CN118252622A - 手术机器人及其机械臂 - Google Patents

Abstract

本专利涉及手术机器人技术领域，特别地涉及一种手术机器人及其机械臂，其中，机械臂，包括：支撑关节组件，用于固定机械臂；末端关节，用于连接末端执行装置；中间关节组件，包括第一关节臂和第二关节臂，第一关节臂与支撑关节组件沿第一旋转轴线可旋转连接，末端关节可旋转地设置在第二关节臂上；第一旋转轴线与支撑关节组件的高度方向所成的角度大于60度且小于120度，且第一关节臂的长度方向与第一旋转轴线所成的角度大于60度且小于120度，以使得第一关节臂能够旋转并偏置于支撑关节组件的一侧；第二关节臂与第一关节臂可旋转连接，以能够将末端关节移动至靠近支撑关节组件的位置。与现有技术相比，本专利能够改善视觉定位的效果。

Description

手术机器人及其机械臂

技术领域

本专利涉及医疗器械领域，特别地涉及一种手术机器人及其机械臂。

背景技术

在现有技术中，有许多种类的医疗用手术机器人。为了执行高精度的术式，这些机器人往往需要极高精度的定位结合视觉伺服进行运动控制操作。

由于在现有技术中，大部分的医疗用手术机器人，特别是针对头颈部术式的手术机器人，都是采用直线结构的单臂设计方案。对于通常的术式来说，这一类的机器人具有相当良好的精度，能够很好地实现其发明目的。但是，对于一些需要大批量的重复动作的术式，采用这一结构的手术机器人，其效率不高，需要花费大量的手术时间。这将显著地增加患者的痛苦。

现有技术中同样存在一些双臂机器人，但是，一方面，这些双臂机器人几乎没有被应用在头颈部术式上，另一方面，现有技术的双臂机器人在关节设计占用的空间过多，很容易对提供视觉引导的图像获取装置构成障碍。

发明内容

为了解决或至少部分地解决上述技术问题，本专利提供了一种手术机器人及其机械臂。

其中，一种机械臂，包括：

支撑关节组件，用于固定机械臂；

末端关节，用于连接末端执行装置；

中间关节组件，包括第一关节臂和第二关节臂，第一关节臂与支撑关节组件沿第一旋转轴线可旋转连接，末端关节可旋转地设置在第二关节臂上；

第一旋转轴线与支撑关节组件的高度方向所成的角度大于60度且小于120度，且第一关节臂的长度方向与第一旋转轴线所成的角度大于60度且小于120度，以使得第一关节臂能够旋转并偏置于支撑关节组件的一侧；

