CN109009441B - 双轴机器人端部执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“双轴机器人端部执行器”。本发明提供了一种端部执行器，所述端部执行器包括远侧连接叉、安装到所述远侧连接叉的轴、第一钳口保持器和可旋转地安装到所述轴的对应的第一钳口构件以及第二钳口保持器和可旋转地安装到所述轴的对应的第二钳口构件。套筒轴具有第一端部、第二端部以及在所述第一端部和所述第二端之间延伸的中央通道。所述轴接纳在所述中央通道内，并且所述套筒轴能够相对于所述轴旋转。

Description

双轴机器人端部执行器
背景技术
由于术后恢复时间缩短和瘢痕形成最小，微创外科手术(MIS)器械通常优于传统的开放式外科装置。腹腔镜式手术是一种类型的MIS规程，其中在患者腹部形成一个或多个小切口，并且通过切口插入套管针以形成进入腹腔的通路。通过套管针，可将多种器械和外科工具引入腹腔中。套管针还有助于促进吹气以提升器官上方的腹壁。经由套管针引入腹腔的器械和工具可用于以多种方式接合并且/或者处理组织以实现诊断或治疗效果。
最近开发了多种机器人系统以辅助MIS规程。机器人系统可通过保持自然的手眼轴来实现更直观的手部运动。机器人系统还可通过包括能形成更自然的手状关节运动的“腕”接头来实现更大程度的运动自由度。尽管没有必要，器械的端部执行器可使用缆线驱动的运动系统进行关节运动(运动)，该运动系统具有一条或多条延伸穿过腕接头的驱动缆线。用户(例如，外科医生)能够通过在空间中抓持和操纵一个或多个控制器来远程操作器械的端部执行器，所述控制器与联接到外科器械的工具驱动器通信。用户输入由结合到机器人外科系统中的计算机系统处理，并且工具驱动器通过致动缆线驱动的运动系统(更具体地讲，驱动缆线)来作出响应。运动驱动缆线会使端部执行器关节运动到期望的位置和构造。
为了确保准确且灵敏的端部执行器关节运动，驱动缆线保持在提高的拉伸载荷下。在此类提高的拉伸载荷下，控制端部执行器在偏航运动中的关节运动的轴可能开始磨损，这会生成过多的摩擦并导致缆线破损。在具有相对的钳口或刀的端部执行器中，轴的磨损加剧，其中钳口保持器独立于轴旋转。轴与钳口保持器之间的磨损增加了摩擦，从而缩短了缆线使用寿命。
附图说明
以下附图包括在内以示出本公开的某些方面，并且不应被视为排他性实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题能够在形式和功能上实现相当大的修改、改变、组合以及等同物。
图1是可结合本公开的一些或全部原理的示例性机器人外科系统的框图。
图2是可结合本公开的一些或全部原理的示例性外科工具的侧视图。
图3示出了其中图1的腕能够进行关节运动(枢转)的潜在自由度。
图4是图1的外科工具的远侧端部的放大等轴视图。
图5是图4的端部执行器的一部分的分解图。
图6是装配的图5的端部执行器的横截面侧视图。
具体实施方式
本公开涉及机器人外科系统，更具体地涉及具有结合了双轴构造的端部执行器的外科器械，其中一个轴位于中空外轴内部以增加支承表面并减少磨损。
本文所讨论的实施方案描述了外科器械，其结合了缆线驱动的端部执行器，该端部执行器具有改进的轴以帮助减轻磨损。一个示例性端部执行器包括远侧连接叉、安装到远侧连接叉的轴、第一钳口保持器和可旋转地安装到轴的对应的第一钳口构件以及第二钳口保持器和可旋转地安装到轴的对应的第二钳口构件。套筒轴径向插入轴与钳口保持器之间。套筒轴具有第一端部、第二端部以及在第一端部和第二端之间延伸的中央通道。轴能够接纳在中央通道内，并且套筒轴能够相对于轴旋转。轴和套筒轴的各个部分也可涂覆或换句话讲包括耐磨物质以减轻磨损和摩擦。
图1是可结合本公开的一些或全部原理的示例性机器人外科系统100的框图。如图所示，系统100可以包括至少一个主控制器102a和至少一个臂车104，尽管臂车104不是必需的。臂车104可机械地并且/或者电联接到机器人操纵器，并且更具体地讲，联接到一个或多个机器人臂106或“工具驱动器”。每个机器人臂106可包括或换句话讲提供用于安装一个或多个外科工具或器械108的位置，以便对患者110执行各种手术任务。机器人臂106和器械108的操作可由临床医生112a(例如，外科医生)从主控制器102a进行指导。
在一些实施方案中，由第二临床医生112b操作的第二主控制器102b(以虚线示出)还可以与第一临床医生112a一起指导机器人臂106和器械108的操作。在此类实施方案中，例如，每个临床医生102a,b可控制不同的机器人臂106，或者在一些情况下，机器人臂106的完全控制可以在临床医生102a,b之间传递。在一些实施方案中，在对患者110进行手术期间，可使用具有附加机器人臂(未示出)的附加臂车(未示出)，并且这些附加机器人臂可由主控制器102a,b中的一个或多个控制。
