專利名稱：具有擺線表面的器械腕部的制作方法
技術領域：
背景技術：
用于微創手術程序的醫療器械通常采用遠距離啟動的機械腕部或關節。在一些配置中，腕部機構可以是位于該器械的主要導管的遠端處的工具(如鉗、解剖刀、剪刀或燒灼工具)的一部分或可以操縱該工具。腱通常附連到該腕部機構中的機械構件或圓盤上并且延伸穿過該主要導管而到達該主要導管近端處的驅動系統。授予Cooper等人標題為“具有可主動定位的腱致動的多圓盤式腕部關節的手術工具(Surgical tool having PositivelyPositionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint)”的美國專利US. 6，817，974描述了一些已知的腕部機構，其包含多個圓盤以及腱控制的腕部關節。當機構中的兩個構件具有根據一種固定關系或齒輪比而改變的相對角度取向時，在一個關節處發生該腕部機構中的齒輪式移動。例如，圖IA示出腕部關節100的側視圖，該腕部關節具有構件110和120，這些構件具有圓形的并且曲率半徑相同的載荷表面112和122。當圓形表面112和122在彼此上滾動而不滑動時，產生了 I: I齒輪比的齒輪式運動。為了防止滑動，構件110上的銷或齒114可以嚙合構件120中開口 124的壁，并且防止構件110和120在驅動系統(未示出)拉動腱130并且松開相反的腱132時相對于彼此滑動(如圖IB中所示)。齒114被優選地設計形狀、定位和設計尺寸，從而使得齒114在構件110和120的全轉動范圍上保持與開口 124耦合。齒輪式運動是希望的，因為構件110和120的移動可以在計算機或確定如何操縱腱130和132來實現關節100的期望運動的其他處理系統中進行建模和預測。圓形載荷表面112和122保持了限定表面112和122的圓的中心之間的間隔，這是希望的，因為產生的移動被容易地建模并且因為腱130和132的對稱附連導致腱130或132被拉動的長度與另一個腱132或130被松開的長度相等。因此可以簡化操縱 腱130和132的驅動系統的機械學。一般已知齒輪使用多種表面形狀來允許齒輪的齒相嚙合而不受約束。例如，擺線齒輪是具有遵循擺線曲線的接觸面的齒的齒輪。圖2示出了一對擺線齒輪210和220，它們被設置在相應的軸212和222上，這些軸具有為了使齒輪210和220的齒正確嚙合所需要的間隔。具體而言，當驅動齒輪210順時針轉動時，齒輪210的表面214接觸齒輪220的表面224。表面214和224的形狀被設計為當齒輪221和220轉動時抵靠彼此滾動，例如表面214可以是平的而表面224遵循擺線曲線。然后表面216和226相接觸，并且齒輪210和220轉動，直到齒輪210的下一個齒218與齒輪220的下一個齒228相接觸。擺線齒輪如齒輪210和220的恰當嚙合對于軸212與222之間的間距是敏感的，這可能是現今在齒輪中更常使用漸開線曲面(involute surface)的主要原因。如圖2中圖示的齒輪與諸如圖IA和IB中圖示的齒輪式腕部關節的不同之處在于軸212和222固定齒輪210和220的間距，從而使得這些齒輪的接觸面不承載顯著的壓縮力。相比之下，圖IA和IB的腕部關節100在位于醫療器械中時通常需要承載壓縮力(例如，由于腱130和132的張緊)，這些壓縮力趨向于使構件110和120的凸形載荷表面112和122變平。由于含腕部關節(諸如腕部關節100)的醫療器械通常具有較小的直徑，例如構件110或120的總直徑典型地約為3至10mm，并且可能遇到約一百磅的壓縮力，因此載荷表面112和122的變形是重要問題。此外，對于腱引導件或諸如攝像機纜線或可以延伸穿過器械的其他系統的裝置的一個或更多個中心內腔而言，可能需要腕部關節的大部分截面積。這些機械結構的小的可用空間可能使得制造具有適當強度和精確度的腕部關節100有挑戰性。具體而言，齒114的相對小的尺寸可能導致在腕部的極限運動下齒114與開口124脫離接合，特別是當腕部100支撐一個使表面112和122變形的負荷時。
發明內容
根據本發明的一方面，一種腕部機構包括多個構件，這些構件具有承載施加到腕部機構的負荷的擺線表面。相應構件上的一對擺線形/擺線接觸面可以布置成在構件的參照點之間維持恒定間隔，并且多對擺線接觸面可以布置成確保這些構件的齒輪式運動。可替代地，在這些構件上可以包括齒輪齒，以確保齒輪式運動并提高腕部對外部施加的滾動扭矩的抵抗力。此外，每個載荷接觸面可以包括凹形的內擺線表面/內擺線形表面，并且凹形的載荷表面可以提高該腕部關節在沒有不可接受的變形的情況下承載壓縮力的能力或 者可替代地允許使用可能不適合用于給定大小和載荷能力的腕部的(多種)材料。根據本發明的具體實施例，一種器械腕部包括具有第一擺線表面的第一構件，以及具有與該第一擺線表面接觸的第二擺線表面的第二構件。通過該第一和第二構件上的擺線表面的接觸產生這些構件上的壓縮力。這些構件可以被布置為響應于由腱施加到這些構件中一個構件上的力而進行齒輪式運動。
