CN102665592B - 具有摆线表面的器械腕部 - Google Patents

Abstract

一种器械腕部使用（多个）构件，该构件具有外摆线表面和内摆线表面，用于承载负荷并且以与在彼此之上滚动的圆相同的方式保持多个参照点的间隔。这些摆线表面可以是均匀的、阶梯形或混合的，并且可以布置成确保构件的齿轮式运动而不添加另外的齿轮结构。内摆线表面提供凹形接触，这改进了在负荷下的耐变形性。该腕部机构是腱停靠的，这保持构件相接触，并且可以任选地将齿轮结构整合到构件中以确保齿轮式运动并支持滚动扭矩。

Description

具有摆线表面的器械腕部

技术领域

背景技术

用于微创手术程序的医疗器械通常采用远距离启动的机械腕部或关节。在一些配置中，腕部机构可以是位于该器械的主要导管的远端处的工具（如钳、解剖刀、剪刀或烧灼工具）的一部分或可以操纵该工具。腱通常附连到该腕部机构中的机械构件或圆盘上并且延伸穿过该主要导管而到达该主要导管近端处的驱动系统。授予Cooper等人标题为“具有可主动定位的腱致动的多圆盘式腕部关节的手术工具（Surgical tool having Positively Positionable Tendon-ActuatedMulti-Disk Wrist Joint）”的美国专利US.6,817,974描述了一些已知的腕部机构，其包含多个圆盘以及腱控制的腕部关节。

当机构中的两个构件具有根据一种固定关系或齿轮比而改变的相对角度取向时，在一个关节处发生该腕部机构中的齿轮式移动。例如，图1A示出腕部关节100的侧视图，该腕部关节具有构件110和120，这些构件具有圆形的并且曲率半径相同的载荷表面112和122。当圆形表面112和122在彼此上滚动而不滑动时，产生了1:1齿轮比的齿轮式运动。为了防止滑动，构件110上的销或齿114可以啮合构件120中开口124的壁，并且防止构件110和120在驱动系统（未示出）拉动腱130并且松开相反的腱132时相对于彼此滑动（如图1B中所示）。齿114被优选地设计形状、定位和设计尺寸，从而使得齿114在构件110和120的全转动范围上保持与开口124耦合。齿轮式运动是希望的，因为构件110和120的移动可以在计算机或确定如何操纵腱130和132来实现关节100的期望运动的其他处理系统中进行建模和预测。圆形载荷表面112和122保持了限定表面112和122的圆的中心之间的间隔，这是希望的，因为产生的移动被容易地建模并且因为腱130和132的对称附连导致腱130或132被拉动的长度与另一个腱132或130被松开的长度相等。因此可以简化操纵腱130和132的驱动系统的机械学。

一般已知齿轮使用多种表面形状来允许齿轮的齿相啮合而不受约束。例如，摆线齿轮是具有遵循摆线曲线的接触面的齿的齿轮。图2示出了一对摆线齿轮210和220，它们被设置在相应的轴212和222上，这些轴具有为了使齿轮210和220的齿正确啮合所需要的间隔。具体而言，当驱动齿轮210顺时针转动时，齿轮210的表面214接触齿轮220的表面224。表面214和224的形状被设计为当齿轮221和220转动时抵靠彼此滚动，例如表面214可以是平的而表面224遵循摆线曲线。然后表面216和226相接触，并且齿轮210和220转动，直到齿轮210的下一个齿218与齿轮220的下一个齿228相接触。摆线齿轮如齿轮210和220的恰当啮合对于轴212与222之间的间距是敏感的，这可能是现今在齿轮中更常使用渐开线曲面（involute surface）的主要原因。

如图2中图示的齿轮与诸如图1A和1B中图示的齿轮式腕部关节的不同之处在于轴212和222固定齿轮210和220的间距，从而使得这些齿轮的接触面不承载显著的压缩力。相比之下，图1A和1B的腕部关节100在位于医疗器械中时通常需要承载压缩力（例如，由于腱130和132的张紧），这些压缩力趋向于使构件110和120的凸形载荷表面112和122变平。由于含腕部关节（诸如腕部关节100）的医疗器械通常具有较小的直径，例如构件110或120的总直径典型地约为3至10mm，并且可能遇到约一百磅的压缩力，因此载荷表面112和122的变形是重要问题。此外，对于腱引导件或诸如摄像机缆线或可以延伸穿过器械的其他系统的装置的一个或更多个中心内腔而言，可能需要腕部关节的大部分截面积。这些机械结构的小的可用空间可能使得制造具有适当强度和精确度的腕部关节100有挑战性。具体而言，齿114的相对小的尺寸可能导致在腕部的极限运动下齿114与开口124脱离接合，特别是当腕部100支撑一个使表面112和122变形的负荷时。

发明内容

根据本发明的一方面，一种腕部机构包括多个构件，这些构件具有承载施加到腕部机构的负荷的摆线表面。相应构件上的一对摆线形/摆线接触面可以布置成在构件的参照点之间维持恒定间隔，并且多对摆线接触面可以布置成确保这些构件的齿轮式运动。可替代地，在这些构件上可以包括齿轮齿，以确保齿轮式运动并提高腕部对外部施加的滚动扭矩的抵抗力。此外，每个载荷接触面可以包括凹形的内摆线表面/内摆线形表面，并且凹形的载荷表面可以提高该腕部关节在没有不可接受的变形的情况下承载压缩力的能力或者可替代地允许使用可能不适合用于给定大小和载荷能力的腕部的（多种）材料。