臂车104和主控制器102a,b可经由通信链路114彼此通信，该通信链路可以是被配置为根据任何通信协议携带各种通信信号(例如，电信号、光信号、红外信号等)的任何类型的有线或无线电信装置。在一些应用中，例如，存在具有辅助设备的塔和被设计成驱动机器人臂106的处理核心。
主控制器102a,b通常包括一个或多个物理控制器，所述物理控制器可由临床医生112a,b抓握并且在外科医生经由立体显示器观察规程时在空间中操纵。物理控制器大体包括可在多个自由度上运动的手动输入装置，并且通常包括用于致动外科器械108的可致动柄部，例如用以打开和闭合相对钳口、向电极施加电势(电流)等。主控制器102a,b还可包括可选的反馈计，其可由临床医生112a,b经由显示器看到，以提供各种外科器械度量的视觉指示，诸如施加到外科器械(即，切割器械或动态夹紧构件)的力的量。
机器人外科系统(诸如，系统100)的示例性具体实施在美国专利No.7,524,320中有所公开，该专利的内容以引用方式并入本文。因此，除了理解本文所公开的机器人外科设备、系统和方法的各种实施方案和形式可能所必需的那些以外，本文将不详细描述此类装置的各种特性。
图2是可结合本公开的一些或全部原理的示例性外科工具200的侧视图。外科工具200可以与图1的外科器械108相同或类似，因此，可以与机器人外科系统诸如图1的机器人外科系统100结合使用。因此，外科工具200可被设计成可释放地联接到包括在机器人外科系统100中的工具驱动器。然而，在其他实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，外科工具200可适用于手动或用手操作的方式。
如图所示，外科工具200包括细长轴202、端部执行器204、将端部执行器204联接到轴202的远侧端部的腕206(另选地称为“腕接头”)以及联接到轴202的近侧端部的驱动外壳208。在外科工具与机器人外科系统(例如，图1的机器人外科系统100)结合使用的应用中，驱动外壳208可包括将外科工具200可释放地联接到机器人外科系统的联接特征结构。
术语“近侧”和“远侧”在本文中相对于机器人外科系统定义，该机器人外科系统具有被构造成能够将外科工具200(例如，外壳208)以机械的方式和电的方式联接到机器人操纵器的接口。术语“近侧”是指元件的更靠近机器人操纵器的位置，并且术语“远侧”是指元件的更靠近端部执行器204且因此更远离机器人操纵器的位置。另选地，在手动或用手操作的应用中，术语“近侧”和“远侧”在本文中相对于用户诸如外科医生或临床医生进行定义。术语“近侧”是指元件的更靠近用户的位置，并且术语“远侧”是指元件的更靠近端部执行器204且因此更远离用户的位置。此外，诸如上方、下方、上部、下部、向上、向下、左、右等的方向术语相对于示例性实施方案如它们在图中所示进行使用，向上或上方向朝向对应附图的顶部，向下或下方向朝向对应附图的底部。
在使用外科工具200期间，端部执行器204被构造成能够在腕206处相对于轴202运动(枢转)，以将端部执行器204定位在相对于手术部位的期望取向和位置处。外壳208包括(包含)各种机构，这些机构被设计成控制与端部执行器204相关联的各种特征结构的操作(例如，夹紧、击发、旋转、关节运动、能量递送等)。在至少一些实施方案中，轴202以及因此联接到其上的端部执行器204被构造成能够围绕轴202的纵向轴线A1旋转。在此类实施方案中，包括(容纳)在外壳208中的机构中的至少一个被构造成能够控制轴202围绕纵向轴线A1的旋转运动。
外科工具200可具有能够执行至少一种外科功能的各种构型中的任一种。例如，外科工具200可包括但不限于夹钳、抓紧器、针驱动器、剪刀、电烙工具、缝合器、施夹器、钩、刮刀、抽吸工具、冲洗工具、成像装置(例如，内窥镜或超声探头)，或它们的任何组合。在一些实施方案中，外科工具200可被构造成能够向组织施加能量，诸如射频(RF)能量。
轴202是从外壳208朝远侧延伸的细长构件，并且具有沿其轴向长度延伸穿过其的至少一个管腔。在一些实施方案中，轴202可被固定到外壳208，但可另选地可旋转地安装到外壳208上，以允许轴202围绕纵向轴线A1旋转。在其他实施方案中，轴202可以可释放地联接到外壳208，这可以允许单个外壳208适于具有不同端部执行器的各种轴。
端部执行器204可具有多种尺寸、形状和构型。在所示实施方案中，端部执行器204包括具有相对钳口210,212(另选地称为“刀”)的外科剪刀，所述钳口被构造成能够在打开位置和闭合位置之间运动(关节运动)。然而，应当理解，相对的钳口210,212可另选地形成其他类型的端部执行器的一部分，诸如但不限于组织抓紧器、施夹器、针驱动器、包括一对相对的抓持钳口的巴布科克钳、双极性钳口(例如，双极性马里兰抓紧器、夹钳、有孔抓紧器等)等。钳口210,212中的一者或两者可被构造成能够在腕206处枢转以使端部执行器204在打开位置和闭合位置之间进行关节运动。