圖IA和IB示出一種已知腕部關節的側視圖，該腕部關節使用銷釘和開口來約束接觸的構件進行齒輪式運動。圖2示出一對擺線齒輪。圖3圖示外擺線和內擺線，它們在齒輪式運動過程中在其相應的中心之間維持固定的間隔。圖4示出根據本發明實施例的腕部關節，該腕部關節使用階梯形/級形擺線表面來承載負荷并且約束該腕部關節進行運動。圖5A和5B示出在根據本發明實施例的一種腕部關節中使用的相應的機械構件，該腕部關節使用混合的擺線表面來承載負荷并且約束移動。圖6A示出鞍形的腕部構件，該腕部構件允許對擺線表面進行定位以提供交叉的傾斜軸線和緊湊的腕部結構。圖6B示出一種多關節的腕部機構，該腕部機構使用圖6A中圖示的鞍形的腕部構件。圖7示出一種兩件式腕部關節，該腕部關節使用擺線表面以在緊湊結構中提供俯仰和偏轉運動。圖8是根據本發明實施例的腕部機構的分解視圖，該腕部機構包含具有擺線載荷表面的多個關節和構件以及用于確保齒輪式運動的齒輪結構。
圖9A、9B、9C和9D示出圖8的腕部機構中使用的帶齒末端構件的側視圖、頂視圖和兩個截面圖。圖10A、10B、10C和IOD示出圖8的腕部機構中的帶槽構件的側視圖、頂視圖和兩
個截面圖。圖11A、11B、11C和IlD示出圖8的腕部機構中的帶齒的插入構件(interveningmember)的側視圖、頂視圖和兩個截面圖。圖12示出一種機器人控制系統，該系統在微創醫療器械中包括腕部結構。在不同圖中使用相同的參考符號表示相似或相同的項目。
具體實施例方式根據本發明一方面，腕部機構中的(多個)機械構件使用擺線表面/擺線形表面從而在這些機械構件的齒輪式運動過程中承載壓縮作用。具體而言，腕部關節可以在第一構件上使用外擺線表面/外擺線形表面，該第一構件上的外擺線表面與第二構件上的內擺線表面/內擺線形表面相接觸。通過對這些構件的限定擺線和齒輪的參數的正確選擇，這些擺線表面約束這些構件運動，從而在與這些擺線表面所遵循的擺線曲線中心相對應的參照點之間保持間隔。這些擺線表面還提供了凹形接觸區域，這導致在驅動系統或外部負荷將這些構件推到一起時變形更小。通過使用另外的載荷擺線表面，可以實現該第一和第二構件的齒輪式運動。具體而言，第一構件上的內擺線表面和第二構件上的外擺線表面可以產生接觸區域，該接觸區域用來平衡另一個接觸區域處的力，這樣使得這些接觸區域處的凈力導致齒輪式運動。可替代地，在這些構件上可以使用齒輪結構(諸如齒)，從而確保齒輪式運動并且改進對滾動扭矩的抵抗力。本文使用的“擺線表面/擺線形表面”是指如下表面該表面所具有的擺線的一部分是所述表面與平面的交線。擺線是公知的并且通常可以使用參數方程來定義。更直觀地，擺線對應于在一條線或另一圓上滾動的一個圓上點的路徑。例如，圖3圖示外擺線310，它對應于圍繞半徑為R的圓314外部滾動的一個半徑為r的圓312上點的路徑，其中R>r。內擺線320對應于圍繞半徑為R’的較大圓324內部滾動的一個半徑為r’的圓322上點的路徑，R’ >r’。在所述圓的半徑相同的條件下，即R’ =R并且r’ =r，當擺線310和320以相同的角速度轉動(即，在1:1齒輪比的齒輪式運動中)時，外擺線310的中心315和內擺線320的中心325之間的距離保持恒定。(外擺線和內擺線也可以匹配，以便對于其他齒輪比提供恒定的中心到中心的間隔。)在齒輪式運動過程中，如果擺線310和320上的接觸點位于所述的圓314和324上，則在這些接觸點之間沒有相對速度。然而，這些接觸面通常以不同的速度移動，并且這些表面抵靠彼此摩擦(滑動)。即使這些表面發生摩擦，I I的齒輪運動(對于R=R’ )也確保這兩個所述圓314和324不相對于彼此滑動。在腕部關節中擺線表面和曲線優于常規帶齒齒輪的優勢在于，當施加的力保持這些構件相接觸時，腕部關節中的(多個)構件的接觸面自動維持對于操作而言恰當的定位，正如在腱停止(tendon-stayed)的機器人腕部中的情況。圖4示出包括滾動構件410和420的腕部關節400，滾動構件410和420采用載荷擺線表面。腕部關節400可以用于包括若干相似關節的機械腕部中，并且在示例性實施方案中被結合在可以用于微創醫療程序的醫療器械之中。在腕部關節400中，每個構件410或420都具有基本圓盤形的本體，該本體具有中心孔415或425，該孔限定了可以沿著器械的長度延伸的中心內腔的一部分。每個圓盤410和420可以由針對腕部關節400的特殊用途并且特別針對腕部機構的尺寸和預期的負荷提供足夠的強度和耐久性的任何材料制成。腕部構件410和420可能需要是用于更高負荷應用的金屬如不銹鋼，特別是當腕部直徑小于約5mm時。在更大直徑的腕部機構或更小負荷的條件下可以使用諸如塑料或陶瓷的材 料。如下面進一步說明的，腕部關節400的優點是對壓縮應變的抵抗力，并且這種抵抗力可以允許在具有更小直徑和/或可以使用圓形載荷表面而實現的中心內腔的電絕緣腕部中使用諸如塑料或陶瓷的材料。絕緣的腕部機構在包括帶電的或電啟動的工具或末端執行器的醫療器械中是特別希望的。一般，該腕部可以對于力或任務而縮放(scaled)。圓盤410具有凸起412、414、416和418，這些凸起具有的擺線表面與圓盤420上的凸起422、424、426和428的相應擺線表面相接觸。凸起412、414、416和418沿著圓盤410的直徑定位，其中凸起412和418靠近或延伸至圓盤410的圓周的相對邊緣，并且凸起414和426靠近或延伸至中心孔415的相對邊緣。