CN109937013A - 具有交叉轴线挠曲枢轴的关节组件 - Google Patents

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Abstract

本文描述的实施例可以用于各种抓握、切割和操纵操作。在一些实施例中，一种装置包括第一关节构件、第二关节构件和挠曲件。第一关节构件包括第一连接部分和接触表面。第二关节构件包括第二连接部分。挠曲件的第一端部耦接到第一连接部分，并且挠曲件的第二端部耦接到第二连接部分。挠曲件被构造成当第一关节构件和第二关节构件从第一构型移动到第二构型时弹性变形。当处于第一构型时，挠曲件的中心部分与接触部分间隔开。当处于第二构型时，挠曲件的中心部分与接触部分接触。

Description

具有交叉轴线挠曲枢轴的关节组件
相关应用的交叉引用
本申请要求2016年9月14日提交的题为“Joint Assemblies with Cross-AxisFlexural Pivots”的美国临时申请号62/394,310的优先权，该临时申请通过引用整体并入本文。
背景技术
本文描述的实施例涉及顺从的关节机构。更具体地，本文描述的实施例涉及可用在例如手术应用中的具有交叉轴线挠曲枢轴的设备。
微创手术(MIS)是一个不断发展的领域，并且已知的技术采用被手动控制或机器人控制的工具来操纵组织。这种已知的工具和机构包括例如运动链，所述运动链包括腕机构、可转向节段、夹持器、切割工具等。已知的方法包括通过至少部分地遵循患者的天然管腔(诸如消化道、携带血液的管腔、支气管或其他管腔)进入患者体内的目标工作部位。例如，遵循天然管腔可以允许外科医生在工作部位操作，同时做出通过健康组织的更少和/或更小的切口，尽管在手术设备进入或离开天然管腔的位置可能需要切口。在其他MIS方面，可以在不遵循体腔的情况下进入手术部位。可以经由穿过患者体壁的一个或多个切口或经由天然孔口进入。
外科医生和工程师正在不断努力减轻手术对患者的负面影响。减小手术器械的尺寸和/或操作足迹(footprint)是这项努力中追求的一种方法。例如，当器械直径接近约3mm时，它们也接近进入切口可足够小以使得在患者身上留下很少或没有可见的瘢痕的阈值。但是，一些直径小于3mm的已知工具缺乏所需的柔韧性，并且可能包括在患者体内产生不希望的大扫掠体积(例如，操作足迹)的机构。例如，一些已知的工具可能缺乏腕关节并且通常具有一个机械自由度(DoF)，诸如由钳口执行的夹持。其他已知的工具具有腕关节和夹持功能，但其特征在于从工具轴轴线到末端执行器尖端的相对大的投掷距离以适应腕关节。因此，这种工具设计在手术部位需要更大的体积以进行有效的组织操纵。
一些已知的器械采用关节组件(例如，用于夹持器或铰接轴)，该关节组件包括销-槽关节以允许工具的一部分(例如，轴的第一端)相对于工具的第二部分(例如，轴的第二端)旋转。这种已知的关节机构被称为“非顺从”的回转关节。这种已知的关节可能会承受不希望程度的摩擦、磨损和不希望的运动，所有这些都会导致性能下降。
其他已知的器械采用包括柔性构件的关节组件，该柔性构件响应于输入力而变形以在关节内产生移动性。这种关节机构被称为“顺从关节”或“顺从机构”。使用顺从机构可以减少关节中的摩擦、磨损和零件数量。然而，一些已知的顺从机构缺乏稳定性并且可能由于柔性构件的变形而易于疲劳或失效。因此，一些已知的顺从机构仅可在有限的运动范围(例如，运动的角度范围)内操作。另外，由于柔性构件变形期间的高应力，一些已知的顺从机构的最小尺寸可能受到限制。
因此，需要改进用于手术器械的关节机构以及组装和使用这种改进的关节机构的方法。
发明内容
本发明内容介绍了本文描述的实施例的某些方面以提供基本的理解。本发明内容不是对本发明主题的广泛概述，并且不旨在识别关键或重要元素或者描绘本发明主题的范围。在一些实施例中，一种装置包括第一关节构件、第二关节构件和挠曲件。第一关节构件包括连接部分和接触表面。第二关节构件包括连接部分。挠曲件具有第一端部、第二端部和在第一端部与第二端部之间的中心部分。第一端部耦接到第一关节构件的连接部分，并且第二端部耦接到第二关节构件的连接部分。挠曲件被构造成当第一关节构件和第二关节构件从第一构型移动到第二构型时弹性变形。当第一关节构件和第二关节构件处于第一构型时，挠曲件的中心部分与接触部分间隔开。当第一关节构件和第二关节构件处于第二构型时，挠曲件的中心部分与接触部分接触。
在一些实施例中，一种装置包括允许两个或更多个自由度的交叉轴线挠曲枢轴布置。该装置包括第一关节构件、第二关节构件、在第一关节构件与第二关节构件之间的第三关节构件、第一挠曲件和第二挠曲件。第一挠曲件具有耦接到第一关节构件的第一端部和耦接到第三关节构件的第二端部。第一挠曲件被构造成当第二关节构件相对于第一关节构件绕第一旋转轴线旋转时弹性变形。第二挠曲件具有耦接到第二关节构件的第一端部和耦接到第三关节构件的第二端部。第二挠曲件被构造成当第二关节构件相对于第一关节构件绕第二旋转轴线旋转时弹性变形。第二旋转轴线不平行于第一旋转轴线并与第一旋转轴线相交。
附图说明
图1和图2是根据一个实施例的分别处于第一构型和第二构型的顺从关节机构的示意图。
图3是根据一个实施例的具有两个交叉轴线挠曲件的顺从关节机构的示意图。
图4是根据一个实施例的具有两个交叉轴线挠曲件的顺从关节机构的示意图。
图5和图6是根据一个实施例的顺从关节机构的透视图。
图7是图5和图6中所示的顺从关节机构的内部构件的透视图。
图8和图9分别是图7中所示的顺从关节机构的内部构件的侧视图和前视图。
图10是图5和图6中所示的顺从关节机构的内部构件的透视图。
图11和图12分别是图10中所示的顺从关节机构的内部构件的侧视图和前视图。
图13和图14是根据一个实施例的顺从关节机构的透视图。
图15和图16分别是图13和图14中所示的顺从关节机构的外部构件的透视图和前视图。
图17至图19是根据一个实施例的原型顺从关节组件的照片。
图20是图17至图19中所示的原型的角偏转作为弯曲扭矩的函数的标绘图，其包括测量数据和有限元分析数据。
图21是根据一个实施例的原型顺从关节组件的照片。
图22是与其他实施例进行比较的图21中所示的原型的角偏转作为弯曲扭矩的函数的标绘图。
图23和图24是根据一个实施例的顺从关节机构的透视图。
图25和图26是图23和图24中所示的顺从关节机构的内部构件的透视图。
图27和图28分别是图25和图26中所示的顺从关节机构的内部构件的侧视图和前视图。
图29和图30是图23和图24中所示的顺从关节机构的外部构件的透视图。
图31和图32分别是图23和图24中所示的顺从关节机构的外部构件的侧视图和前视图。
图33是示出根据一个实施例的作为关节组件的旋转的函数的最大von Mises应力的标绘图。
图34A是根据一个实施例的处于未偏转状态的关节组件的有限元分析的标绘图。