图3示出了其中腕206能够进行关节运动(枢转)的潜在自由度。腕206可具有多种构型中的任一种。一般来讲，腕206包括接头，该接头被构造成能够允许端部执行器204相对于轴202枢转运动。腕206的自由度由三个平移变量(即，进退、升沉和摇摆)以及三个旋转变量(即，欧拉角或滚转、俯仰和偏航)表示。平移和旋转变量描述了外科系统的部件(例如，端部执行器204)相对于给定参考笛卡尔坐标系的位置和取向。如图3所示，“进退”是指向前和向后的平移运动，“升沉”是指上下的平移运动，并且“摇摆”是指左右的平移运动。关于旋转术语，“滚转”是指左右倾斜，“俯仰”是指向前和向后倾斜，并且“偏航”是指左右转动。
枢转运动可包括围绕腕206的第一轴线(例如，X轴)的俯仰运动、围绕腕206的第二轴线的偏航运动(例如，Y轴)以及它们的组合，以允许端部执行器204围绕腕206的360°旋转运动。在其他应用中，枢转运动可被限于在单个平面中的运动，例如，仅围绕腕206的第一轴线的俯仰运动或仅围绕腕206的第二轴线的偏航运动，使得端部执行器204仅在单个平面上运动。
再次参见图2，外科工具200还可包括形成缆线驱动的运动系统的一部分的多条驱动缆线(在图2中被遮蔽)，该缆线驱动的运动系统被构造成能够促进端部执行器204相对于轴202的运动和关节运动。运动(关节运动)驱动缆线中的至少一些使端部执行器204在非关节运动位置与关节运动位置之间运动。端部执行器204在图2中示出为处于非关节运动位置，在该位置，端部执行器204的纵向轴线A2与轴202的纵向轴线A1基本上对齐，使得端部执行器204相对于轴202成大致为零的角度。由于诸如制造公差和测量装置的精度之类的因素，端部执行器204在非关节运动位置可能并非相对于轴202成精确的零角度，但是仍被认为与其“基本上对齐”。在关节运动位置中，纵向轴线A1、A2将彼此成角度地偏移，使得端部执行器204相对于轴202成非零角度。
图4是图2的外科工具200的远侧端部的放大等轴视图。更具体地讲，图4描绘了端部执行器204和腕206的放大视图，其中端部执行器204处于非关节运动位置。腕206将端部执行器204操作地联接到轴202(图2)。然而，在所示实施方案中，轴转接器400可直接联接到腕206或换句话讲插入轴202与腕206之间。在其他实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可以省略轴转接器400，并且轴202可替代地直接联接到腕206。如本文所用，术语“操作地联接”是指直接或间接联接接合。因此，腕206可通过直接联接接合操作地联接到轴202，其中腕206直接联接到轴202的远侧端部，或者通过间接联接接合操作地联接到轴202，其中轴转接器400插入腕206与轴202的远侧端部之间。
为了将端部执行器204操作地联接到轴202(例如，经由轴转接器400)，腕206包括远侧连接叉402a和近侧连接叉402b。端部执行器204(即，钳口210,212)在第一轴404a处可旋转地安装到远侧连接叉402a，远侧连接叉402a在第二轴404b处可旋转地安装到近侧连接叉402b，并且近侧连接叉402b联接到轴转接器400的远侧端部406(或另选地图2的轴202的远侧端部)。
腕206提供延伸穿过第一轴404a的第一枢转轴线P1以及延伸穿过第二轴404b的第二枢转轴线P2。第一枢转轴线P1基本上垂直于(正交于)端部执行器204的纵向轴线A2，并且第二枢转轴线P2基本上垂直于(正交于)纵向轴线A2和第一枢转轴线P1。围绕第一枢转轴线P1的运动提供端部执行器204的“偏航”关节运动，并且围绕第二枢转轴线P2的运动提供端部执行器204的“俯仰”关节运动。在所示实施方案中，钳口210、212安装在第一枢转轴线P1处，从而允许钳口210、212相对于彼此枢转以打开和闭合端部执行器204，或者另选地一前一后枢转以使端部执行器204的取向进行关节运动。
被示出为驱动缆线408a、408b、408c和408d的多条驱动缆线在由轴转接器400(和/或图2的轴202)限定的管腔410内纵向延伸并穿过腕206以操作地联接到端部执行器204。虽然图4中描绘了四个驱动缆线408a-d，在不脱离本公开的范围的情况下，可以包括多于或少于四个驱动缆线408a-d。
驱动缆线408a-d形成上文简述的缆线驱动运动系统的一部分，并且可被称为并且以其他方式表征为缆线、带、线、塞绳、线材、绳索、绞合绳、细长构件等。驱动缆线408a-d可以由多种材料制成，包括但不限于金属(例如，钨、不锈钢等)或聚合物。示例性驱动缆线在名称为“Compact Robotic Wrist”的美国专利公布No.2015/0209965和名称为“Hyperdexterous Surgical System”的美国专利公布No.2015/0025549中有所描述，所述专利公布的内容据此以引用方式并入。如图所示，管腔410可以是单个管腔，或者可另选地包括多个独立的管腔，每个管腔接收一条或多条驱动缆线408a-d。