第二关节臂与第一关节臂可旋转连接，以能够将末端关节移动至靠近支撑关节组件的位置。

可选地，支撑关节组件包括：

底座关节，用于连接外部以固定机械臂；

根部关节，一端连接第一关节臂，另一端与底座关节沿第二旋转轴线可旋转连接，第二旋转轴线的延伸方向与支撑关节组件的高度方向一致。

可选地，底座关节与外部连接固定之后，第二旋转轴线与地面所成的角度在30度至60度之间。

可选地，根部关节与第一关节臂具有第一连接面，第二旋转轴线穿过第一连接面；

根部关节的朝向第一关节臂的一侧的颈部向着远离第一关节臂的方向凹入，第一关节臂的朝向根部关节的一侧的颈部向着远离根部关节的方向凹入，以形成规避。

可选地，第一旋转轴线和第二旋转轴线彼此垂直，第二旋转轴线与第一连接面共面。

可选地，第一关节臂包括彼此沿第三旋转轴线可旋转连接的第一关节段和第二关节段；

第一旋转轴线、第二旋转轴线和第三旋转轴线相交于一点。

可选地，第一关节臂和第二关节臂之间通过第二连接面连接，第二连接面与第一关节臂的中间部分的径向剖切面共面。

可选地，第一关节臂的靠近第二连接面的部分向着远离第二连接面的方向凸出；

第二关节臂的靠近第二连接面的部分向着远离第二连接面的方向凸出。

可选地，第二关节臂包括彼此沿第六旋转轴线可旋转连接的第三关节段和第四关节段，第三关节段与第一关节臂连接，第四关节段与末端关节连接；

第四关节段的靠近末端关节的部位向着远离第六旋转轴线的方向弯曲，并形成一个平行于第六旋转轴线的托举平台，末端关节沿第四旋转轴线可旋转地设置在托举平台上。

可选地，末端关节上设置有接口，末端执行装置能够通过接口，沿第五旋转轴线可旋转地安装在末端关节上，第四旋转轴线、第五旋转轴线和第六旋转轴线相交于一点。

可选地，支撑关节组件包括：

底座关节，用于连接外部以固定机械臂；

根部关节，一端连接第一关节臂，另一端与底座关节沿第二旋转轴线可旋转连接，第二旋转轴线的延伸方向与支撑关节组件的高度方向一致；

第二关节臂与第一关节臂沿第七旋转轴线可旋转连接，第七旋转轴线到第二旋转轴线的距离大于第七旋转轴线到第四旋转轴线的距离。

可选地，第三关节段的靠近第一关节臂的部位向着第一关节臂的所在方向呈弧形的形状弯曲；

第一关节臂包括彼此沿第三旋转轴线可旋转连接的第一关节段和第二关节段，第一关节段与根部关节连接，第二关节段与第三关节段连接；

第二关节段向着第二关节臂的所在方向呈弧形的形状弯曲，从而与第三关节段交汇于第七旋转轴线上；

根部关节与第一关节臂具有第一连接面，第一关节段的背向根部关节的一侧与第一连接面所在平面的距离自靠近根部关节的方向向着远离根部关节的方向逐渐减小，以呈现出弧形的过渡表面；

末端关节的朝向第一关节段的表面同样也为弧形表面。

本专利还提供了一种手术机器人，包括安装台和至少两个权利要求1至12中任意一项的机械臂，其中，两个机械臂一左一右地设置在安装台上。

可选地，安装台上设置有与地面呈30度至60度角的斜坡，斜坡朝向患者的所在方向，机械臂的支撑关节组件设置在斜坡上。

可选地，还包括：图像获取装置，设置在两个机械臂之间，用于获取两个机械臂之间的区域的图像；

其中，手术机器人用于针对头颈部的手术。

可选地，手术机器人用于植发手术，其中：

一个机械臂上设置有头皮张紧器，用于张紧头皮；另一个机械臂上设置有毛囊操作装置，用于提取或种植毛囊；或者，

手术机器人还包括：头皮张紧器，用于张紧头皮，两个机械臂上都设置有毛囊操作装置。

在本专利中，由于末端关节和中间关节组件之间是通过一个旋转构件连接的，不需要设置万向结构，因此对一整套的中间关节组件以及设置于其上的末端关节都具有良好的支撑能力。进一步来说，通过将第二关节臂与第一关节臂可旋转连接，本专利可以在不设置多向结构的前提下，仅通过旋转连接来实现对末端关节的位置操控。因此能够具有更好的稳定性。

更为重要的是，在本专利中，通过令第一旋转轴线与支撑关节组件的高度方向呈现出大于60度且小于120度的夹角，这使得第一关节臂能够以与支撑关节组件的连接部位为旋转中心来旋转。在此基础上，将第一关节臂的长度方向与第一旋转轴线所成的角度设置为大于60度且小于120度，即可使得第一关节臂近似于以自身的长度为旋转半径来旋转。如此一来，第一关节臂可以很容易地呈现出向着末端关节的左侧或右侧的任意角度弯曲的形态，进而使得机械臂的运动主体结构在操作过程中，能够被始终置于末端关节的一侧。与现有技术相比，这样的设计在使机械臂具备相当的承重能力的前提下，在机械臂另一侧几乎不占用空间也不阻碍图像获取装置的视野，因此能够改善视觉定位的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本专利的实施方式，下面将对相关的附图做出简单介绍。可以理解，下面描述中的附图仅用于示意本专利的一些实施方式，本领域普通技术人员还可以根据这些附图获得本文中未提及的许多其他的技术特征和连接关系等。

图1是本专利实施方式的一种机械臂在一个角度的立体示意图；

图2是本专利实施方式的一种机械臂在另一个角度的立体示意图；

图3是本专利实施方式的一种机械臂在又一个角度的立体示意图；

图4是本专利实施方式的一种手术机器人的立体示意图；

图5是本专利实施方式的一种手术机器人在使用过程中的场景示意图。

附图标记说明：

a、机械臂；1、支撑关节组件；2、中间关节组件；21、第一关节臂；211、第一关节段；212、第二关节段；22、第二关节臂；221、第三关节段；222、第四关节段；3、末端关节；r1、第一旋转轴线；r2、第二旋转轴线；r3、第三旋转轴线；r4、第四旋转轴线；r5、第五旋转轴线；r6、第六旋转轴线；r7、第七旋转轴线；f1、第一连接面；f2、第二连接面；b、图像获取装置；c、安装台。