根据本发明的具体实施例，一种器械腕部包括：具有第一摆线表面的第一构件，以及具有与该第一摆线表面接触的第二摆线表面的第二构件。通过该第一和第二构件上的摆线表面的接触产生这些构件上的压缩力。这些构件可以被布置为响应于由腱施加到这些构件中一个构件上的力而进行齿轮式运动。

附图说明

图1A和1B示出一种已知腕部关节的侧视图，该腕部关节使用销钉和开口来约束接触的构件进行齿轮式运动。

图2示出一对摆线齿轮。

图3图示外摆线和内摆线，它们在齿轮式运动过程中在其相应的中心之间维持固定的间隔。

图4示出根据本发明实施例的腕部关节，该腕部关节使用阶梯形/级形摆线表面来承载负荷并且约束该腕部关节进行运动。

图5A和5B示出在根据本发明实施例的一种腕部关节中使用的相应的机械构件，该腕部关节使用混合的摆线表面来承载负荷并且约束移动。

图6A示出鞍形的腕部构件，该腕部构件允许对摆线表面进行定位以提供交叉的倾斜轴线和紧凑的腕部结构。

图6B示出一种多关节的腕部机构，该腕部机构使用图6A中图示的鞍形的腕部构件。

图7示出一种两件式腕部关节，该腕部关节使用摆线表面以在紧凑结构中提供俯仰和偏转运动。

图8是根据本发明实施例的腕部机构的分解视图，该腕部机构包含具有摆线载荷表面的多个关节和构件以及用于确保齿轮式运动的齿轮结构。

图9A、9B、9C和9D示出图8的腕部机构中使用的带齿末端构件的侧视图、顶视图和两个截面图。

图10A、10B、10C和10D示出图8的腕部机构中的带槽构件的侧视图、顶视图和两个截面图。

图11A、11B、11C和11D示出图8的腕部机构中的带齿的插入构件（intervening member）的侧视图、顶视图和两个截面图。

图12示出一种机器人控制系统，该系统在微创医疗器械中包括腕部结构。

在不同图中使用相同的参考符号表示相似或相同的项目。

具体实施方式

根据本发明一方面，腕部机构中的（多个）机械构件使用摆线表面/摆线形表面从而在这些机械构件的齿轮式运动过程中承载压缩作用。具体而言，腕部关节可以在第一构件上使用外摆线表面/外摆线形表面，该第一构件上的外摆线表面与第二构件上的内摆线表面/内摆线形表面相接触。通过对这些构件的限定摆线和齿轮的参数的正确选择，这些摆线表面约束这些构件运动，从而在与这些摆线表面所遵循的摆线曲线中心相对应的参照点之间保持间隔。这些摆线表面还提供了凹形接触区域，这导致在驱动系统或外部负荷将这些构件推到一起时变形更小。通过使用另外的载荷摆线表面，可以实现该第一和第二构件的齿轮式运动。具体而言，第一构件上的内摆线表面和第二构件上的外摆线表面可以产生接触区域，该接触区域用来平衡另一个接触区域处的力，这样使得这些接触区域处的净力导致齿轮式运动。可替代地，在这些构件上可以使用齿轮结构（诸如齿），从而确保齿轮式运动并且改进对滚动扭矩的抵抗力。

本文使用的“摆线表面/摆线形表面”是指如下表面：该表面所具有的摆线的一部分是所述表面与平面的交线。摆线是公知的并且通常可以使用参数方程来定义。更直观地，摆线对应于在一条线或另一圆上滚动的一个圆上点的路径。例如，图3图示外摆线310，它对应于围绕半径为R的圆314外部滚动的一个半径为r的圆312上点的路径，其中R>r。内摆线320对应于围绕半径为R’的较大圆324内部滚动的一个半径为r’的圆322上点的路径，R’>r’。在所述圆的半径相同的条件下，即R’=R并且r’=r，当摆线310和320以相同的角速度转动（即，在1:1齿轮比的齿轮式运动中）时，外摆线310的中心315和内摆线320的中心325之间的距离保持恒定。（外摆线和内摆线也可以匹配，以便对于其他齿轮比提供恒定的中心到中心的间隔。）在齿轮式运动过程中，如果摆线310和320上的接触点位于所述的圆314和324上，则在这些接触点之间没有相对速度。然而，这些接触面通常以不同的速度移动，并且这些表面抵靠彼此摩擦（滑动）。即使这些表面发生摩擦，1:1的齿轮运动（对于R=R’）也确保这两个所述圆314和324不相对于彼此滑动。

在腕部关节中摆线表面和曲线优于常规带齿齿轮的优势在于，当施加的力保持这些构件相接触时，腕部关节中的（多个）构件的接触面自动维持对于操作而言恰当的定位，正如在腱停止（tendon-stayed）的机器人腕部中的情况。图4示出包括滚动构件410和420的腕部关节400，滚动构件410和420采用载荷摆线表面。腕部关节400可以用于包括若干相似关节的机械腕部中，并且在示例性实施方案中被结合在可以用于微创医疗程序的医疗器械之中。在腕部关节400中，每个构件410或420都具有基本圆盘形的本体，该本体具有中心孔415或425，该孔限定了可以沿着器械的长度延伸的中心内腔的一部分。每个圆盘410和420可以由针对腕部关节400的特殊用途并且特别针对腕部机构的尺寸和预期的负荷提供足够的强度和耐久性的任何材料制成。腕部构件410和420可能需要是用于更高负荷应用的金属如不锈钢，特别是当腕部直径小于约5mm时。在更大直径的腕部机构或更小负荷的条件下可以使用诸如塑料或陶瓷的材料。如下面进一步说明的，腕部关节400的优点是对压缩应变的抵抗力，并且这种抵抗力可以允许在具有更小直径和/或可以使用圆形载荷表面而实现的中心内腔的电绝缘腕部中使用诸如塑料或陶瓷的材料。绝缘的腕部机构在包括带电的或电启动的工具或末端执行器的医疗器械中是特别希望的。一般，该腕部可以对于力或任务而缩放（scaled）。