驱动缆线408a-d从端部执行器204朝近侧延伸到驱动外壳208(图2)，在此它们可操作地联接到容纳(包含)在其中的各个致动机构或装置，以便于驱动缆线408a-d在管腔410内的纵向运动(平移)。驱动缆线408a-d中的全部或一部分的选择性致动致使端部执行器204(例如，钳口210、212中的一者或两者)相对于轴202进行关节运动(枢转)。更具体地讲，选择性致动致使对应的驱动缆线408a-d在管腔410内纵向平移，从而引起端部执行器204的枢转运动。一条或多条驱动缆线408a-d例如可以纵向平移以使端部执行器204进行关节运动(例如，钳口210、212两者在相同方向上成角度)，以使端部执行器204打开(例如，钳口210、212中的一者或两者远离另一个枢转)，或者使端部执行器204闭合(例如，钳口210、212中的一者或两者朝向另一个枢转)。
运动驱动缆线408a-d可以各种方式实现，诸如通过触发可操作地联接到驱动外壳208或容纳在该驱动外壳内的相关致动器或机构来实现(图2)。运动给定的驱动缆线408a-d构成向给定驱动缆线408a-d沿近侧方向施加张力(即，拉力)，这致使给定的驱动缆线408a-d平移，从而使端部执行器204相对于轴202运动(关节运动)。
腕206包括第一多个滑轮412a和第二多个滑轮412b，每个滑轮被构造成能够与驱动缆线408a-d相互作用并将驱动缆线重定向以与端部执行器204接合。第一多个滑轮412a在第二轴404b处安装到近侧连接叉402b上，并且第二多个滑轮412b也安装到近侧连接叉402b上，但是安装在第二轴404b近侧的第三轴404c处。在驱动缆线408a-d可操作地联接到端部执行器204之前，第一多个滑轮和第二多个滑轮412a,b协作地将驱动缆线408a-d重定向通过“S”形路径。
在至少一个实施方案中，一对驱动缆线408a-d可操作地联接到每个钳口210,212，并被构造成能够“对抗地”操作对应的钳口210,212。在所示实施方案中，例如，第一驱动缆线和第二驱动缆线408a,b在第一钳口210处与连接器(未示出)联接，第三驱动缆线和第四驱动缆线408c,d在第二钳口212处与连接器(未示出)联接。因此，第一驱动缆线408a的致动使第一钳口210围绕第一枢转轴线P1朝向打开位置枢转，第二驱动缆线408b的致动使第一钳口210沿相反方向围绕第一枢转轴线P1朝向闭合位置枢转。类似地，第三驱动缆线408c的致动使第二钳口212围绕第一枢转轴线P1朝向打开位置枢转，而第四驱动缆线408d的致动使第二钳口212沿相反方向围绕第一枢转轴线P1朝向闭合位置枢转。
因此，驱动缆线408a-d可被表征为或以其他方式被称为“对抗”缆线，它们协作地(但对抗地)操作以引起第一和第二钳口210,212的相对或串联运动。当第一驱动缆线408a被致动(运动)时，第二驱动缆线408b由于联接到第一驱动缆线408a而自然地跟随，当第三驱动缆线408c被致动时，第四驱动缆线408d由于联接到第三驱动缆线408c而自然地跟随，反之亦然。
端部执行器204还包括第一钳口保持器414a和从第一钳口保持器414a横向偏移的第二钳口保持器414b。第一钳口保持器414a安装到第一轴404a并且被构造成能够接纳并安置第一钳口210，使得第一钳口保持器414a围绕第一枢转轴线P1的运动(旋转)相应地运动(旋转)第一钳口210。第一钳口保持器414a还可提供或换句话讲限定第一滑轮416a，该第一滑轮被构造成能够接纳并安置一个或多个驱动缆线诸如第一驱动缆线和第二驱动缆线408a,b以实现此类运动(旋转)。类似地，第二钳口保持器414b安装到第一轴404a并且被构造成能够接纳并安置第二钳口212，使得第二钳口保持器414b围绕第一枢转轴线P1的运动(旋转)相应地运动(旋转)第二钳口212。第二钳口保持器414b还可提供或换句话讲限定第二滑轮416b，该第二滑轮被构造成能够接纳并安置一个或多个驱动缆线诸如第三驱动缆线和第四驱动缆线408c,d以实现此类运动(旋转)。
如本文所用，术语“钳口保持器”旨在适用于具有相对的钳口或刀的各种类型的端部执行器，所述钳口或刀能够相对于彼此可旋转地枢转(运动)。在所示实施方案中，钳口210,212包括外科剪刀端部执行器的相对的剪刀片。因此，钳口保持器414a,b可另选地称为“刀保持器”。然而，在其他实施方案中，钳口210,212可另选地包括用于抓紧器端部执行器等的相对的钳口，并且术语“钳口保持器”同样适用，而不脱离本公开的范围。此外，“钳口保持器”中的术语“保持器”可利用“安装座”、“驱动构件”或“致动构件”代替。