具体实施方式

下面结合附图，对本专利进行详细说明。

如前文所述，现有技术中，大部分的医疗用手术机器人，特别是针对头颈部术式的手术机器人，都是采用直线结构的单臂设计方案。对于通常的术式来说，这一类的机器人具有相当良好的精度，能够很好地实现其发明目的。

例如，在专利US10327850中，公开了如下内容：当前最先进的自动化植发手术机器系统为单臂构造，其进针装置和摄像头安装在一条直线上，整个装置固定在机械臂的末端形成一个串联机构。流程上，这套系统依据末端的双目摄像头装置定位识别图像里的所有毛囊，然后依据算法排除不合适提取的毛囊，最终得出需要提取的毛囊数据，发送指令给到机器人有序地进行毛囊的提取工作。

在一台植发手术中，毛囊提取和种植的数量在2500个以上。也就是说，完成完整的手术，机器人需要重复至少2500次提取和2500次种植毛囊的操作。因此，单臂直线构造的机器人，将花费大量的手术时间。这将显著地增加患者的痛苦。

为了提高手术效率，一个发展的方向是增加机器人手臂的数量。在现有技术中，也存在一些双臂构造的机器人。例如，申请号为US 8498741B2的美国专利，或是申请号为CN111347410B的中国专利。这些机器的手臂往往采用拟人的关节设计。对这一类型的直线机构的拟人关节，其连接末端执行装置的部分的体积巨大，取发/植发针往往与观察/驱动装置同轴或只有很小的偏置距离。显然，由于此类关节设计在空间中的占用过大，使用过程中很容易遮挡图像获取装置的视野。与此同时，每次取发/植发区域很小，一般只有几个平方厘米。在同区域内头发的间距极小，同区域内头发朝向也接近。因此，若想要利用多个取发/植发针同时操作，针的朝向必然也是相近的。针与针之间的距离也极小。综合以上可知，利用现有技术的机械臂，想进行多机械臂同时多机位操作是几乎不可能的，末端执行装置会互相干涉乃至碰撞。

有鉴于此，本专利的实施方式提出了一种机械臂和采用了机械臂的手术机器人，以解决上述技术问题。

第一实施方式

本专利的第一实施方式提出了一种机械臂a，参见图1至图3所示，其包括：

支撑关节组件1，用于固定机械臂a；

末端关节3，用于连接末端执行装置；

中间关节组件2，包括第一关节臂21和第二关节臂22，第一关节臂21与支撑关节组件1沿第一旋转轴线r1可旋转连接，末端关节3可旋转地设置在第二关节臂22上；

第一旋转轴线r1与支撑关节组件1的高度方向所成的角度大于60度且小于120度，且第一关节臂21的长度方向与第一旋转轴线r1所成的角度大于60度且小于120度，以使得第一关节臂21能够旋转并偏置于支撑关节组件1的一侧；

第二关节臂22与第一关节臂21可旋转连接，以能够将末端关节3移动至靠近支撑关节组件1的位置。

本专利的第一实施方式还提供了一种手术机器人，参见图4所示，其上设置有前述的机械臂a。

在本专利中，由于末端关节3和中间关节组件2之间是通过一个旋转构件连接的，不需要设置万向结构，因此对一整套的中间关节组件2以及设置于其上的末端关节3都具有良好的支撑能力。进一步来说，通过将第二关节臂22与第一关节臂21可旋转连接，本专利可以在不设置多向结构的前提下，仅通过旋转连接来实现对末端关节3的位置操控。因此能够具有更好的稳定性。