圆盘410具有凸起412、414、416和418，这些凸起具有的摆线表面与圆盘420上的凸起422、424、426和428的相应摆线表面相接触。凸起412、414、416和418沿着圆盘410的直径定位，其中凸起412和418靠近或延伸至圆盘410的圆周的相对边缘，并且凸起414和426靠近或延伸至中心孔415的相对边缘。类似地，凸起422、424、426和428沿着构件420的直径定位，其中凸起422和428靠近或延伸至圆盘420的圆周的相对边缘，并且凸起424和426靠近或延伸至穿过圆盘420的中心孔425的相对边缘。在图示的实施例中，凸起412、414、416和418包括为外摆线或内摆线表面的中央部分，外摆线或内摆线表面与相接触的凸起422、424、426和428上的相应内摆线或外摆线表面互补。凸起412、414、416和418上的中央摆线部分遵循相应的摆线的部分，并且这些摆线的中心全都位于一条限定了倾斜轴线的方向的线上。类似地，凸起422、424、426和428上的中央摆线部分遵循相应的摆线的部分，并且这些摆线的中心全都位于一条与该倾斜轴线平行的线上。当圆盘410相对于圆盘420在适当齿轮比的齿轮式运动下发生倾斜时，凸起412、414、416和418的摆线表面保持与凸起422、424、426和428的摆线表面相接触并且在与这些限定了表面的摆线的中心相对应的参照点或线之间维持固定的间隔。这些凸起的高度提供了用于在构件410和420的本体部分彼此接触之前发生倾斜的间隙并且防止进一步的运动。

圆盘410和420除了具有用于医疗器械的中央内腔的中心孔415和425之外还包括引导孔413和423，这些引导孔用于铰接关节400的腱451和452以及可以延伸穿过关节400到达该医疗器械的其他部分的腱（未示出）。腱451和452可以是缆线、细丝、管或类似的结构，这些结构足够柔性而能在器械内根据需要弯曲，并足够强韧而能施加力到铰接关节400，从而使构件410相对于构件420倾斜。示出的腱451和452相对于凸起412、414、416和418沿其定位的直径以相反的力臂附接到构件410。然后驱动系统（未示出）可以拉动（或增大其中的张力）一个腱451或452，从而使构件410相对于构件420在一个方向上倾斜，或者拉动（或增大其中的张力）另一个腱452或451，从而使构件410在相反方向上倾斜。一般，腱451和452具有预加载的张力，这些张力迫使构件410和420到一起，从而使得凸起412、414、416和418保持与相应的凸起422、424、426和428相接触。

在腕部机构400中通过外摆线表面和内摆线表面在多个接触区域内的布置而维持齿轮式运动。具体而言，凸起412具有中央外摆线部分，该部分与凸起422的匹配的内摆线部分相接触。当腱451或452被拉动而使构件410倾斜时，凸起412的外摆线表面在凸起422的内摆线表面上滚动。如果凸起412和422是孤立的系统，即，如果凸起414、416、418、424、426和428不存在，则凸起412和422将相对于齿轮式运动进行滑动。然而，在凸起414与424的接触部分处，该外摆线表面位于构件420上并且与构件410上的内摆线表面接触。因此，凸起412与422的接触部分相对于齿轮式运动进行滑动的趋势被凸起414与424的接触部分在相反意义上滑动的相反趋势所抵消。在腕部关节400中，这些凸起的摆线接触面具有相平衡的滑动趋势，这共同地在腱451和452铰接腕部关节400时将构件410和420保持在齿轮式运动中。

在中央摆线表面彼此接触时，圆盘410相对于圆盘420的角运动的范围取决于限定这些摆线表面的参数。具体而言，在图3中，外摆线310具有参数R和r，使得R=4r，这产生与四个内摆线波瓣结合的四个外摆线波瓣，并且外摆线310的齿轮式转动维持了内摆线320与外摆线310的一个波瓣的接触，这可以提供最多90°的角范围，即，高达+/-45°。在腕部关节400中，基于具有更多波瓣的摆线的摆线表面是所希望的，这是由于凸起412、414、416和418的尺寸目标或限制以及在每个波瓣具有更小的角范围时的齿轮式运动过程中接触面处摩擦的减小。该运动范围典型地是对腕部机构的设计输入，并且在所定义的摆线中波瓣的数目和每个波瓣的角范围可能对于具体用途而言是优化腕部的问题。在一个实施例中，每个波瓣的大小（例如，该中央摆线表面）约为所要求的运动范围的一半，这提供了实用的且可生产的结构，并且当每个凸起从一个外摆线或内摆线中央表面平滑地过渡到该中央表面任一侧上的两个内摆线或外摆线表面时，22.5度的摆线（即，在整个外摆线或内摆线中有16个波瓣）很适合±45°ROM（运动范围）。凸起上的外摆线表面和内摆线表面遵循具有相同中心点和半径参数R和r的摆线的部分。为了提供互补的表面，凸起422包括中央内摆线表面，该表面平滑地过渡到两个外摆线表面，其中限定这些表面的所有摆线具有相同的中心点和相同的半径参数R和r。