图5是根据本公开的一个或多个实施方案的端部执行器204的一部分的分解图。更具体地讲，图5描绘了远侧连接叉402a、安装到它们各自的第一钳口保持器和第二钳口保持器414a,b的第一钳口构件和第二钳口构件210,212以及第一轴404a。
如图所示，远侧连接叉402a包括第一向远侧延伸的臂502a以及从第一向远侧延伸的臂502a偏移的第二向远侧延伸的臂502b。第一臂502a限定被构造成能够接纳并安置第一轴404a的一个端部的第一孔504a，第二臂502b限定被构造成能够接纳并安置第一轴404a的相对端部的第二孔504b。
第一钳口构件和第二钳口构件210,212可分别安装到第一钳口保持器和第二钳口保持器414a,b，使得特定钳口保持器414a,b的运动将相应地运动安装的钳口构件210,212。在所示实施方案中，例如，第一钳口保持器和第二钳口保持器414a,b可各自提供或换句话讲限定钳口凹陷部506，该钳口凹陷部的尺寸被设计为接纳并安置钳口构件210,212。钳口保持器414a,b也可各自限定中心孔508，第一轴404a可通过该中心孔延伸，以便将钳口构件210,212可旋转地安装到远侧连接叉402a。
在所示实施方案中，端部执行器204还可包括套筒轴510，该套筒轴可被设计成在操作期间承受由于钳口保持器414a,b的独立旋转引起的一些或全部支承应力。如图所示，套筒轴510包括大体中空且圆柱形的主体512，该主体具有第一端部514a和与第一端部514a相对的第二端部514b。中央通道516限定在主体512中并且在第一端部与第二端部514a,b之间延伸。中央通道516的尺寸可被设计为或换句话讲可被构造成能够在其中接纳第一轴404a。当端部执行器204完全装配时，套筒轴510插入第一轴404a与钳口保持器414a,b之间。因此，套筒轴510可减轻或完全消除第一轴404a上的磨损，所述磨损可能限制端部执行器204的有效使用寿命。
在一些实施方案中，如图所示，套筒轴510可在第二端部514b处提供或换句话讲限定直径扩大的头部518，以帮助适当地定位套筒轴510进行操作。更具体地讲，套筒轴510能够延伸穿过每个钳口保持器414a,b的同轴对准的中心孔508，并且直径扩大的头部518的尺寸可被设计为接纳在限定于第二钳口保持器414b上的端部凹陷部520中。在至少一个实施方案中，端部凹陷部520的深度可允许直径扩大的头部518与第二钳口保持器414a的剩余部分以嵌入式安装布置进行接纳，但是可另选地突出一小段距离作为抵靠远侧连接叉402a的内表面的轴承。
为了装配端部执行器204，套筒轴510延伸穿过每个钳口保持器414a,b的同轴对准的中心孔508，直到直径扩大的头部518被接纳在端部凹陷部520内。在一些实施方案中，套筒轴510可联接到第一钳口保持器414a以将套筒轴510固定就位。结合被接纳在端部凹陷部520内的直径扩大的头部518，将套筒轴510固定到第一钳口保持器414a可基本上将第一钳口保持器414a联接至第二钳口保持器414b。
然后，第一钳口保持器和第二钳口保持器414a,b可定位在开口522中，该开口限定在远侧连接叉402a的相对臂502a,b之间。然后，第一轴404a可逐渐延伸穿过第一臂502a中的第一孔504a、套筒轴510的中央通道516和第二臂502b中的第二孔504b。然后，第一轴404a的端部中的一者或两者可在第一孔或第二孔504a,b处固定到远侧连接叉402a，以便将第一轴404a固定到远侧连接叉402a。
图6是根据一个或多个实施方案的装配的图5的端部执行器204的横截面侧视图。如图所示，套筒轴510通常插入第一轴404a与第一钳口保持器和第二钳口保持器414a,b之间。更具体地讲，套筒轴510延伸穿过钳口保持器414a,b的同轴对准的中心孔508，并且直径扩大的头部518接纳在第二钳口保持器414b的端部凹陷部520中。此外，第一轴404a延伸穿过套筒轴510的中央通道516。
套筒轴510可通过各种方式固定到第一钳口保持器414a。在一些实施方案中，例如，套筒轴510可在第一端部514a处熔焊或硬钎焊到第一钳口保持器414a，如箭头W所示。然而，在其他实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，套筒轴510可通过配合螺纹接合螺纹联接至第一钳口保持器414a。
在一些实施方案中，当套筒轴510固定到第一钳口保持器414a时，压缩负载(力)可沿着套筒轴510施加到第一钳口保持器414a。压缩负载可迫使直径扩大的头部518在端部凹陷部520处抵靠第二钳口保持器414b，从而移除钳口保持器414a,b之间的任何间隙以提供零公差叠堆。可以证明，这在将钳口构件210,212夹在组件内是有利的，使得钳口构件210,212不必熔焊到相应的钳口保持器414a,b。此外，在施加压缩负载(力)的同时将套筒轴510固定到第一钳口保持器414a确保了钳口构件210,212的相对的轴向支承表面600在操作期间保持彼此平行。可以证明，这在打开和闭合钳口构件210,212的同时确保在钳口构件210,212之间的中线处面对面接触是有利的。
