CN113715055A - 一种串联机械臂 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供了一种串联机械臂，该串联机械臂包括机械臂本体和重力平衡组件；所述机械臂本体包括基座、第一连杆以及连杆组件；所述基座、所述第一连杆以及所述连杆组件依次通过第一关节、第二关节转动连接；所述重力平衡组件包括至少一个平衡机构，所述至少一个平衡机构能够对所述第二关节产生至少一个平衡力矩；所述至少一个平衡力矩至少用于平衡所述连杆组件的重力对所述第二关节产生的重力矩，以使所述连杆组件处于完全平衡。本说明书实施例提供的串联机械臂可以在其运动空间内的任意姿态下实现重力完全平衡，结构简单、紧凑，具有较好的灵巧性、操作精度、操作舒适性。

Description

一种串联机械臂

技术领域

本说明书涉及机械臂领域，特别涉及一种串联机械臂。

背景技术

机械臂作为一种新型人机交互途径被广泛应用于工业、医疗等领域。其中，串联机械臂是一种较为常见的机械臂，操作者可以通过操作串联机械臂来进行工业生产、手术治疗等。例如，串联机械臂可以用作医生机械臂而作为手术机器人的重要组成部分，医生可以通过操作医生机械臂来控制手术机器人的末端执行器械完成剪切、打结和缝合等动作。

然而，操作者在操作串联机械臂时，串联机械臂自身的重力会对串联机械臂的灵巧性、操作精度以及对操作者的力反馈造成负面影响，并且长时间操作时也会使操作者的肌肉感到疲劳。因此，在机械臂的设计上通常需要考虑重力完全平衡的问题，以消除串联机械臂自身重力所带来的负面影响。

发明内容

本说明书实施例提供一种串联机械臂，包括：机械臂本体和重力平衡组件；所述机械臂本体包括基座、第一连杆以及连杆组件；所述基座、所述第一连杆以及所述连杆组件依次通过第一关节、第二关节转动连接；所述重力平衡组件包括至少一个平衡机构，所述至少一个平衡机构能够对所述第二关节产生至少一个平衡力矩；所述至少一个平衡力矩至少用于平衡所述连杆组件的重力对所述第二关节产生的重力矩，以使所述连杆组件处于完全平衡。

在一些实施例中，所述连杆组件包括通过第三关节转动连接的第二连杆和第三连杆；所述重力平衡组件还包括第一平衡连杆和第二平衡连杆；所述第一平衡连杆、所述第二平衡连杆、所述第二连杆以及所述第三连杆的部分之间转动连接以形成平行四边形结构；其中，所述第二连杆的一端通过所述第二关节与所述第一连杆和第一平衡连杆的一端转动连接，另一端通过所述第三关节与所述第三连杆转动连接；所述第一平衡连杆的一端通过所述第二关节与所述第二连杆转动连接，所述第一平衡连杆的另一端与所述第二平衡连杆的一端转动连接，所述第二平衡连杆的另一端转动连接于所述第三连杆上；通过所述平行四边形结构能够使所述第三连杆绕所述第三关节转动的角度由所述第二连杆绕所述第二关节转动的角度和所述第一平衡连杆绕所述第二关节转动的角度共同确定。

在一些实施例中，所述重力平衡组件包括第一平衡机构和第二平衡机构；所述第一平衡机构和所述第二平衡机构能够分别对所述第二关节产生第一平衡力矩和第二平衡力矩，所述第一平衡力矩与所述第二平衡力矩用于平衡所述第二连杆、所述第三连杆、所述第一平衡连杆以及所述第二平衡连杆的重力对所述第二关节产生的重力矩；其中所述第一平衡力矩至少与所述第一平衡连杆绕所述第二关节转动的角度相关，所述第二平衡力矩至少与所述第二连杆绕所述第二关节转动的角度相关。

在一些实施例中，所述第二关节包括相对设置的第一转动半轴和第二转动半轴；所述第二连杆的一端与所述第一转动半轴固定连接；所述第一平衡连杆的一端与所述第二转动半轴固定连接。

在一些实施例中，所述第一平衡机构包括第一平衡弹簧、第一平衡绳、第一导向机构、第二导向机构；所述第一平衡弹簧的一端固定连接在所述第一连杆上，所述第一平衡弹簧的另一端与所述第一平衡绳的一端固定连接；所述第一导向机构设置在所述第一连杆上以将所述第一平衡绳的另一端引导至所述第二导向机构，所述第二导向机构设置在所述第一平衡连杆上以将所述第一平衡绳的另一端引导连接于所述第一转动半轴；所述第一平衡弹簧在所述第一平衡绳的牵引下处于伸长状态并产生第一弹簧拉力，所述第一弹簧拉力能够对所述第二关节产生所述第一平衡力矩；其中，所述第一平衡弹簧的伸长量与所述第一导向机构和所述第二导向机构之间的距离相同。

在一些实施例中，所述第一平衡机构还包括第一平衡绳固定收紧机构，所述第一平衡绳固定收紧机构用于所述第一平衡绳的另一端固定收紧在所述第一转动半轴上。

在一些实施例中，所述第一导向机构在所述第一连杆上的位置和/或所述第二导向机构在所述第一平衡连杆上的位置可调。

在一些实施例中，所述第二平衡机构包括第二平衡弹簧、第二平衡绳、第三导向机构、第四导向机构；所述第二平衡弹簧的一端固定连接在所述第二连杆上，所述第二平衡弹簧的另一端与所述第二平衡绳的一端固定连接，所述第三导向机构设置在所述第一连杆上用于将所述第二平衡绳的另一端引导至第四导向机构，所述第四导向机构设置在所述第二连杆上用于将所述第二平衡绳的另一端引导连接于所述第二连杆或所述第二转动半轴上，所述第二平衡弹簧在所述第二平衡绳的牵引下处于伸长状态并产生第二弹簧拉力，所述第二弹簧拉力能够对所述第二关节产生所述第二平衡力矩；其中，所述第二平衡弹簧的伸长量与所述第三导向机构和所述第二四导向机构之间的距离相同。