图34B和图34C是图34A中所示的关节组件偏转大约86度的有限元分析的标绘图。
图35是示出作为图34A至图34C中建模的关节组件的旋转的函数的最大von Mises应力的标绘图。
图36是示出作为图34A至图34C中建模的关节组件的旋转的函数的最大von Mises应力的标绘图。
图37至图40是根据一个实施例的原型顺从关节组件的照片。
图41是示出作为图37至图40中所示的关节组件的输入力的函数的旋转角度的标绘图。
图42是示出作为图37至图40中所示的关节组件的输入力的函数的旋转角度的标绘图，其示出线性性质和非线性性质。
图43至图44是根据一个实施例的原型顺从关节组件的照片。
图45是使用根据一个实施例的方法构造的关节组件的一部分的示意图。
图46是根据一个实施例的制造关节组件的方法的流程图。
具体实施方式
本文描述的实施例可有利地用于各种抓握、切割和操纵操作。特别地，本文描述的交叉轴线挠曲件设计可允许单个顺从关节偏转以产生末端执行器工具相对于安装轴的夹持运动和腕运动。如本文描述的，交叉轴线挠曲件设计可以包括接触(或“凸轮”)表面，从而控制挠曲件上的载荷，由此限制应力。以这种方式，可以增加运动范围(高达85度的旋转或更高)并且可以减小关节组件的标称尺寸。本文描述的实施例还包括具有两个自由度的关节，其最小化或减小摩擦。本文描述的实施例具有提供相对低摩擦的机构。本文描述的实施例包括小尺度的至少两个自由度的工具，并且该工具具有最小或减少数量的零件。然而，在其他实施例中，工具、关节组件或两者仅具有一个自由度。
在一些实施例中，一种装置包括第一关节构件、第二关节构件和挠曲件。第一关节构件包括连接部分和接触表面。第二关节构件包括连接部分。挠曲件具有第一端部、第二端部和在第一端部与第二端部之间的中心部分。第一端部耦接到第一关节构件的连接部分，并且第二端部耦接到第二关节构件的连接部分。挠曲件被构造成当第一关节构件和第二关节构件从第一构型移动到第二构型时弹性变形。当第一关节构件和第二关节构件处于第一构型时，挠曲件的中心部分与接触部分间隔开。当第一关节构件和第二关节构件处于第二构型时，挠曲件的中心部分与接触部分接触。
在一些实施例中，一种装置包括允许两个或更多个自由度的交叉轴线挠曲枢轴布置。该装置包括第一关节构件、第二关节构件、在第一关节构件与第二关节构件之间的第三关节构件、第一挠曲件和第二挠曲件。第一挠曲件具有耦接到第一关节构件的第一端部和耦接到第三关节构件的第二端部。第一挠曲件被构造成当第二关节构件相对于第一关节构件绕第一旋转轴线旋转时弹性变形。第二挠曲件具有耦接到第二关节构件的第一端部和耦接到第三关节构件的第二端部。第二挠曲件被构造成在第二关节构件相对于第一关节构件绕第二旋转轴线旋转时弹性变形。第二旋转轴线不平行于第一旋转轴线并与第一旋转轴线相交。
本文还描述了制造关节组件的方法。在一些实施例中，一种方法包括当材料片处于平面构型时在材料片中生产关节构件。该关节构件包括第一端部、第二端部和在第一端部与第二端部之间的挠曲件。在生产之后，材料片被卷绕以使得第一端部绕纵向轴线形成第一圆筒并且第二端部绕纵向轴线形成第二圆筒。该方法还包括将材料片的第一侧结合到材料片的第二侧。
如本文所用，当与参考数字指示结合使用时，术语“大约”表示参考数字指示加上或减去该参考数字指示的最多10％。例如，语言“大约50”涵盖45至55的范围。类似地，语言“大约5”涵盖4.5至5.5的范围。
与零件(诸如机械结构、部件或部件组件)相关联的术语“柔性的”应该被广泛地解释。本质上，该术语意味着该零件可以反复弯曲并恢复到原始形状而不会损坏该零件。某些柔性部件也可以是弹性的。例如，如果一个部件(例如挠曲件)在弹性变形时具有吸收能量的能力并且在卸载时释放储存的能量(即恢复到其原始状态)，则称其具有弹性。由于材料性质，许多“刚性”物体具有轻微的固有弹性“弯曲”，尽管这些物体在本文中使用时不被认为是“柔性的”。柔性零件可以具有无限自由度(DOF)。
柔性是所描述的物体的广泛性质，因此柔性取决于形成物体的材料以及物体的某些物理特征(例如，横截面形状、长度、边界条件等)。例如，通过在物体中选择性地包括具有所需弹性模量、挠曲模量和/或硬度的材料，可以增加或减少物体的柔性。弹性模量是组成材料的强度性质(即，固有的)，并且描述了物体响应于所施加的力而弹性(即，非永久地)变形的趋势。在存在相同应力的情况下，具有高弹性模量的材料不会像具有低弹性模量的材料那样偏转。因此，例如通过将具有相对高弹性模量的材料引入物体和/或用其构造物体，可以降低物体的柔性。这种零件的示例包括封闭的可弯曲的管(由例如聚合物、软橡胶等制成)、螺旋形盘旋弹簧等，其可以弯曲成各种简单或复合曲线，通常没有明显的横截面变形。
其他柔性零件可以通过使用一系列紧密间隔的部件来近似这样的无限DOF零件，该一系列紧密间隔的部件类似于连续“椎骨”的蛇状布置。在这种椎骨布置中，每个部件是运动链中的短连杆(link)，并且每个连杆之间的可移动机械约束(例如，销铰链、杯和球(cup and ball)、活动铰链等)可以允许连杆之间的相对运动的一个(例如，俯仰)或者两个(例如，俯仰和偏航)DOF。即使柔性零件本身可以是由若干个耦接连杆制成的运动链，短小的柔性零件也可以用作并且被建模为在运动链中的两个连杆之间提供一个或多个DOF的单个机械约束(关节/接头(joint))。
如本说明书和所附权利要求中所用，词语“近”和“远”分别指的是更靠近和远离手术设备的操作者(或控制器)的方向。因此，例如，离用户最远(并且最接近目标组织)的关节组件的端部将是关节组件的远端，而与远端相对的端部(即，由使用者操纵的端部或耦接到致动轴的端部)将是关节组件的近端。
此外，选择用于描述一个或多个实施例和可选元件或特征的特定词语不旨在限制本发明。例如，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“近”、“远”等空间相对术语可用于描述如图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了图中所示的位置和取向之外，这些空间相对术语旨在包含装置在使用或操作中的不同位置(即平移放置)和取向(即旋转放置)。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将在其他元件或特征“上面”或“上方”。因此，术语“下方”可以包括上方和下方的位置和取向。设备可以以其他方式定向(例如，旋转90度或在其他取向)，并且在本文使用的空间相对描述语言也相应地解释。同样地，沿着(平移)和围绕(旋转)各种轴线的移动的描述包括各种空间设备位置和取向。身体的位置和取向的组合定义了身体的姿势。