由于套筒轴510被固定到第一钳口保持器414a，第一钳口保持器414a的运动(关节运动)相应地使套筒轴510围绕第一枢转轴线P1旋转。相反，第二钳口保持器414b可在操作期间相对于套筒轴510自由运动(关节运动)。因此，当钳口构件210,212发生剪切动作时，套筒轴510承受套筒轴510与第二钳口保持器414b之间的界面处的支承应力。
在一些实施方案中，端部执行器204可包括设置在套筒轴510与第二钳口保持器414b之间的径向界面处的耐磨物质602(以虚线示出)，以减少摩擦和磨损。在一个实施方案中，耐磨物质602可包括涂覆在套筒轴510的外径向表面上的材料，但是可另选地(或除此之外)包括在中心孔508处涂覆在第二钳口保持器414b的内径向表面上的材料。在其他实施方案中，耐磨物质602可包括插入套筒轴510与第二钳口保持器414b之间的低摩擦轴承材料或结构。耐磨物质602可包括低摩擦材料，诸如但不限于类金刚石碳(DLC)、超硬材料(例如，多晶金刚石、多晶立方氮化硼或绝缘浸渍金刚石)、润滑剂(例如，KRYTOXTM牌合成润滑剂)、干膜涂层(例如，石墨等)，或它们的任何组合。另选地，例如，第二钳口保持器414b可由提供良好的耐磨性和抗不锈钢强度的旋节线青铜或其他材料加工而成。
在一些实施方案中，耐磨物质602也可设置在套筒轴510与第二钳口保持器414b之间的轴向界面处。更具体地讲，耐磨物质602可延伸至直径扩大的头部518与端部凹陷部520之间的轴向界面，以便在套筒轴510相对于第二钳口保持器414b旋转时减小该位置处的摩擦和磨损，反之亦然。
第一轴404a可将钳口保持器414a,b和套筒轴510支撑在远侧连接叉402a上，从而在钳口构件210,212一致运动时控制端部执行器204的偏航运动。更具体地讲，第一轴404a延伸穿过套筒轴510的中央通道516，并且其相对的端部分别接纳在远侧连接叉402a的第一孔和第二孔504a,b内。在一些实施方案中，第一轴404a的端部中的一者或两者可分别在第一孔或第二孔504a,b处固定到远侧连接叉402a。
为了将第一轴404a固定到远侧连接叉402a，第一轴404a的端部中的一者或两者可在第一孔或第二孔504a,b处熔焊或硬钎焊至远侧连接叉402a。在其他实施方案中，第一轴404a的一个端部可螺纹联接至对应的孔504a,b。在其他实施方案中，第一轴404a的端部中的一者或两者可通过轨道铆接第一轴404a的端部的外表面而固定到对应的孔504a,b。在其他实施方案中，第一轴404a的端部中的一者或两者可通过过盈配合或收缩配合接纳在对应的孔504a,b内。
由于第一轴404a被固定到远侧连接叉402a，钳口保持器414a,b和套筒轴510能够各自相对于第一轴404a围绕第一枢转轴线P1运动(关节运动)。在套筒轴510插入第一轴404a与钳口保持器414a,b之间的情况下，经由套筒轴510的运动在第一轴404a的整个轴向长度上有效地扩展了支承接触。
在一些实施方案中，耐磨物质604(以虚线示出)可设置在第一轴404a与套筒轴510之间的界面处以减少摩擦和磨损。耐磨物质604可包括与上述耐磨物质602类似的材料或结构。耐磨物质604可包括涂覆在第一轴404a的外径向表面上或者另选地(或除此之外)涂覆在套筒轴510的内径向表面上的材料。在其他实施方案中，耐磨物质604可包括插入第一轴404a与套筒轴510之间的低摩擦轴承材料或结构。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种端部执行器，该端部执行器包括远侧连接叉、安装到远侧连接叉的轴、第一钳口保持器和可旋转地安装到轴的对应的第一钳口构件、第二钳口保持器和可旋转地安装到轴的对应的第二钳口构件以及具有第一端部、第二端部和在第一端部与第二端部之间延伸的中央通道的套筒轴，其中轴接纳在中央通道内并且套筒轴能够相对于轴旋转。
B.一种外科工具，该外科工具包括：驱动外壳；细长轴，该细长轴从驱动外壳延伸；腕，该腕操作地联接至轴的远侧端部并且具有远侧连接叉和安装到远侧连接叉的轴；端部执行器，该端部执行器具有第一钳口保持器和可旋转地安装到轴的对应的第一钳口构件以及第二钳口保持器和可旋转地安装到轴的对应的第二钳口构件；以及套筒轴，该套筒轴径向插入第一钳口保持器和第二钳口保持器与轴之间并且能够相对于轴旋转。
