具有第四速度值v4的移动；所述第三速度值v3与所述第四速度值v4的比值是固定的，保持不变；如此配置，能够约束不动点o，使不动点o保持固定不动。其中所述第一速度值小于所述第二速度值，所述第三速度值小于或等于所述第四速度值。在本实施例中，所述第一速度值小于所述第二速度值，所述第三速度值小于所述第四速度值。该情况下，第二直线运动机构中的导轨与第一直线运动机构中的导轨相互独立而不共用。
73.为了更清楚地了解以上不动点机构的原理，可参阅图4。从几何关系上看，第一导轨501与cd重合，第二导轨502与ab重合，第三导轨601与ef重合，第五导轨605与hm重合，第四导轨602与fg重合，第六导轨606与mn重合。第一滑块本体503与第一滑动部505铰接于d点，第二滑块本体504与第二滑动部506铰接于b点，第三滑块603与第四导轨602铰接于f点，第五滑块607与第六导轨606铰接于m点，第四滑块604与末端执行装置700固定于g点，第六滑块608与末端执行装置700固定于n点。
74.本实施例中，第一滑块本体503沿第一导轨501的移动速度为v1(即第一速度值)，第二滑块本体504沿第二导轨502的移动速度为v2(即第二速度值)，第三滑块603沿第三导轨601的移动速度为v3(即第三速度值)，第五滑块604沿第五导轨605的移动速度为v4(即第四速度值)。
75.继续参阅图4，根据几何关系可知，o、c、a、e、h共线设置，o、d、b、g、n共线设置，o、f、m共线设置，且om为∠hon的等分线，且满足以下关系：
76.oe＝og；oh＝on；ef＝gf；hm＝mn；ab∥cd∥ef∥hm，且均垂直于oa；mn∥fg，且垂直于on；
△
ocd∽
△
oab；
△
oef∽
△
ohm，则：
[0077][0078]
由此可以推导出，图3中v1、v2、v3和v4满足以下关系时，不动点机构具有不动点o：
[0079][0080][0081]
其中：h1为第一导轨与不动点之间的垂直距离；h2为第一导轨和第二导轨之间的垂直距离；h3为第三导轨与第二导轨之间的垂直距离；h4为第三导轨和第四导轨之间的垂直距离。
[0082]
因此，第一滑块本体503和第二滑块本体504的移动，带动第三滑块603和第四滑块604的移动，并实现等比例驱动，等比例驱动是指v1与v2的比值是固定值，v3与v4的比值也是固定值；当速度比值固定时，不动点o的位置即被固定。
[0083]
由式(1)和式(2)可知，第一直线运动装置的移动速度的比值受到平行导轨之间相对位置的限定，通过调整平行导轨之间的距离，可调整速度比值，并调整不动点o的位置；同理，第二直线运动装置的移动速度的比值也受到平行导轨之间相对位置的限定，通过调整平行导轨之间的距离，可调整速度比值，并调整不动点o的位置。
[0084]
图5和图6示出了不动点机构发生运动的状态。当第一滑块本体503和第二滑块本体504被驱动沿各自的导轨移动时，带动第三滑块603和第五滑块607沿各自的导轨移动，最终实现末端执行装置700围绕不动点o的摆动。如从图6中左侧虚线所示的第一位置c1围绕不动点o摆动至右侧实线所示的第二位置c2，相反地，又可从第二位置c2围绕不动点o摆动至第一位置c1，实现往复运动。
[0085]
进一步地，本发明可在不改变主体结构尺寸的情况下，调整不动点o的位置，只需要调整v1和v2的比例关系，以及v3和v4的比例关系，即可实现不动点o位置的改变，以满足各种手术需求，使不动点位置的调整更简单和方便。
[0086]
如图7所示，在一具体实施例中，不动点o的位置调整之前，不动点o位于o1，满足：
[0087][0088]
如图7所示，在一具体实施例中，不动点o的位置调整之后，不动点o位于o2，满足：
[0089][0090]
因此，可改变导轨的位置来实现对不动点o的调整。如图8所示，不动点的位置调整后，满足：
[0091][0092]
《第二实施例》
[0093]
相较于实施例一的区别在于：第二直线运动机构的数量减少至两个。以下仅针对与实施例一不同的地方进行描述，对于相同之处不再详细描述，且相同部分可参考实施例一。
[0094]
如图9和图10所示，第二直线运动装置600取消了第五导轨605、第六导轨606、第五