类似地，除非上下文另有说明，否则诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“方形”的几何术语不旨在要求绝对数学精度。相反，这种几何术语允许由于制造或等效功能而引起的变化。例如，如果元件被描述为“圆形/圆润”或“大致圆形/圆润”，则该描述仍涵盖不是精确圆形的部件(例如，略呈椭圆形的或是多面多边形的部件)。
另外，除非上下文另有说明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“具有”等指定所述特征、步骤、操作、元件、部件等的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件或群组。
除非另有说明，否则术语“装置”、“关节机构”、“关节组件”及其变体可以互换使用。
本发明的各方面主要根据使用手术系统(例如由加利福尼亚州桑尼维尔(Sunnyvale,California)的直观外科公司(Intuitive Surgical,Inc.)商业化的da手术系统)的实施方式进行描述。这种手术系统的示例是daXiTM手术系统(型号IS4000)和daSiTMHDTM手术系统(型号IS3000)。然而，技术人员将理解，本文公开的发明方面可以以各种方式体现和实现，包括计算机辅助的、非计算机辅助的、以及手动和计算机辅助的实施例和实施方式的混合组合。da手术系统(例如，型号IS4000、型号IS3000、型号IS2000、型号IS1200)或任何其他手术组件的实施方式仅作为示例给出，并且它们不应被视为限制本文公开的发明方面的范围。如果适用，本发明的方面可以在相对较小的手持式手动操作设备和具有附加机械支撑的相对较大的系统中体现和实现。
图1和图2是根据一个实施例的顺从关节组件100的示意图。关节组件100包括第一关节构件110、第二关节构件130和挠曲件170。关节组件100和本文描述的任何关节组件可用于如本文描述的任何合适的手术设备或系统中。例如，关节组件100或其中的任何部件可选地是末端执行器(诸如夹持器、剪刀等)、铰接轴、腕组件等的零件。第一关节构件110或第二关节构件130中的任一个可以耦接到手术器械轴的端部以形成腕组件，该腕组件允许末端执行器参考该轴改变取向(例如，滚转、俯仰和偏航中的一个或多个)。
第一关节构件110包括连接部分115和接触表面116，并限定第一轴线AL1。第一关节构件110可以是任何合适的形状。例如，在一些实施例中，第一关节构件110可以是细长构件，并且第一轴线AL1可以是第一关节构件110的纵向中心线。在其他实施例中，第一关节构件110可以包括与第二关节构件130的对应平坦表面相对的平坦表面，并且第一轴线AL1可以是与相对的平坦表面正交的轴线。如本文描述的，连接部分115可以位于第一关节构件110上的任何合适位置，并且可以具有将第一关节构件110耦接到挠曲件170的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接部分115可以是挠曲件170耦接到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分115可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分115可以与挠曲件170整体形成(即，可以与挠曲件170一体形成)。
如下所述，接触表面116可以是在使用期间与挠曲件170接触的任何合适的表面。尽管接触表面116被示出为弯曲表面，但在其他实施例中，接触表面116可以是平坦表面。在其他实施例中，接触表面116可以具有特定的轮廓或形状。例如，在一些实施例中，接触表面116可以限定曲率半径，选择该曲率半径以在使用期间控制挠曲件170的弯曲度。
第二关节构件130包括连接部分135，并限定第二轴线AL2。第二关节构件130可以是任何合适的形状。例如，在一些实施例中，第二关节构件130可以是细长构件，并且第二轴线AL2可以是第二关节构件130的纵向中心线。在其他实施例中，第二关节构件130可以包括与第一关节构件110的对应平坦表面相对的平坦表面，并且第二轴线AL2可以是与相对的平坦表面正交的轴线。如本文描述的，连接部分135可以位于第二关节构件130上的任何合适位置，并且可以具有将第二关节构件130耦接到挠曲件170的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接部分135可以是挠曲件170耦接到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分135可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分135可以与挠曲件170整体形成(即，可以与挠曲件170一体形成)。
第一关节构件110经由挠曲件170耦接到第二关节构件130。更具体地，挠曲件170具有第一端部171、第二端部172和在第一端部171与第二端部172之间的中心部分173。第一端部171耦接到第一关节构件110的连接部115，并且第二端部172耦接到第二关节构件130的连接部分135。如图2所示，当第二关节构件130相对于第一关节构件110移动时，挠曲件170弹性变形。换言之，当第一关节构件110和第二关节构件130从第一构型(图1)移动到第二构型(图2)时，挠曲件弹性变形。因此，挠曲件170是弹性构件，其存储来自致动力的能量并且在致动力被移除时释放能量，从而允许关节组件100在第一构型(图1)与第二构型(图2)或任何其他合适的构型之间重复地移动。与传统的销关节相比，这种布置导致关节组件具有低的零件数量、减少的摩擦以及将设备缩放到更小尺寸的能力。
如图所示，当关节组件100处于第一构型(图1)时，挠曲件170的中心部分173与接触表面116间隔开。当关节组件100处于第二构型(图2)时，挠曲件170的中心部分173与接触表面116接触。以这种方式，接触表面116可以控制挠曲件170的变形。换言之，当第一关节构件110和第二关节构件130从第一构型移动到第二构型时，接触表面116与挠曲件170的中心部分173之间的结合约束了挠曲件170的曲率半径。这可以进而限制挠曲件170中的应力并且在挠曲件170的变形期间保持基本恒定的应力。
如图2所示，当关节组件100从第一构型转换到第二构型时，第二关节构件130相对于第一关节构件110旋转，如箭头AA所示。因此，在一些实施例中，当关节组件100处于第一构型时，第二轴线AL2与第一轴线AL1同轴，并且当关节组件100处于第二构型时，第二轴线AL2与第一轴线AL1不同轴。此外，第二关节构件130相对于第一关节构件110绕旋转轴线(也称为枢转轴线，如图1和图2中的P1所示)旋转。在一些实施例中，旋转轴线P1可近似为当关节组件100处于第一构型时沿挠曲件170的中心点。例如，如图所示，在这样的实施例中，第一轴线AL1可以与旋转轴线P1相交。而且，第一轴线AL1或第二轴线AL2中的任一个都可以与旋转轴线P1正交。然而，在其他实施例中，旋转轴线P1可以与第一轴线AL1或第二轴线AL2中的任一个不相交，或者可以相对于第一轴线AL1或第二轴线AL2中的任一个处于任何角度。