在一些实施例中，所述第二平衡机构还包括第二平衡绳固定收紧机构，所述第二平衡绳固定收紧机构用于所述第二平衡绳的另一端固定收紧在所述第二连杆或所述第二转动半轴上。

在一些实施例中，所述第三导向机构在所述第一连杆上的位置和/或所述第四导向机构在所述第二连杆上的位置可调。

在一些实施例中，所述第一平衡弹簧的弹簧常数

其中，K₁为所述第一平衡弹簧的弹簧常数，G₂为所述第三连杆的重力，

为所述第三关节与所述第三连杆的质心之间的距离，G₃为所述第一平衡连杆的重力，

为所述第二关节与所述第一平衡连杆的质心之间的距离，G₄为所述第二平衡连杆的重力，L_AC为所述第一平衡连杆的长度，L_AE为所述第一导向机构与所述第二关节之间的距离，L_AF为所述第二导向机构与所述第二关节之间的距离。

在一些实施例中，所述第二平衡弹簧的弹簧常数

其中，K₂为所述第一平衡弹簧的弹簧常数，G₁为所述第二连杆的重力，

为所述第二关节与所述第二连杆的质心之间的距离，G₂为所述第三连杆的重力，L_AB为所述第二连杆的长度，G₄为所述第二平衡连杆的重力，

为所述第一平衡连杆与所述第二平衡连杆之间的连接点与所述第二平衡连杆的质心之间的距离，L_AG为所述第三导向机构与所述第二关节之间的距离，L_AH为所述第四导向机构与所述第二关节之间的距离。

在一些实施例中，所述连杆组件包括第二连杆，所述第二连杆通过所述第二关节与所述第一连杆转动连接；所述重力平衡组件包括一个平衡机构，所述平衡机构能够对所述第二关节产生平衡力矩，所述平衡力矩用于平衡所述第二连杆的重力对于所述第二关节产生的重力矩。

在一些实施例中，所述平衡机构包括平衡弹簧、平衡绳、第一导向机构、第二导向机构；所述平衡弹簧的一端固定连接在所述第一连杆上，所述平衡弹簧的另一端与所述平衡绳的一端固定连接，所述第一导向机构设置在所述第一连杆上用于将所述平衡绳的另一端引导至所述第二导向机构，所述第二导向机构设置在所述第二连杆上用于将所述平衡绳的另一端引导连接于所述第二连杆；所述平衡弹簧在所述平衡绳的牵引下处于伸长状态并产生弹簧拉力，所述弹簧拉力能够对所述第二关节产生所述平衡力矩；其中，所述平衡弹簧的伸长量与所述第一导向机构和所述第二导向机构之间的距离相同。

在一些实施例中，所述平衡弹簧的弹簧常数

其中，K为所述平衡弹簧的弹簧常数，G₁为所述第二连杆的重力，

为所述第二关节与所述第二连杆的重心之间的距离，L_AB为所述第一导向机构与所述第二关节之间的距离，L_AC为所述第二导向机构与所述第二关节之间的距离。

附图说明

本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：

图1是根据本说明书一些实施例所示的连杆组件包括两个连杆的串联机械臂的主视图；

图2是根据本说明书一些实施例所示连杆组件包括两个连杆的串联机械臂的后视图；

图3是图1沿A-A方向的剖视图；

图4是图1中第一平衡力矩产生的区域的局部放大图；

图5是图2中第二平衡力矩产生的区域的局部放大图；

图6是图1所示的第二连杆和第一平衡连杆绕第二关节转动一定角度时的受力示意图；

图7是图2所示的第二连杆和第一平衡连杆绕第二关节转动一定角度时的受力示意图；

图8是根据本说明书一些实施例所示的连杆组件仅包括一个连杆的串联机械臂的结构示意图；

图9是图8所示的第二连杆绕第二关节转动一定角度时的受力示意图。

附图标记：100为串联机械臂；2为基座；3为连杆组件；31为第三关节；32为第二连杆；33为第三连杆；4为第一关节；5为第二关节；51为第一转动半轴；52为第二转动半轴；6为第一平衡连杆；61为第一固定块；62为螺栓；7为第二平衡连杆；8为第一平衡机构；81为第一平衡弹簧；82为第一平衡绳；83为第一导向机构；831为第一导向轮；832为第一支架；84为第二导向机构；85为第一固定收紧机构；851为第一收紧轮；852为第一收紧压块；9为第二平衡机构；91为第二平衡弹簧；92为第二平衡绳；93为第三导向机构；94为第四导向机构；95为第二固定收紧机构；200为串联机械臂；10为平衡机构；11为平衡弹簧；12为平衡绳；13为第一导向机构；14为第二导向机构。

具体实施方式

为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。

如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。

机械臂作为工业机器人、手术机器人等机器人系统中的重要组成部分，通常可以包括串联机械臂、并联机械臂、混联机械臂三种类型。在实际中，我们较为常见的机械臂多为串联机械臂。例如，在手术治疗中，医生可以通过操作医生机械臂来控制手术机器人的末端执行器械完成剪切、打结和缝合等动作。其中，医生机械臂就大多为串联机械臂。

然而，如果串联机械臂存在有重力无法完全平衡的问题，而导致操作者在操作串联机械臂时，串联机械臂自身的重力以及在其运动过程中产生的惯性力会导致操纵者产生疲劳感，也会使得串联机械臂的操作精度、灵巧性下降以及向操作者的力反馈不准确。其中，串联机械臂的重力完全平衡可以理解为串联机械臂在其运动空间内的任意姿态下，例如，串联机械臂中的运动构件(例如，连杆)转动到某一位置且其所受到的驱动力消失时，运动构件的重力均能被平衡，使运动构件不会因自身重力而再发生转动，以使得运动构件可以保持在当前位置，从而使得串联机械臂在驱动其运动的驱动力消失后可以保持住相应姿态。具体地，重力完全平衡可以通过平衡串联机械臂中连杆的重力对关节产生的重力矩来实现，而平衡串联机械臂中连杆的重力对关节产生的重力矩则可以通过对同一关节产生的与重力距大小相等、方向相反的力矩来抵消重力矩来实现。

在一些实施例中，可以通过配重设计的方式来实现串联机械臂的重力完全平衡，例如，可以在串联机械臂的连杆相对于关节的对称方向上添加合适的配重块，配重块的重力对关节产生的力矩可以用于平衡连杆的重力对关节产生的力矩，以此来实现串联机械臂的重力完全平衡。但通过加配重的方式会增加串联机械臂的整体的质量和惯性力，在一定程度上也会增加串联机械臂的空间尺寸和结构复杂程度，这会导致串联机械臂的灵巧性、操作舒适性、操作精度会有不同程度的降低。

在一些实施例中，可以通过电机补偿的方式来实现串联机械臂的重力完全平衡，例如，通过电机输出反向力矩来平衡串联机械臂各个连杆的重力对相应关节产生的重力距，以此实现串联机械臂的重力完全平衡。然而，电机补偿的方式会消耗电机的大量转矩，导致电机的选型过大，还可能会导致串联机械臂反馈给操作者的力不准确。

