用于在外科手術環(huán)境中促進器械的彎曲的方法、設備和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于在外科手術環(huán)境中促進器械的彎曲的方法、設備和系統(tǒng)
相關串請的交叉引用
[0001]本申請要求提交于2013年3月8日的美國臨時申請?zhí)?1/774，901 (代理案號41663-707.101)和提交于2014年3月7日的美國申請?zhí)?4/201，610 (代理案號41663-707.201)的權益，以上文獻的全部內容通過引用而并入于此。
發(fā)明背景
[0002]1.發(fā)明領域。本申請的領域涉及醫(yī)療裝置。更具體而言，本發(fā)明的領域涉及用于進行外科手術的設備、系統(tǒng)和方法。
[0003]2.相關技術描述。機器人外科手術對于改善患者恢復時間以及允許精確控制醫(yī)療和外科手術應用器械具有眾多益處。在機器人中，末端執(zhí)行器是位于機械臂末端的、設計用于與環(huán)境相互作用的裝置。該裝置的確切性質取決于機器人的應用。例如，末端執(zhí)行器的若干示例可以包括一套鑷子、一把剪刀、激光器、相機、燒灼工具、針或者任何將會獲益于能夠被重新定位的其他器械端頭。
[0004]如前文所討論，源于串聯(lián)式機械操縱器的末端執(zhí)行器意指機器人的最后鏈節(jié)(或末端)。在這個端點處附接工具。在更廣泛的意義上，可以將末端執(zhí)行器視為機器人的與工作環(huán)境相互作用的部件。
[0005]許多鉸接裝置使用彎曲區(qū)段，該些彎曲區(qū)段包含許多用于創(chuàng)造出組裝件的小運動部件。通常，由于單個組件難于加工，因此組裝件很難被制造成更小的幾何尺寸。
[0006]現有解決方案的另一挑戰(zhàn)是容納末端執(zhí)行器的輔助組件，所述輔助組件可以包括拉線、電線、流體線路和光纖。這些組件在彎曲區(qū)段內的位置影響該彎曲區(qū)段的性能和穩(wěn)定性。所有的梁都具有主體內的、當平直或彎曲時都將會保持相同長度的假想線，這條線稱為結構的中性軸。中性軸區(qū)域不經受任何應變或應力。通常，落在這條線任一側的材料將會經受應變并且將被延長或壓縮。彎曲處的內側將會壓縮，而彎曲處的外側將會延長。圖1圖示了該中性軸連同其與內側和外側彎曲表面的關系。
[0007]例如，如果將輔助組件放置在中性軸區(qū)域之外，如果其能夠相對于彎曲區(qū)段浮動，則其將會滑入和滑出彎曲區(qū)段。否則，所述組件將會因施加的軸向力而拉緊或伸展。圖2描繪了遠離組件中性軸放置的組件的關系的圖示。
[0008]彎曲區(qū)段的現有解決方案被創(chuàng)造用于由薄壁管制成的小型可鉸接器械。例如，向管材中切割出復雜圖案，以創(chuàng)造出產生優(yōu)先彎曲方向的離隙。然而，如果要求較大的偏轉，則將會需要移除許多管材料以允許這樣的彎曲。因此，被除去了許多材料的薄壁管不可避免地會失去很多保持機械穩(wěn)定的結構和能力。
[0009]因此，有利的是具有這樣的方法和設備:其用于促進器械以較大程度的鉸接(articulat1n)而彎曲，同時保持足夠量的剛度以在末端執(zhí)行器處提供穩(wěn)定性，并同時確保制造的簡易性。
【發(fā)明內容】
[0010]本文描述的實施方式針對用于以較大程度的鉸接來彎曲器械而同時保持制造的簡易性的方法、設備和系統(tǒng)。
[0011]在其他實施方式中，用于創(chuàng)造鉸接節(jié)段(articulating segment)的方法和設備始于實心桿而非管道。首先，從所述桿的側面移除材料從而使得其能夠彎曲。在一個實施方式中，將會從所述桿的橫截面移除材料以容納致動線。
[0012]在其他實施方式中，所述橫截面容納與末端執(zhí)行器有關的輔助組件。
[0013]一個實施方式提供了將所述輔助組件的路徑放置為靠近所述彎曲區(qū)段的中性軸。因此，這減少了所述彎曲區(qū)段的鉸接與所述輔助組件之間的相互作用。此外，導致了更加可預測的彎曲和末端執(zhí)行器行為。作為示例而非限制，通過從所述橫截面移除材料以容納鉸接拉線和輔助組件，允許對彎曲剛度及其在醫(yī)療操作期間所能夠消解(resolve)的相反力的量加以操控。