類似地，凸起422、424、426和428沿著構件420的直徑定位，其中凸起422和428靠近或延伸至圓盤420的圓周的相對邊緣，并且凸起424和426靠近或延伸至穿過圓盤420的中心孔425的相對邊緣。在圖示的實施例中，凸起412、414、416和418包括為外擺線或內擺線表面的中央部分，外擺線或內擺線表面與相接觸的凸起422、424、426和428上的相應內擺線或外擺線表面互補。凸起412、414、416和418上的中央擺線部分遵循相應的擺線的部分，并且這些擺線的中心全都位于一條限定了傾斜軸線的方向的線上。類似地，凸起422、424、426和428上的中央擺線部分遵循相應的擺線的部分，并且這些擺線的中心全都位于一條與該傾斜軸線平行的線上。當圓盤410相對于圓盤420在適當齒輪比的齒輪式運動下發生傾斜時，凸起412、414、416和418的擺線表面保持與凸起422、424、426和428的擺線表面相接觸并且在與這些限定了表面的擺線的中心相對應的參照點或線之間維持固定的間隔。這些凸起的高度提供了用于在構件410和420的本體部分彼此接觸之前發生傾斜的間隙并且防止進一步的運動。圓盤410和420除了具有用于醫療器械的中央內腔的中心孔415和425之外還包括引導孔413和423，這些引導孔用于鉸接關節400的腱451和452以及可以延伸穿過關節400到達該醫療器械的其他部分的腱(未示出)。腱451和452可以是纜線、細絲、管或類似的結構，這些結構足夠柔性而能在器械內根據需要彎曲，并足夠強韌而能施加力到鉸接關節400，從而使構件410相對于構件420傾斜。示出的腱451和452相對于凸起412、414、416和418沿其定位的直徑以相反的力臂附接到構件410。然后驅動系統(未示出)可以拉動(或增大其中的張力)一個腱451或452，從而使構件410相對于構件420在一個方向上傾斜，或者拉動(或增大其中的張力)另一個腱452或451,從而使構件410在相反方向上傾斜。一般，腱451和452具有預加載的張力，這些張力迫使構件410和420到一起，從而使得凸起412、414、416和418保持與相應的凸起422、424、426和428相接觸。在腕部機構400中通過外擺線表面和內擺線表面在多個接觸區域內的布置而維持齒輪式運動。具體而言，凸起412具有中央外擺線部分，該部分與凸起422的匹配的內擺線部分相接觸。當腱451或452被拉動而使構件410傾斜時，凸起412的外擺線表面在凸起422的內擺線表面上滾動。如果凸起412和422是孤立的系統，即，如果凸起414、416、418、424、426和428不存在，則凸起412和422將相對于齒輪式運動進行滑動。然而，在凸起414與424的接觸部分處，該外擺線表面位于構件420上并且與構件410上的內擺線表面接觸。因此，凸起412與422的接觸部分相對于齒輪式運動進行滑動的趨勢被凸起414與424的接觸部分在相反意義上滑動的相反趨勢所抵消。在腕部關節400中，這些凸起的擺線接觸面具有相平衡的滑動趨勢，這共同地在腱451和452鉸接腕部關節400時將構件410和420保持在齒輪式運動中。在中央擺線表面彼此接觸時，圓盤410相對于圓盤420的角運動的范圍取決于限定這些擺線表面的參數。具體而言，在圖3中，外擺線310具有參數R和r，使得R=4r，這產生與四個內擺線波瓣結合的四個外擺線波瓣，并且外擺線310的齒輪式轉動維持了內擺線320與外擺線310的一個波瓣的接觸，這可以提供最多90°的角范圍，即，高達+/-45°。在腕部關節400中，基于具有更多波瓣的擺線的擺線表面是所希望的，這是由于凸起412、414,416和418的尺寸目標或限制以及在每個波瓣具有更小的角范圍時的齒輪式運動過程中接觸面處摩擦的減小。該運動范圍典型地是對腕部機構的設計輸入，并且在所定義的擺線中波瓣的數目和每個波瓣的角范圍可能對于具體用途而言是優化腕部的問題。在一個實施例中，每個波瓣的大小(例如，該中央擺線表面)約為所要求的運動范圍的一半，這提供了 實用的且可生產的結構，并且當每個凸起從一個外擺線或內擺線中央表面平滑地過渡到該中央表面任一側上的兩個內擺線或外擺線表面時，22. 5度的擺線(B卩，在整個外擺線或內擺線中有16個波瓣)很適合±45° ROM (運動范圍)。凸起上的外擺線表面和內擺線表面遵循具有相同中心點和半徑參數R和r的擺線的部分。為了提供互補的表面，凸起422包括中央內擺線表面，該表面平滑地過渡到兩個外擺線表面，其中限定這些表面的所有擺線具有相同的中心點和相同的半徑參數R和r。凸起412、414、416、418、422、424、426和428上的每個擺線表面是這樣的，即使得與腕部關節400的傾斜軸線平行的平面與該擺線表面沿一條直線相交，并且與該傾斜軸線垂直的平面與該擺線表面沿一條擺線曲線或如上所述的一系列擺線曲線相交。使用這種構型，腕部關節400提供了單一的運動自由度，例如圓盤410相對于圓盤420的傾斜角度。對于多關節的腕部機構，與凸起412、414、416和418類似的額外的凸起(未示出)可以被增加到圓盤410的背側并且與相似于圓盤420或與圓盤420相同的圓盤上的多個凸起嚙合。