C.一种操作外科工具的方法，该方法包括将外科工具定位在患者附近以进行操作，该外科工具包括：驱动外壳；细长轴，该细长轴从驱动外壳延伸；腕，该腕操作地联接至轴的远侧端部并且具有远侧连接叉和安装到远侧连接叉的轴；端部执行器，该端部执行器具有第一钳口保持器和可旋转地安装到轴的对应的第一钳口构件以及第二钳口保持器和可旋转地安装到轴的对应的第二钳口构件；以及套筒轴，该套筒轴径向插入第一钳口保持器和第二钳口保持器与轴之间并且能够相对于轴旋转。该方法还包括使第一钳口构件和第二钳口构件中的至少一者围绕轴进行关节运动，并利用套筒轴减轻轴的磨损。
实施方案A、B和C中的每一个可以以任何组合具有以下附加要素中的一个或多个：要素1：其中套筒轴固定到第一钳口保持器，使得第一钳口保持器的运动导致套筒轴旋转。要素2：其中套筒轴的第一端部熔焊或硬钎焊至第一钳口保持器。要素3：还包括设置在套筒轴与第二钳口保持器之间的径向界面处的耐磨物质。要素4：其中耐磨物质包括涂覆在套筒轴的外径向表面和第二钳口保持器的内径向表面中的一者或两者上的材料。要素5：还包括设置在第二端部处的直径扩大的头部，该直径扩大的头部能够接纳在限定于第二钳口保持器上的端部凹陷部内。要素6：还包括设置在直径扩大的头部与端部凹陷部之间的轴向界面处的耐磨物质。要素7：还包括设置在第一轴与套筒轴之间的界面处的耐磨物质。要素8：其中耐磨物质包括涂覆在第一轴的外径向表面和套筒轴的内径向表面中的一者或两者上的材料。要素9：其中第一轴的相对端部接纳在限定于远侧连接叉中的对应的孔内，并且其中相对端部中的一者或两者在对应的孔处固定到远侧连接叉。要素10：其中相对端部中的一者或两者通过以下方式中的至少一种固定到远侧连接叉：熔焊、硬钎焊、螺纹接合、轨道铆接、过盈配合和收缩配合。
要素11：其中套筒轴包括圆柱形主体，该圆柱形主体具有第一端部、第二端部以及在第一端部与第二端部之间延伸的中央通道，并且其中轴延伸穿过中央通道。要素12：其中套筒轴固定到第一钳口保持器，使得第一钳口保持器的运动导致套筒轴旋转。要素13：还包括设置在第二端部处的直径扩大的头部，该直径扩大的头部能够接纳在限定于第二钳口保持器上的端部凹陷部内。要素14：还包括设置在直径扩大的头部与端部凹陷部之间的轴向界面处的耐磨物质，其中耐磨物质包括选自由以下项组成的组的低摩擦材料：类金刚石碳涂层、超硬材料、润滑剂、干膜涂层和它们的任何组合。要素15：还包括设置在套筒轴与第二钳口保持器之间的径向界面处的耐磨物质，其中耐磨物质包括选自由以下项组成的组的低摩擦材料：类金刚石碳涂层、超硬材料、润滑剂、干膜涂层和它们的任何组合。要素16：还包括设置在第一轴与套筒轴之间的界面处的耐磨物质，其中耐磨物质包括选自由以下项组成的组的低摩擦材料：类金刚石碳涂层、超硬材料、润滑剂、干膜涂层和它们的任何组合。要素17：其中第二钳口保持器由对不锈钢具有低磨损阈值的材料制成。
作为非限制性示例，适用于A、B和C的示例性组合包括：要素1与要素2；要素3与要素4；要素5与要素6；要素7与要素8；要素9与要素10；要素11与要素12；要素11与要素13；以及要素13与要素14。
因此，所公开的系统和方法非常适于获得所提到的结果和优点以及其中固有的结果和优点。上文所公开的具体实施方案仅是示例性的，因为本公开的教导内容可以受益于本文教导内容且对于本领域的技术人员而言显而易见的不同但等价的方式进行修改和实施。此外，除了在以下权利要求中描述的之外，对于本文所示的构造或设计的细节没有限制。因此显而易见的是，可改变、组合或修改上文所公开的具体示例性实施方案，并且所有这些改变都被视为在本公开的范围内。本文示例性地公开的系统和方法可适当地在缺少本文未具体公开的任何元件和/或本文公开的任何可选元件的情况下实施。虽然根据“包括”、“含有”、“包含”各种部件或步骤描述了组合物和方法，但是该组合物和方法也可“基本上由各种部件或步骤组成”或“由各种部件或步骤组成”。上文所公开的所有数值和范围可变化一些量。每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数值和任何包括的范围。具体地讲，本文所公开的每种值范围(形式为“约a至约b”或等效形式“大约a至b”或等效形式“从大约a-b”)应被理解为列出更广泛的值范围内涵盖的每个数值和范围。而且，权利要求中的术语具有其普通的一般含义，除非专利权人另有明确和清楚的定义。此外，权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中被定义为表示其引入的一个或多个元件而不是一个元件。如果本说明书中的词语或术语的使用与可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件存在任何冲突，则应采用与本说明书一致的定义。