在一些实施例中，旋转轴线P1可近似为在第二关节构件130移动期间相对于第一关节构件110处于基本恒定的位置。例如，在一些实施例中，关节组件可以包括多个挠曲件或约束以维持基本恒定的旋转轴线P1。在其他实施例中，关节组件可以被构造成当关节组件从第一构型转换到第二构型时使得旋转轴线P1平移。在其他实施例中，当关节组件从第一构型转换到第二构型时，第二关节构件可相对于第一关节构件平移。例如，在一些实施例中，当关节组件从第一构型转换到第二构型时，第二关节构件可相对于第一关节构件旋转和平移。
第一关节构件110可以包括旋转轴线P1、第一轴线AL1、接触表面116和连接部分115之间的任何合适的空间关系。例如，如图所示，在一些实施例中，第一轴线AL1可以与旋转轴线P1相交，并且可以在接触表面116与连接部分115之间。换言之，接触表面116可以位于第一轴线AL1的一侧，并且连接部分115(因此挠曲件的第一端部171)可以位于第一轴线AL1的另一侧。此外，在一些实施例中，接触表面116可以在旋转轴线P1与连接部分115之间。换言之，接触表面116可以沿着第一轴线AL1朝向旋转轴线P1的方向从连接部分115延伸(或从连接部分115突出)。例如，这种布置可以提供关节组件100或本文所示和所述的任何关节组件的所需运动性能。
尽管在图1和图2中未示出使得第二关节构件130相对于第一关节构件110移动的力(称为致动力)，该力可以通过任何合适的机构施加到关节组件100的任何合适的部分。例如，在一些实施例中，第二关节构件130可以包括接合部分，该接合部分接收致动力以将关节组件100从第一构型转换到第二构型。在一些实施例中，可以经由柔性缆线或刚性杆在第二关节构件130上的固定点处施加致动力。在其他实施例中，可以经由柔性缆线或刚性杆在第二关节构件130上的多个点处施加致动力。
尽管关节组件被示出为包括单个挠曲件170，但在其他实施例中，其可以包括任何合适数量和布置的挠曲件。例如，在一些实施例中，关节组件可以包括彼此不平行的两个(或更多个)挠曲件。换言之，在一些实施例中，关节组件可以包括两个挠曲件，这两个挠曲件的中心轴线彼此交叉。这被称为交叉轴线挠曲关节。图3是根据一个实施例的顺从关节组件200的示意图。关节组件200包括第一关节构件210、第二关节构件230、第一挠曲件270和第二挠曲件275。关节组件200和本文描述的任何关节组件可以用于本文描述的任何合适的手术设备或系统中。例如，关节组件200或其中的任何部件可选地是末端执行器(例如夹持器、剪刀等)、铰接轴、腕组件等的零件。第一关节构件210或第二关节构件230中的任一个可以耦接到手术器械轴的端部以形成腕组件，该腕组件允许末端执行器参考该轴改变取向(例如，滚转、俯仰和偏航中的一个或多个)。
第一关节构件210包括内部部分211和外部部分221。内部部分211包括连接部分215和接触表面216。如本文描述的，连接部分215可以位于第一关节构件210的内部部分211上的任何合适位置，并且可以具有任何合适的性质以将第一关节构件210耦接到第一挠曲件270。例如，在一些实施例中，连接部分215可以是第一挠曲件270(例如，经由焊接、粘合剂等)耦接到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分215可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分215可以与第一挠曲件270整体形成(即，可以与第一挠曲件270一体形成)。
接触表面216可以是在使用期间与第一挠曲件270接触的任何合适的表面，如下所述。尽管接触表面216被示出为弯曲表面，但在其他实施例中，其可以是平坦表面。在其他实施例中，接触表面216可以具有特定的轮廓或形状。例如，在一些实施例中，接触表面216可以限定曲率半径，选择该曲率半径以在使用期间控制第一挠曲件270的弯曲度。
第一关节构件210的外部部分221包括连接部分(未示出)和接触表面226。如本文所述，该连接部分可以类似于连接部分215，并且可以位于第一关节构件210的外部部分221上的任何合适的位置，并且可以具有将第一关节构件210耦接到第二挠曲件275的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接部分225可以是第二挠曲件275(例如，经由焊接、粘合剂等)耦接到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分225可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分225可以与第二挠曲件275整体形成(即，可以与第二挠曲件275一体形成)。
如下所述，接触表面226可以是在使用期间与第二挠曲件275接触的任何合适的表面。尽管接触表面226被示出为弯曲表面，但在其他实施例中，其可以是平坦表面。在其他实施例中，接触表面226可以具有特定的轮廓或形状。例如，在一些实施例中，接触表面226可以限定曲率半径，选择该曲率半径以在使用期间控制第二挠曲件275的弯曲度。
第二关节构件230包括内部部分231和外部部分241。内部部分231对应于内部部分211(或与其相对)，外部部分241对应于外部部分221(或与其相对)。内部部分231包括连接部分235，连接部分235具有将第一关节构件210耦接到第一挠曲件270的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接部分235可以是第一挠曲件270(例如，经由焊接、粘合剂等)耦接到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分215可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分235可以与第一挠曲件270整体形成(即，可以与第一挠曲件270一体形成)。
第二关节构件230的外部部分241包括连接部分245。连接部分245可以类似于连接部分235，并且可以位于第二关节构件230的外部部分241上的任何合适的位置。连接部分245可以具有任何合适的性质以将第二关节构件230耦接到第二挠曲件275。例如，在一些实施例中，连接部分245可以是第二挠曲件275(例如，经由焊接、粘合剂等)耦接到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分245可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分245可以与第二挠曲件275整体形成(即，可以与第二挠曲件275一体形成)。