如果增加到圓盤410背面上的這些凸起是沿著與凸起412、414、416和418相同的圓盤410直徑，則該額外的腕部關節可以提供比單個腕部關節400更大的傾斜范圍。可替代地，如果在圓盤410背面上增加的凸起是沿著與凸起412、414、416和418所在的直徑垂直的直徑，則這對關節可以提供兩個運動自由度，例如，俯仰和偏轉。腕部關節400以外擺線表面接觸內擺線表面的方式工作，從而使得載荷表面中的至少一個(即，內擺線表面)是凹形的。這是所希望的，因為這些表面還支撐了壓縮力，例如對鉸接的腱451和452中的張力以及施加在含腕部關節400的器械上的外力作出反應。在不可接受地變形之前，這些凹形的表面一般可以經受住比凸形表面可以經受的更大的力。例如，如果使用圓形表面來抵靠彼此進行滾動并維持中心點之間的間隔，則兩個接觸面均是凸形的并且在施加負荷時可能更容易變平。變形可能損壞或壓碎承載負荷的結構，特別是如果在腕部關節中使用如陶瓷等不太有彈性的材料的話。腕部關節400的另一個希望的特征是凸起412、414、416和418以及422、424、426和428在具有中央外擺線表面和中央內擺線表面之間交替。凸起412和424以及426和428的較高部分可以互鎖并且防止圓盤410相對于圓盤420沿該傾斜軸線的方向側向地滑動。圖5A圖示一種采用具有彎曲擺線表面的凸起513和517的構件或圓盤510。具體而言，凸起513的外邊緣512 (靠近圓盤510的圓周)是外擺線曲線，并且凸起513的內邊緣514 (靠近中心孔515)是內擺線。邊緣512與514之間的彎曲表面包含將外擺線邊緣512上的(多個)點連接到內擺線邊緣514上的(多個)點的(多條)線，其具有相匹配的角度參數Θ值，其中角度參數Θ表示用來定義擺線曲線512或514的小圓的相對轉動。凸起517類似地具有彎曲的表面，該彎曲表面從圓盤510的圓周處的外擺線曲線518過渡到中心孔515的邊緣處的內擺線曲線516。圖5B示出了圓盤520，該圓盤具有凸起523和527，這些凸起具有沿圓盤520的直徑對齊的彎曲表面，并且這些表面被設計用于在圖5A的圓盤510的彎曲表面上進行齒輪式運動。凸起523上的彎曲表面從圓盤522的圓周處的內擺線曲線522平滑地過渡到穿過圓盤520的中心孔525的圓周處的外擺線曲線524。類似地，凸起527上的彎曲表面從圓盤522的圓周處的內擺線曲線522平滑地過渡到穿過圓盤520的中心孔525的圓周處的外擺線曲線524。圓盤520上的外部內擺線曲線522和528與圓盤510上的外部外擺線曲線512和518互補，并且圓盤520上的內部外擺線曲線524和526與圓盤510上的內部內擺線曲線514和516互補。圓盤510在保持凸起513和517的彎曲表面與圓盤520上的凸起523和527相接觸時可以在圓盤520上滾動，并且這些互補的擺線曲線約束圓盤510和520以圓形物體在彼此上滾動的相同方式的移動從而使圓盤510相對于圓盤520傾斜。此外，這些彎曲表面的相對邊緣處接觸點相對于齒輪式運動進行滑動的趨勢彼此抵消并且共同維持齒輪式運動。同時，凸起513和517以及523和527的這些交替的較高部分可以抵抗沿傾斜軸線方向的圓盤510和520的滑動。與常規圓形表面的接觸部分支撐壓縮作用的能力相比，這些彎曲表面也可以提供更好的支撐壓縮作用的能力。具體而言，這些彎曲表面具有被拐點分隔的(多個)凹形和凸形部分，并且兩個互補的彎曲表面的接觸部分包括第一區域，其中第一彎曲表面的凸形表面與第二彎曲表面的凹形或扁平部分接觸；第二區域，其中第一和第二表面的凸形部分彼此接觸；以及第三區域，其中第一彎曲表面的凹形或扁平表面與第二彎曲表面的凸形部分接觸。與凹形表面的接觸可以改進腕部關節支撐壓縮力的能力。圓盤520具有兩個凸起521 (其中之一在圖5B中可見)，這些凸起在背側上并且沿著與凸起523和527相同的直徑定位。在所圖示的實施例中，凸起521具有與凸起523和527的彎曲表面相同的彎曲表面，并且因此與圖5A中的圓盤510上的凸起513和517的彎曲表面是互補的。使用具有的凸起513和517與圓盤520上的相應凸起523和527相接觸的圓盤510以及具有的凸起513和517與圓盤520上的凸起521相接觸的圓盤510的相同復制品可以形成一種三構件的腕部關節。這種三構件的結構將提供兩個關節，二者均圍繞同一方向軸線傾斜，并且該三構件的腕部機構可以比單一腕部關節提供更大的傾斜范圍。圓盤510還具有位于背側上的兩個凸起511 (其中之一在圖5A中可見)，但是凸起 511沿著與凸起513和517所沿直徑相垂直的直徑定位。在所圖示的實施例中，凸起511具有與凸起513和517的彎曲表面相同的彎曲表面并且與圓盤520上的凸起523和527的彎曲表面互補。使用具有的凸起523和527與圓盤510上的相應凸起513和517相接觸的構件520以及具有的凸起523和527與圓盤510上的凸起511相接觸的構件520的相同復制品可以形成一種三構件的腕部關節。這種三構件的腕部機構作為U關節并且提供兩個運動自由度，一個對應于圍繞凸起513和517的布置所限定的軸線的傾斜并且另一個對應于圍繞凸起511的布置所限定的軸線的傾斜。