CN106687050B

CN106687050B - 具有两个自由度的交叉圆筒腕机构

Info

Publication number: CN106687050B
Application number: CN201580048719.5A
Authority: CN
Inventors: B·D·詹森; L·L·豪威尔; S·P·美格乐比; B·埃德蒙森; J·坦内; C·格雷姆斯
Original assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: EP3171787B1; US20190192248A1; US11007028B2; US10390898B2; EP3171787A1; US20160022365A1; EP3171787A4; CN106687050A; WO2016014694A1

Abstract

根据一方面，一种装置可以包括第一构件、第二构件以及设置在第一构件和第二构件之间的腕机构。该腕机构可以包括耦连到该第一构件的第一圆筒部分以及耦连到该第二构件的第二圆筒部分。该第一圆筒部分可以与该第二圆筒部分可滚动地接合，使得该第一圆筒部分相对于该第二圆筒部分的运动被配置成使该第一构件相对于该第二构件在至少两个方向上移动。该第二圆筒部分可以相对于该第一圆筒部分定位，使得该第二圆筒部分的纵向轴线与该第一圆筒部分的纵向轴线正交。

Description

具有两个自由度的交叉圆筒腕机构

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年7月22日提交的题为“具有两个自由度的交叉圆筒腕机构”的美国专利申请No.62/027,508的优先权和权益，该申请通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及具有两个自由度的交叉圆筒腕机构的装置及其制造方法，特别是具有两个自由度的腕机构的外科手术装置。

背景技术

微创外科手术(MIS)是一个不断发展的领域，包括腹腔镜手术和机器人手术。外科医生和工程师正在不断努力减轻程序对患者的负面影响。减小外科器械的尺寸是努力追求的一种有效方法。在一些示例中，外科器械可以包括腕机构。而且，诸如机器人的其他领域可以使用腕机构。例如，腕机构通常广泛用于各种抓握操作、切割操作和操纵操作。在一些示例中，腕机构可以允许控制工具相对于安装轴的角度。通常，该腕机构被放置在该轴的端部、在该工具(例如，切割器或抓紧器)的前面，以改善该工具的灵巧性。在一些常规示例中，该腕机构可以是允许工具相对于轴以两个自由度进行移动的一个或多个铰链。然而，在一些示例中，由于这两个自由度的旋转中心之间的距离，这些常规腕机构可能在它们移动时产生大的扫过体积。而且，由于制造约束以及小尺度下摩擦的重要性增加，制造相对容易制造和组装的小尺度腕机构可能是具有挑战性的。

发明内容

在一些示例中，该装置可以包括以下特征中的一个或更多个(或其任何组合)。该第一圆筒部分和该第二圆筒部分中的每一个可以限定圆润表面部分，并且该圆润表面部分可以限定多个齿轮齿。该多个齿轮齿中的每个齿轮齿可以包括第一齿轮轮廓和第二齿轮轮廓，其中该第二齿轮轮廓与该第一齿轮轮廓不同。该多个齿轮齿可以被布置成多排齿轮齿，多排齿轮齿包括第一排齿轮齿和第二排齿轮齿，其中第二排齿轮齿与第一排齿轮齿交错。该腕机构可以包括联接构件，该联接构件被配置成将该第一圆筒部分耦连到该第二圆筒部分，以保持该第一圆筒部分与该第二圆筒部分接触但允许该第一圆筒部分相对于该第二圆筒部分滚动。该联接构件可以包括耦连到该第一圆筒部分的多个激活构件。该第一构件可以包括工具构件，并且该第二构件可以包括轴。该第一圆筒部分的纵向轴线与该第二圆筒部分的纵向轴线之间的距离可以在1-5毫米的范围内。该第一圆筒部分可以被配置成在平行于该第二圆筒部分的纵向轴线的方向上移动，并且在围绕该第二圆筒部分的纵向轴线的方向上移动。该第一圆筒部分可以被配置为围绕该第一圆筒部分的纵向轴线滚动，使得该第一圆筒部分在平行于该第二圆筒部分的纵向轴线的方向上沿着该第二圆筒部分的表面长度的至少一部分移动，并且该第一圆筒部分可以被配置成沿着该第二圆筒部分的表面圆弧移动，使得该第一圆筒部分围绕该第二圆筒部分的纵向轴线移动。该至少两个方向可以包括第一方向和第二方向，该第二方向与第一方向正交。该第一圆筒部分和该第二圆筒部分中的每一个可以包括多个堆叠的碳纳米管复合片材。该腕机构可以具有4毫米或小于4毫米的直径。

根据一方面，一种医疗装置可以包括工具构件、轴以及设置在该工具构件和该轴之间的腕机构。该腕机构可以包括耦连到该轴的第一圆筒部分以及耦连到该工具构件的第二圆筒部分。该第二圆筒部分可以相对于该第一圆筒部分定位，使得该第二圆筒部分的纵向轴线与该第一圆筒部分的纵向轴线正交。该第一圆筒部分和该第二圆筒部分中的每一个可以限定圆润表面部分，并且该圆润表面部分可以限定多排齿轮齿。

该医疗装置可以包括以上特征或以下特征中的一个或多个(或其任何组合)。该第二圆筒部分可以限定没有齿轮齿的平台。该医疗装置可以包括耦连到该平台的角部分的多个致动构件。当力施加到该多个致动构件中的一个或多个时，该工具构件可以被配置成在至少两个方向上移动。该多排齿轮齿可以包括第一排齿轮齿、与该第一排齿轮齿相邻的第二排齿轮齿以及与该第二排齿轮齿相邻的第三排齿轮齿，其中该第二排的齿轮齿偏离该第一排的齿轮齿，并且该第一排的齿轮齿与该第三排的齿轮齿对准。该多排齿轮齿中的每个齿轮齿可以包括渐开线轮廓和齿条轮廓。

根据一方面，腕机构可以包括第一圆筒部分以及可滚动地与该第一圆筒部分接合的第二圆筒部分。该第一圆筒部分和该第二圆筒部分中的每一个可以限定圆润表面部分，并且该圆润表面部分可以限定多排齿轮齿。该多排齿轮齿可以包括第一排齿轮齿以及与该第一排齿轮齿相邻的第二排齿轮齿，其中该第二排的齿轮齿偏离该第一排的齿轮齿。

在一些示例中，该腕机构可以包括以上特征或以下特征(或其任何组合)。该多排齿轮齿中的每个齿轮齿可以包括渐开线轮廓和齿条轮廓。该第二圆筒部分可以相对于该第一圆筒部分定位，使得该第二圆筒部分的纵向轴线与该第一圆筒部分的纵向轴线正交。