凸起412、414、416、418、422、424、426和428上的每个摆线表面是这样的，即使得与腕部关节400的倾斜轴线平行的平面与该摆线表面沿一条直线相交，并且与该倾斜轴线垂直的平面与该摆线表面沿一条摆线曲线或如上所述的一系列摆线曲线相交。使用这种构型，腕部关节400提供了单一的运动自由度，例如圆盘410相对于圆盘420的倾斜角度。对于多关节的腕部机构，与凸起412、414、416和418类似的额外的凸起（未示出）可以被增加到圆盘410的背侧并且与相似于圆盘420或与圆盘420相同的圆盘上的多个凸起啮合。如果增加到圆盘410背面上的这些凸起是沿着与凸起412、414、416和418相同的圆盘410直径，则该额外的腕部关节可以提供比单个腕部关节400更大的倾斜范围。可替代地，如果在圆盘410背面上增加的凸起是沿着与凸起412、414、416和418所在的直径垂直的直径，则这对关节可以提供两个运动自由度，例如，俯仰和偏转。

腕部关节400以外摆线表面接触内摆线表面的方式工作，从而使得载荷表面中的至少一个（即，内摆线表面）是凹形的。这是所希望的，因为这些表面还支撑了压缩力，例如对铰接的腱451和452中的张力以及施加在含腕部关节400的器械上的外力作出反应。在不可接受地变形之前，这些凹形的表面一般可以经受住比凸形表面可以经受的更大的力。例如，如果使用圆形表面来抵靠彼此进行滚动并维持中心点之间的间隔，则两个接触面均是凸形的并且在施加负荷时可能更容易变平。变形可能损坏或压碎承载负荷的结构，特别是如果在腕部关节中使用如陶瓷等不太有弹性的材料的话。

腕部关节400的另一个希望的特征是凸起412、414、416和418以及422、424、426和428在具有中央外摆线表面和中央内摆线表面之间交替。凸起412和424以及426和428的较高部分可以互锁并且防止圆盘410相对于圆盘420沿该倾斜轴线的方向侧向地滑动。

图5A图示一种采用具有弯曲摆线表面的凸起513和517的构件或圆盘510。具体而言，凸起513的外边缘512（靠近圆盘510的圆周）是外摆线曲线，并且凸起513的内边缘514（靠近中心孔515）是内摆线。边缘512与514之间的弯曲表面包含将外摆线边缘512上的（多个）点连接到内摆线边缘514上的（多个）点的（多条）线，其具有相匹配的角度参数θ值，其中角度参数θ表示用来定义摆线曲线512或514的小圆的相对转动。凸起517类似地具有弯曲的表面，该弯曲表面从圆盘510的圆周处的外摆线曲线518过渡到中心孔515的边缘处的内摆线曲线516。

图5B示出了圆盘520，该圆盘具有凸起523和527，这些凸起具有沿圆盘520的直径对齐的弯曲表面，并且这些表面被设计用于在图5A的圆盘510的弯曲表面上进行齿轮式运动。凸起523上的弯曲表面从圆盘522的圆周处的内摆线曲线522平滑地过渡到穿过圆盘520的中心孔525的圆周处的外摆线曲线524。类似地，凸起527上的弯曲表面从圆盘522的圆周处的内摆线曲线522平滑地过渡到穿过圆盘520的中心孔525的圆周处的外摆线曲线524。圆盘520上的外部内摆线曲线522和528与圆盘510上的外部外摆线曲线512和518互补，并且圆盘520上的内部外摆线曲线524和526与圆盘510上的内部内摆线曲线514和516互补。

圆盘510在保持凸起513和517的弯曲表面与圆盘520上的凸起523和527相接触时可以在圆盘520上滚动，并且这些互补的摆线曲线约束圆盘510和520以圆形物体在彼此上滚动的相同方式的移动从而使圆盘510相对于圆盘520倾斜。此外，这些弯曲表面的相对边缘处接触点相对于齿轮式运动进行滑动的趋势彼此抵消并且共同维持齿轮式运动。同时，凸起513和517以及523和527的这些交替的较高部分可以抵抗沿倾斜轴线方向的圆盘510和520的滑动。与常规圆形表面的接触部分支撑压缩作用的能力相比，这些弯曲表面也可以提供更好的支撑压缩作用的能力。具体而言，这些弯曲表面具有被拐点分隔的（多个）凹形和凸形部分，并且两个互补的弯曲表面的接触部分包括：第一区域，其中第一弯曲表面的凸形表面与第二弯曲表面的凹形或扁平部分接触；第二区域，其中第一和第二表面的凸形部分彼此接触；以及第三区域，其中第一弯曲表面的凹形或扁平表面与第二弯曲表面的凸形部分接触。与凹形表面的接触可以改进腕部关节支撑压缩力的能力。

圆盘520具有两个凸起521（其中之一在图5B中可见），这些凸起在背侧上并且沿着与凸起523和527相同的直径定位。在所图示的实施例中，凸起521具有与凸起523和527的弯曲表面相同的弯曲表面，并且因此与图5A中的圆盘510上的凸起513和517的弯曲表面是互补的。使用具有的凸起513和517与圆盘520上的相应凸起523和527相接触的圆盘510以及具有的凸起513和517与圆盘520上的凸起521相接触的圆盘510的相同复制品可以形成一种三构件的腕部关节。这种三构件的结构将提供两个关节，二者均围绕同一方向轴线倾斜，并且该三构件的腕部机构可以比单一腕部关节提供更大的倾斜范围。