圖6A示出了類似圓盤510的構件610，其具有對于第一傾斜軸線布置的第一對擺線表面612和614，以及對于與第一傾斜軸線垂直的第二傾斜軸線布置的第二對擺線表面616和618。在圖示的實施例中，表面612、614、616和618各自是從外部外擺線曲線平滑過渡到內部內擺線曲線的彎曲表面。在可替代的實施例中，表面612、614、616和618中的任意表面都可以是從外部內擺線曲線過渡到內部外擺線曲線的彎曲表面、具有外擺線部分和內擺線部分的階梯形/級形表面、外擺線表面或內擺線表面。構件610不同于圓盤510之處在于這些擺線表面不是在凸起上，而是被整合為大體鞍形形狀，這樣使得由擺線表面612、614、616和618所限定的兩個垂直的傾斜軸線可以在更緊湊的結構或緊湊的萬向關節 (U關節)中提供。理想地，這些垂直的傾斜軸線在同一平面內交叉。交叉的傾斜軸線對于計算機控制系統可能是有利的，因為計算機模型可以提供用于描述具有交叉軸線的復合關節的控制和移動的正確解決方案。圖6B示出腕部機構600，其包括圖6A中圖示類型的三個構件610。構件610具有的擺線表面與插入式構件621和622或末端構件630和633的互補的擺線表面相接合。構件621和622總體上與圖5B的構件520相似，但每個構件621或622上具有擺線表面的凸起從該構件的圓周向內偏置，從而允許構件621和622在這些凸起外部的環形區域中具有用于腱的引導孔。每個末端構件630或633的一側上具有與構件621和622的凸起相同的凸起，并且其相反一側適于連接到器械(未示出)的主要導管或延長構件640上。構件610的大小被設計為配合在腱的環內并且與構件621、622、630或633上的凸起相接合而不妨礙這些腱。主要導管或延長構件640可以直接或間接附連到控制腱651、652和653的驅動機構(未示出)。腱651，延伸穿過主要導管640和末端構件640而附連到構件621，控制包括末端構件640、鞍形構件610和插入式構件621的三構件的腕部關節。這種三構件的腕部關節提供兩個自由度用于使構件621傾斜，該構件可以使用至少三個腱651來致動。三個腱652延伸穿過主要導管640、末端構件630和構件621而附連到構件622，并且可以用來控制包括構件621、610和622的三構件的U關節。三個腱653延伸穿過主要導管640、末端構件630、構件621和構件622而附連到末端構件633，并且可以類似地控制包括構件622、610和633的三構件的U關節。因此腕部機構600采用九個腱來控制三個U關節，這允許對腕部結構600的形狀和末端構件633的取向進行復雜的操縱。圖6B示出了一種配置，其中腕部機構600提供簡單的90°彎曲。在一個實施例中，機構600的一部分(包括頂部的兩個鞍狀物610)形成2個自由度+/-90度的腕部。剩余的鞍狀物610是位于該延長構件640的任意側上的一對肘部關節中的頂部肘部關節的一部分。每個肘部具有+/-45度的運動范圍，并且當該延長構件640是“榫關節(joggle joint)”的一部分時,這兩個肘部被構建為保持與主要導管平行，如在2007年6月13日提交的標題為“具有平行運動機構的手術器械(SurgicalInstrument with Parallel Motion Mechanism)”的美國專利申請US 2008/0065102 Al 中所描述的。這些具有擺線的構件在機構600中被用來產生完全的六自由度以便在x、y、z和滾動、俯仰、偏轉上定位附接到末端633的工具。用于使腕部關節中的構件傾斜的兩 個自由度可以使用具有載荷擺線表面的兩個構件的結構來實現。例如，圖7示出一種包括兩個構件或圓盤710和720的腕部關節700。圓盤710具有帶有擺線表面714的凸起712。擺線表面714具有中央部分，該中央部分對應于外擺線曲線圍繞中心線轉動所掃過的表面。圓盤720具有帶有擺線表面724的凸起722，該擺線表面724與擺線表面714互補。具體而言，至少擺線表面724的中心部分對應于內擺線曲線在圍繞中心線轉動時所掃過的表面，并且用來限定至少表面724的中央部分的內擺線曲線與用來限定表面714的中央部分的外擺線曲線是互補的。更普遍地，為了容納更大的運動范圍，用來限定旋轉表面714和724的曲線可以包括內擺線或外擺線的兩個部分之間的部分外擺線或內擺線，其中所有這些擺線具有相同的中心和半徑參數R和r。互補的擺線表面714和724并不限于沿一個方向滾動而是提供用于構件710相對于構件720的傾斜的兩個自由度。因此可以使用三個腱730來控制構件710相對于構件720的俯仰和偏轉。以上描述的腕部關節可以使用擺線表面來支撐負荷、保持參照點之間的間隔并且確保齒輪式運動。然而，根據本發明的另外方面，具有載荷擺線表面的腕部關節也可以使用齒輪裝置來確保齒輪式運動并且改進腕部關節對圍繞腕部滾動軸的扭矩(滾動扭矩)的抵抗力。圖8示出一種多關節的腕部機構800，其采用齒輪裝置來在使用載荷擺線表面的每個關節中確保I: I的齒輪式運動。腕部機構800包括(多個)帶齒的末端構件820、(多個)帶槽構件830、(多個)帶齒的中間構件840以及延伸段850。末端構件820的一側的形狀被設計為固定連接到另一結構，諸如延伸段850、主要導管(未示出)或工具(未示出，例如手術末端執行器)。