附图说明

图1示出了根据一方面的具有两个自由度的交叉圆筒腕机构的装置。

图2示出了根据一方面的交叉圆筒腕机构。

图3A示出了根据一方面的齿轮齿在轴向方向上的横截面。

图3B示出了根据一方面的齿轮齿在径向方向上的横截面。

图4A示出了根据一方面的相对于彼此具有0°角度的圆筒部分。

图4B示出了根据一方面的相对于彼此具有90°角度的圆筒部分。

图4C示出了根据一方面的相对于彼此具有45°角度的圆筒部分。

图5A示出了根据一方面的具有齿轮齿和被配置成接收对准销的开口的单片材料。

图5B示出了根据一方面的具有处于堆叠构造的多个片材的已组装的圆筒部分的透视图。

图5C示出了根据一方面的具有处于堆叠构造的多个片材的已组装的圆筒部分的另一个透视图。

图5D示出了描绘根据一方面的处于交叉圆筒构造的圆筒部分的已组装的腕机构。

图6示出了根据一方面的交叉圆筒腕机构。

图7A示出了根据一方面的圆筒部分的渐开线轮廓。

图7B示出了根据一方面的圆筒部分的齿条轮廓。

图8示出了根据一方面的用于描述腕机构的运动学的圆筒部分和向量的示例。

图9示出根据一方面的腕机构的平面图。

图10示出了根据另一方面的腕机构的平面图。

图11示出了根据一方面的由点追踪的腕机构的表面的曲线图。

图12示出根据一方面的由另一点追踪的腕机构的表面的曲线图。

图13示出了描绘根据一方面的腕机构的机械效益的曲线图。

图14示出了描绘根据另一方面的腕机构的机械效益的曲线图。

图15示出了根据一方面的腕机构上的随动力。

图16示出了根据另一方面的腕机构上的随动力。

图17示出了根据一方面的腕机构上的三维中的输入力和输出力的位置。

图18示出了根据一方面的施加到腕机构的第一力的曲线图。

图19示出了根据一方面的施加到腕机构的第二力的曲线图。

图20示出了根据一方面的施加到腕机构的第二力的曲线图。

图21示出了根据一方面的能够施加到齿轮齿的在压缩方面的最大负载的曲线图。

图22示出了根据一方面的能够施加到齿轮齿的在弯曲方面的最大负载的曲线图。

具体实施方式

本文公开了详细的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例，可以用各种形式来体现这些实施例。因此，本文公开的具体结构性和功能性细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为权利要求书的基础并且作为教导本领域技术人员以实际上任何适当的详细结构多样地使用这些实施例的代表性基础。此外，本文使用的术语和短语并非意在限制，而是提供本发明的可理解的描述。

在此使用的术语“一”或“一个”被定义为一个或多于一个。在此使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多。在此使用的术语“包含”和/或“具有”被定义为包括(即，开放式转换)。本文所使用的术语“耦连”或“可移动地耦连”被定义为连接，尽管不一定是直接机械连接。

术语患者此后可以用于受益于本申请中公开的医疗装置或方法的人。例如，患者可以是通过本发明公开的医疗装置或方法对其身体进行操作的人。例如，在一些方面，患者可以是人类女性、人类男性或任何其他哺乳动物。

在本申请的后续文本中讨论的关于各种装置、设备和部件所描述的术语近侧和远侧是用参考点来参照的。在本说明书中使用的参考点是操作者的视角。操作者可以是可以执行程序并操作如本发明中描述的医疗装置的人，诸如外科医生、内科医生、护士、医生、技术人员等，或者操作者可以是同样操作该医疗装置的远程操作或机器人操纵器技术。术语近侧是指在外科手术程序期间更靠近或最靠近操作者的区域或部分。术语远侧是指离操作者较远或最远的区域或部分。

本文所讨论的装置提供了二自由度(2-DOF)腕机构，该腕机构具有第一圆筒部分，该第一圆筒部分可滚动地或可旋转地与第二圆筒部分接合，使得该第一圆筒部分相对于该第二圆筒部分在第一方向上滚动和/或使得该第二圆筒部相对于该第一圆筒部在与该第一方向不同的第二方向上滚动。在一些示例中，该第一圆筒部分和该第二圆筒部分可以相对于彼此滚动或旋转，使得它们直接接合(positively engage)并且没有滑动(或基本上没有滑动)。在一些示例中，该第一圆筒部分和第二圆筒部分中的每一个都是直圆筒的一部分(例如，一半)，并且该第一圆筒部分和第二圆筒部分中的每一个都具有相关联的沿着该圆筒部分的(端部之间)的长度定义的纵向轴线。这两个一半的圆筒可以按该第一圆筒部分的纵向轴线与该第二圆筒部分的纵向轴线正交的方式彼此接触，从而产生交叉圆筒腕机构。

在一些示例中，该第一圆筒部分在空间中保持静止(例如，该第一圆筒部分耦连到固定支撑件，诸如外科器械轴)，而该第二圆筒部分相对于该第一圆筒部分以两种方式移动。第一种，该第二圆筒部分可以通过围绕其自身的纵向轴线滚动而移动，使得该第二圆筒部分在平行于该第一圆筒的纵向轴线的方向上沿着该第一圆筒的表面长度移动。第二种，该第二圆筒部分可以沿着该第一圆筒部分的圆形表面圆弧运动，使得该第二圆筒部分围绕该第一圆筒的纵向轴线运动(轨道运动)。在其他示例中，该第一圆筒部分和该第二圆筒部分都相对于彼此自由移动，并且因此每个圆筒部分可以相对于另一个圆筒部分以这两种方式移动。从这些示例中可以看出，这两个圆筒部分一起作用以形成二自由度旋转接头，使得耦连到该第二圆筒部分的对象的取向可以相对于耦连到该第一圆筒部分的对象以两个旋转自由度改变。在一些示例中，该交叉圆筒腕机构能够在这两个方向(2-DOF)中的任一个方向上旋转达到90°(例如，该第一圆筒部分可以沿着该第二圆筒部分的轴线并围绕该第二圆筒部分的周边旋转达到90°)。

该交叉圆筒腕机构可以改善小尺度工具(包括切割器、抓紧器以及其他机器人工具)的灵巧性和操作。在一些示例中，该腕机构可以包括联接构件，该联接构件被配置成将该第一圆筒部分耦连到该第二圆筒部分，以便将这些圆筒部分保持在一起但允许该第一圆筒部分相对于该第二圆筒部分(和/或相反亦然)滚动。在一些示例中，联接构件可以包括金属线或缆线。而且，金属线或缆线可以作为致动器机构来操作，以允许该操作者控制这些圆筒部分的运动。在一些示例中，四根缆线被附接到该第二圆筒部分的平台，并且施加到这些缆线中的一个或更多缆线的力使得该第二圆筒部分在至少两个方向上滚动或旋转。

在一些示例中，这些圆筒部分的运动可以被限制在两个方向上(例如，第一方向以及与该第一方向正交的第二方向)。例如，为了限制这些圆筒部分的运动，可以将齿轮齿设置在这些圆筒部分的外表面上，以允许仅在第一方向和第二方向上的滚动运动。在其他示例中，这些圆筒部分的滚动运动不限于两个方向，而是可以在多于两个方向上滚动。

该腕机构可以是小尺度腕机构。例如，该小尺度腕机构可以具有大约1-5mm的尺寸(例如，作为整体的腕机构的直径，或者这两个圆筒部分的纵向轴线之间的距离大约是1-5mm，因此该腕机构可以有效地用于微创外科手术)。在一些示例中，该腕机构基本上可以是大约3mm。在一些示例中，该腕机构基本上可以是大约4mm。例如，当器械直径接近5mm(或更小)时，它们达到了进入切口可以足够小从而使得患者不留下疤痕的阈值。这种尺度的腹腔镜器械存在，但通常缺乏腕机构(或腕关节)并且仅具有一个自由度。机器人外科器械可以实现高水平的灵巧性，但通常需要更大的直径(例如，直径大于5mm)。通常，较小直径的机器人器械采用可被称为“蛇形腕”架构的架构，其包括一个连续弯曲部、多个单独弯曲部或具有平行旋转轴线和有限的单独接头运动范围的多个旋转或滚动接头。蛇形腕架构中的多个接头或弯曲部组合以给出大的整体运动范围，但这通常还导致大的扫过体积。