滑块607和第六滑块608，保留了第三导轨601、第四导轨602、第三滑块603和第四滑块604。此时，第二直线运动装置600包括两个第二直线运动机构，一个第二直线运动机构包括第三导轨601和第三滑块603，另一个第二直线运动机构包括第四导轨602和第四滑块604。第三导轨601与第一导轨501及第二导轨502平行。第三滑块603沿第三导轨601滑动；第四滑块604沿第四导轨602滑动；第三滑块603与第四导轨602铰接。末端执行装置700与第四滑块604固定连接。所述第四滑块604的移动方向与末端执行装置700的轴线垂直。
[0095]
同理，第一导轨501与cd重合，第二导轨502与ab重合，第三导轨601与ef重合，第四导轨602与fg重合。第一滑块本体503与第一滑动部505铰接于d点，第二滑块本体504与第二滑动部506铰接于b点，第三滑块603与第四导轨602铰接于f点，第四滑块604与末端执行装置700固定于g点。
[0096]
因此，第一滑块本体503沿第一导轨501的移动速度为v1，第二滑块本体504沿第二导轨502的移动速度为v2，第三滑块603沿第三导轨601的移动速度为v3，第四滑块603沿第四导轨602的移动速度为v4。使用时，第一滑块本体503和第二滑块本体504的移动，带动第三滑块603和第四滑块604的移动，并实现等比例驱动。
[0097]
继续参阅图10，根据几何关系可知，o、c、a、e共线设置，o、d、b、g共线设置，o、f共线设置，且of为∠eog的等分线，且满足以下关系：oe＝og；ef＝gf；ab∥cd∥ef，且均垂直于oe；fg垂直于og；
△
ocd∽
△
oab。
[0098]
由此可以推导出，图9中v1、v2、v3和v4满足以下关系时，不动点机构具有不动点o：
[0099][0100][0101]
其中：h1为第一导轨与不动点之间的垂直距离；h2为第一导轨和第二导轨之间的垂直距离；h3为第三导轨与第二导轨之间的垂直距离。
[0102]
由式(4)可知，第二直线运动装置的移动速度的比值始终为1，即使调整平行导轨之间的距离，v3与v3的比值保持不变，此时可通过调整h1、h2来调整不动点o的位置。
[0103]
进一步地，本实施例可在不改变主体结构尺寸的情况下，调整不动点o的位置，只需要调整v1、v2的比例关系，以及v3和v4的比例关系，即可实现不动点o位置的改变，以满足各种手术需求，使不动点位置的调整更简单和方便。
[0104]
如图11所示，在一具体实施例中，不动点o的位置调整之前，不动点o位于o1，满足：
[0105][0106]
v3＝v4
[0107]
如图11所示，在一具体实施例中，不动点o的位置调整之后，不动点o位于o2，满足：
[0108][0109]
v3＝v4
[0110]
为此，可改变导轨的位置实现对不动点o的调整。如图12所示，不动点p的位置调整后，满足：
[0111][0112]
v3＝v4
[0113]
《第三实施例》
[0114]
相较于实施例一的区别在于：将四个第二直线运动机构设置于两个第一直线运动机构之间，如此可调整不动点机构的重心分布，提高不动点机构的结构刚度。以下仅针对与实施例一不同的地方进行描述，对于相同之处不再详细描述，且相同部分可参阅实施例一。
[0115]
如图13所示，第三导轨601、第四导轨602、第五导轨605和第六导轨606均设置在第一导轨501和第二导轨502之间，使第一直线运动装置500的重量均匀分散在上方和下方，由此提升整个不动点机构的结构刚度，提升运动控制精度。
[0116]
《第四实施例》
[0117]
相较于实施例二的区别在于：将两个第二直线运动机构布置于两个第一直线运动机构之间，以此调整不动点机构的重心分布，提高不动点机构的结构刚度。以下仅针对与实施例二不同的地方进行描述，对于相同之处不再详细描述，且相同部分可参阅实施例二。
[0118]
如图14所示，第三导轨601和第四导轨602均设置在第一导轨501和第二导轨502之间，与将第一直线运动装置500全部设置在第二直线运动装置500的下方相比，该方式改善了重心分布，可较好的提高不动点机构的结构刚度，提升运动控制精度。
[0119]
《第五实施例》
[0120]
相较于实施例二的区别在于：将第三导轨与第二导轨共用一个导轨，即保留第二导轨，且第二导轨同时充当第三导轨。以下仅针对与实施例二不同的地方进行描述，对于相同之处不再进行展开说明并请参阅实施例二。
[0121]