更为重要的是，在本专利中，通过令第一旋转轴线r1与支撑关节组件1的高度方向呈现出大于60度且小于120度的夹角，这使得第一关节臂21能够以与支撑关节组件1的连接部位为旋转中心来旋转。在此基础上，将第一关节臂21的长度方向与第一旋转轴线r1所成的角度设置为大于60度且小于120度，即可使得第一关节臂21近似于以自身的长度为旋转半径来旋转。如此一来，参见图1所示，第一关节臂21可以很容易地呈现出向着末端关节3的左侧或右侧的任意角度弯曲的形态，进而使得机械臂a的运动主体结构在操作过程中，能够被始终置于末端关节3的一侧。与现有技术相比，这样的设计在使机械臂a具备相当的承重能力的前提下，在机械臂a另一侧几乎不占用空间也不阻碍图像获取装置b的视野，因此能够改善视觉定位的效果。

易于理解的是，作为优选方案，第一旋转轴线r1与支撑关节组件1的高度方向的夹角可以是90度，而第一关节臂21的长度方向与第一旋转轴线r1所成的角度也以90度为佳。当第一关节臂21的主体结构与支撑关节组件1垂直时，其占用空间相对较小，而且对末端关节3的定位更简单。

可选地，参见图4所示，本专利所提供的手术机器人，可以包括安装台c和至少两个上述的机械臂a，其中，两个机械臂a一左一右地设置在安装台c上。且这两个机械臂的构型对称。在本专利中，所指的构型对称，意思是两个机械臂在结构上可以是或是略有区别的，但在布局上则是对称，或者说互为镜像的。

易于理解的是，本专利所公开的手术机器人属于拟人双臂机器人。其中，两个机械臂a的构型对称时，近似于人类的双臂，能够完成对于人类来易于实现的功能。

拟人双臂机器人作为一个完整的机器人系统，其双臂之间存在着依赖的关系。它们分享使用传感数据，双臂之间通过一个共同的通信连接形成无力耦合。由于双臂的控制器之间的通讯，使得一个机械臂对于另一个机械臂的反应能够作出对应的动作、轨迹规划和决策。双臂之间所具有的协调关系，可以使得拟人机器人像医生手臂一样协调动作。

在本领域中，拟人双臂机器人的双臂之间存在严格而又不断动态变化的约束关系，需要在互不碰撞的前提下完成一个协作任务。因此，拟人双臂机器人需要严格地考虑双臂的工作空间、轨迹、自由度和力等约束，控制难度很高。在医学领域，关系到患者的生命健康，对双臂的避障算法、力位控制等有更高的要求，还需要融合术前影像、术中图像、力传感器，甚至医生指令等多模态信息来优化规划，减小操作误差。

相较于两个单独控制的机械臂，拟人双臂机器人是通过统一的控制规划而运作的。因此其具备以下几个优势：

1、在末端执行装置与机械臂之间无相对运动的情况下，对末端执行装置的控制效果优于两个单独机器人的相应操作；

2、在末端执行装置与机械臂之间有相对运动的情况下，通过两臂之间较好的配合能对柔性物体进行控制操作，而两个单独的机械臂要做到这一点，是很困难的；

3、拟人双臂机器人工作时，能够更有效地避免两个单独机器人在一起工作时产生的冲突；

4、拟人双臂机器人比两个单独机器人更容易实现对多目标的有序操作。

在复杂的手术操作场景下，拟人式双臂的设计其冗余性可以：

1、克服奇异性、避关节角极限、提高灵活性、多臂障碍物及获得最小关节力矩等；

2、具有可靠性，可以及时进行任务再规划。

由于拟人式的设计，可在手术环境下实现与医护团队和患者共融。因此在医疗机器人领域，拟人式的双臂机器人是下一代机器人的发展方向。

正因为拟人机器人的上述要求，因此其针对机械臂本身的设计提出了新的要求。如前所述，在申请号为US 8498741B2的美国专利，或是申请号为CN111347410B的中国专利中，所公开的拟人式机器人多局限于人的外观形态，其关节的设计和运作受到限制，因此可操作范围不大，视野也不好。与之相比，在本专利中将两个机械臂a一左一右地设置在安装台c上时，由于两个机械臂a能够向着彼此相对远离的方向旋转，因此可以向着末端关节3的一个侧面的方向弯曲。如图4所示的，本专利的能够在两个机械臂a之间留出较大的空间，这使得两个机械臂a在紧凑地设置在一起时，还能在二者之间提供很大范围的视野。