腕机构的设计可以提供最小的摩擦或接触部，这样可导致相对低的摩擦并同时防止滑动。在一些示例中，这些圆筒部分的表面可以安装有传动装置，该传动装置使得该接头的两个圆筒部分能够在两个方向上滚动而同时防止滑动。例如，可以沿着这些圆筒部分的曲度使用渐开线齿轮轮廓，并且可以沿着这些圆筒部分的轴线使用齿条轮廓。在渐开线齿轮中，这些齿的轮廓是一圈渐开线。这圈渐开线是由从称为基圆的固定圆展开自身的假想绷紧线的端部进行追踪的螺旋曲线。不管齿轮是正齿轮(spur gear)还是螺旋齿轮，在这些渐开线齿轮的每个平面中，一对齿轮齿之间的接触发生在同一螺旋方向的两个渐开线相遇的单个瞬时点处。该齿轮的旋转导致接触点的位置移过相应的齿表面。

另外，每隔一排传动装置可以偏离该渐开线传动装置的齿距(例如，弧线节距(circular pitch))的一半，以增加在任何时刻接合的齿轮齿的数量。关于图2、图3A到图3B和图7A到图7B更详细地讨论了这个概念。在这些圆筒部分之间可能存在很小的摩擦，因为它们以相对小的相对运动彼此滚动。粘合(binding)(在许多小尺度设计中由摩擦引起的限制因素)通过这种滚动运动而衰减。而且，这些圆筒部分之间的低摩擦可以消除(例如，减少、基本上消除)对施加到该腕机构的任何类型的润滑剂的需要。这些圆筒部分之间的传动装置可以确保有效地没有滑动(或基本上没有滑动)，导致了直接接合(positiveengagement)设计。因此，在输入运动或力和所得到的输出运动或力之间存在可预测的关系。

在一些示例中，该小尺度腕机构可以使用碳纳米管复合材料片材来制造。例如，小尺度腕机构可以包括碳纳米管复合材料的堆叠片材，其中每个片材都被光刻图案化。在一些实例中，使用光刻法单独地图案化每个片材。为了组装该小尺度腕机构，可以根据堆叠构造来堆叠碳纳米管复合材料的片材。在一些示例中，该小尺度腕机构可以使用微激光烧结(MLS)或其他附加的制造方法来制造。

在其他示例中，该腕机构可以是大尺度腕机构(例如，太大了从而使得其尺寸在患者体内不可用，但可用于身体外部的医疗装置接头或用于其他大型装置中的接头)。在一些示例中，该大尺度腕机构可以使用FDM 3D打印技术来制造。参考附图进一步解释这些特征和其它特征。

图1示出了根据一方面的具有2DOF能力的交叉圆筒腕机构104的装置100。

在一些示例中，装置100可以是在外科手术程序期间使用的外科装置。在一些示例中，装置100可以用在微创外科手术(MIS)或腹腔镜外科手术中。装置100可以包括轴106和工具构件102(例如，外科末端执行器)，其中腕机构104被设置在轴106和工具构件102之间并且耦连到轴106和工具构件102。轴106可以是细长的圆形横截面结构，诸如圆形横截面的管。在其他示例中，轴106可以具有一个或更多个非圆形横截面部分。轴106可以包括被配置成由装置100的操作者抓握的手柄。

工具构件102可以是用于外科手术程序的任何类型的工具。在一些示例中，工具构件102可以是切割器或剪刀。在一些示例中，工具构件102可以是被配置成抓握或耦连另一个部件的抓紧器或联接构件。在其他示例中，工具构件102可以执行其他已知的外科功能，诸如融合或吻合组织、施放夹具、烧灼组织以及对组织成像。在其他示例中，具有腕机构104的装置100可以是插入患者体内的植入物。在一些示例中，装置100可以将两个主体部件(例如，第一构件、第二构件)与腕机构104耦连，以便提供各种运动范围。例如，该第一构件可以是能够耦连到第一圆筒部分103的任何类型的结构部件，并且该第二构件可以是能够耦连到第二圆筒部分105的任何类型的结构部件。在一些示例中，该第一构件可以包括工具构件102，并且该第二构件可以包括轴106。然而，第一构件还可以包括除了工具构件102之外的其他类型的部件，并且该第二构件还可以包括除了轴106之外的其他类型的部件。在一些示例中，腕机构104可以用作人造关节。在这些示例中，装置100可以不具有工具构件102和轴106。

装置100可以具有近端部分108和远端部分110。腕机构104可以被设置在近端部分108和远端部分110之间。腕机构104可以被设置在工具构件102和轴106之间。例如，腕机构104可以被耦连到轴106的远端部分114，并且腕机构104可以耦连到工具构件102的近端部分116。

腕机构104可以包括第一圆筒部分103和第二圆筒部分105。在一些示例中，第一圆筒部分103和第二圆筒部分105中的每个是如上所述的圆筒的一半。例如，中心轴线可以限定在整个圆筒的端部之间，并且该半圆筒可以是整个圆筒的下半部或上半部(例如，在中心轴线上方或中心轴线下方的半个圆筒)。在一些示例中，第一圆筒部分103和第二圆筒部分105中的每个都是三维圆筒齿轮结构。在一些示例中，第一圆筒部分103和第二圆筒部分105中的每个包括具有线性边缘的三维圆润表面部分，以及平坦表面或相对平坦的表面。第一圆筒部分103可以被耦连到工具构件102的近端部分116。在一些示例中，第一圆筒部分103的平坦表面被耦连到工具构件102的近端部分116。第二圆筒部分105可以被耦连到轴106的远端部分114。在一些示例中，第二圆筒部分105的平坦表面被耦连到轴106的远端部分114。

第一圆筒部分103可以可滚动地耦连到或接合第二圆筒部分105，使得第一圆筒部分103相对于第二圆筒部分105(和/或反之亦然)在至少两个方向(例如，第一方向和第二方)上滚动。在一些示例中，第一圆筒部分103相对于第二圆筒部分105(和/或反之亦然)仅在第一方向和第二方向上滚动。在一些示例中，该第一方向可以与该第二方向正交。在一些示例中，该第一方向非正交于该第二方向，但是不平行于该第二方向。

第一圆筒部分103的外表面可以接触第二圆筒部分105的外表面。在一些示例中，第一圆筒部分103的三维圆润表面部分的部分可以按第一圆筒部分103相对于第二圆筒部分105(和/或反之亦然)滚动的方式来接触第二圆筒部分105的三维圆润表面部分的部分。而且，第一圆筒部分103可以相对于第二圆筒部分105定位，使得第一圆筒部分103的轴线与第二圆筒部分105的轴线正交。在一些示例中，因为第一圆筒部分103的轴线与第二圆筒部分105的轴线正交，所以第一圆筒部分103和第二圆筒部分105可以被认为是交叉的，从而产生该交叉圆筒腕机构。换句话说，可以通过旋转圆筒部分103、105中的一个从而使得各圆筒部分103、105的轴线彼此正交来实现该交叉圆筒腕机构。

每个圆筒部分103、105可以在其滚动时平行于另一个圆筒部分的轴线来移动，从而提供两个旋转自由度。例如，每个圆筒部分103、105可以沿着另一个圆筒部分103、105的表面上的直线来滚动，从而允许两个自由度(例如，在任一方向上滚动)。此外，圆筒部分103、105的外表面包括齿轮齿。圆筒部分103、105的外表面上的齿轮齿可以有助于防止这两个圆筒部分之间的扭转和剪切。而且，该齿轮齿可以被设计成在两个滚动方向上起作用，如图2和图3A到图3B中进一步描述的。