圖9A、9B、9C和9D更詳細地圖示帶齒的末端構件820的實施例。具體而言，圖9A是帶齒的末端構件820的側視圖，其示出齒輪齒822的輪廓。如圖9B的頂視圖中所示，末端構件820具有位于構件820的圓周上的相對的點處的兩個齒822。圖9B也示出凸起824，這些凸起824具有從齒822向內定位并且與穿過構件820的中心孔825相鄰的載荷擺線表面。穿過構件820的(多個)孔823提供對腱的引導。截面線C-C和D-D示出了圖9C和9D中圖示的構件820的截面圖的相關取向。圖9C示出構件820的截面，其圖示齒822和(多個)凸起824是如何沿直徑或構件820對齊的。擺線表面遵循中心點對齊的(多個)部分擺線并且對包括構件820的腕部結構限定傾斜軸線的方向。圖9D是示出截面，其提供凸起824的擺線表面的視圖。在所圖示的實施例中，多個凸起824上的這些擺線表面包括中央內擺線表面，但可以替代地使用其他類型的擺線、階梯形或彎曲的表面。齒822并不承載關節上的壓縮負荷的重要部分，并且被用于確保相鄰圓盤的齒輪式運動并且抵抗滾動扭矩。齒822可以是擺線銷釘齒輪的一部分并且具有與圖2中所繪相似的擺線齒輪齒的形狀。可替代地，齒822的形狀可以與漸開線齒輪的齒相同，只要接合齒822的凹口是對應形狀的。在所圖示的實施例中僅僅一個齒是必須的，因為關節運動范圍是+/-45度，但是可以替代地使用更大的齒輪部分來確保這些構件的齒輪式運動。圖10A、10B、10C和IOD示出帶槽構件830的實施例的細節，該構件被設計成接合末端構件820從而形成腕部關節。圖IOA是帶槽構件830的側視圖。構件830的底表面具有多個凸起832，這些凸起832具有的擺線表面與末端構件820上的凸起824的擺線表面互補。圖IOD不出，在所圖不的實施例中(多個)底部凸起835具有中央外擺線部分。凸起834的擺線表面遵循中心對齊的(多個)部分擺線并且對于用接觸到底部凸起834的構件所產生的腕部關節限定第一傾斜軸線。構件830還包括朝構件830的底部開放并且被定位且成形為與構件820上的齒822接合的(多個)凹口或槽842。(可替代地，構件830可以包括與構件820中的凹口相接合的齒。)圖IOB中所示的每個構件830的頂面還包括(多個)槽836和凸起838。圖IOA和IOC所示的凸起838具有帶有中央內擺線部分的擺線表面，在所圖示的實施例中與構件820的凸起824相同。然而，(多個)凸起838的擺線表面是中心對齊的(多個)部分擺線，從而限定了與底部凸起834所限定的第一傾斜軸線垂直的第二傾斜軸線。因此，構件830可以用作U關節中的中心構件。圖IOB還示出構件830包括用于器械中的中央內腔的中心孔835以及用于多個腱的(多個)引導孔833。圖11A、11B、11C和IID示出帶齒的中間構件840的實施例的細節。每個帶齒的中間構件840具有頂面和底面，二者均與末端構件820的頂面基本上相同。圖IlA示出構件
側視圖并且圖示說明頂部齒842和底部齒846的輪廓,它們與齒822 —樣被設計形狀和定位以接合帶槽構件830中的槽832或834。(可替代地，構件830可以包括與構件840中的凹口相接合的齒。)圖IlB是構件840的頂視圖，示出齒842、引導孔843、凸起844以及中心孔845的相對位置。構件840的底面具有齒846和凸起848相對于引導孔843和中心孔845的類似布置。如圖IlC中所示，凸起844和齒842在與齒846和凸起848相同的構件840直徑上對齊。凸起844和848具有的擺線表面被對齊從而對于傾斜軸線限定相同的方向。然而，如圖IlD中可見，在所圖示的實施例中，凸起844的這些擺線表面具有內擺線中心部分，而凸起848具有互補的外擺線中心部分。圖8的多關節的腕部機構800圖示說明在腱停靠的腕部機構中使用構件820、830和840的一種配置。在腕部機構800的左邊開始，可以使用末端構件820作為底座用于附接醫療器械中的工具。末端構件820具有(多個)齒822和(多個)凸起824，這些齒和凸起接合帶槽構件830的(多個)底部槽832和(多個)底部凸起834。帶槽構件830具有(多個)頂部槽836和(多個)凸起838，這些槽和凸起接合中間的帶齒構件840的(多個)底部齒846和(多個)底部凸起。由于頂部槽836和凸起838在構件830內相對于底部槽832和凸起834的90°轉動，前三個構件820、830和840形成U關節。接合在槽832和836中的齒822和846對趨向于扭絞該U關節的扭矩產生抵抗。穿過構件820和830的三個腱(未示出)可以附連到構件840并且控制在構件840相對于構件820傾斜過程中的兩個自由度。具體而言，當這些腱以凈扭矩圍繞帶槽構件830的頂部凸起838所限定的傾斜軸線推動構件840時，構件840的底部齒846接合構件838的頂部槽836，從而致使構件840和830以I: I的齒輪比進行齒輪式運動，以便圍繞該傾斜軸線轉動。當這些腱以凈扭矩圍繞該帶槽構件830的底部凸起834所限定的傾斜軸線來推動構件840時，齒846和凸起848與槽836和凸起838的互鎖作用防止了響應于該凈扭矩的相對移動，這樣使得構件840和830響應于所施加的扭矩而作為一個單元進行移動。