[0014]在一個實施方式中，所述組件由后文所討論的超塑性材料制成，所述超塑性材料諸如但不限于鎳鈦合金(Nitinol)以及其他類似的材料。所述結構的剛度通過橫截面輪廓的設計而得到操控，以確保所述結構在整個運動的全范圍內提供足夠的穩(wěn)定性。所述結構通過對該結構施加力矩而實現顯著的彎曲，并且將會在從所述結構移除所述力矩時恢復到原始位置。
[0015]這樣的致動將會只需要在端頭處的一個拉線，該拉線需要被牽拉以生成力矩以及被放松以解除所述力矩。
[0016]在備選實施方式中，所述組件由超塑性材料制成，但所述橫截面通過在內部輪廓上合并所述離隙而允許不同的內部輪廓，所述裝置適合于使用線EDM(Electric DischargeMachining，放電加工)工藝來制造，而不必首先創(chuàng)造出隙孔。
【附圖說明】
[0017]圖1是有助于描述中性軸的視圖；
[0018]圖2是有助于描述中性軸的視圖；
[0019]圖3描繪了根據本發(fā)明的第一實施方式的用于彎曲撓性件的設備；
[0020]圖4是圖3的截面?zhèn)纫晥D；
[0021]圖5是根據有限兀分析(FEA)的圖3的建模表不的視圖；
[0022]圖6是描繪圖3中所繪的第一實施方式的鉸接位置的視圖；
[0023]圖7是根據本發(fā)明的一個實施方式的組裝件的等距視圖，其中作為主題的撓性件合并到末端執(zhí)行器中；
[0024]圖8描繪了根據本發(fā)明的第二實施方式的用于彎曲撓性件的設備；
[0025]圖9是圖8的截面?zhèn)纫晥D；以及
[0026]圖10是描繪圖9的彎曲行為的截面?zhèn)纫晥D。
【具體實施方式】
[0027]盡管下文公開了某些優(yōu)選實施方式和示例，但發(fā)明主題超出具體公開的實施方式而包含其他備選實施方式和/或用途，以及其修改和等同物。因而，本文所附權利要求的范圍并不限于下文所述的任何【具體實施方式】。例如，在本文公開的任何方法或工藝中，所述方法或工藝的動作或操作可以按任何合適的順序執(zhí)行，而不必限于所公開的任何具體順序。以可能有助于理解某些實施方式的方式，可以將各種操作描述為多個依次進行的分立操作；然而描述的次序不應當解釋為暗示這些操作是依賴于該次序的。此外，本文描述的結構、系統(tǒng)和/或裝置可以體現為集成的組件或分離的組件。
[0028]出于對比各個實施方式的目的，描述了這些實施方式的某些方面和優(yōu)點。所有此等方面或優(yōu)點不必全都由任何【具體實施方式】所實現。因此，舉例而言，各個實施方式可以按實現或優(yōu)化如本文所教導的一個優(yōu)點或一組優(yōu)點的方式來實施，而不必實現可能亦如本文所教導或建議的其他方面或優(yōu)點。
[0029]本文描述的實施方式針對用于微創(chuàng)外科手術器械的遠端彎曲區(qū)段的設備，其具有較大程度的鉸接并且提供足夠的硬度以消解在遠程外科手術操作期間所需要的力。其他實施方式提供了使用該遠端彎曲區(qū)段的方法以其制造方法。
[0030]一個實施方式提供了將輔助組件的路徑放置為靠近彎曲區(qū)段的中性軸。因此，這減少了彎曲區(qū)段的鉸接與輔助組件之間的相互作用。此外，本發(fā)明的實施方式提供了更加可預測的彎曲和末端執(zhí)行器行為。作為示例而非限制，通過從橫截面移除材料而容納鉸接拉線和輔助組件，因此，可以操控彎曲剛度以獲得期望的特性。
[0031 ] 在一個實施方式中，所述組件由超塑性材料制成。在一個實施方式中，所述材料是鎳鈦合金，并且在室溫和/或體溫下具有超彈性相。另外，其他實施方式包括使用任何超彈性合金。在又一實施方式中，調節(jié)慣性矩，使得所述結構通過在該結構上生成力矩而實現顯著的彎曲，并且當移除所述力矩時恢復到原始位置。這樣的致動將會只需要在端頭處的一個拉線，該拉線需要被牽拉以生成力矩以及被放松以解除所述力矩。
[0032]在備選實施方式中，所述組件由超塑性材料制成，但所述橫截面通過在內部輪廓上合并離隙(relief)而允許不同的內部輪廓，所述裝置適合于使用線EDM(ElectricDischarge Machining，放電加工)工藝來制造，而不必首先創(chuàng)造出隙孔(clearance hole)。
[0033]參考圖3A，圖中描繪了根據本發(fā)明的實施方式的完成的彎曲區(qū)段300。圖3B是貫穿彎曲區(qū)段300的軸線的縱向截面，圖3C示出了彎曲區(qū)段300沿著圖3B的線C的軸向截面，而圖3D示出了彎曲區(qū)段300沿著圖3B的線D的軸向截面。
[0034]參考圖3B，沿著桿的頂部、優(yōu)選