本说明书实施例提供了一种串联机械臂，该串联机械臂利用弹簧处于伸长状态所产生得弹簧拉力对串联机械臂中的关节产生的平衡力矩来平衡串联机械臂中需要平衡的重力距(即串联机械臂中的运动构件的重力对该关节产生的重力距)，以此实现串联机械臂的重力完全平衡。其中，当需要平衡的重力距随串联机械臂相关运动构件(例如，连杆)的转动角度的变化而变化时，平衡力矩也会随串联机械臂相关运动构件的转动角度的变化而发生同样变化，从而保证串联机械臂在相关运动构件转动任意角度时均能实现重力完全平衡。除此之外，本说明书实施例提供的串联机械臂通过使弹簧处于伸长状态来实现重力完全平衡，结构简单、紧凑，弹簧重量较轻，不会增加过多的惯性力而影响到串联机械臂的操作精度和操作舒适性，并且对串联机械臂的运动也不会造成干涉。

本说明书实施例所提供的串联机械臂可以包括机械臂本体和重力平衡组件。其中，机械臂本体包括基座、第一连杆以及连杆组件，基座、第一连杆以及连杆组件通过第一关节、第二关节转动连接，即第一连杆能够相对于基座绕第一关节进行轴向转动，连杆组件能够相对于第一连杆绕第二关节进行转动。重力平衡组件可以包括至少一个平衡机构，至少一个平衡机构能够对第二关节产生至少一个平衡力矩，该至少一个平衡力矩至少可以用于平衡连杆组件的重力对第二关节产生的重力距，以使连杆组件完全平衡。其中，平衡机构中包括弹簧，并且可以使弹簧处于伸长状态以产生弹簧拉力，从而对第二关节产生平衡力矩。除此之外，平衡机构还能使弹簧的伸长量随连杆组件转动角度的变化而改变，使得平衡力矩也能和重力距一样随连杆组件转动角度的变化而发生同样改变，从而使得连杆组件转动任意角度时，均可以处于完全平衡。

在一些实施例中，连杆组件处于完全平衡可以理解为串联机械臂在未受到外力作用下，连杆组件在运动空间的任意姿态下(例如，连杆组件转动任意角度)均能够保持平衡，即连杆组件转动到某一位置时，在外力(例如，连杆组件在转动过程所受到的驱动力)消失的情况下，连杆组件不会因为自身的重力发生转动，使得连杆组件可以保持在当前位置。

需要说明的是，由于第一连杆是相对于基座绕第一关节进行转动的，第一连杆重力作用在基座上，因此第一连杆的重力不需要平衡(即第一连杆的重力对第二关节不会产生重力矩)，当连杆组件的重力被平衡而处于完全平衡时便能实现串联机械臂的重力完全平衡。

在一些实施例中，为了满足串联机械臂不同自由度的设计要求，连杆组件可以包括一个连杆或包括通过第三关节转动连接的两个连杆，例如，当连杆组件包括一个连杆时，串联机械臂具有三自由度，通常在工业机器人系统中有所应用。又例如，当连杆组件包括两个连杆时，串联机械臂具有六自由度，被广泛应用于工业机器人和手术机器人等机器人系统中。

在一些实施例中，针对连杆组件包括一个连杆或包括通过第三关节转动连接的两个连杆的情况，对应地，重力平衡组件中的平衡机构的数量可以为一个或两个。在一些实施例中，当重力平衡组件包括一个平衡机构时，能够产生一个平衡力矩来平衡连杆组件(仅包括第一连杆)的重力对第二关节产生的重力距。当重力平衡组件包括两个平衡机构时，考虑到连杆组件的重力对连杆组件中的第三关节也会产生重力距，重力平衡组件还包括平衡连杆以将第三关节处的重力距转移至第二关节，因此，重力平衡组件中的两个平衡机构能够产生两个平衡力矩来平衡连杆组件(包括两个连杆)的重力以及重力平衡组件中的平衡连杆(例如，下文描述的平衡连杆)对第二关节产生的重力距。

在一些实施例中，连杆组件除了包括连杆以外，还可以包括转动连接于连杆末端的执行机构(例如，焊接机器人中的焊枪、手术机器人的手术器械等)。因此，连杆组件处于完全平衡可以包括连杆组件中的连杆以及执行机构的重力对第二关节产生的重力距被相应的平衡力矩所平衡(或称为抵消)。

下面将结合附图分别对本说明书实施例提供的连杆组件包括两个连杆和仅包括一个连杆的串联机械臂及其平衡原理分别进行详细说明。

图1是根据本说明书一些实施例所示的连杆组件包括两个连杆的串联机械臂的主视图。图2是根据本说明书一些实施例所示连杆组件包括两个连杆的串联机械臂的后视图。图3是图1沿A-A方向的剖视图。

在一些实施例中，结合图1、图2以及图3所示，串联机械臂100包括机械臂本体和重力平衡组件。机械臂本体包括基座1、第一连杆2以及连杆组件3。第一连杆2通过第一关节4与基座1转动连接，使得第一连杆2可以绕第一关节4的转轴方向(例如，图1所示的Z轴方向或平行于Z轴的方向)相对于基座1进行转动。连杆组件3通过第二关节5与第一连杆2转动连接，使得连杆组件3可以绕第二关节5的转轴方向(例如，图1所示的X轴方向或平行于X轴的方向)相对于第一连杆2转动。其中，连杆组件3可以包括通过第三关节31转动连接的第二连杆32和第三连杆33，第三连杆32可以绕第三关节31的转轴方向(例如，图1所示的X轴方向或平行于X轴的方向)相对于第二连杆32转动。需要说明的是，第二关节5和第三关节6的转轴方向均为图1垂直纸面的方向，即图1所示的X轴方向或平行于X轴的方向。

继续参见图1、图2以及图3所示，重力平衡组件可以包括第一平衡连杆6和第二平衡连杆7。其中，第一平衡连杆6、第二平衡连杆7、第二连杆32以及第三连杆33的部分或全部可以转动连接以形成平行四边形结构。

具体地，第二连杆32的一端通过第二关节5与第一连杆2和第一平衡连杆6的一端转动连接；第二连杆32的另一端通过第三关节31与第三连杆33转动连接。第一平衡连杆6的另一端通过与第二平衡连杆7的一端转动连接，第二平衡连杆7的另一端转动连接于第三连杆33上。其中，第二连杆32与第一平衡连杆6绕第二关节5的转动相互独立。