腕机构104可以包括联接构件112，联接构件112被配置成将第一圆筒部分103耦连到第二圆筒部分105，以便将圆筒部分103、105保持在一起但允许第一圆筒部分103相对于第二圆筒部分105滚动(和/或反之亦然)。在一些示例中，联接构件112可以用作圆筒部分103、105之间的压缩力，该压缩力确保圆筒部分103、105保持彼此接触。例如，一个或更多个弹簧可以用于诸如通过将一个或更多个弹簧耦连在工具构件102和轴106之间而将圆筒部分103和105彼此压靠。在一些示例中，联接构件112可以是金属线或缆线。例如，一个或更多个金属线可以耦连到第一圆筒部分103和第二圆筒部分105，以便将圆筒部分103、105保持在一起。在这些示例中，联接构件112可以用作激活机构的一部分，其中施加到金属线或缆线(例如，拉动)的力导致腕机构104在第一方向和/或第二方向上移动。然而，通常，联接构件112可以是保持圆筒部分103、105在一起但允许第一圆筒部分103相对于第二圆筒部分105滚动(和/或反之亦然)的任何类型的联接机构。

图2示出了根据一方面的交叉圆筒腕机构204。在一些示例中，腕机构204可以包括关于图1的腕机构104和/或图1的装置100所讨论的任何特征。腕机构204可以包括第一圆筒部分203和第二圆筒部分205。在一些示例中，第一圆筒部分203和第二圆筒部分205中的每个是圆筒的一半。在一些示例中，第一圆筒部分203和第二圆筒部分205中的每个都是三维圆筒齿轮结构。在一些示例中，第一圆筒部分203与第二圆筒部分205成镜像，使得当彼此对接时它们是居中的。例如，当第一圆筒部分203和第二圆筒部分205彼此接触(例如，彼此面对)并且第一圆筒部分203的纵向轴线平行于第二圆筒部分205的纵向轴线时，第一圆筒部分203具有与第二圆筒部分205的结构成镜像的结构。在一些示例中，第一圆筒部分203具有与第二圆筒部分205相同的结构。然而，在一些示例中，第一圆筒部分203和第二圆筒部分205不完全相同。例如，第一圆筒部分203在至少一个方面(例如，高度、长度、宽度和/或曲率等)可以与第二圆筒部分205不同。

在一些示例中，第一圆筒部分203和第二圆筒部分205中的每个包括具有边缘222的三维圆润表面部分220以及平台224。边缘222可以限定第一圆筒部分203和第二圆筒部分205的端部。在一些示例中，边缘222可以限定在特定圆筒部分的每个端部处为半圆的表面。然而，边缘222可以限定具有其他弯曲和非弯曲形状的表面。边缘222可以在圆润(或弯曲)表面部分220和平台224之间延伸(或设置在它们之间)。在一些示例中，边缘222是平坦的或基本上平坦的表面。在其他示例中，边缘222包括一个或更多个弯曲部分。

在一些示例中，平台224可以限定与圆润表面部分220相对的表面(例如，平台224可以限定具有一种宽度和长度的表面平面)。在一些示例中，平台224可以具有均匀的宽度和均匀的长度。在其他示例中，平台224可以具有多个不同的宽度和/或多个不同的长度。在一些示例中，平台224可以限定呈矩形的表面。在其他示例中，平台224可以限定具有非矩形形状的表面。在其他示例中，平台224包括远离其表面延伸的突出部或延伸部(例如，包括具有一种高度或多种高度的一个或更多个部分)。在一些示例中，平台224可以限定延伸到该圆筒部分中的凹部、孔或空腔。在一些示例中，第一圆筒部分203的平台224可以耦连到图1的工具构件102，并且第二圆筒部分205的平台224可以耦连到图1的轴106。在一些示例中，平台224和边缘222可以没有齿轮。

第一圆筒部分203的三维圆润表面部分220可以限定具有第一圆筒部分203可以在其中滚动(例如，相对于第一圆筒部分的轴线226滚动)的弧形或曲线的表面。而且，第二圆筒部分205的三维圆润表面部分220可以限定具有第一圆筒部分203可以在其中滚动(例如，在两个方向上都滚过第二圆筒部分的轴线228)的弧形或曲线的表面。第一圆筒部分203的三维圆润表面部分220可以面向第二圆筒部分205的三维圆润表面部分220。第一圆筒部分203的平台224和第二圆筒部分205的平台224不面向这两个中的另一个(例如，它们面向相反的方向)。

第一圆筒部分203可以可滚动地耦连到或接合第二圆筒部分205，使得第一圆筒部分203相对于第二圆筒部分205(和/或反之亦然)在至少两个方向(例如，第一方向和第二方向)上滚动。在一些示例中，第一圆筒部分203相对于第二圆筒部分205(和/或反之亦然)仅在第一方向和第二方向上滚动。在一些示例中，该第一方向可以与该第二方向正交。在其他示例中，第一圆筒部分203相对于第二圆筒部分205(和/或反之亦然)在多于两个方向上滚动。

第一圆筒部分203的外表面可以接触第二圆筒部分205的外表面。在一些示例中，第一圆筒部分203的三维圆润表面部分220的部分可以按第一圆筒部分203可以相对于第二圆筒部分205滚动(和/或反之亦然)的方式来接触第二圆筒部分205的三维圆润表面部分220的部分。而且，第一圆筒部分203可以相对于第二圆筒部分205定位，使得第一圆筒部分203的轴线226与第二圆筒部分205的轴线228正交。在一些示例中，因为第一圆筒部分203的轴线226与第二圆筒部分205的轴线228正交，所以第一圆筒部分203和第二圆筒部分205可以被认为是交叉的，从而产生交叉圆筒腕机构。换句话说，可以通过旋转圆筒部分203、205中的一个从而使得各圆筒部分203、205的轴线226、228彼此正交来实现该交叉圆筒腕机构。

在一些示例中，第二圆筒部分205在空间中保持静止(例如，第二圆筒部分205被耦连到固定支撑件，诸如图1的轴106)，而第一圆筒部分203相对于第二圆筒部分205以两种方式移动。第一种，第一圆筒部分203可以通过围绕其自身的轴线226滚动而移动，使得第一圆筒部分203在平行于该第二圆筒部分的轴线228的方向上沿着第二圆筒部分205的三维圆润表面部分220的表面长度而移动。第二种，第一圆筒部分203可以沿着第二圆筒部分205的三维圆润表面部分220移动，使得第一圆筒部分203围绕第二圆筒的轴线228移动(轨道运动)。此外，在一些示例中，第一圆筒部分203可以同时在这两个方向上移动。在其他示例中，第一圆筒部分203和第二圆筒部分205都相对于彼此自由移动，并且因此每个圆筒部分203、205可以相对于另一个圆筒部分以这两种方式移动。从这些示例中，这两个圆筒部分203、205一起作用(或起作用)以形成二自由度旋转接头，使得耦连到第一圆筒部分203的对象的取向可以相对于耦连到第二圆筒部分205的对象以两个旋转自由度而改变。在一些示例中，该交叉圆筒腕机构可以被配置成在这两个方向(2-DOF)中的任一个方向上旋转达到90°(例如，该第一圆筒部分可以沿着该第二圆筒部分的轴线228并围绕该第二圆筒部分的周边旋转达到90°)。在一些示例中，当纯粹沿着第二圆筒部分205的轴线228滚动时，第一圆筒部分203像轮一样滚动，导致第一圆筒部分203的平台224的中心保持在相同的相对高度。相反地，当第一圆筒部分203的平台224沿着第二圆筒部分205的曲度滚动时，就好像是矩形在半圆上滚动。