圆盘510还具有位于背侧上的两个凸起511（其中之一在图5A中可见），但是凸起511沿着与凸起513和517所沿直径相垂直的直径定位。在所图示的实施例中，凸起511具有与凸起513和517的弯曲表面相同的弯曲表面并且与圆盘520上的凸起523和527的弯曲表面互补。使用具有的凸起523和527与圆盘510上的相应凸起513和517相接触的构件520以及具有的凸起523和527与圆盘510上的凸起511相接触的构件520的相同复制品可以形成一种三构件的腕部关节。这种三构件的腕部机构作为U关节并且提供两个运动自由度，一个对应于围绕凸起513和517的布置所限定的轴线的倾斜并且另一个对应于围绕凸起511的布置所限定的轴线的倾斜。

图6A示出了类似圆盘510的构件610，其具有：对于第一倾斜轴线布置的第一对摆线表面612和614，以及对于与第一倾斜轴线垂直的第二倾斜轴线布置的第二对摆线表面616和618。在图示的实施例中，表面612、614、616和618各自是从外部外摆线曲线平滑过渡到内部内摆线曲线的弯曲表面。在可替代的实施例中，表面612、614、616和618中的任意表面都可以是从外部内摆线曲线过渡到内部外摆线曲线的弯曲表面、具有外摆线部分和内摆线部分的阶梯形/级形表面、外摆线表面或内摆线表面。构件610不同于圆盘510之处在于这些摆线表面不是在凸起上，而是被整合为大体鞍形形状，这样使得由摆线表面612、614、616和618所限定的两个垂直的倾斜轴线可以在更紧凑的结构或紧凑的万向关节（U关节）中提供。理想地，这些垂直的倾斜轴线在同一平面内交叉。交叉的倾斜轴线对于计算机控制系统可能是有利的，因为计算机模型可以提供用于描述具有交叉轴线的复合关节的控制和移动的正确解决方案。

图6B示出腕部机构600，其包括图6A中图示类型的三个构件610。构件610具有的摆线表面与插入式构件621和622或末端构件630和633的互补的摆线表面相接合。构件621和622总体上与图5B的构件520相似，但每个构件621或622上具有摆线表面的凸起从该构件的圆周向内偏置，从而允许构件621和622在这些凸起外部的环形区域中具有用于腱的引导孔。每个末端构件630或633的一侧上具有与构件621和622的凸起相同的凸起，并且其相反一侧适于连接到器械（未示出）的主要导管或延长构件640上。构件610的大小被设计为配合在腱的环内并且与构件621、622、630或633上的凸起相接合而不妨碍这些腱。主要导管或延长构件640可以直接或间接附连到控制腱651、652和653的驱动机构（未示出）。

腱651，延伸穿过主要导管640和末端构件640而附连到构件621，控制包括末端构件640、鞍形构件610和插入式构件621的三构件的腕部关节。这种三构件的腕部关节提供两个自由度用于使构件621倾斜，该构件可以使用至少三个腱651来致动。三个腱652延伸穿过主要导管640、末端构件630和构件621而附连到构件622，并且可以用来控制包括构件621、610和622的三构件的U关节。三个腱653延伸穿过主要导管640、末端构件630、构件621和构件622而附连到末端构件633，并且可以类似地控制包括构件622、610和633的三构件的U关节。因此腕部机构600采用九个腱来控制三个U关节，这允许对腕部结构600的形状和末端构件633的取向进行复杂的操纵。图6B示出了一种配置，其中腕部机构600提供简单的90°弯曲。在一个实施例中，机构600的一部分（包括顶部的两个鞍状物610）形成2个自由度+/-90度的腕部。剩余的鞍状物610是位于该延长构件640的任意侧上的一对肘部关节中的顶部肘部关节的一部分。每个肘部具有+/-45度的运动范围，并且当该延长构件640是“榫关节（joggle joint）”的一部分时，这两个肘部被构建为保持与主要导管平行，如在2007年6月13日提交的标题为“具有平行运动机构的手术器械（Surgical Instrument withParallel Motion Mechanism）”的美国专利申请US 2008/0065102 A1中所描述的。这些具有摆线的构件在机构600中被用来产生完全的六自由度以便在x、y、z和滚动、俯仰、偏转上定位附接到末端633的工具。

用于使腕部关节中的构件倾斜的两个自由度可以使用具有载荷摆线表面的两个构件的结构来实现。例如，图7示出一种包括两个构件或圆盘710和720的腕部关节700。圆盘710具有带有摆线表面714的凸起712。摆线表面714具有中央部分，该中央部分对应于外摆线曲线围绕中心线转动所扫过的表面。圆盘720具有带有摆线表面724的凸起722，该摆线表面724与摆线表面714互补。具体而言，至少摆线表面724的中心部分对应于内摆线曲线在围绕中心线转动时所扫过的表面，并且用来限定至少表面724的中央部分的内摆线曲线与用来限定表面714的中央部分的外摆线曲线是互补的。更普遍地，为了容纳更大的运动范围，用来限定旋转表面714和724的曲线可以包括内摆线或外摆线的两个部分之间的部分外摆线或内摆线，其中所有这些摆线具有相同的中心和半径参数R和r。互补的摆线表面714和724并不限于沿一个方向滚动而是提供用于构件710相对于构件720的倾斜的两个自由度。因此可以使用三个腱730来控制构件710相对于构件720的俯仰和偏转。