在一些实施例中，第一平衡连杆6的长度可以小于或等于第三连杆33的长度，即第一平衡连杆6的长度与第三连杆33在第二关节5与第二平衡连杆7与第三连杆33的连接点之间的长度(该长度小于或等于第三连杆33的长度)相同，第二平衡连杆7的长度与第二连杆32的长度相同，使得第一平衡连杆6、第二平衡连杆7、第二连杆32以及第三连杆33的部分或全部之间转动连接所形成的结构为平行四边形结构。

通过第一平衡连杆6、第二平衡连杆7、第二连杆32以及第三连杆33的部分或全部之间转动连接所形成平行四边形结构，可以使得第三连杆33绕第三关节31转动的角度可以由第二连杆32绕第二关节5转动的角度和第一平衡连杆6绕第二关节5转动的角度共同决定，即在第二连杆32绕第二关节5转动的角度和第一平衡连杆6绕第二关节5转动的角度确定的情况下，第三连杆33绕第三关节31转动的角度也能随之被确定，进而当第二关节5处的重力矩(即第一平衡连杆6、第二平衡连杆7、第二连杆32以及第三连杆33对第二关节产生的重力距)被平衡(或称为抵消)时，第三关节31处的重力距(即第一平衡连杆6、第二平衡连杆7、第二连杆32以及第三连杆33对第二关节产生的重力距)也处于平衡状态。也即是说第三关节处的重力距通过平行四边形结构转移到了第二关节5。因此，要想实现串联机械臂100的重力完全平衡，则需要对对第二关节5处的重力距进行平衡。

除此之外，通过平行四边形结构可以不用在第三关节31处设置驱动机构(例如，电机)以驱动第三连杆33的转动，而仅需在第二关节5处设置驱动机构来驱动第二连杆32和第一平衡连杆6的转动，通过平行四边形结构使第二连杆32和第一平衡连杆6的转动来带动第三连杆33绕第三关节31转动，这样可以使得串联机械臂100的结构更紧凑，在一定程度上能够解决串联机械臂100的驱动机构布线复杂的问题。

在一些实施例中，也可以通过平行四边形结构使第二连杆32和第三连杆33的转动来带动第一平衡连杆6绕第二关节5转动，即第三关节31处设置有驱动第三连杆33转动的驱动机构，第二关节5处设置有仅驱动第二连杆32转动的驱动机构，此时第一平衡连杆6绕第二关节5转动的角度可以由第三连杆33绕第三关节31转动的角度和第二连杆32绕第二关节5转动的角度共同确定。

在一些实施例中，也可以通过平行四边形结构使第三连杆33和第一平衡连杆6的转动来带动第二连杆32绕第二关节5转动，即第三关节31处设置有驱动第三连杆33转动的驱动机构，第二关节5处设置有仅驱动第一平衡连杆6转动的驱动机构，此时第二连杆32绕第二关节5转动的角度可以由第三连杆33绕第三关节31转动的角度和第一平衡连杆6绕第二关节5转动的角度共同确定。

为了对第二关节5处的重力距进行平衡，以实现串联机械臂100的完全平衡，如图2所示，重力平衡组件可以包括第一平衡机构8和第二平衡机构9。第一平衡机构8和第二平衡机构9能够分别对第二关节5产生第一平衡力矩和第二平衡力矩，第一平衡力矩和第二平衡力矩可以共同用于平衡第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7对第二关节5产生的重力距，以此实现串联机械臂100的重力完全平衡。具体地，第一平衡力矩和第二平衡力矩的矢量和与第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7对第二关节5产生的重力距的矢量和大小相等、方向相反，以此平衡(或称为抵消)第二关节5处的重力距。

由于第一平衡力矩和第二平衡力矩的矢量和与第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7对第二关节5产生的重力距会随第二连杆32和第一平衡连杆6绕第二关节转动的角度的改变而发生变化，为了保证串联机械臂100在其运动空间内的任意姿态下均能实现重力完全平衡，即第二连杆32和第一平衡连杆6绕第二关节5转动任意角度时，第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7均处于完全平衡，第一平衡力矩至少与第一平衡连杆6绕第二关节5转动的角度相关，第二平衡力矩至少与第二连杆绕第二关节5转动的角度相关，使得第一平衡力矩和第二平衡力矩也能够随第二连杆32和第一平衡连杆6绕第二关节转动的角度的改变而变化，使得第一平衡力矩和第二平衡力矩的矢量和始终与第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7对第二关节5产生的重力距的矢量和大小相等、方向相反。关于第一平衡力矩、第二平衡力矩与第二关节5处的重力矩之间的具体关系，以及第一平衡力矩、第二平衡力矩以及第二关节5处的重力矩与第二连杆32和第一平衡连杆6绕第二关节5转动的角度的具体关系，可以在本说明书其他地方(例如，图6和图7及其相关描述)找到。

在一些实施例中，为了使第二连杆32与第一平衡连杆6绕第二关节5的转动相互独立，参见图3所示，第二关节5可以包括相对设置的第一转动半轴51和第二转动半轴52。其中，第二连杆32的一端与第一转动半轴51固定连接，第一平衡连杆6的一端与第二转动半轴固定连接。通过将第一转动半轴51和第二转动半轴52设置在其轴向方向存在一定间隙或者使第一转动半轴51和第二转动半轴52之间存在相对转动，可以使得第二连杆32绕第二关节5的转动与第一平衡连杆6绕第二关节5的转动互不影响。

下面将对第一平衡机构和第二平衡机构分别是如何产生第一平衡力矩和第二平衡力矩进行详细说明。

参见图1所示，第一平衡机构8可以包括第一平衡弹簧81、第一平衡绳82、第一导向机构83和第二导向机构84。其中，第一平衡弹簧81的一端固定连接在第一连杆2上，且位于与第一转动半轴51相同的一侧(图3中的左侧)，第一平衡弹簧81的另一端与第一平衡绳82的一端固定连接。第一导向机构83设置在第一连杆2上以将第一平衡绳82的另一端引导至第二导向机构84，第二导向机构84设置在第一平衡连杆6上以将第一平衡绳82的另一端引导至第一转动半轴51，第一平衡绳82的另一端与第一转动半轴51连接。