圆筒部分203、205的圆润表面部分220包括齿轮齿230。圆筒部分203、205的圆润表面部分220上的齿轮齿230可以有助于防止两个圆筒部分203、205之间的扭转和剪切。在一些示例中，第一圆筒部分203和第二圆筒部分205中的每个上的圆润表面部分220限定多排齿轮齿230，其中每排齿轮齿230包括多个齿轮齿230。每排齿轮齿230可以在边缘222之间延伸。在一些示例中，第一圆筒部分203上的齿轮齿230的排数可以与第二圆筒部分205上的齿轮齿230的排数相同。在其他示例中，第一圆筒部分203上的齿轮齿230的排数可以与第二圆筒部分205上的齿轮齿230的排数不同。在一些示例中，第一圆筒部分203上的一排或更多排齿轮齿230(或所有排)上的齿轮齿230的数量可以与第二圆筒部分205上的一排或更多排齿轮齿230(或所有排)上的齿轮齿230的数量相同。在其他示例中，第一圆筒部分203上的一排或更多排齿轮齿230(或所有排)上的齿轮齿230的数量可以与第二圆筒部分205上的一排或更多排齿轮齿230(或所有排)上的齿轮齿230的数量不同。关于第一圆筒部分203或第二圆筒部分205(或它们两者)，多排齿轮齿230包括第一排齿轮齿230至第N排齿轮齿230，其中N可以是大于或等于5的任何整数。在一些示例中，N可以是18。每排中的多个齿轮齿230可以包括第一齿轮齿至第M齿轮齿，其中M大于或等于3。在一些实例中，M可以是6。

在一些示例中，关于第一圆筒部分203和第二圆筒部分205中的每个，相邻的齿轮排可以包括彼此偏离的齿轮齿230。在一些示例中，这种偏离是该齿距的一半。在一些示例中，这种偏离可以在齿距的0至1倍的范围内。这些偏离齿轮排可以增加在任何时刻接合的齿轮齿230的数量，从而减少滑动并减少摩擦。多排齿轮齿230可以包括第一排、与该第一排相邻的第二排以及与该第二排相邻的第三排。第二排的齿轮齿230可以相对于第一排的齿轮齿230偏离，并且第三排的齿轮齿230可以相对于第二排的齿轮齿230偏离，对于所有排的齿轮齿都是如此。因此，第一排的齿轮齿230和第三排的齿轮齿230可以用相同的方式布置(例如，第一排的布置与第三排的布置相同，第二排偏离第一排和第三排)。在一些示例中，每隔一排偏离齿轮齿的齿距的一半，这样增加了在任何时刻接合的齿轮齿230的数量。

在第一圆筒部分203和第二圆筒部分205之间可能存在相对小的摩擦，因为它们以相对小的相对运动彼此滚动。另外，第一圆筒部分203和第二圆筒部分205之间的低摩擦可以消除(或减少)对任何类型的润滑剂的需要。第一圆筒部分203和第二圆筒部分205之间的传动装置确保有效地没有滑动而导致直接接合设计，并且可以提供输入运动或力与所得的输出运动或力之间的可预测的关系。

图3A示出了根据一方面的示例性齿轮齿330在圆筒部分的轴向方向上的齿条轮廓340。图3B示出了根据一方面的相同的齿轮齿330在该圆筒部分的径向方向上的渐开线轮廓350。在其他示例中，该齿轮齿在径向方向上的轮廓可以是摆线的。图3A和图3B示出了图2的齿轮齿230的示例。

在一些示例中，本文所描述的腕机构可以包括两种不同的齿轮轮廓。在一些示例中，第一圆筒部分203的横截面和第二圆筒部分205的横截面不同(例如，长度、宽度、曲率和/或高度不同)。因此，该传动装置被设计成具有两种不同的齿轮轮廓(例如，图3B的渐开线轮廓350和图3A的齿条轮廓340)。在一些示例中，相同的表面(例如，圆润表面部分220)包括两种齿轮轮廓。例如，第一圆筒部分203的圆润表面部分220包括图3B的渐开线轮廓350和图3A的齿条轮廓340两者，并且第二圆筒部分205的圆润表面部分220包括图3B的渐开线轮廓350和图3A的齿条轮廓340。

在一些示例中，第一圆筒部分203的圆润表面部分220上的每个齿330包括图3B的渐开线轮廓350(例如，渐开线轮廓350是在径向方向上沿着第一圆筒部分203的曲度的横截面)和图3A的齿条轮廓340(例如，齿条轮廓340是在轴向方向上沿着轴线226的横截面)两者，并且第二圆筒部分205的圆润表面部分220上的每个齿330包括图3B的渐开线轮廓350(例如，渐开线轮廓350是在径向方向上沿着第二圆筒部分205的曲度的横截面)和图3A的齿条轮廓340(例如，齿条轮廓340是在轴向方向上沿着轴线228的横截面)两者。

每个齿轮齿330具有在该圆筒的轴线方向上的齿条齿的横截面(图3A)。而且，每个齿轮齿330具有在正交方向上的法线正齿轮齿(渐开线轮廓350)的横截面(图3B)。以这种方式，每个齿轮齿330可以装配到配合的圆筒部分203、205上的空隙中。每排齿轮齿330可以偏移或交错。例如，通过交错(偏移)一排齿轮齿330，将运动约束到2DOF，同时允许两个圆筒部分203、205是完全相同的，从而减少专用零件的数量。交叉圆筒机构中的齿轮齿330与法线正齿轮齿之间的差异是它们承载的负载。在法线正齿轮齿中，力沿着作用线作用，使得该齿中最为显著的应力通常是剪切应力或弯曲应力。然而，在该交叉圆筒腕机构中，齿轮齿330还支撑用于保持圆筒部分203、205接触的压缩力。

相对于图3A的齿条轮廓340，齿轮齿330可以包括顶部部分332和成角度的横向边缘334。齿330的底部(例如，最接近圆润表面部分220的部分)比由顶部部分332限定的齿330的顶部更宽。成角度的横向边缘334是以一定角度设置的，使得齿330朝向顶部部分332渐缩。在一些示例中，成角度的横向边缘334是朝向彼此成角度的。顶部部分332可以连接成角度的横向边缘334。在一些示例中，成角度的横向边缘334是线性的或直的。

相对于图3B的渐开线轮廓350，齿330可以限定圆润的(或弯曲的)横向边缘354以及顶部部分352，顶部部分352限定齿330的顶部。齿330的底部(例如，最接近圆润表面部分220的部分)比由顶部部分352限定的齿330的顶部更宽。圆润横向边缘354可以在轮廓350的每一侧上限定圆润的或弯曲的部分。圆润横向边缘354可以在远离另一个圆润横向边缘的方向上凸出。顶部部分352可以连接圆润横向边缘354。

图7A示出了根据另一方面的第一圆筒部分203的渐开线轮廓750。图7B示出了根据另一方面的第一圆筒部分203的齿条轮廓740。注意，渐开线轮廓750和齿条轮廓740对于第二圆筒部分205可以是相同的。

每个齿330合并两种几何形状，使得无论接头如何移位(在两个正交方向上移位正或负90度)，它将具有接合以防止其滑动的齿轮齿。因此，每个齿330变为具有在两侧上的梯形齿条轮廓以及在其他侧上的渐开线轮廓的假四面体形状。