以上描述的腕部关节可以使用摆线表面来支撑负荷、保持参照点之间的间隔并且确保齿轮式运动。然而，根据本发明的另外方面，具有载荷摆线表面的腕部关节也可以使用齿轮装置来确保齿轮式运动并且改进腕部关节对围绕腕部滚动轴的扭矩（滚动扭矩）的抵抗力。图8示出一种多关节的腕部机构800，其采用齿轮装置来在使用载荷摆线表面的每个关节中确保1:1的齿轮式运动。腕部机构800包括（多个）带齿的末端构件820、（多个）带槽构件830、（多个）带齿的中间构件840以及延伸段850。

末端构件820的一侧的形状被设计为固定连接到另一结构，诸如延伸段850、主要导管（未示出）或工具（未示出，例如手术末端执行器）。图9A、9B、9C和9D更详细地图示带齿的末端构件820的实施例。具体而言，图9A是带齿的末端构件820的侧视图，其示出齿轮齿822的轮廓。如图9B的顶视图中所示，末端构件820具有位于构件820的圆周上的相对的点处的两个齿822。图9B也示出凸起824，这些凸起824具有从齿822向内定位并且与穿过构件820的中心孔825相邻的载荷摆线表面。穿过构件820的（多个）孔823提供对腱的引导。截面线C-C和D-D示出了图9C和9D中图示的构件820的截面图的相关取向。图9C示出构件820的截面，其图示齿822和（多个）凸起824是如何沿直径或构件820对齐的。摆线表面遵循中心点对齐的（多个）部分摆线并且对包括构件820的腕部结构限定倾斜轴线的方向。图9D是示出截面，其提供凸起824的摆线表面的视图。在所图示的实施例中，多个凸起824上的这些摆线表面包括中央内摆线表面，但可以替代地使用其他类型的摆线、阶梯形或弯曲的表面。齿822并不承载关节上的压缩负荷的重要部分，并且被用于确保相邻圆盘的齿轮式运动并且抵抗滚动扭矩。齿822可以是摆线销钉齿轮的一部分并且具有与图2中所绘相似的摆线齿轮齿的形状。可替代地，齿822的形状可以与渐开线齿轮的齿相同，只要接合齿822的凹口是对应形状的。在所图示的实施例中仅仅一个齿是必须的，因为关节运动范围是+/-45度，但是可以替代地使用更大的齿轮部分来确保这些构件的齿轮式运动。

图10A、10B、10C和10D示出带槽构件830的实施例的细节，该构件被设计成接合末端构件820从而形成腕部关节。图10A是带槽构件830的侧视图。构件830的底表面具有多个凸起832，这些凸起832具有的摆线表面与末端构件820上的凸起824的摆线表面互补。图10D示出，在所图示的实施例中（多个）底部凸起835具有中央外摆线部分。凸起834的摆线表面遵循中心对齐的（多个）部分摆线并且对于用接触到底部凸起834的构件所产生的腕部关节限定第一倾斜轴线。构件830还包括朝构件830的底部开放并且被定位且成形为与构件820上的齿822接合的（多个）凹口或槽842。（可替代地，构件830可以包括与构件820中的凹口相接合的齿。）图10B中所示的每个构件830的顶面还包括（多个）槽836和凸起838。图10A和10C所示的凸起838具有带有中央内摆线部分的摆线表面，在所图示的实施例中与构件820的凸起824相同。然而，（多个）凸起838的摆线表面是中心对齐的（多个）部分摆线，从而限定了与底部凸起834所限定的第一倾斜轴线垂直的第二倾斜轴线。因此，构件830可以用作U关节中的中心构件。图10B还示出构件830包括用于器械中的中央内腔的中心孔835以及用于多个腱的（多个）引导孔833。

图11A、11B、11C和11D示出带齿的中间构件840的实施例的细节。每个带齿的中间构件840具有顶面和底面，二者均与末端构件820的顶面基本上相同。图11A示出构件侧视图并且图示说明顶部齿842和底部齿846的轮廓，它们与齿822一样被设计形状和定位以接合带槽构件830中的槽832或834。（可替代地，构件830可以包括与构件840中的凹口相接合的齿。）图11B是构件840的顶视图，示出齿842、引导孔843、凸起844以及中心孔845的相对位置。构件840的底面具有齿846和凸起848相对于引导孔843和中心孔845的类似布置。如图11C中所示，凸起844和齿842在与齿846和凸起848相同的构件840直径上对齐。凸起844和848具有的摆线表面被对齐从而对于倾斜轴线限定相同的方向。然而，如图11D中可见，在所图示的实施例中，凸起844的这些摆线表面具有内摆线中心部分，而凸起848具有互补的外摆线中心部分。