在一些实施例中，第一平衡绳82的另一端可以直接固定连接于第一转动半轴51上。在一些实施例中，参见图1所示，第一平衡机构8还可以包括第一平衡绳固定收紧机构85。

图4是图1中第一平衡力矩产生的区域的局部放大图。

如图4所示，第一平衡绳固定收紧机构85可以包括第一收紧轮851和第一收紧压块852。其中，第一收紧轮851可以用于收紧第一平衡绳82，第一收紧压块852可以将第一平衡绳82的另一端固定在第一收紧轮851上，第一收紧轮851和第一收紧压块852均固定在第一转动转轴51上，从而实现对第一平衡绳82的另一端的固定收紧。

通过上述设置，第一平衡弹簧81可以在第一平衡绳82的牵引下处于伸长状态以产生第一弹簧拉力，第一弹簧拉力能够对第二关节5产生第一平衡力矩。具体地，位于第一导向机构83和第二导向机构84之间的第一平衡绳82的部分所受到第一弹簧拉力能够对第二关节5产生第一平衡力矩。其中，第一平衡弹簧81的伸长量与第一导向机构82和第二导向机构83之间的距离(或第一平衡绳82在第一导向机构82和第二导向机构83之间的长度)相同。

参见图2所示，第二平衡机构9可以包括第二平衡弹簧91、第二平衡绳92、第三导向机构93、第四导向机构94。其中，第二平衡弹簧91的一端固定连接在第一连杆2上，且位于与第二转动半轴52相同的一侧(图3中的右侧)，第二平衡弹簧91的另一端与第二平衡绳92的一端固定连接。第三导向机构93设置在第一连杆2上以将第二平衡绳92的另一端引导至第四导向机构94，第四导向机构94设置在第二连杆32上以将第二平衡绳92的另一端引导连接于第二连杆32。在一些实施例中，第四导向机构94可以将第二平衡绳92的另一端引导连接于第二转动半轴52上。

在一些实施例中，第二平衡绳92的另一端可以直接固定连接于第二连杆32上。图5是图2中第二平衡力矩产生的区域的局部放大图。在一些实施例中，结合图2和图5所示，第二平衡机构9还可以包括第二平衡绳固定收紧机构95。

第二平衡绳固定收紧机构95可以用于将第二平衡绳92的另一端固定收紧于第二连杆32上。在一些实施例中，第二平衡绳固定收紧机构95可以与第一平衡绳固定收紧机构85具有相似结构，关于第二平衡绳固定收紧机构95的更多描述可以参考上文对第一平衡绳固定收紧机构85的描述。

通过上述设置，第二平衡弹簧91可以在第二平衡绳92的牵引下处于伸长状态以产生第二弹簧拉力，第二弹簧拉力能够对第二关节5产生第二平衡力矩。具体地，位于第三导向机构93和第四导向机构94之间的第二平衡绳92的部分会受到第二弹簧拉力而对第二关节5产生第而平衡力矩。其中，第二平衡弹簧91的伸长量与第三导向机构93和第四导向机构94之间的距离(或第二平衡绳92在第三导向机构93和第四导向机构94之间的长度)相同。

在一些实施例中，第一导向机构83、第二导向机构84以及第三导向机构93、第四导向机构94至少可以包括可转动地导向轮，第一平衡绳82和第二平衡绳92可以绕设在相应导向机构的导向轮上，以将其另一端引导至对应位置。

在一些实施例中，第一平衡弹簧81和/或第二平衡弹簧91的弹簧常数可以根据第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7的相关参数(例如，重力、长度等)以及第一导向机构8、第二导向机构84和/或第三导向机构93、第二导向机构94与第二关节5之间的距离中的一个或多个来选择。关于第一平衡弹簧81和/或第二平衡弹簧91的弹簧常数与第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7的相关参数(例如，重力、长度等)以及第一导向机构83、第二导向机构84和/或第三导向机构93、第二导向机构94与第二关节5之间的距离的具体关系可以在本说明书其他地方(例如，图6和图7及其相关描述)找到。

下面将结合串联机械臂100的受力示意图对其平衡原理进行详细说明。

图6是图1所示的第二连杆和第一平衡连杆绕第二关节转动一定角度时的受力示意图。图7是图2所示的第二连杆和第一平衡连杆绕第二关节转动一定角度时的受力示意图。

如图6或图7所示，设第二连杆32绕第二关节5转动的角度为θ₁，第一平衡连杆6绕第二关节5转动的角度为θ₂；第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7的重力分别为G₁、G₂、G₃、G₄；第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7的质心分别为O₁、O₂、O₃、O₄；第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7的重力分别对第二关节5产生的重力距为T₁、T₂、T₃、T₄；A、B、C、D分别为第二关节5、第三关节31、第一平衡连杆6与第二平衡连杆7之间的连接点、第二平衡连杆7与第三连杆33之间的连接点所在的位置。

因此，串联机械臂100需要平衡的重力矩T为：

T＝T₁+T₂+T₃+T₄ (1)

经计算可得，T₁、F₂、T₃、T₄分别为：

其中，

为第二关节5与第二连杆32的质心之间的距离；L_AB为第二关节5与第三关节31之间的距离(即第二连杆32的长度)；

为第三关节31与第三连杆33的质心之间的距离；

为第二关节5与第一平衡连杆6的质心之间的距离；

为第一平衡连杆6与第二平衡连杆7之间的连接点到第二平衡连杆7的质心之间的距离，L_AC为第二关节5与第一平衡连杆6与第二平衡连杆7之间的连接点之间的距离(即第一平衡连杆6的长度)。

将式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(1)中可得：

将式(6)合并同类项可得：

根据式(7)，可以将串联机械臂100的需要平衡的重力矩T分为第一重力距T_a和第二重力距T_b：

进一步地，第一平衡机构8对第二关节5产生的第一平衡力矩可以用于平衡第一重力距T_a，即第一平衡力矩与第一重力距T_a大小相等、方向相反；第二平衡机构9对第二关节5产生的第二平衡力矩则可以用于平衡第二重力距T_b，即第二平衡力矩与第二重力距T_b大小相等、方向相反。

在一些实施例中，参见图6所示，设第一平衡弹簧81的弹簧常数为K₁，伸长量为Δx₁，第一平衡弹簧81在第一平衡绳82的牵引下所产生的第一弹簧拉力为F₁，第一弹簧拉力F₁相对于第二关节5的力臂长度为h₁，第一导向机构83和第二导向机构84所在的位置分别为E、F。

第一弹簧拉力F₁对第二关节5产生的第一平衡力矩T_c如下：

T_c＝F₁×h₁ (10)

其中，F₁＝K₁×Δx₁。

根据A、E、F三点组成的三角形面积S_ΔAEF相等，可以得出：

其中，L_AE为第二关节5与第一导向机构83之间的距离；L_AF为第二关节5与第二导向机构84之间的距离，L_EF为第一导向机构83与第二导向机构84之间的距离；并且L_EF＝Δx₁。