在一些示例中，该齿宽是弧线节距的一半，

或者

其中D_p是直径齿距。沿着该圆筒的轴线的每隔一排的齿被分开距离w_t。另外，每个相邻排的齿旋转

度，使得当给定的齿被接合时，其在所有侧上被配合的齿所包围。

在一些示例中，腕机构204被配置成具有3cm的节圆直径(pitch diameter)以及每个全周长18个齿(每半个圆周9个齿)。设计的压力角度为20°，并且腕机构204具有3％的间隙(backlash)。腕机构204可以通过将这些半圆筒以其轴线彼此正交的方式放置在一起而组装。在一个实例中，通过使顶部半圆筒相对于底部半圆筒以如上所述的两个自由度手动旋转来测试该腕机构，并且得到的运动是平滑的，而没有可识别的干扰。在一些示例中，腕机构204能够在两个方向上(例如，沿着底部圆筒的轴线并且围绕底部圆筒的轴线)旋转达±90°。

图4A到图4C示出了根据一方面的腕机构404的各种视图。图4A示出了根据一方面的相对于彼此具有0°角度的圆筒部分。图4B示出了根据一方面的相对于彼此具有90°角度的圆筒部分。图4C示出了根据一方面的相对于彼此具有45°角度的圆筒部分。

图5A到图5D示出根据一方面通过堆叠碳纳米管复合片材制造的腕机构的各种视图。在一些示例中，可以使用在美国专利申请No.13/453,066(2012年4月23日提交，名称为“Carbon Composite Support Structure(碳复合支撑结构)”)和美国专利申请No.12/239,339(2008年9月26日提交；名称为“X-Ray Radiation Window with Carbon NanotubeFrame(具有碳纳米管框架的X射线辐射窗)”)描述的一个或多个技术来制造该腕机构，这两个申请均通过引用以其整体并入。

图5A到图5D的腕机构可以被认为是小尺度腕机构。在一些示例中，腕机构具有在3mm至4mm的范围内的最大尺寸(沿着半圆筒的正方形的对角线)。然而，该腕机构可以具有大于4mm或小于3mm的任何类型的尺寸。图5A示出了根据一方面的具有齿轮齿554以及被配置成接收对准销556(见图5D)的开口552的单片550(例如，单层)。图5B示出了根据一方面的具有处于堆叠构造的多个片材550的已组装的圆筒部分的透视图。图5C示出根据一方面的具有处于堆叠构造的多个片材550的已组装的圆筒部分的另一个透视图。图5D示出了根据一方面的描绘交叉构造的圆筒部分的已组装的腕机构。

参考图5A到图5D，每个片材550包括单层的碳纳米管复合材料。在一些示例中，该碳纳米管复合材料包括通过化学气相沉积用碳渗透的碳纳米管簇。例如，每个片材550被光刻图案化以提供具有对准特征的半正齿轮，如图5A所示。还产生薄间隔层，以在齿轮齿554之间给出正确的间隔。由于在分层过程中使用的分辨率(例如，每个齿通过使用一个层来产生)，因此使用矩形轮廓来近似该齿条齿轮廓的倾斜边。然后通过以正确的顺序在对准销556上堆叠多个片材550来组装每个圆筒部分。使用设置在每个圆筒部分的表面上的联接物质将片材550耦连在一起。在一些示例中，该联接物质包括沿着每个圆筒部分的后表面铺展的环氧树脂。虽然图5D示出的相邻排的齿轮齿是对准的，但是图5A到图5D的腕机构的齿轮齿实际上是交错的，如关于其它附图所示的。例如，具有齿轮齿的一个片材550偏离相邻片材550的齿轮齿，使得一个片材550上的齿大致位于另一个片材550的齿隙的中心。结果是，每隔一个片材550上的齿排成一行。

在一些示例中，图5A到图5D的腕机构包括2.03mm的节圆直径和在整个周边上的18个齿。然而，本文所述的腕机构可以具有大于或小于2.03mm的节圆直径，并且每个片材550的整个周边上的齿的数量可以大于或小于18个齿。在一些示例中，压力角度为25°，并且间隙为5％，然而这些量可以变化。该腕机构被配置成由附接到该顶部圆筒部分的缆线致动，并且该缆线拉动该顶部圆筒部分以使其以如本文所述的2DOF移动。

本文描述的装置和技术为2-DOF机器人手腕提供了新的设计。该交叉圆筒腕机构可以根据滚动运动来操作，同时使该操作期间的摩擦最小化。而且，如图5A到图5D所示，该腕机构以相对小的尺度来设计和配置。在一些示例中，这种小尺寸是1mm和4mm之间的任何尺寸——同样是适合于微创手术器械的尺寸范围。在一些示例中，可以通过对碳纳米管复合材料片材进行光刻图案化或通过对不锈钢片材进行光刻腐蚀(例如，沉淀硬化17-4、17-7、奥氏体300系列或马氏体400系列)、然后堆叠这些片材以形成两个齿轮传动的圆筒部分，来制造该小尺度腕机构。而且，该腕机构可以通过使用FDM 3D打印被制成大型模型。此外，该腕机构能够在两个方向(2-DOF)中的任一个方向上旋转达90°。在一些示例中，该交叉圆筒腕机构可以改善小尺度工具(包括切割器、抓紧器以及其他机器人工具)的灵巧性和操作。

图6示出了根据一方面的具有2-DOF能力的交叉圆筒腕机构604。例如，腕机构604可以包括与第二圆筒部分605(例如，底部圆筒部分)可滚动地接合的第一圆筒部分603(例如，顶部圆筒部分)，使得第一圆筒部分603相对于第二圆筒部分605在第一方向上移动和/或使得第二圆筒部分605相对于第一圆筒部分603在与该第一方向不同的第二方向上移动。在一些示例中，第二圆筒部分605可以保持静止，并且第一圆筒部分603可以在平行于第二圆筒部分的轴线628的方向上移动和/或在围绕第二圆筒部分的轴线628的方向上移动。在其他示例中，第一圆筒部分603可以保持静止，并且第二圆筒部分605可以在平行于第一圆筒部分的轴线626的方向上移动和/或在围绕第一圆筒部分的轴线626的方向上移动。在其他示例中，第一圆筒部分603和第二圆筒部分605都相对于彼此自由移动，并且因此每个圆筒部分可以相对于另一个圆筒部分以这两种方式移动。

此外，第一圆筒部分603可以耦连到致动缆线680，以便控制第一圆筒部分603关于第二圆筒部分605的移动。在一些示例中，致动缆线680被耦连到第一圆筒部分603的平台624的每个角。第二圆筒部分605可以被耦连到轴，并且四个致动缆线680可以被附接在平台624的每个角(或每个角部分)处，以在致动期间保持圆筒部分603和605处于压缩接触。致动缆线680可以在该接头的侧面和轴之间(例如，通过该轴的内腔)布线。

图8示出了根据一方面的用于描述该交叉圆筒腕的运动学的圆筒部分和向量的示例。图9示出了根据一方面的交叉圆筒腕机构的平面图。在图9中，x-z平面取决于θ₁。图10示出了根据一方面的交叉圆筒腕机构的平面图。在图10中，y-z平面取决于θ₂。

参考图8，该机构的运动学可以通过两个向量来描述。一个向量是从原点O到在点P处的该平台表面的中心，另一个向量是从点P到某个任意感兴趣点，如图8所示。通过分别观察x-z和y-z中的2D运动来推导出该第一向量。点P的高度仅取决于θ₁(x-z平面中的角位移)。这是因为当该接头移位θ₂(y-z平面中的角位移)时，点P像轮子的中心一样作用，并且将仅在该平面中平移。可以在图9和图10中看到这些角度。使用这个信息，两个单独的表达式可以被结合以定义以下方程式1中的向量：