图8的多关节的腕部机构800图示说明在腱停靠的腕部机构中使用构件820、830和840的一种配置。在腕部机构800的左边开始，可以使用末端构件820作为底座用于附接医疗器械中的工具。末端构件820具有（多个）齿822和（多个）凸起824，这些齿和凸起接合带槽构件830的（多个）底部槽832和（多个）底部凸起834。带槽构件830具有（多个）顶部槽836和（多个）凸起838，这些槽和凸起接合中间的带齿构件840的（多个）底部齿846和（多个）底部凸起。由于顶部槽836和凸起838在构件830内相对于底部槽832和凸起834的90°转动，前三个构件820、830和840形成U关节。接合在槽832和836中的齿822和846对趋向于扭绞该U关节的扭矩产生抵抗。穿过构件820和830的三个腱（未示出）可以附连到构件840并且控制在构件840相对于构件820倾斜过程中的两个自由度。具体而言，当这些腱以净扭矩围绕带槽构件830的顶部凸起838所限定的倾斜轴线推动构件840时，构件840的底部齿846接合构件838的顶部槽836，从而致使构件840和830以1:1的齿轮比进行齿轮式运动，以便围绕该倾斜轴线转动。当这些腱以净扭矩围绕该带槽构件830的底部凸起834所限定的倾斜轴线来推动构件840时，齿846和凸起848与槽836和凸起838的互锁作用防止了响应于该净扭矩的相对移动，这样使得构件840和830响应于所施加的扭矩而作为一个单元进行移动。构件830的槽832接合构件820的齿822，从而致使构件840和830相对于构件820以1:1的齿轮比进行齿轮式运动，以便围绕多个凸起834所限定的倾斜轴线转动。

类似地在腕部结构800中在延伸段850的左边提供三个U关节。这些U关节中的每一个对应于夹在构件820或840之间的构件830。延伸段850耦连到末端构件820，以便响应于末端构件820的角移动范围而提供较大空间范围的运动。由两个末端构件820之间的带槽构件830构成的最终的U关节可以在使用延伸段850实现的大运动范围的终点处提供另外的角度和位置控制。图8还示出了（多个）引导件855，其引导（多个）腱穿过延伸段850，以便控制最终的U关节或附接到该最终的末端构件820的工具。

包括较大的齿822的结构（诸如机构800）的优点是能够支持较大的滚动扭矩。弯曲的摆线表面（诸如用于图6的机构600中的表面）可以经受住在使用具有约5mm直径的器械进行的光手术任务（诸如激光切割或抽吸冲洗）过程中所遇到的扭矩。然而，具有施加更大抓握力的工具的手术任务趋向于产生更高的扭矩，这些扭矩可以更好地由机构800中的齿822支撑，特别是在约5mm或更小的小器械直径时。使用载荷摆线表面（如在图6中）而无齿轮结构（如在图8中）的相对优势是，消除这些齿允许更大的区域用于载荷表面，从而允许紧凑的关节来支撑更大的负荷。

如以上说明的本发明的实施例提供超过许多现有腕部机构的多个优点。例如，凹形表面可以提供小的接触应力，这允许在运动链中有更多关节或允许对于更刚性的关节有更高负荷。另外，所公开的实施例可以在可能比销钉型关节有可能做到的更紧凑的结构中以固定的间隔实现齿轮式运动，从而允许更多空间用于腕部中的内腔。关节的紧凑性质允许在适用于手术机器人的空间中进行交叉轴（U关节）类型的设计。这也可以降低工具的总长度和/或增大器械的运动范围。这种U关节布置还产生对称的工作空间，这可以是控制系统和外科医生培训方面中的优点。将这些曲线混合在一起（从ID到OD）产生了一种抵抗（由于成角度的接触而产生的）滑脱和平移的关节。而且，这些特征的紧凑的尺寸允许背靠背地使用多组关节以抵抗滑脱和平移。使用混合的或未混合的摆线表面构成的U关节可以带有交叉的倾斜轴线（用于紧凑结构）或带有堆叠的结构（为更大的中央内腔提供更大区域）。

图12示出了能够使用包含例如上述腕部机构的医疗器械的机器人控制系统1200的例子。系统1200（可以是例如从直观外科手术公司（Intuitive Surgical,Inc.）购买的da手术系统）包括多个医疗器械1210，每个都安装在机器人操纵臂1230上的对接端口1220上。器械1210可以是可互换的，从而使得安装在对接端口1220上的器械1210可以被选择用于特定的医疗程序或在医疗程序过程中改变以便提供所需要的临床功能。每个器械1210一般包括末端执行器1212、主要导管1214和后端机构1216。器械1210的末端执行器1212包括工具，如镊子或抓钳、针驱动器、解剖刀、烧灼器或剪刀，并且机械腕部机构可以被结合到末端执行器1212中以操纵这些工具。可替代地，上述腕部机构可以用于主要导管1214中。在使用中，可以将一个或更多个末端执行器1212和主要导管1214的远侧部分插入穿过一个或更多个小切口或天然孔口以便将末端执行器1212定位在病人体内的工作部位。对接端口1220一般包括驱动电机，其对于操纵多个从后端机构1216延伸穿过主要导管1214并且连接到腕部机构和器械1210中的工具的腱提供机械动力。计算机系统1250执行按照需要控制这些驱动电机的软件，以便按照使用系统1200执行医疗程序的外科医生或其他医务人员的指示操纵器械1210。

虽然已经参照具体的实施例描述本发明，但这种描述仅是本发明的应用的示例并且不应被视为限制。对所披露的实施例的特征的不同改编和组合都落入如权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (27)

1.一种器械腕部，其包括：

具有第一摆线表面的第一构件；

具有与所述第一摆线表面相接触的第二摆线表面的第二构件，其中通过所述第一和第二摆线表面的接触而承载所述第一和第二构件上的压缩力，并且所述第一和第二摆线表面之一在所述第一和第二表面接触之处是凹形的；和