如本文所用，在一系列项目(用术语“和”或“或”来隔开项目中的任一个)之前的短语“至少一个”将整体修饰列表，而不是列表的每个成员(即，每个项目)。短语“至少一个”允许意指包括项目中的任何一个的至少一个，和/或项目的任何组合中的至少一个，和/或项目中的每一个的至少一个。作为示例，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”各自是指：仅A、仅B或仅C；A、B和C的任何组合；以及/或者A、B和C中的每一个的至少一个。

Claims (17)

1.一种端部执行器，包括：
远侧连接叉；
第一轴，所述第一轴安装到所述远侧连接叉；
第一钳口保持器和可旋转地安装到所述第一轴的对应的第一钳口构件；
第二钳口保持器和可旋转地安装到所述第一轴的对应的第二钳口构件；以及
套筒轴，所述套筒轴具有第一端部、第二端部和在所述第一端部与所述第二端部之间延伸的中央通道，其中所述第一轴接纳在所述中央通道内并且所述套筒轴能够相对于所述第一轴旋转，并且
其中，所述套筒轴的所述第二端部处设置有头部，所述头部具有比所述套筒轴的剩余部分扩大的直径，并且其中，所述头部能够接纳在限定于所述第二钳口保持器上的端部凹陷部内。
2.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述套筒轴固定到所述第一钳口保持器，使得所述第一钳口保持器的运动导致所述套筒轴旋转。
3.根据权利要求2所述的端部执行器，其中所述套筒轴的所述第一端部熔焊或硬钎焊至所述第一钳口保持器。
4.根据权利要求1所述的端部执行器，还包括设置在所述套筒轴与所述第二钳口保持器之间的径向界面处的耐磨物质。
5.根据权利要求4所述的端部执行器，其中所述耐磨物质包括涂覆在所述套筒轴的外径向表面和所述第二钳口保持器的内径向表面中的一者或两者上的材料。
6.根据权利要求1所述的端部执行器，还包括设置在所述头部与所述端部凹陷部之间的轴向界面处的耐磨物质。
7.根据权利要求1所述的端部执行器，还包括设置在所述第一轴与所述套筒轴之间的界面处的耐磨物质。
8.根据权利要求7所述的端部执行器，其中所述耐磨物质包括涂覆在所述第一轴的外径向表面和所述套筒轴的内径向表面中的一者或两者上的材料。
9.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述第一轴的相对端部接纳在限定于所述远侧连接叉中的对应的孔内，并且其中所述相对端部中的一者或两者在所述对应的孔处固定到所述远侧连接叉。
10.根据权利要求9所述的端部执行器，其中所述相对端部中的一者或两者通过以下方式中的至少一种固定到所述远侧连接叉：熔焊、硬钎焊、螺纹接合、轨道铆接、过盈配合和收缩配合。
11.一种外科工具，包括：
驱动外壳；
细长轴，所述细长轴从所述驱动外壳延伸；
腕，所述腕操作地联接至所述细长轴的远侧端部并且具有远侧连接叉和安装到所述远侧连接叉的第一轴；
端部执行器，所述端部执行器具有第一钳口保持器和可旋转地安装到所述第一轴的对应的第一钳口构件以及第二钳口保持器和可旋转地安装到所述第一轴的对应的第二钳口构件；以及
套筒轴，所述套筒轴径向插入所述第一钳口保持器和所述第二钳口保持器与所述第一轴之间并且能够相对于所述第一轴旋转，所述套筒轴具有第一端部、第二端部和在所述第一端部与所述第二端部之间延伸的中央通道，并且
其中，所述套筒轴的所述第二端部处设置有头部，所述头部具有比所述套筒轴的剩余部分扩大的直径，并且其中，所述头部能够接纳在限定于所述第二钳口保持器上的端部凹陷部内。
12.根据权利要求11所述的外科工具，其中所述套筒轴包括圆柱形主体，所述圆柱形主体具有第一端部、第二端部以及在所述第一端部与所述第二端部之间延伸的中央通道，并且其中所述第一轴延伸穿过所述中央通道。
13.根据权利要求12所述的外科工具，其中所述套筒轴固定到所述第一钳口保持器，使得所述第一钳口保持器的运动导致所述套筒轴旋转。
14.根据权利要求11所述的外科工具，还包括设置在所述头部与所述端部凹陷部之间的轴向界面处的耐磨物质，其中所述耐磨物质包括选自由以下项组成的组的低摩擦材料：类金刚石碳涂层、超硬材料、润滑剂、干膜涂层和它们的任何组合。
15.根据权利要求11所述的外科工具，还包括设置在所述套筒轴与所述第二钳口保持器之间的径向界面处的耐磨物质，其中所述耐磨物质包括选自由以下项组成的组的低摩擦材料：类金刚石碳涂层、超硬材料、润滑剂、干膜涂层和它们的任何组合。
16.根据权利要求11所述的外科工具，还包括设置在所述第一轴与所述套筒轴之间的界面处的耐磨物质，其中所述耐磨物质包括选自由以下项组成的组的低摩擦材料：类金刚石碳涂层、超硬材料、润滑剂、干膜涂层和它们的任何组合。
17.根据权利要求11所述的外科工具，其中所述第二钳口保持器由对不锈钢具有低磨损阈值的材料制成。
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