这个点的这种运动描绘出可以在图11中看到的表面。图11示出了当θ₁和θ₂从正90度和负90度变化时由点P追踪的表面。而且，图12示出了当θ₁和θ₂从正90度和负90度变化时由点*(a和b＝0，c＝1)描绘的表面。

该第二向量可以使用其原点附着到点P的体固定坐标系来描述。新坐标系中从P到*的向量是方程式2：

当该接头未偏转时，或θ₁＝θ₂＝0时，旋转参考系与全局坐标系统对齐。对于任何给定的位置，该旋转参考系可以被认为经历了绕y轴的一些初始旋转、随后绕其新的x轴线的另一个旋转。这些旋转分别对应于θ₁和θ₂。因此，为了将r′_*/P变换成全局坐标系，可以将两个简单旋转矩阵(方程式3和方程式4)相乘在一起以表示将向量从全局坐标系变换到旋转参考系中的单个旋转矩阵(方程式5)。

相反地，从旋转参考系回到全局坐标系统的变换可以通过简单地使用转置旋转矩阵(方程式6)修改感兴趣的向量来实现。

使用这种方法，r′_*/P可以通过表达式r_*/P＝R^Tr′_*/P转换成全局坐标系统。这样产生了方程式7：

从原点到点*的总向量现在是向量加法的问题，其中r_*＝r_P+r_*/P。方程式8：

这个表达式可以生成由固定到该平台的任何点追踪的表面。例如，如果某种类型的夹持器(长度等于1个半径)被固定到平台，则将描绘出具有图12所示的相同形状的表面。略微椭圆的表面是非恒定旋转中心的产物。当该平台的表面上方的距离增加时，该表面将呈现更为球形的形状。当有效半径增加时，旋转中心的变化保持恒定。

该腕机构可以具有一个或多个机械效益。例如，可以修改方程式8给出的表达式以给出固定到该平台的任何兴趣点的位置。这样在确定输入力和输出力之间的关系时可以是有用的。该交叉圆筒腕在两个方向上具有分离运动。为了简化初始计算，最初推导出两种平面情况的机械效益。

虚功(virtual work)的原理可以应用于交叉圆筒腕的简化平面模型以发展机械效益的表达式。图9和图10示出了在以下推导中使用的参数。在一些实现方式中，在右上角施加的输入力(方程式9)或远离点P的量值a被假设为垂直向下作用。

对一些输出力建模的相反的随动力被施加在接头的上半部的中心上方的距离c处，如方程式10表达的：

在方程式11和12中分别表示输入力和输出力的位置向量。

获得位置向量相对于广义坐标的导数并简化虚位移，变成方程式13和14：

每个施加的力的虚功仅仅是每个施加的力与其对应的虚位移的点积。δW_i＝F_i·δr_i。因此，δW_in表示为方程式15：

δW_in＝-F_in[-r₂sinθ₁+r₁θ₁cosθ₁-a cosθ₁]δθ₁

有趣的是，使用三角恒等式可以大大简化δW_out的表达式，直到它简单地变成方程式16：

δW_out＝-F_out(r₂+c)δθ₁

这些虚功项的总和是系统的总虚功，并且等于0。经过执行求和以及对项的重新排列，机械效益或比率F_out/F_in是方程式17：

作为检查，将这个平面情况与基于在方程式8中推导出的3D运动学模型的等效系统进行比较。结果可以在图13中看到。图13示出了根据一方面的在x-z平面中的机械效益，其中最大值为0.5，并且零值为-70度。注意，该机械效益确实通过零点。这在输入力以大约-60度直接经过接触点时发生。

可以遵循相同的过程来推导出y-z平面中的机械效益的表达式。在方程式8中产生的3D位置方程式在这里用于演示先前使用的方法。如方程式9中表示的描述输入力的相同向量可以在这里重复使用。然而，输出力被建模为方程式18中的旋转坐标系中的随动力：

然后可以将这个向量变换成方程式19中的全局坐标系：

该过程的其余部分遵循在前面部分中采取的相同步骤，但是具有从方程式8推导出的初始位置向量。因此，输入力的位置不包含a或c分量，并且在方程式20中表示：

类似地，到输出力的向量在其中没有a或b的分量，如方程式21所示：

在方程式20到21中描述的位置向量的推导是麻烦的，并且很快变得复杂。然而，这直到应用平面假设为止。两个方程式都包括项δθ₁/δθ₂，或θ₁相对于θ₂的变化。由于这两个单独的DoF是彼此独立的，所以具有这种关系的那些项等于零并且可以被消除。当这样做时，虚位移变为方程式22到23：

在方程式24到25中显示相应的虚功：

δW_in＝-F_in(bcosθ₁cosθ₂)δθ₂

δW_out＝F_out[inθ₁sinθ₂(csinθ₁sinθ₂)+cosθ₂(r₂+ccosθ₂)+cosθ₁sinθ₂(ccosθ₁sinθ2₎]δθ₂

使用三角恒等式，方程式25方便地简化为方程式26：

δW_out＝F_out[r₂cosθ₂+c]δθ₂

最后，将两个单独的虚功项相加并重新排列，在y-z平面中的机械效益是方程式27：

对于θ₁＝0的纯平面情况的机械效益可以在图14中看到。例如，图14示出了在y-z平面中的机械效益，其中最大值为0.17并且在正或负90度处为零。参考图13和图14，这些图描绘了用于推导出两个正交平面中的机械效益的两种方法的比较，其中圆和线分别表示2D导数和3D导数。由于平面导数和3D导数最终产生相同的方程式，因此它们绘制相同的曲线是毫不奇怪的。有趣的是，与x-z平面不同，机械效益在一些实现方式中从来不是负的。然而，它在其角位移的极值处接近零。

图15和图16示出了3D导数如何能够用于根据θ₁和θ₂两者来找到这两种情况的机械效益。在θ₁不再保持恒定的情况下应用方程式27。结果是图16所示的表面。使用类似的方法来产生图15所示的表面。图15和图16示出了作用在x-z平面或y-z平面中的随动力的机械效益，因为θ₁和θ₂都从正和负90度变化。图15示出了x-z平面中的随动力，图16示出了y-z平面中的随动力。

尽管二维中的输入到输出的关系是有用的，但是在一些实现方式中，三维中的关系可以更加实用。图17中的图示显示了感兴趣的参数。

图17示出了三维中的输入力和输出力的位置，其中F_x和F_y是F_out的分量。在图17中，输入力F₁到F₃被施加在该平台的角处。输出F_out是在该平台表面上方的某个高度c处施加的随动力。在中性位置(θ₁和θ₂＝0)中，其具有在x方向和y方向上的分量。由于其是体固定的，F_out将保持在平行于该平台表面的平面中。实际上，将存在附接到该平台的角的四根致动缆线，然而如所示出的，在任一时间只有三根致动缆线会提供对抗输出的任何阻力。角度φ限定输出力作用的x-z平面和y-z平面之间的位置。对于φ＝0或90度的特殊情况，问题简化为前面提到的两个平面情况之一。

首先，对于两种平面情况推导出的输入力实际上是该平台的角处的两个力的组合。放置在该机构的任何一侧的中心处(图17中的F₁和F₂或F₂和F₃之间的一半处)的单个力表示在那里致动缆线的放置。这是一个不可行的构造，因为基部会干扰布线。因此，四根致动缆线将可能被放置在这些角处，如图17所示。当该交叉圆筒腕经受具有在x-z平面和y-z平面中的分量的所施加的输出力时，在四根缆线中的三根中存在相反的力。