構件830的槽832接合構件820的齒822，從而致使構件840和830相對于構件820以I: I的齒輪比進行齒輪式運動，以便圍繞多個凸起834所限定的傾斜軸線轉動。類似地在腕部結構800中在延伸段850的左邊提供三個U關節。這些U關節中的每一個對應于夾在構件820或840之間的構件830。延伸段850耦連到末端構件820，以便響應于末端構件820的角移動范圍而提供較大空間范圍的運動。由兩個末端構件820之間的帶槽構件830構成的最終的U關節可以在使用延伸段850實現的大運動范圍的終點處提供另外的角度和位置控制。圖8還示出了(多個)引導件855，其引導(多個)腱穿過延伸段850，以便控制最終的U關節或附接到該最終的末端構件820的工具。包括較大的齒822的結構(諸如機構800)的優點是能夠支持較大的滾動扭矩。彎曲的擺線表面(諸如用于圖6的機構600中的表面)可以經受住在使用具有約5_直徑的器械進行的光手術任務(諸如激光切割或抽吸沖洗)過程中所遇到的扭矩。然而，具有施加更大抓握力的工具的手術任務趨向于產生更高的扭矩，這些扭矩可以更好地由機構800中的齒822支撐，特別是在約5mm或更小的小器械直徑時。使用載荷擺線表面(如在圖6中)而無齒輪結構(如在圖8中)的相對優勢是，消除這些齒允許更大的區域用于載荷表面，從而允許緊湊的關節來支撐更大的負荷。如以上說明的本發明的實施例提供超過許多現有腕部機構的多個優點。例如，凹形表面可以提供小的接觸應力，這允許在運動鏈中有更多關節或允許對于更剛性的關節有 更高負荷。另外，所公開的實施例可以在可能比銷釘型關節有可能做到的更緊湊的結構中以固定的間隔實現齒輪式運動，從而允許更多空間用于腕部中的內腔。關節的緊湊性質允許在適用于手術機器人的空間中進行交叉軸(U關節)類型的設計。這也可以降低工具的總長度和/或增大器械的運動范圍。這種U關節布置還產生對稱的工作空間，這可以是控制系統和外科醫生培訓方面中的優點。將這些曲線混合在一起(從ID到0D)產生了一種抵抗(由于成角度的接觸而產生的)滑脫和平移的關節。而且，這些特征的緊湊的尺寸允許背靠背地使用多組關節以抵抗滑脫和平移。使用混合的或未混合的擺線表面構成的U關節可以帶有交叉的傾斜軸線(用于緊湊結構)或帶有堆疊的結構(為更大的中央內腔提供更大區域)。圖12示出了能夠使用包含例如上述腕部機構的醫療器械的機器人控制系統1200的例子。系統1200 (可以是例如從直觀外科手術公司(Intuitive Surgical, Inc.)購買的da Vinci 手術系統)包括多個醫療器械1210，每個都安裝在機器人操縱臂1230上的對接端口 1220上。器械1210可以是可互換的，從而使得安裝在對接端口 1220上的器械1210可以被選擇用于特定的醫療程序或在醫療程序過程中改變以便提供所需要的臨床功能。每個器械1210 —般包括末端執行器1212、主要導管1214和后端機構1216。器械1210的末端執行器1212包括工具，如鑷子或抓鉗、針驅動器、解剖刀、燒灼器或剪刀，并且機械腕部機構可以被結合到末端執行器1212中以操縱這些工具。可替代地，上述腕部機構可以用于主要導管1214中。在使用中，可以將一個或更多個末端執行器1212和主要導管1214的遠側部分插入穿過一個或更多個小切口或天然孔口以便將末端執行器1212定位在病人體內的工作部位。對接端口 1220 —般包括驅動電機，其對于操縱多個從后端機構1216延伸穿過主要導管1214并且連接到腕部機構和器械1210中的工具的腱提供機械動力。計算機系統1250執行按照需要控制這些驅動電機的軟件，以便按照使用系統1200執行醫療程序的外科醫生或其他醫務人員的指示操縱器械1210。雖然已經參照具體的實施例描述本發明，但這種描述僅是本發明的應用的示例并且不應被視為限制。對所披露的實施例的特征的不同改編和組合都落入如權利要求所限定的本發明的范圍之內。
權利要求
1.ー種器械腕部，其包括 具有第一擺線表面的第一構件； 具有與所述第一擺線表面相接觸的第二擺線表面的第二構件，其中通過所述第一和第ニ擺線表面的接觸而產生所述第一和第二構件上的壓縮カ；和 腱，所述腱被連接以用于對所述第一和第二構件之一施加力，其中所述第一和第二構件被布置為響應于通過所述腱施加的カ而進行齒輪式運動。
2.如權利要求I所述的腕部，其中所述第一和第二擺線表面之一在所述第一和第二表面接觸之處是凹形的。
3.如權利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線表面具有遵循外擺線曲線的部分，該外擺線曲線的部分接觸所述第二擺線表面的遵循內擺線曲線的部分。
4.如權利要求3所述的腕部，其中所述第一構件進一歩包括第三擺線表面，該第三擺線表面具有遵循內擺線曲線的部分，并且所述第二構件包括第四擺線表面，該第四擺線表面與該第三擺線表面相接觸并且遵循外擺線曲線。
5.如權利要求4所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四擺線表面被布置為使得該第一和第二擺線表面響應于施加到所述第一和第二構件之一的力而相對于齒輪式運動進行滑動的趨勢被所述第三和第四擺線表面響應于所述カ而相對于齒輪式運動進行滑動的相反趨勢所平衡。