第一关节构件210经由第一挠曲件270和第二挠曲件275耦接到第二关节构件230。第一挠曲件270具有第一端部271、第二端部272和在第一端部271与第二端部272之间的中心部分273。第一端部271耦接到第一关节构件210的连接部分215，并且第二端部272耦接到第二关节构件230的连接部分235。第二挠曲件275具有第一端部276、第二端部277和在第一端部276与第二端部277之间的中心部分278。第一端部276耦接到第一关节构件210的连接部分(未示出)，第二端部277耦接到第二关节构件230的连接部分245。
在使用中，当第二关节构件230相对于第一关节构件210移动时，第一挠曲件270和第二挠曲件275各自弹性变形。换言之，当第一关节构件210和第二关节构件230从第一构型(图3)移动到第二构型(未示出)时，第一挠曲件270和第二挠曲件275弹性变形。因此，挠曲件是弹性构件，其存储来自致动力的能量并且在致动力被移除时释放能量，从而允许关节组件200在各种构型之间重复地移动。
当关节组件200从第一构型转换到第二构型时，第二关节构件230相对于第一关节构件210旋转，如图3中的箭头BB所示。特别地，第二关节构件230相对于第一关节构件210绕旋转轴线(也称为枢转轴线，由P1表示)旋转。在一些实施例中，旋转轴线P1可近似为当关节组件200处于第一构型时第一挠曲件270与第二挠曲件275交叉处的轴线。例如，如图所示，在这样的实施例中，第一轴线AL1可以与旋转轴线P1相交。在一些实施例中，旋转轴线P1可近似为在第二关节构件230移动期间相对于第一关节构件210处于基本恒定的位置。然而，在其他实施例中，关节组件可以被构造成使得旋转轴线P1与挠曲件交叉处的轴线间隔开，或者当关节组件从第一构型转换到第二构型时，旋转轴线P1平移。
当关节组件200处于第一构型(图3)时，第一挠曲件270的中心部分273与接触表面216间隔开。当关节组件200处于第二构型(未示出)时，第二关节构件230相对于第一关节构件210逆时针旋转，并且第一挠曲件270的中心部分273与接触表面216接触。以这种方式，接触表面216可以控制第一挠曲件270的变形。换言之，当第一关节构件210和第二关节构件230从第一构型移动到第二构型时，接触表面216与第一挠曲件270的中心部分273之间的接合约束了第一挠曲件的曲率半径270。这进而可以限制第一挠曲件270中的应力并且在第一挠曲件270的变形期间保持基本恒定的应力。
当关节组件200处于第一构型(图3)时，第二挠曲件275的中心部分278与接触表面226间隔开。当关节组件200处于第三构型(未示出)时，第二关节构件230相对于第一关节构件210顺时针旋转，并且第二挠曲件275的中心部分278与接触表面226接触。以这种方式，接触表面226可以控制第二挠曲件275的变形。换言之，当第一关节构件210和第二关节构件230从第一构型移动到第二构型时，接触表面226与第二挠曲件275的中心部分278之间的接合约束了第二挠曲件的曲率半径275。这进而可以限制第二挠曲件275中的应力并且在第二挠曲件275的变形期间保持基本恒定的应力。
虽然关节组件200被示出为包括第一关节构件210(包括接触表面216、接触表面226)和没有任何接触表面的第二关节构件230，但在其他实施例中，关节组件可以包括任意数量的关节构件(两个、三个或更多个)，每个构件都具有如本文描述的任何数量的接触表面。例如，图4是根据一个实施例的关节构件300的示意图。关节组件300包括第一关节构件310、第二关节构件330、第一挠曲件370和第二挠曲件375。关节组件300和本文描述的任何关节组件可以用于本文描述的任何合适的手术设备或系统中。例如，关节组件300或其中的任何部件可选地是末端执行器(诸如夹持器、剪刀等)、铰接轴、腕组件等的零件。第一关节构件310或第二关节构件330中的任一个可以耦接到手术器械轴的端部以形成腕组件，该腕组件允许末端执行器参考该轴改变取向(例如，滚转、俯仰和偏航中的一个或多个)。关节组件300的功能类似于关节构件200、关节构件400或本文所示和所述的任何其他关节构件，因此关节构件300的某些部分在下面不再详细描述。
第一关节构件310包括接触表面316和接触表面326。接触表面316、接触表面326可以是在使用期间分别接触第一挠曲件370和第二挠曲件375的任何合适的表面。第二关节构件330包括接触表面336和接触表面346。接触表面336、接触表面346可以是在使用期间分别接触第一挠曲件370和第二挠曲件375的任何合适的表面。
第一关节构件310经由第一挠曲件370和第二挠曲件375耦接到第二关节构件330。在使用中，当第二关节构件330相对于第一关节构件310移动时，第一挠曲件370和第二挠曲件375各自弹性变形。换言之，当第一关节构件310和第二关节构件330从第一构型(图4)移动到第二构型和第三构型(未示出)时，第一挠曲件370和第二挠曲件375弹性变形。因此，挠曲件是弹性构件，其存储来自致动力的能量并且在致动力被移除时释放能量，从而允许关节组件300在各种构型之间重复地移动。
当关节组件300处于第一构型(图4)时，第一挠曲件370的中心部分与接触表面316和接触表面336间隔开。当关节组件300处于第一构型时，第二挠曲件375的中心部分与接触表面326和接触表面346间隔开。当关节组件300处于第二构型(未示出)时，第二关节构件330相对于第一关节构件310逆时针旋转。在该旋转期间，第一挠曲件370的中心部分与接触表面336接触，并且第二挠曲件375的中心部分与接触表面326接触。当关节组件300移动到第三构型(未示出)时，第二关节构件330相对于第一关节构件310顺时针旋转。在该旋转期间，第一挠曲件370的中心部分与接触表面316接触并且第二挠曲件375与接触表面346接触。以这种方式，接触表面可以控制第一挠曲件370和第二挠曲件375的变形。换言之，接触表面与第一挠曲件370和第二挠曲件375之间的接合约束了第一挠曲件380和第二挠曲件375的曲率半径。这进而可以在挠曲件变形期间限制挠曲件中的应力并保持基本恒定的应力。
控制挠曲件(包括本文所述的任何挠曲件)的曲率可以在挠曲件屈服之前实现更大的偏转。虽然本文描述的任何挠曲件可以具有任何合适的形状，但是它们可以被建模为薄的弹性梁。对于薄的弹性梁，弯矩(并且因此应力)与曲率成比例并且与曲率半径成反比。下面是关于曲率半径的挠曲件应力的推导。
施加的力矩M与受控曲率半径R’有关，如下面公式1所示，其中E是弹性模量，I是面积的第二力矩。最大应力σmax由公式(2)给出，其中h是挠曲件厚度。