在图18、图19和图20中示出与被接合的缆线相对应的三个力。图18示出作为θ₁和θ₂的函数的力F₁(F_o＝2N(牛顿)，φ＝30度)。图19示出作为θ₁和θ₂的函数的力F₂(F_o＝2N，φ＝30度)。图20示出作为θ₁和θ₂的函数的力F₃(F_o＝2N，φ＝30度)。用于平面情况的解决方案可以被组合以解决期望的输出力所需的力的输入或致动。如前所述，在这种情况下机械效益将不那么有意义，因为会需要将三种缆线力组合成一些虚拟力(fictitious force)。为了说明的目的，选择2N的输出力来表示3mm器械的可能负载条件。角度φ任意设定为30度。

先前解出的F_in的值被分解成分量，然后重组以得到F₁、F₂和F₃的表达式。当x-z平面的F_in被分为两个时，则等于F₃。类似地，y-z平面的F_in的一半等于F₁。这是由于关于接头中心的对称性。F₂是F₁和F₃的和，因为它有助于两组平面运动。图19到图21中所示的三个图表表示在每个角处施加的力的量，以实现所期望的输出(在这种情况下为2N)。

角度φ可以从0变化到90度，并且对三个输入力具有可预测的影响。当φ接近0时，F₂和F₃的大小增加，因为它们将提供越来越多的抵抗输出力的阻力。相反地，当φ接近90度时，F₁和F₂的大小将增加。由于对称性，这里显示的结果可以被应用于交叉圆筒腕的任一角。当应用于斜对面的角时，结果将是完全相同的。对于其他两个角，F₁和F₃的位置将被切换，但是大小将是相同的。

重要的是表征该传动装置的负载承载能力以便限定该机构的限制。由于负载条件远远偏离典型的传动装置构造，因此相对显著地简化了问题。该方法将找到在几种负载情况下单个齿轮齿允许的最大负载。这为该机构能够承载的负载的大小提供了基线。

图21到图22示出了根据该机构上的齿数可以施加到单个齿的最大负载。图21示出了在压缩方面可以应用于单个齿的最大负载的曲线图，并且图22示出了在弯曲方面可以应用于单个齿的最大负载的曲线图。每个曲线图中的标记(点)指示该机构的最大应力，因为其当前被配置成每排具有4个齿轮齿。压缩负载通过使用面积上的应力来计算(图21)，同时弯曲应力从该Lewis弯曲方程导出(图22)。由于单个齿的变化的横截面积，在齿数和施加的负载之间存在反比关系。此外，可以通过基部和平台之间的接触比率来调节该负载。该比率是在一时间点处接合的齿的数量，从而有效地增加了该机构的负载能力。通过使用接触比率作为比例因子，图21示出了齿能够承受416N(93.5lb.(磅))的压缩负载，并且类似地，图22示出了对于4齿机构的最大弯曲能力为106N(23.8lb.)。

尽管已经如本文所述示出了所描述的实现方式的某些特征，但是本领域技术人员现在会想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入这些实施例的范围内的所有这样的修改和改变。

Claims

1.一种医疗装置，包括：

第一构件；

第二构件；

设置在所述第一构件和所述第二构件之间的腕机构，所述腕机构包括：

耦连到所述第一构件的第一圆筒部分；

耦连到所述第二构件的第二圆筒部分；以及

联接构件，其保持所述第一圆筒部分压缩接触所述第二圆筒部分，所述联接构件包括耦连到所述第一圆筒部分的多个致动缆线；

其中所述第一圆筒部分与所述第二圆筒部分以两个或更多个自由度可滚动地接合，使得所述第一构件相对于所述第二构件在两个或更多个方向上移动，所述两个或更多个方向包括与所述第二圆筒部分的纵向轴线平行的第一方向和绕所述第二圆筒部分的所述纵向轴线的第二方向；

其中所述第二圆筒部分被定位成使得所述第二圆筒部分的纵向轴线与所述第一圆筒部分的纵向轴线正交；

其中施加到所述多个致动缆线的拉力控制所述第一圆筒部分在所述两个或更多个自由度上的移动；以及

其中所述两个或更多个自由度包括(1)响应于第一种拉力被施加到所述多个致动缆线的第一对致动缆线，所述第一圆筒部分通过围绕所述第一圆筒部分的所述纵向轴线滚动而沿着所述第二圆筒部分的表面以所述第一方向移动，和(2)响应于第二种拉力被施加到所述多个致动缆线的第二对致动缆线，所述第一圆筒部分沿着所述第二圆筒部分的所述表面以所述第二方向移动。

2.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述第一圆筒部分和所述第二圆筒部分中的每一个限定圆润表面部分并且具有半圆形横截面。

3.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述第一圆筒部分和所述第二圆筒部分中的每一个限定圆润表面部分，所述圆润表面部分限定多个齿轮齿。

4.根据权利要求3所述的医疗装置，其中所述多个齿轮齿中的每个齿轮齿包括第一齿轮轮廓和第二齿轮轮廓，所述第二齿轮轮廓与所述第一齿轮轮廓不同。

5.根据权利要求4所述的医疗装置，其中所述第一齿轮轮廓是渐开线轮廓，并且所述第二齿轮轮廓是齿条轮廓。

6.根据权利要求3所述的医疗装置，其中所述多个齿轮齿被布置成多排齿轮齿，所述多排齿轮齿包括第一排齿轮齿和第二排齿轮齿，所述第二排齿轮齿偏离所述第一排齿轮齿。

7.根据权利要求6所述的医疗装置，其中所述多排齿轮齿包括与所述第一排齿轮齿对准的第三排齿轮齿。

8.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述致动缆线上的拉力导致所述第一圆筒部分在所述第一方向上、在所述第二方向上或者在所述第一方向和所述第二方向两者上移动。

9.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述第一构件包括外科器械的外科末端执行器，并且所述第二构件包括所述外科器械的轴。

10.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述第二方向与所述第一方向正交。

11.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述第一圆筒部分和所述第二圆筒部分中的每一个包括多个堆叠的不锈钢片材。

12.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述第一圆筒部分的所述纵向轴线和所述第二圆筒部分的所述纵向轴线之间的距离在1-5毫米的范围内。

13.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述腕机构具有在1-5毫米范围内的直径。

14.一种腕机构，包括：

第一圆筒部分；和

第二圆筒部分，

其中所述第一圆筒部分和所述第二圆筒部分中的每一个限定圆润表面部分，所述圆润表面部分限定多排齿轮齿，所述多排齿轮齿包括第一排齿轮齿以及与所述第一排相邻的第二排齿轮齿，所述第二排的齿轮齿偏离所述第一排的齿轮齿；

其中所述第一圆筒部分与所述第二圆筒部分可滚动地接合，使得所述第一圆筒部分的齿轮齿与所述第二圆筒部分的齿轮齿接合；

其中施加到所述多个致动缆线的拉力控制所述第一圆筒部分相对于所述第二圆筒部分的在两个或更多个自由度上的移动；以及

其中所述两个或更多个自由度包括(1)响应于第一种拉力被施加到所述多个致动缆线的第一对致动缆线，所述第一圆筒部分通过围绕所述第一圆筒部分的所述纵向轴线滚动而沿着所述第二圆筒部分的表面以与所述第二圆筒部分的所述纵向轴线平行的第一方向移动，和(2)响应于第二种拉力被施加到所述多个致动缆线的第二对致动缆线，所述第一圆筒部分沿着所述第二圆筒部分的所述表面以绕所述第二圆筒部分的所述纵向轴线的第二方向移动。