从式(11)可以得出：

因此，第一平衡力矩T_c为：

从式(8)和式(13)可以看出，第一平衡力矩T_c与第一重力距T_a均与cosθ₂相关，通过使T_c＝T_a，即可实现第一平衡力矩T_c对第一重力距T_a的平衡。进而可以得出：

根据式(14)可知，当串联机械臂100设计好时，G₂、

G₃、

G₄、L_AC均为常数，因此可以根据G₂、

G₃、

G₄、L_AC合理设置第一导向机构83、第二导向机构84的位置E、F以及选择合适的第一平衡弹簧81的弹簧常数K₁。

在一些实施例中，当第一导向机构83、第二导向机构84的位置E、F确定好后，便可以根据式(14)来选择合适的弹簧作为第一平衡弹簧81，即第一平衡弹簧81的弹簧常数

在一些实施例中，从式(13)可知，当第一平衡力矩T_c与第一重力距T_a大小存在偏差时，可以通过调节第一导向机构83和/或第二导向机构84的位置来调整第一平衡力矩T_c的大小，使得第一平衡力矩T_c与第一重力距T_a的大小完全相等，保证第一平衡力矩T_c能够完全平衡第一重力距T_a。

进一步地，可以使第一导向机构83在第一连杆2上的位置E和/或第二导向机构84在所述第一平衡连杆6上的位置F可调。在一些实施例中，可以使第一导向机构83在第一连杆2上的位置E可调，第二导向机构84在所述第一平衡连杆6上的位置F不可调。在一些实施例中，可以使第一导向机构83在第一连杆2上的位置E不可调，第二导向机构84在所述第一平衡连杆6上的位置F可调。在一些实施例中，可以使第一导向机构83在第一连杆2上的位置E和第二导向机构84在所述第一平衡连杆6上的位置F均可调。

仅作为示例，如图5所示，第一导向机构83在第一连杆2上的位置E可调，第二导向机构84在所述第一平衡连杆6上的位置F不可调。具体地，第一导向机构83可以包括第一导向轮831和第一支架832，第一支架832与第一连杆2固定连接，第一导向轮831与第一支架转动连接。第二导向机构84可以包括第二导向轮841、第二滑块842，第二导向轮841与第二滑块842转动连接，第二滑块842与所述第一平衡连杆6滑动连接。

在一些实施例中，第一平衡连杆6上设置有第一固定块61和螺栓62，螺栓62与第一固定块61螺纹装配在一起，并且螺栓62的一端与第一滑块842固定连接，通过拧紧或拧松螺栓62便能够实现第二导向机构84在第一平衡连杆6上的位置调节。

在一些实施例中，参见图7所示，设第二平衡弹簧91的弹簧常数为K₂，伸长量为Δx₂，第二平衡弹簧91在第二平衡绳92的牵引下所产生的第二弹簧拉力为F₂，第二弹簧拉力F₂相对于第二关节5的力臂长度为h₂，第三导向机构93和第四导向机构94所在的位置分别为G、H。

第二弹簧拉力F₂对第二关节5产生的第二平衡力矩T_d如下：

T_d＝F₂×h₂ (15)

其中，F₂＝K₂×Δx₂。

根据A、G、H三点组成的三角形面积S_ΔAGH相等，可以得出：

其中，L_AG为第二关节5与第三导向机构93之间的距离；L_AH为第二关节5与第四导向机构94之间的距离，L_GH为第三导向机构93和第四导向机构94之间的距离；并且L_GH＝Δx₂。

从式(16)可以得出：

因此，第二平衡力矩T_d为：

从式(9)和式(18)可以看出，第二平衡力矩T_d与第二重力距T_b均与sinθ₁相关，由T_d＝T_b，即可实现第二平衡力矩T_d与第二重力距T_b的平衡。进而可以得出：

根据式(19)可知，当串联机械臂100设计好时，G₁、

G₂、L_AB、G₄、

均为常数，因此可以根据G₁、

G₂、L_AB、G₄、

合理设置第三导向机构93、第四导向机构94的位置G、H以及选择第二平衡弹簧91的弹簧常数K₂。

在一些实施例中，当第三导向机构93、第四导向机构94的位置G、H确定好后，便可以根据式(19)来选择合适的弹簧作为第二平衡弹簧91，即第二平衡弹簧91的弹簧常数

在一些实施例中，从式(18)可知，当第二平衡力矩T_d与第二重力距T_b大小存在偏差时，可以通过调节第三导向机构93和/或第四导向机构94的位置来调整第二平衡力矩T_d的大小，使得第二平衡力矩T_d与第二重力距T_b的大小完全相等，保证第二平衡力矩T_d能够完全平衡第二重力距T_b。

进一步地，可以使第三导向机构93在第一连杆2上的位置G和/或第四导向机构94在第二连杆32上的位置H可调。关于如何使第三导向机构93在第一连杆2上的位置G和/或第四导向机构94在第二连杆32上的位置H可调，可以参考第一导向机构83在第一连杆2上的位置E和/或第二导向机构84在所述第一平衡连杆6上的位置F可调的相关描述，在此不再赘述。

在一些实施例中，为了保证第一弹簧拉力和第二弹簧拉力能够分别对第二关节5产生的第一平衡力矩和第二平衡力矩，第二连杆32绕第二关节5转动的角度θ₁的取值范围可以为

第一平衡连杆6绕第二关节5转动的角度为θ₂的取值范围可以为

其中，逆时针转动为正，顺时针转动为负。通过限制第二连杆32和第一平衡连杆6在相应角度范围内转动，可以保证第一弹簧拉力和第二弹簧拉力相对于第二关节5的力臂始终存在，使得第一弹簧拉力和第二弹簧拉力始终能够分别对第二关节5产生第一平衡力矩和第二平衡力矩，同时第一平衡力矩和第二平衡力矩的方向始终不变，即始终与第二关节5处的重力距方向相反。

图8是根据本说明书一些实施例所示的连杆组件仅包括一个连杆的串联机械臂的结构示意图。如图8所示，在串联机械臂200中，连杆组件3仅包括第二连杆32，第二连杆32通过第二关节5与第一连杆2转动连接。重力平衡组件可以仅包括一个平衡机构10，平衡机构10能够对第二关节产生一个平衡力矩，该平衡力矩可以用于平衡第二连杆32对第二关节5产生的重力矩，以使第二连杆32处于完全平衡，进而实现串联机械臂的重力完全平衡。