可选地，参见图5所示，本专利的手术机器人还包括：图像获取装置b，设置在两个机械臂a之间，用于获取两个机械臂a之间的区域的图像。

其中，手术机器人用于针对头颈部的手术。本专利的手术机器人特别适合针对头颈部的手术。这是因为针对头颈部的手术，机器人的可操作空间仅限于人体或动物体的头颈部，范围十分狭窄。而由于上述结构设计，本专利的手术机器人具备了在狭窄空间中进行高精度操作的能力。

根据图5所示，在本专利中，所设置的图像获取装置b位于两个机械臂a之间，从上向下俯视时，完全不受机械臂a的遮挡，具备了极佳的视野，因此十分有利于机械臂a的路径规划。可选地，图像获取装置b可以是双目相机，从从而能够为机械臂a提供精确的路径引导。

特别地，手术机器人可以用于植发手术，其中：

一个机械臂a上设置有头皮张紧器，用于张紧头皮；另一个机械臂a上设置有毛囊操作装置，用于提取或种植毛囊。

或者，

手术机器人还包括：头皮张紧器，用于张紧头皮，两个机械臂a上都设置有毛囊操作装置。

由于本专利所提供的机械臂a本身提供了偏置的设计，因此两个机械臂a之间很难发生冲突和碰撞。在同时进行毛囊操作操作时，两个机械臂a可以如图5所示，分别将两个偏置的末端执行装置，例如毛囊操作装置设置在患者头部的两侧。这两个毛囊操作装置之间不容易发生冲突，因此相比于现有技术而言，本专利在植发这样的需要大量的重复提取、种植操作的术式中，具有极佳的效率优势。

第二实施方式

人类手臂是由骨骼、关节和链接它们的肌肉构成。其中，关节通常具有一个或多个自由度。人类手臂有七个自由度，其中肩关节为三个，肘关节为一个，手关节为一个，属于冗余手臂。由于有这样的冗余性，在固定了指尖方向和手腕位置的情况下，可以通过旋转肘关节来改变手臂的姿态，能够更好地回避障碍物。

在手术机器人中，可以通过仿生学设计，使得手术机器人具有与人类手臂类似的功能。但是，如果完全复制人类的手臂形态，那么需要提供三个自由度的肩关节的机械结构将会极为复杂，成本高昂，而且承重能力不佳。

有鉴于此，本专利的第二实施方式提出了一种机械臂a，第二实施方式是第一实施方式的进一步改进，主要改进之处在于，参见图4、图5所示，在安装台c上设置有与地面呈30度至60度角的斜坡，斜坡朝向患者的所在方向，机械臂a的支撑关节组件1设置在斜坡上。也就是说，底座关节与外部连接固定之后，第二旋转轴线r2与地面所成的角度在30度至60度之间。

通过将机械臂a的支撑关节设置在斜坡上，使得机械臂a得以以前倾的方式设置。这一设计与人体的关节的朝向是完全不同的。

如此前所引用的现有技术专利，它们从仿生学出发，将机械臂a设置在人形机器人的肩部，并向着左右两侧延伸。这固然能够使得两个机械臂a向着彼此远离的方向排列，但却很明显地增加了肩部关节的复杂度，提高成本的同时降低了其承重能力。在本实施方式中，机械臂a由于是向前倾斜的，因此通过第一关节臂21相对支撑关节组件1的旋转运动，足以使得中间关节组件2整体在一个斜面上以支撑关节组件1为中心旋转，这一旋转空间能够覆盖绝大多数的手术所需的范围，在简单的设计下提供了极大的冗余，降低了机械臂a的结构复杂度和成本。

进一步地，参见图2所示，支撑关节组件1包括：

底座关节，用于连接外部以固定机械臂a；

根部关节，一端连接第一关节臂21，另一端与底座关节沿第二旋转轴线r2可旋转连接，第二旋转轴线r2的延伸方向与支撑关节组件1的高度方向一致。

根部关节作为与底座直接连接的关节，其所需要承受的重量是最大的。作为手术机器人而言，关节本身的体积应当尽量小，以减小空间占用，改善视野。本专利将根部关节以可旋转的方式直接连接在底座关节上，使得关节的承重能力得到了保障。与此同时，可旋转的根部关节在与前倾设置的机械臂a配合时，结合第一关节臂21的旋转设计，能够使得机械臂a在手术区域内进行高精度和广覆盖范围的运动。