第一腱，所述第一腱被连接以用于对所述第一和第二构件之一施加力，其中所述第一和第二构件被布置为响应于通过所述第一腱施加的力而进行齿轮式运动。

2.如权利要求1所述的腕部，其中所述第一摆线表面具有遵循外摆线曲线的部分，该遵循外摆线曲线的部分接触所述第二摆线表面的遵循内摆线曲线的部分。

3.如权利要求2所述的腕部，其中所述第一构件进一步包括第三摆线表面，该第三摆线表面具有遵循内摆线曲线的部分，并且所述第二构件包括第四摆线表面，该第四摆线表面与该第三摆线表面相接触并且遵循外摆线曲线。

4.如权利要求3所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四摆线表面被布置为使得该第一和第二摆线表面响应于施加到所述第一和第二构件之一的力而相对于齿轮式运动进行滑动的趋势被所述第三和第四摆线表面响应于所述力而相对于齿轮式运动进行滑动的相反趋势所平衡。

5.如权利要求3所述的腕部，其中所述第一和第三摆线表面位于沿着所述第一构件的直径并且在该直径的中心的同侧上。

6.如权利要求3所述的腕部，其中所述第一和第三摆线表面位于沿着该第一构件的直径并且在该直径的中心的相反两侧上。

7.如权利要求1所述的腕部，其中所述第一摆线表面从第一外摆线的一部分平滑地过渡至第一内摆线的一部分。

8.如权利要求7所述的腕部，其中所述第二摆线表面从第二内摆线的一部分平滑地过渡至第二外摆线的一部分。

9.如权利要求8所述的腕部，其中：

在所述第一外摆线与所述第二内摆线接触的位置，所述第一和第二构件具有响应于在所述第一和第二构件之一上施加的力而相对于齿轮式运动进行滑动的第一趋势；

在所述第一内摆线与所述第二外摆线接触的位置，所述第一和第二构件具有响应于所述力而相对于所述齿轮式运动进行滑动的第二趋势；和

所述第二趋势与所述第一趋势相反。

10.如权利要求7所述的腕部，其中所述第一构件进一步包括第三摆线表面，所述第三摆线表面从外摆线的一部分平滑地过渡至内摆线的一部分，其中所述第一和第三表面位于沿着该第一构件的直径并且是在该直径的中心的相反两侧上。

11.如权利要求1所述的腕部，其中：

所述第一构件进一步包括第一齿轮结构；

所述第二构件进一步包括第二齿轮结构；并且

当所述第一表面与所述第二表面接触时，所述第一齿轮结构与所述第二齿轮结构啮合并且提供所述第一构件与第二构件1:1的旋转比率。

12.如权利要求11所述的腕部，其中：

所述第一齿轮结构包括齿；并且

所述第二齿轮结构包括在所述第二构件中的槽。

13.如权利要求1所述的腕部，其中所述第一摆线表面包括遵循外摆线表面的第一部分和遵循内摆线的第二部分。

14.如权利要求1所述的腕部，其中所述第一摆线表面包括遵循外摆线和内摆线中一个的中央部分以及遵循外摆线和内摆线中另一个的两个外部部分。

15.如权利要求1所述的腕部，其中所述第一摆线包含形状被设计为围绕该腕部的中心轴线旋转的外摆线的中央部分。

16.如权利要求15所述的腕部，其中所述第二摆线表面具有形状被设计为围绕该腕部的中心轴线旋转的内摆线的中央部分。

17.如权利要求1所述的腕部，其中：

所述第一摆线表面是从所述第一构件的本体延伸的突出部的表面；并且

所述第二摆线表面是从所述第二构件的本体延伸的突出部的表面。

18.如权利要求1所述的腕部，其中所述第二构件包括第三摆线表面，该第三摆线表面位于所述第二构件与所述第二摆线表面相反的一侧，并且所述腕部进一步包括第三构件，所述第三构件具有与所述第三摆线表面相接触的第四摆线表面。

19.如权利要求18所述的腕部，其中：

所述第一与第二摆线表面的接触限制所述第一构件相对于所述第二构件围绕第一倾斜轴线转动的运动；并且

所述第三与第四摆线表面的接触限制所述第三构件相对于所述第二构件围绕所述第一倾斜轴线转动的运动。

20.如权利要求18所述的腕部，其中：

所述第一与第二摆线表面的接触限制所述第一构件相对于所述第二构件围绕第一倾斜轴线转动的运动；并且

所述第三与第四摆线表面的接触限制所述第三构件相对于所述第二构件围绕第二倾斜轴线转动的运动，所述第二倾斜轴线与所述第一倾斜轴线垂直。

21.如权利要求18所述的腕部，其中所述第二构件是鞍形的。

22.如权利要求21所述的腕部，其中所述第二和第三摆线表面被定位在所述第二构件上，从而在相同平面内与所述腕部的运动轴线交叉。

23.如权利要求18所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四摆线表面中的每一个包括混合的摆线表面。

24.如权利要求18所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四摆线表面中的每一个包括阶梯形摆线表面。

25.如权利要求18所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四摆线表面中的每一个使得与所述腕部的倾斜轴线平行的平面与该摆线表面沿一条直线相交。

26.如权利要求1所述的腕部，其中所述齿轮式运动在与所述第一和第二摆线表面的中心相对应的参照点之间保持间隔。

27.如权利要求26所述的腕部，进一步包括第二腱，所述第二腱被连接以用于对所述第一和第二构件之一施加力，其中通过所述第二腱施加的力导致所述第一和第二构件在与通过所述第一腱施加的力导致的齿轮式运动相反方向上的齿轮式运动。