公式(1)：
公式(2)：
将公式(1)代入公式(2)得到作为受控曲率半径的函数的最大挠曲件应力：
公示(3)：
将挠曲件的曲率半径限制为恒定将得到在距离中性轴线的给定距离处沿着构件的恒定应力。为了控制曲率半径，接触表面(包括本文描述的任何接触表面)可以被集成到关节组件(诸如关节组件300)中。具有接触表面(也称为凸轮表面)的关节组件的旋转与没有接触表面的标准关节组件的旋转的比率可以计算为：
公式(4)：
其中Sy是材料的屈服强度，L是挠曲件长度，β是挠曲件角度，Sθ是应力系数(由Jensen,B.D.and Howell,L.L.,“The Modeling of Cross-Axis Flexural Pivots,”Mechanism and Machine Theory 37(5)(2002)，第461-476页定义)。当挠曲件角度为45度时，θcam/θ＝1.36，意味着具有引导挠曲件的接触(或凸轮)表面的关节组件机构与类似几何形状的标准关节组件相比在理论上将使角偏转增加36％直到屈服。这种增加的性能在各种应用中可能有用。
尽管关节组件200被示出和描述为具有平面关节构件(例如，第一关节构件210和第二关节构件230)，但在其他实施例中，关节组件可以包括具有任何合适形状的关节构件。例如，在一些实施例中，关节组件可以包括圆筒关节构件。图5至图12是根据一个实施例的关节组件400的各种视图。关节组件400包括第一关节构件410和第二关节构件430，第一关节构件410和第二关节构件430通过第一挠曲件470和第二挠曲件475可移动地耦接在一起。关节组件400和本文描述的任何关节组件可用于本文描述的任何合适的手术设备或系统中。例如，关节组件400或其中的任何部件可选地是末端执行器(诸如夹持器、剪刀等)、铰接轴、腕组件等的零件。第一关节构件410或第二关节构件430中的任一个可以耦接到手术器械轴的端部以形成腕组件，该腕组件允许末端执行器参考该轴改变取向(例如，滚转、俯仰和偏航中的一个或多个)。
具体地，关节组件400由内筒411(图7至图9)和外筒421(图10至图12)构造成。如下面更详细描述的，第一关节构件410包括内筒411的第一端部412和外筒421的第一端部422。第二关节构件430包括内筒411的第二端部432和外筒421的第二端部442。以这种方式，当内筒411被设置在外筒421内(并且耦接到外筒421)时，如图5和图6所示，内筒411和外筒421的相应部分形成通过挠曲件470、挠曲件475耦接在一起的第一关节构件410和第二关节构件。
参见图7至图9，内筒411包括第一端部412、第二端部432和耦接在第一端部412与第二端部432之间的第一挠曲件470。内筒411限定第一轴线AL1(参见图5)，第一轴线AL1是内筒411的纵向中心线。换言之，第一轴线AL1沿着内筒411的圆形横截面的中心点。第一端部412包括连接部分415和接触表面416，并限定对准缺口417。连接部分415包括与第一轴线AL1基本正交的平坦表面413，并且可以具有将第一端部412耦接到第一挠曲件(或内挠曲件)470的任何合适的性质。如图9所示，连接部分415包括在第一端部412和第一挠曲件470之间平滑过渡的圆角414。圆角414(以及第二端部432上的相应圆角434)被设定尺寸以使得第一挠曲件470具有长度L1。
连接部分415可以以任何合适的方式耦接到第一挠曲件470。例如，在一些实施例中，连接部分415可以是第一挠曲件470(例如，经由焊接、粘合剂等)结合(join)到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分415可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分415可以与第一挠曲件470整体形成(即，可以与第一挠曲件470一体形成)。例如，在一些实施例中，内筒411可以根据本文所示和所述的方法10整体形成。
接触表面416可以是在使用期间接触第一挠曲件470的任何合适的表面。尽管接触表面416被示出为弯曲表面，但在其他实施例中，其可以是平坦表面。在其他实施例中，接触表面416可以具有特定的轮廓或形状。例如，在一些实施例中，接触表面416可以限定曲率半径，选择该曲率半径以在使用期间控制第一挠曲件470的弯曲度。
第二端部432包括连接部分435和接触表面436，并限定对准缺口437。连接部分435包括与平坦表面413相对的平坦表面，并且与第一轴线AL1基本正交。连接部分435可以具有任何合适的性质以将第二端部432耦接到第一挠曲件470。如图9所示，连接部分435包括在第二端部432和第一挠曲件470之间平滑过渡的圆角434。连接部分435可以以任何合适的方式耦接到第一挠曲件470。例如，在一些实施例中，连接部分435可以是第一挠曲件470(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分435可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分435可以与第一挠曲件470整体形成(即，可以与第一挠曲件470一体形成)。
接触表面436可以是在使用期间接触第一挠曲件470的任何合适的表面。尽管接触表面436被示出为弯曲表面，但在其他实施例中，其可以是平坦表面。在其他实施例中，接触表面436可以具有特定的轮廓或形状。例如，在一些实施例中，接触表面436可以限定曲率半径，选择该曲率半径以在使用期间控制第一挠曲件470的弯曲度。
参见图10至图12，外筒421包括第一端部422、第二端部442和耦接在第一端部422与第二端部442之间的第二挠曲件475。外筒421限定第二轴线AL2(参见图5)，第二轴线AL2是外筒421的纵向中心线。换言之，第二轴线AL2沿着外筒421的圆形横截面的中心点。第一端部422包括连接部分425并限定对准缺口427。连接部分425包括与第二轴线AL2基本正交的平坦表面423，并且可以具有将第一端部分422耦接到第二挠曲件(或外挠曲件)475的任何合适的性质。如图12所示，连接部分425包括在第一端部422和第二挠曲件475之间平滑过渡的圆角424。圆角424(以及第二端部442上的相应圆角444)被设定尺寸以使得第二挠曲件475具有长度L2。在一些实施例中，圆角被设定尺寸以使得第一挠曲件470的长度L1基本上等于第二挠曲件475的长度L2。
连接部分425可以以任何合适的方式耦接到第二挠曲件475。例如，在一些实施例中，连接部分425可以是第二挠曲件475(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分425可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分425可以与第二挠曲件475整体形成(即，可以与第二挠曲件475一体形成)。例如，在一些实施例中，外筒421可以根据本文所示和所述的方法10整体形成。