6.如權利要求4所述的腕部，其中所述第一和第三擺線表面位于沿著所述第一構件的直徑并且在該直徑的中心的同側上。
7.如權利要求4所述的腕部，其中所述第一和第三擺線表面位于沿著該第一構件的直徑并且在該直徑的中心的相反兩側上。
8.如權利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線表面從第一外擺線的一部分平滑地過渡至第一內擺線的一部分。
9.如權利要求8所述的腕部，其中所述第二擺線表面從第二內擺線的一部分平滑地過渡至第二外擺線的一部分。
10.如權利要求9所述的腕部，其中 在所述第一外擺線與所述第二內擺線接觸的位置，所述第一和第二構件具有響應于在所述第一和第二構件之一上施加的力而相對于齒輪式運動進行滑動的第一趨勢； 在所述第一內擺線與所述第二外擺線接觸的位置，所述第一和第二構件具有響應于所述カ而相對于所述齒輪式運動進行滑動的第二趨勢；和 所述第二趨勢與所述第一趨勢相反。
11.如權利要求8所述的腕部，其中所述第一構件進一歩包括第三擺線表面，所述第三擺線表面從外擺線的一部分平滑地過渡至內擺線的一部分，其中所述第一和第三表面位于沿著該第一構件的直徑并且是在該直徑的中心的相反兩側上。
12.如權利要求I所述的腕部，其中 所述第一構件進一歩包括第一齒輪結構； 所述第二構件進一歩包括第二齒輪結構；并且 當所述第一表面與所述第二表面接觸時，所述第一齒輪結構與所述第二齒輪結構嚙合并且提供所述第一構件與第二構件1:1的旋轉比率。
13.如權利要求12所述的腕部，其中 所述第一齒輪結構包括齒；并且 所述第二齒輪結構包括在所述第二構件中的槽。
14.如權利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線表面包括遵循外擺線表面的第一部分和遵循內擺線的第二部分。
15.如權利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線表面包括遵循外擺線和內擺線中一個的中央部分以及遵循外擺線和內擺線中另ー個的兩個外部部分。
16.如權利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線包含形狀被設計為圍繞該腕部的中心軸線旋轉的外擺線的中央部分。
17.如權利要求16所述的腕部，其中所述第二擺線表面具有形狀被設計為圍繞該腕部的中心軸線旋轉的內擺線的中央部分。
18.如權利要求I所述的腕部,其中 所述第一擺線表面是從所述第一構件的本體延伸的突出部的表面；并且 所述第二擺線表面是從所述第二構件的本體延伸的突出部的表面。
19.如權利要求I所述的腕部，其中所述第二構件包括第三擺線表面，該第三擺線表面位于所述第二構件與所述第二擺線表面相反的ー側，并且所述腕部進ー步包括第三構件，所述第三構件具有與所述第三擺線表面相接觸的第四擺線表面。
20.如權利要求19所述的腕部，其中 所述第一與第二擺線表面的接觸限制所述第一構件相對于所述第二構件圍繞第一傾斜軸線轉動的運動；并且 所述第三與第四擺線表面的接觸限制所述第三構件相對于所述第二構件圍繞所述第一傾斜軸線轉動的運動。
21.如權利要求19所述的腕部，其中 所述第一與第二擺線表面的接觸限制所述第一構件相對于所述第二構件圍繞第一傾斜軸線轉動的運動；并且 所述第三與第四擺線表面的接觸限制所述第三構件相對于所述第二構件圍繞第二傾斜軸線轉動的運動，所述第二傾斜軸線與所述第一傾斜軸線垂直。
22.如權利要求19所述的腕部，其中所述第二構件是鞍形的。
23.如權利要求22所述的腕部，其中所述第二和第三擺線表面被定位在所述第二構件上，從而在相同平面內與所述腕部的運動軸線交叉。
24.如權利要求19所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四擺線表面中的每ー個包括混合的擺線表面。
25.如權利要求19所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四擺線表面中的每ー個包括階梯形擺線表面。
26.如權利要求19所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四擺線表面中的每ー個使得與所述腕部的傾斜軸線平行的平面與該擺線表面沿一條直線相交。
全文摘要
一種器械腕部使用(多個)構件，該構件具有外擺線表面和內擺線表面，用于承載負荷并且以與在彼此之上滾動的圓相同的方式保持多個參照點的間隔。這些擺線表面可以是均勻的、階梯形或混合的，并且可以布置成確保構件的齒輪式運動而不添加另外的齒輪結構。內擺線表面提供凹形接觸，這改進了在負荷下的耐變形性。該腕部機構是腱停靠的，這保持構件相接觸，并且可以任選地將齒輪結構整合到構件中以確保齒輪式運動并支持滾動扭矩。
文檔編號A61B19/00GK102665592SQ201080058496
公開日2012年9月12日 申請日期2010年12月8日 優先權日2009年12月22日
發明者M·R·威廉斯 申請人:直觀外科手術操作公司