进一步来说，参见图3所示，根部关节与第一关节臂21具有第一连接面f1，第二旋转轴线r2穿过第一连接面f1；

参见图1、图2所示，根部关节的朝向第一关节臂21的一侧的颈部向着远离第一关节臂21的方向凹入，第一关节臂21的朝向根部关节的一侧的颈部向着远离根部关节的方向凹入，以形成规避。

由于第一关节臂21和根部关节都进行了凹入式的规避设计，因此第一关节臂21可以在不削减第一连接面f1的大小的前提下实现较大范围的可旋转运动，这使得本专利实施方式所提供的机械臂a具备了很好的承重能力的同时，还减少了空间的占用。

进一步来说，优选地，可以令第一旋转轴线r1和第二旋转轴线r2彼此垂直，第二旋转轴线r2与第一连接面f1共面。通过将第一旋转轴线r1和第二旋转轴线r2彼此垂直设置，使得第一关节臂21的在旋转时的所在平面近乎与支撑关节组件1平行，这使得机械臂a在第一旋转轴线r1的所在方向上的空间占用显著减小了，提高了机械臂a的集成度，减小了在手术台上两个机械臂a之间发生干涉的可能性。

可选地，第一关节臂21还可以包括彼此沿第三旋转轴线r3可旋转连接的第一关节段211和第二关节段212；

如图3所示，第一旋转轴线r1、第二旋转轴线r2和第三旋转轴线r3相交于一点。

当第二关节段212能够相对于第一关节段211旋转时，机械臂a本身足以为第二关节段212提供在所及范围的空间中任意一点精确定位的能力。而三个旋转轴线相交于一点时，第二关节段212末端的位置得以被精确地计算出来，配合其他的关节之后，使得手术机械臂a具备了更加冗余的自由度结构。

第三实施方式

本专利的发明人发现，现有技术的机械臂a结构，往往会将关节臂和关节臂之间的旋转面设置在关节臂末端的平面上，其旋转平面往往凸出于关节臂之外。这在传统的机械臂a结构上来说没有问题，但在需要小型化的医疗场景中则不是很合适。有鉴于此，本专利的第三实施方式提出了一种机械臂a。第三实施方式是基于第二实施方式的进一步改进，其主要改进之处在于，参见图3所示，第一关节臂21和第二关节臂22之间通过第二连接面f2连接，第二连接面f2与第一关节臂21的中间部分的径向剖切面共面。

通过将第二连接面f2设置为与第一关节臂21的中间部分的径向剖切面共面，使得第二连接面f2的旋转部位位于第一关节臂21的中部，从而可以简化在规划机械臂a的运动路径时的计算量。

进一步可选地，第一关节臂21的靠近第二连接面f2的部分向着远离第二连接面f2的方向凸出；第二关节臂22的靠近第二连接面f2的部分向着远离第二连接面f2的方向凸出。由于第二连接面f2的所在部分位于机械臂a的最为远离手术区域的位置，因此在这两个部位上的凸出设计可以在不影响手术视野的前提下增加连接部分的结构强度，从而延长机械臂a的使用寿命。

第四实施方式

本专利的第四实施方式提出了一种机械臂a。第四实施方式是基于第一、二或第三实施方式的进一步改进，其主要，对第二关节臂22进行了改进。

具体说来，参见图1、图2和图3所示，第二关节臂22包括彼此沿第六旋转轴线r6可旋转连接的第三关节段221和第四关节段222，第三关节段221与第一关节臂21连接，第四关节段222与末端关节3连接；

第四关节段222的靠近末端关节3的部位向着远离第六旋转轴线r6的方向弯曲，并形成一个平行于第六旋转轴线r6的托举平台，末端关节3沿第四旋转轴线r4可旋转地设置在托举平台上。

通过以上设置，本实施方式的机械臂a为末端关节3提供了足达7个自由度的冗余结构，在小尺寸下实现了拟人机械臂a的手臂部分的功能。与现有技术的一大不同之处在于，托举平台被设置为能够平行于第六旋转轴线r6进行旋转，因此在不改变支撑关节组件1和第一关节臂21的位姿的前提下，可以实现末端关节3在空间中的三维坐标的微调，这显著地提高了机械臂a的动作的稳定性，因此更适用于在高精度要求的手术环境下使用。

更进一步来说，可选地，末端关节3上可以设置有接口，末端执行装置能够通过接口，沿第五旋转轴线r5可旋转地安装在末端关节3上，第四旋转轴线r4、第五旋转轴线r5和第六旋转轴线r6相交于一点。