第二端部442包括连接部分445并限定对准缺口447。连接部分445包括与平坦表面423相对的平坦表面，并且与第二轴线AL2基本正交。连接部分445可以具有将第二端部442耦接到第二挠曲件475的任何合适的性质。如图12所示，连接部分445包括在第二端部442和第二挠曲件475之间平滑过渡的圆角444。连接部分445可以以任何合适的方式耦接到第二挠曲件475。例如，在一些实施例中，连接部分445可以是第二挠曲件475(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分445可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分445可以与第二挠曲件475整体形成(即，可以与第二挠曲件475一体形成)。
第一关节构件410经由第一挠曲件(或内挠曲件)470和第二挠曲件(或外挠曲件)475耦接到第二关节构件430。第一挠曲件470具有第一端部471、第二端部472以及在第一端部471与第二端部472之间的中心部分473。如上所述，第一端部471耦接到内筒411的连接部分415，并且第二端部472耦接到内筒411的连接部分435。第二挠曲件475具有第一端部476、第二端部477以及在第一端部476与第二端部477之间的中心部分478。第一端部476耦接到外筒421的连接部分425，并且第二端部477耦接到外筒421的连接部分445。
在使用中，当第二关节构件430相对于第一关节构件410移动时，第一挠曲件470和第二挠曲件475各自弹性变形。换言之，当第一关节构件410和第二关节构件430从第一构型(图3)移动到第二构型(未示出)时，第一挠曲件470和第二挠曲件475弹性变形。因此，挠曲件是弹性构件，其存储来自致动力的能量并在致动力被移除时释放能量，从而允许关节组件400在各种构型之间重复地移动。
当关节组件400从第一构型转换到第二构型时，第二关节构件430相对于第一关节构件410旋转，如图5中的箭头CC所示。特别地，第二关节构件430相对于第一关节构件410绕旋转轴线(也称为枢转轴线，由P1表示)旋转。当关节组件400处于第一构型时，旋转轴线P1可近似为第一挠曲件470与第二挠曲件475交叉处的轴线。如图5所示，第一轴线AL1和第二轴线AL2与旋转轴线P1相交，并且与旋转轴线P1基本正交。而且，在一些实施例中，挠曲件的长度(长度L1和长度L2)基本相等。在这样的实施例中，旋转轴线P1可近似为在第二关节构件430移动期间相对于第一关节构件410处于基本恒定的位置。然而，在其他实施例中，关节组件可以被构造成使得旋转轴线P1与挠曲件交叉处的轴线间隔开，或者当关节组件从第一构型转换到第二构型时，旋转轴线P1平移。
当关节组件400处于第一构型(图5和图6)时，第一挠曲件470的中心部分473与接触表面416、接触表面436间隔开。当关节组件400处于第二构型(未示出)时，第二关节构件430相对于第一关节构件410逆时针旋转，并且第一挠曲件470的中心部分473与接触表面416接触。以这种方式，接触表面416可以控制第一挠曲件470的变形。换言之，当第一关节构件410和第二关节构件430从第一构型移动到第二构型时，接触表面416与第一挠曲件470的中心部分473之间的接合约束了第一挠曲件的曲率半径470。这进而可以限制第一挠曲件470中的应力并且在第一挠曲件470的变形期间保持基本恒定的应力。当关节组件400移动到第三构型(未示出)时，第二关节构件430相对于第一关节构件410顺时针旋转，并且第一挠曲件470的中心部分473与接触表面436接触。以这种方式，如上所述，接触表面436可以控制第一挠曲件470的变形。
尽管在图5和图12中未示出，但使得第二关节构件430相对于第一关节构件410移动的力(称为致动力)可以通过任何合适的机构施加到关节组件400的任何合适的部分。例如，在一些实施例中，第二关节构件430可以包括接合部分，该接合部分接收致动力以使关节组件400在各种构型之间转换。在一些实施例中，可以经由柔性缆线或刚性杆在第二关节构件430上的固定点处施加致动力。在其他实施例中，可以经由柔性缆线或刚性杆在第二关节构件430上的多个点处施加致动力。此外，关节组件400的中空圆筒形状允许致动构件(例如，杆、缆线等)设置在关节组件400的内筒411内。以这种方式，关节组件400的外表面可以没有可能引起尺寸增大的移动缆线、外部杆或其他致动构件。
尽管关节组件400被示出为包括具有接触表面416、接触表面436的内筒411和没有接触表面的外筒421，但是在其他实施例中，任何关节构件(或筒)都可以包括任何合适数量的接触表面。如本文描述的，这种接触表面(或凸轮表面)可以选择性地接触挠曲件的一部分以约束挠曲件的曲率半径、控制挠曲件的变形、在弯曲期间在挠曲件中保持所需的应力等。例如，在一些实施例中，圆筒关节组件可以包括两个嵌套的圆筒，每个圆筒都包括接触表面。具体而言，图13至图16是根据一个实施例的关节组件500的各种视图。关节组件500包括第一关节构件510和第二关节构件530，第一关节构件510和第二关节构件530通过第一挠曲件470和第二挠曲件575可移动地耦接在一起。关节组件500和本文所述的任何关节组件可用于如本文描述的任何合适的手术设备或系统中。例如，关节组件500或其中的任何部件可选地是末端执行器(例如夹持器、剪刀等)、铰接轴、腕组件等的零件。第一关节构件510或第二关节构件530中的任一个可以耦接到手术器械轴的端部以形成腕组件，该腕组件允许末端执行器参考该轴改变取向(例如，滚转、俯仰和偏航中的一个或多个)。
具体地，关节组件500由内筒411(参见图7至图9)和外筒521(参见图15至图16)构造成。如下面更详细描述的，第一关节构件510包括内筒411的第一端部412和外筒521的第一端部522。第二关节构件530包括内筒411的第二端部432和外筒521的第二端部542。以这种方式，当内筒411设置在外筒521内(并且耦接到外筒521)时，如图13和图14所示，内筒411和外筒521的相应部分形成通过挠曲件470、挠曲件575耦接在一起的第一关节构件510和第二关节构件。