在一些实施例中，平衡机构10可以包括平衡机构包括平衡弹簧11、平衡绳12、第一导向机构13、第二导向机构14。其中，平衡弹簧11的一端固定连接在第一连杆2上，平衡弹簧11的另一端与平衡绳12的一端固定连接，第一导向机构13设置在第一连杆2上用于将平衡绳12的另一端引导至第二导向机构14，第二导向机构14设置在第二连杆32上用于将平衡绳12的另一端引导连接于第二连杆32或第二关节5。关于第一导向机构13和第二导向机构14的更多描述可以参考第一导向机构83和第二导向机构84的相关描述。

在一些实施例中，平衡绳12的另一端可以直接与第二连杆32或第二关节5固定连接，也可以通过固定收紧机构固定收紧于第二连杆32或第二关节5上以实现连接。关于固定收紧机构的更多描述可以参考第一固定收紧机构85的相关描述。

通过上述设置，平衡弹簧11可以在平衡绳12的牵引下处于伸长状态以产生弹簧拉力，弹簧拉力能够对第二关节5产生平衡力矩。具体地，位于第一导向机构13和第二导向机构14之间的平衡绳12的部分所受到弹簧拉力能够对第二关节5产生平衡力矩。其中，平衡弹簧81的伸长量与第一导向机构13和第二导向机构14之间的距离(即平衡绳82在第一导向机构13和第二导向机构14之间的长度)相同。

下面将结合串联机械臂200的受力示意图对其平衡原理进行详细说明。

图9是图8所示的第二连杆绕第二关节转动一定角度时的受力示意图。

设第二连杆32绕第二关节5转动的角度为θ₁；第二连杆32的重力为G₁；第二连杆32的质心为O₁；第二连杆32、第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7的重力分别对第二关节5产生的重力距为T₁、T₂、T₃、T₄；A、B、C分别为第二关节5、第一导向机构13、第二导向机构所在的位置。

如图9所示，串联机械臂200需要平衡的重力距为第二连杆32的重力对第二关节5产生的重力距，即与式(2)具有相同的表达形式，因此，串联机械臂200需要平衡的重力距T₁为：

由于图8所示的串联机械臂200可以相当于图2中的串联机械臂100缺少了第三连杆33、第一平衡连杆6、第二平衡连杆7，因此，平衡机构10可以相当于串联机械臂100第二平衡机构9，即平衡机构10对第二关节5产生的平衡力矩与式(18)具有相同的表达形式。因此，平衡机构10对第二关节5产生的平衡力矩T₂为：

T₂＝K×L_AB×L_AC×sinθ₁ (21)

由平衡机构10对第二关节5产生的平衡力矩T₂与串联机械臂200需要平衡的重力距T₁大小相等可以得出，平衡弹簧11的弹性常数

即在串联机械臂200的机械臂本体已经设计好的情况下，以及第一导向机构13和第二导向机构14的位置确定后，可以根据弹性常数

选择合适的弹簧作为平衡弹簧11。

由于平衡机构10可以相当于第二平衡机构9，关于平衡机构10的更多描述可以参考第二平衡机构9的相关描述，在此不再赘述。

需要说明的是，在串联机械臂100或200中，考虑到连杆组件3还可能包括执行机构，因此，在设计串联机械臂100或200中，例如根据弹簧常数选择平衡弹簧时，串联机械臂100中的第三连杆33的重力或串联机械臂200中的第二连杆32除了包括自身重力以外，还应包括执行机构的重力。

本说明书实施例可能带来的有益效果包括但不限于：(1)本说明书实施例提供的串联机械臂通过在机械臂本体上设置重力平衡组件来实现重力完全平衡，重力平衡组件通过弹簧来产生平衡力矩，结构简单、且重量较轻，不会增加较多的惯性力，几乎不会影响串联机械臂的灵巧性、操作精度，能够保证操作者具有较好的操作体验；(2)本说明书实施例中的重力平衡组件中的平衡机构能够产生第一平衡力矩和第二平衡力矩来分别平衡串联机械臂中需要平衡的第一重力矩和第二重力距，实现了串联机械臂需要平衡的重力矩对转动角度的非线性关系的解耦，使得串联机械臂在其运动空间内的任意姿态下均能实现重力完全平衡；(3)通过第二连杆、第三连杆、第一平衡连杆、第二平衡连杆转动连接形成平行四边形结构，可以将串联机械臂的需要平衡的重力距集中于第二关节处，并且使得串联机械臂的驱动结构的设置位置较为灵活，从而可以使串联机械臂的结构更为紧凑；(4)本说明书实施例中的重力完全平衡的原理不仅可以应用于串联机械臂不仅可以是三自由度机械臂(即连杆组件包括一个连杆)，也可以应用于六自由度机械臂(即连杆组件包括两个连杆)。

需要说明的是，不同实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种的组合，也可以是其他任何可能获得的有益效果。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。

同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本说明书一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

针对本说明书引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本说明书中的)也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。

最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (15)

1.一种串联机械臂，其特征在于，包括：机械臂本体和重力平衡组件；

所述机械臂本体包括基座、第一连杆以及连杆组件；所述基座、所述第一连杆以及所述连杆组件依次通过第一关节、第二关节转动连接；

所述重力平衡组件包括至少一个平衡机构，所述至少一个平衡机构能够对所述第二关节产生至少一个平衡力矩；所述至少一个平衡力矩至少用于平衡所述连杆组件的重力对所述第二关节产生的重力矩，以使所述连杆组件处于完全平衡。

2.根据权利要求1所述的串联机械臂，其特征在于，所述连杆组件包括通过第三关节转动连接的第二连杆和第三连杆；所述重力平衡组件还包括第一平衡连杆和第二平衡连杆；所述第一平衡连杆、所述第二平衡连杆、所述第二连杆以及所述第三连杆的部分之间转动连接以形成平行四边形结构；其中，

所述第二连杆的一端通过所述第二关节与所述第一连杆和第一平衡连杆的一端转动连接，另一端通过所述第三关节与所述第三连杆转动连接；所述第一平衡连杆的一端通过所述第二关节与所述第二连杆转动连接，所述第一平衡连杆的另一端与所述第二平衡连杆的一端转动连接，所述第二平衡连杆的另一端转动连接于所述第三连杆上；