通过末端执行装置，例如进一步设置的串联机械臂a以及安装在其上的末端执行器的设置，能够实现拟人机械臂a的手腕部分的功能。而通过令第四旋转轴线r4、第五旋转轴线r5和第六旋转轴线r6相交于一点，也能够使得从第二关节臂22至末端执行装置的部位的占用空间得到压缩。

进一步可选地，参见图3所示，当支撑关节组件1包括：底座关节，用于连接外部以固定机械臂a；根部关节，一端连接第一关节臂21，另一端与底座关节沿第二旋转轴线r2可旋转连接，第二旋转轴线r2的延伸方向与支撑关节组件1的高度方向一致的前提下，第二关节臂22与第一关节臂21沿第七旋转轴线r7可旋转连接，第七旋转轴线r7到第二旋转轴线r2的距离大于第七旋转轴线r7到第四旋转轴线r4的距离。

如前文所述，在本专利的一个应用场景中，两个机械臂a之间设置有图像获取装置b，而且作为本专利的一个优选方案，图像获取装置b可以被设置为从上方向下俯视的方式来获取机械臂a的图像。此时，由于本专利的机械臂a是偏置设置的，可能对待手术的区域形成阻挡的机构就只有末端执行装置以及其所设置的末端关节3的。而通过将第七旋转轴线r7到第二旋转轴线r2的距离设置为大于第七旋转轴线r7到第四旋转轴线r4的距离，能够严格地限制末端关节3和末端执行装置的位置，最大程度地避免视野被遮挡。

在现有技术中，关节臂往往是直线臂，在需要改变其方向的时候，往往会在关节臂末端设置球状关节。而球状关节容易受到关节臂自身的干涉。有鉴于此，作为本实施方式的进一步优选方案，第三关节段221的靠近第一关节臂21的部位向着第一关节臂21的所在方向呈弧形的形状弯曲；

第一关节臂21包括彼此沿第三旋转轴线r3可旋转连接的第一关节段211和第二关节段212，第一关节段211与根部关节连接，第二关节段212与第三关节段221连接；

第二关节段212向着第二关节臂22的所在方向呈弧形的形状弯曲，从而与第三关节段221交汇于第七旋转轴线r7上。

根部关节与第一关节臂21具有第一连接面f1，第一关节段211的背向根部关节的一侧与第一连接面f1所在平面的距离自靠近根部关节的方向向着远离根部关节的方向逐渐减小，以呈现出弧形的过渡表面；

末端关节3的朝向第一关节段211的表面同样也为弧形表面。

第一关节臂21和第二关节臂22的弧形设置，使得关节臂呈现出一个优美的曲线形状。这一形状设计不仅仅在外观上对机械臂a产生了改善，更有其实用价值在内：

1、首先，手术过程中附近可能是有医生或是护士在旁实习、监督和操作的，弧形的机械臂a避免或减轻了尖锐和刚直的机械臂a边缘对人身安全的威胁。

2、其次，整体上呈现出U字形状的机械臂a，相比于现有技术中呈现出V字形状的机械臂a，在沿着第七旋转轴线r7旋转相同角度时，末端的位移量更小，因此运动的精度更高。

3、再者，由于规避了连接处的干涉，第一关节臂21和第二关节臂22可以运动至彼此紧贴的极限位置，使得机械臂a的收纳体积减小了，提高了空间利用率。

最后应说明的是，本领域的普通技术人员可以理解，为了使读者更好地理解本专利，本专利的实施方式提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本专利各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本专利的精神和范围。

Claims (14)

1.一种机械臂，其特征在于，包括：

支撑关节组件，用于固定所述机械臂；

末端关节，用于连接末端执行装置；

中间关节组件，包括第一关节臂和第二关节臂，所述第一关节臂与所述支撑关节组件沿第一旋转轴线可旋转连接，所述末端关节可旋转地设置在所述第二关节臂上；

所述第一旋转轴线与所述支撑关节组件的高度方向所成的角度大于30度且小于160度，且所述第一关节臂的长度方向与所述第一旋转轴线所成的角度大于30度且小于160度，以使得所述第一关节臂能够旋转并偏置于所述支撑关节组件的一侧；

所述第二关节臂与所述第一关节臂可旋转连接，以能够将所述末端关节移动至靠近所述支撑关节组件的位置。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述支撑关节组件包括：