如图15所示，一个第二直线运动机构包括第二导轨502和第三滑块603，另一个第二直线运动机构包括第四导轨602和第四滑块604；此时，第三滑块603沿第二导轨502移动；第三滑块603与第四导轨602铰接；第四滑块604沿第四导轨602移动；末端执行装置700与第四滑块604固定连接。如此配置，可节省一个导轨，简化结构，减小整个不动点机构的重量和体积。
[0122]
《第六实施例》
[0123]
相较于实施例一的区别在于：将第三导轨与第一导轨共用一个导轨，将第五导轨与第二导轨共用一个导轨，并保留了第四导轨和第六导轨，且第一导轨同时充当第三导轨，第二导轨同时充当第五导轨。以下仅针对与实施例一不同的地方进行描述，对于相同之处不再进行展开说明并请参阅实施例一。
[0124]
如图16所示，四个第二直线运动机构中，第一个第二直线运动机构包括第四导轨602和第四滑块604，第二个直线运动机构包括第一导轨501和第三滑块603，第三个直线运动机构包括第二导轨502和第五滑块607，第四个直线运动机构包括第六导轨606和第六滑块608。此时，第三滑块603沿第一导轨501移动；第三滑块603与第四导轨602铰接；第四滑块604沿第四导轨602移动；末端执行装置700与第四滑块604固定连接；第五滑块607沿第二导轨502移动；第五滑块607与第六导轨606铰接；第六滑块608沿第六导轨606移动；末端执行
装置700与第六滑块608固定连接。如此配置，可节省两个导轨，有效简化结构，减小整个不动点机构的重量和体积，提升运动控制精度。
[0125]
《第七实施例》
[0126]
相较于实施例五和实施例二的区别在于：将第三导轨与第一导轨共用一个导轨，即保留第一导轨，且第一导轨同时充当第三导轨。以下仅针对与实施例五不同的地方进行描述，对于相同之处不再进行展开说明并请参阅实施例五和实施例二。
[0127]
如图17所示，一个第二直线运动机构包括第一导轨501和第三滑块603，另一个直线运动机构包括第四导轨602和第四滑块604；此时，第三滑块603沿第一导轨501移动；第三滑块603与第四导轨602铰接，如铰接；第四滑块604沿第四导轨602移动；末端执行装置700与第四滑块604固定连接。如此配置，可节省一个导轨，简化结构，减小整个不动点机构的重量和体积。
[0128]
需理解，本发明公开的不动点机构不含驱动第一直线运动装置运动的驱动装置，也不含驱动第二直线运动装置运动的从动装置，但是驱动装置和从动装置可以设置在与机械臂末端关节连接的基座上，且不动点机构也设置在所述基座上。所述基座具有工作面和对称面，所述工作面与所述对称面垂直，所述工作面与所述对称面的交线形成中心轴线，所述安装通道的延伸方向与所述中心轴线相交于一点并形成不动点o。
[0129]
综上所述，本发明提供的不动点机构通过第一直线运动装置实现了末端执行装置的摆动，并通过第二直线运动装置实现了末端执行装置的伸缩运动，从而在第一直线运动装置和第二直线运动装置的共同作用下实现了末端执行装置相对于不动点的摆动。如此配置时，利用不动点机构中平行设置的直线运动机构，降低了不动点机构的串联级数，提高了不动点机构的传动结构刚度，从而改善了运动控制精度，提升了手术的精准性。进一步地，本发明还将第一直线运动机构与第二直线运动机构共用导轨布置，可以减少导轨数量，简化结构，减小整个不动点机构的重量和体积，进一步提升运动控制精度。尤其，采用直线运动装置来输出直线运动时，直线运动装置的结构更简单，而且减速比小，传动效率高，运动控制精度和可靠性可以得到显著的提升。
[0130]
进一步地，本发明还可将第二直线运动装置设置第一直线运动装置的下方，或者设置在第一直线运动装置的两个第一直线运动机构之间，能够有效改善重心分布，提高整个不动点机构的结构刚度，以进一步改善运动控制精度。而且本发明的不动点机构可避免使用谐波减速机等昂贵部件，有效降低成本，且导轨滑块组件为刚性传动结构，传动刚度好，也简化了运动关系，可降低运动控制难度。
[0131]
所应理解，以上所述，仅为本发明的优选实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，而且本发明的创新虽然来源于手术机器人技术领域，但本领域的技术人员可以理解，本发明的不动点机构也可应用于非手术机器人技术。
[0132]
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。