通过所述平行四边形结构能够使所述第三连杆绕所述第三关节转动的角度由所述第二连杆绕所述第二关节转动的角度和所述第一平衡连杆绕所述第二关节转动的角度共同确定。

3.根据权利要求2所述的串联机械臂，其特征在于，所述重力平衡组件包括第一平衡机构和第二平衡机构；

所述第一平衡机构和所述第二平衡机构能够分别对所述第二关节产生第一平衡力矩和第二平衡力矩，所述第一平衡力矩与所述第二平衡力矩用于平衡所述第二连杆、所述第三连杆、所述第一平衡连杆以及所述第二平衡连杆的重力对所述第二关节产生的重力矩；其中

所述第一平衡力矩至少与所述第一平衡连杆绕所述第二关节转动的角度相关，所述第二平衡力矩至少与所述第二连杆绕所述第二关节转动的角度相关。

4.根据权利要求3所述的串联机械臂，其特征在于，所述第二关节包括相对设置的第一转动半轴和第二转动半轴；所述第二连杆的一端与所述第一转动半轴固定连接；所述第一平衡连杆的一端与所述第二转动半轴固定连接。

5.根据权利要求2～4任一项所述的串联机械臂，其特征在于，所述第一平衡机构包括第一平衡弹簧、第一平衡绳、第一导向机构、第二导向机构；

所述第一平衡弹簧的一端固定连接在所述第一连杆上，所述第一平衡弹簧的另一端与所述第一平衡绳的一端固定连接；所述第一导向机构设置在所述第一连杆上以将所述第一平衡绳的另一端引导至所述第二导向机构，所述第二导向机构设置在所述第一平衡连杆上以将所述第一平衡绳的另一端引导连接于所述第一转动半轴；

所述第一平衡弹簧在所述第一平衡绳的牵引下处于伸长状态并产生第一弹簧拉力，所述第一弹簧拉力能够对所述第二关节产生所述第一平衡力矩；其中，

所述第一平衡弹簧的伸长量与所述第一导向机构和所述第二导向机构之间的距离相同。

6.根据权利要求5所述的串联机械臂，其特征在于，所述第一平衡机构还包括第一平衡绳固定收紧机构，所述第一平衡绳固定收紧机构用于所述第一平衡绳的另一端固定收紧在所述第一转动半轴上。

7.根据权利要求5所述的串联机械臂，其特征在于，所述第一导向机构在所述第一连杆上的位置和/或所述第二导向机构在所述第一平衡连杆上的位置可调。

8.根据权利要求2～4任一项所述的串联机械臂，其特征在于，所述第二平衡机构包括第二平衡弹簧、第二平衡绳、第三导向机构、第四导向机构；所述第二平衡弹簧的一端固定连接在所述第二连杆上，所述第二平衡弹簧的另一端与所述第二平衡绳的一端固定连接，所述第三导向机构设置在所述第一连杆上用于将所述第二平衡绳的另一端引导至第四导向机构，所述第四导向机构设置在所述第二连杆上用于将所述第二平衡绳的另一端引导连接于所述第二连杆或所述第二转动半轴上，

所述第二平衡弹簧在所述第二平衡绳的牵引下处于伸长状态并产生第二弹簧拉力，所述第二弹簧拉力能够对所述第二关节产生所述第二平衡力矩；其中

所述第二平衡弹簧的伸长量与所述第三导向机构和所述第二四导向机构之间的距离相同。

9.根据权利要求8所述的串联机械臂，其特征在于，所述第二平衡机构还包括第二平衡绳固定收紧机构，所述第二平衡绳固定收紧机构用于所述第二平衡绳的另一端固定收紧在所述第二连杆或所述第二转动半轴上。

10.根据权利要求8所述的串联机械臂，其特征在于，所述第三导向机构在所述第一连杆上的位置和/或所述第四导向机构在所述第二连杆上的位置可调。

11.根据权利要求5所述的串联机械臂，其特征在于，所述第一平衡弹簧的弹簧常数

其中，

K₁为所述第一平衡弹簧的弹簧常数，G₂为所述第三连杆的重力，

为所述第三关节与所述第三连杆的质心之间的距离，G₃为所述第一平衡连杆的重力，

为所述第二关节与所述第一平衡连杆的质心之间的距离，G₄为所述第二平衡连杆的重力，L_AC为所述第一平衡连杆的长度，L_AE为所述第一导向机构与所述第二关节之间的距离，L_AF为所述第二导向机构与所述第二关节之间的距离。

12.根据权利要求8所述的串联机械臂，其特征在于，所述第二平衡弹簧的弹簧常数

其中，

K₂为所述第一平衡弹簧的弹簧常数，G₁为所述第二连杆的重力，

为所述第二关节与所述第二连杆的质心之间的距离，G₂为所述第三连杆的重力，L_AB为所述第二连杆的长度，G₄为所述第二平衡连杆的重力，

为所述第一平衡连杆与所述第二平衡连杆之间的连接点与所述第二平衡连杆的质心之间的距离，L_AG为所述第三导向机构与所述第二关节之间的距离，L_AH为所述第四导向机构与所述第二关节之间的距离。

13.根据权利要求1所述的串联机械臂，其特征在于，所述连杆组件包括第二连杆，所述第二连杆通过所述第二关节与所述第一连杆转动连接；

所述重力平衡组件包括一个平衡机构，所述平衡机构能够对所述第二关节产生平衡力矩，所述平衡力矩用于平衡所述第二连杆的重力对于所述第二关节产生的重力矩。

14.根据权利要求13所述的串联机械臂，其特征在于，所述平衡机构包括平衡弹簧、平衡绳、第一导向机构、第二导向机构；所述平衡弹簧的一端固定连接在所述第一连杆上，所述平衡弹簧的另一端与所述平衡绳的一端固定连接，所述第一导向机构设置在所述第一连杆上用于将所述平衡绳的另一端引导至所述第二导向机构，所述第二导向机构设置在所述第二连杆上用于将所述平衡绳的另一端引导连接于所述第二连杆；

所述平衡弹簧在所述平衡绳的牵引下处于伸长状态并产生弹簧拉力，所述弹簧拉力能够对所述第二关节产生所述平衡力矩；其中，

所述平衡弹簧的伸长量与所述第一导向机构和所述第二导向机构之间的距离相同。

15.根据权利要求14所述的串联机械臂，其特征在于，所述平衡弹簧的弹簧常数

其中，

K为所述平衡弹簧的弹簧常数，G₁为所述第二连杆的重力，

为所述第二关节与所述第二连杆的重心之间的距离，L_AB为所述第一导向机构与所述第二关节之间的距离，L_AC为所述第二导向机构与所述第二关节之间的距离。

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