底座关节，用于连接外部以固定所述机械臂；

根部关节，一端连接所述第一关节臂，另一端与所述底座关节沿第二旋转轴线可旋转连接，所述第二旋转轴线的延伸方向与所述支撑关节组件的高度方向一致。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述底座关节与外部连接固定之后，所述第二旋转轴线与地面所成的角度在30度至60度之间。

4.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述根部关节与所述第一关节臂具有第一连接面，所述第二旋转轴线穿过所述第一连接面；

所述根部关节的朝向所述第一关节臂的一侧的颈部向着远离所述第一关节臂的方向凹入，所述第一关节臂的朝向所述根部关节的一侧的颈部向着远离所述根部关节的方向凹入，以形成规避。

5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线彼此垂直，所述第二旋转轴线与所述第一连接面共面。

6.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一关节臂和所述第二关节臂之间通过第二连接面连接，所述第二连接面与所述第一关节臂的中间部分的径向剖切面共面；

所述第一关节臂的靠近所述第二连接面的部分向着远离所述第二连接面的方向凸出；

所述第二关节臂的靠近所述第二连接面的部分向着远离所述第二连接面的方向凸出。

7.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第二关节臂包括彼此沿第六旋转轴线可旋转连接的第三关节段和第四关节段，所述第三关节段与所述第一关节臂连接，所述第四关节段与所述末端关节连接；

所述第四关节段的靠近所述末端关节的部位向着远离所述第六旋转轴线的方向弯曲，并形成一个平行于第六旋转轴线的托举平台，所述末端关节沿第四旋转轴线可旋转地设置在所述托举平台上。

8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，所述末端关节上设置有接口，末端执行装置能够通过所述接口，沿第五旋转轴线可旋转地安装在所述末端关节上，所述第四旋转轴线、第五旋转轴线和所述第六旋转轴线相交于一点。

9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述支撑关节组件包括：

底座关节，用于连接外部以固定所述机械臂；

根部关节，一端连接所述第一关节臂，另一端与所述底座关节沿第二旋转轴线可旋转连接，所述第二旋转轴线的延伸方向与所述支撑关节组件的高度方向一致；

所述第二关节臂与所述第一关节臂沿第七旋转轴线可旋转连接，所述第七旋转轴线到所述第二旋转轴线的距离大于所述第七旋转轴线到所述第四旋转轴线的距离。

10.根据权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述第三关节段的靠近所述第一关节臂的部位向着所述第一关节臂的所在方向呈弧形的形状弯曲；

所述第一关节臂包括彼此沿第三旋转轴线可旋转连接的第一关节段和第二关节段，所述第一关节段与所述根部关节连接，所述第二关节段与所述第三关节段连接；

所述第二关节段向着所述第二关节臂的所在方向呈弧形的形状弯曲，从而与所述第三关节段交汇于所述第七旋转轴线上；

所述根部关节与所述第一关节臂具有第一连接面，所述第一关节段的背向所述根部关节的一侧与所述第一连接面所在平面的距离自靠近所述根部关节的方向向着远离所述根部关节的方向逐渐减小，以呈现出弧形的过渡表面；

所述末端关节的朝向所述第一关节段的表面同样也为弧形表面。

11.一种手术机器人，其特征在于，包括安装台和至少两个权利要求1至10中任意一项所述的机械臂，其中，所述两个机械臂一左一右地设置在所述安装台上，且所述两个机械臂的构型对称。

12.根据权利要求11所述的手术机器人，其特征在于，所述安装台上设置有与地面呈30度至60度角的斜坡，所述斜坡朝向患者的所在方向，所述机械臂的支撑关节组件设置在所述斜坡上。

13.根据权利要求11所述的手术机器人，其特征在于，还包括：图像获取装置，设置在两个机械臂之间，用于获取所述两个机械臂之间的区域的图像；

其中，所述手术机器人用于针对头颈部的手术。

14.根据权利要求13所述的手术机器人，其特征在于，所述手术机器人用于植发手术，其中：

一个机械臂上设置有头皮张紧器，用于张紧头皮；另一个机械臂上设置有毛囊操作装置，用于提取或种植毛囊；或者，

所述手术机器人还包括：头皮张紧器，用于张紧头皮，所述两个机械臂上都设置有所述毛囊操作装置。