内筒421与上面针对关节组件400描述的内筒相同，因此下面不再详细描述。参见图15至图16，外筒521包括第一端部522、第二端部542和耦接在第一端部522与第二端部542之间的第二挠曲件575。外筒521限定第二轴线AL2(参见图13)，第二轴线AL2是外筒521的纵向中心线。换言之，第二轴线AL2沿着外筒521的圆形横截面的中心点。第一端部522包括连接部分525和接触表面526，并且限定对准缺口527。连接部分525包括与第二轴线AL2基本正交的平坦表面，并且可以具有将第一端部分522耦接到第二挠曲件(或外挠曲件)575的任何合适的性质。如图16所示，连接部分525包括在第一端部522和第二挠曲件575之间平滑过渡的圆角524。圆角524(以及第二端部542上的相应圆角544)被设定尺寸以使得第二挠曲件575的长度基本上等于第一挠曲件470的长度L1。然而，在其他实施例中，圆角被设定尺寸以使得第一挠曲件470的长度L1不同于第二挠曲件575的长度。
连接部分525可以以任何合适的方式耦接到第二挠曲件575。例如，在一些实施例中，连接部分525可以是第二挠曲件575(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分525可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分525可以与第二挠曲件575整体形成(即，可以与第二挠曲件575一体形成)。例如，在一些实施例中，外筒521可以根据本文所示和所述的方法10整体形成。
接触表面526可以是在使用期间接触第二挠曲件575的任何合适的表面。尽管接触表面526被示出为弯曲表面，但在其他实施例中，其可以是平坦表面。在其他实施例中，接触表面526可以具有特定的轮廓或形状。例如，在一些实施例中，接触表面526可以限定曲率半径，选择该曲率半径以在使用期间控制第二挠曲件575的弯曲度。
第二端部542包括连接部分545和接触表面546，并且限定对准缺口547。连接部分545包括与第一端部522的平坦表面相对的平坦表面，并且与第二轴线AL2基本正交。连接部分545可以具有任何合适的性质以将第二端部542耦接到第二挠曲件575。如图16所示，连接部分545包括在第二端部542和第二挠曲件575之间平滑过渡的圆角544。连接部分545可以以任何合适的方式耦接到第二挠曲件575。例如，在一些实施例中，连接部分545可以是第二挠曲件575(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接部分545可以包括突起部、凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接部分545可以与第二挠曲件575整体形成(即，可以与第二挠曲件575一体形成)。
接触表面546可以是在使用期间接触第二挠曲件575的任何合适的表面。尽管接触表面546被示出为弯曲表面，但在其他实施例中，其可以是平坦表面。在其他实施例中，接触表面546可以具有特定的轮廓或形状。例如，在一些实施例中，接触表面546可以限定曲率半径，选择该曲率半径以在使用期间控制第二挠曲件575的弯曲度。
第一关节构件510经由第一挠曲件(或内挠曲件)470和第二挠曲件(或外挠曲件)575耦接到第二关节构件530。第一挠曲件470与上面针对关节组件400描述的第一挠曲件470相同。第二挠曲件575具有第一端部576、第二端部577以及在第一端部576与第二端部577之间的中心部分578。第一端部576耦接到外筒521的连接部分525，并且第二端部577耦接到外筒521的连接部分545。
在使用中，当第二关节构件530相对于第一关节构件510移动时，第一挠曲件470和第二挠曲件575各自弹性变形。换言之，当第一关节构件510和第二关节构件530从第一构型(图13和图14)移动到第二构型或第三构型(未示出)时，第一挠曲件470和第二挠曲件575弹性变形。因此，挠曲件是弹性构件，其存储来自致动力的能量并且在致动力被移除时释放能量，从而允许关节组件500在各种构型之间重复地移动。
当关节组件500从第一构型转换到第二构型时，第二关节构件530相对于第一关节构件510旋转，如图13中的箭头DD所示。特别地，第二关节构件530相对于第一关节构件510绕旋转轴线(也称为枢转轴线，由P1表示)旋转。当关节组件500处于第一构型时，旋转轴线P1可近似为第一挠曲件470与第二挠曲件575交叉处的轴线。如图13所示，第一轴线AL1和第二轴线AL2与旋转轴线P1相交，并且与旋转轴线P1基本正交。而且，在一些实施例中，挠曲件的长度基本相等。在这样的实施例中，旋转轴线P1可近似为在第二关节构件530移动期间相对于第一关节构件510处于基本恒定的位置。然而，在其他实施例中，关节组件可以被构造成使得旋转轴线P1与挠曲件交叉处的轴线间隔开，或者当关节组件从第一构型转换到第二构型时，旋转轴线P1平移。
当关节组件500处于第一构型(图13和图14)时，第一挠曲件470的中心部分与接触表面416、接触表面436间隔开，并且第二挠曲件575的中心部分578与接触表面526、接触表面546间隔开。当关节组件500移动到第二构型(未示出)时，第二关节构件530相对于第一关节构件510逆时针旋转，并且第一挠曲件(内挠曲件)470的中心部分与接触表面416接触。另外，第二挠曲件(外挠曲件)575的中心部分578与接触表面546接触。以这种方式，接触表面516和接触表面546可以分别控制第一挠曲件470和第二挠曲件575的变形。换言之，当第一关节构件510和第二关节构件530从第一构型移动到第二构型时，接触表面416与第一挠曲件470的中心部分之间的接合约束了第一挠曲件470的曲率半径。当第一关节构件510和第二关节构件530从第一构型移动到第二构型时，接触表面546与第二挠曲件575的中心部分578之间的接合约束了第二挠曲件575的曲率半径。这进而可以在挠曲件变形期间限制第一挠曲件470和第二挠曲件575中的应力并且保持基本恒定的应力。
当关节组件500移动到第三构型(未示出)时，第二关节构件530相对于第一关节构件510顺时针旋转。第一挠曲件470的中心部分与接触表面436接触，并且第二挠曲件575的中心部分578与接触表面526接触。以这种方式，接触表面526、接触表面436可以分别控制第二挠曲件575和第一挠曲件470的变形。换言之，当第一关节构件510和第二关节构件530从第一构型移动到第三构型时，接触表面526与第二挠曲件575的中心部分578之间的接合约束了第二挠曲件575的曲率半径。当第一关节构件510和第二关节构件530从第一构型移动到第三构型时，接触表面436与第一挠曲件470的中心部分之间的接合约束了第一挠曲件470的曲率半径。这进而可以在挠曲件变形期间限制挠曲件中的应力并保持基本恒定的应力。
尽管在图13和图14中未示出，但使得第二关节构件530相对于第一关节构件510移动的力(称为致动力)可以通过任何合适的机构施加到关节组件500的任何合适的部分。例如，在一些实施例中，第二关节构件530可包括接合部分，该接合部分接收致动力以使关节组件500在各种构型之间转换。在一些实施例中，可以经由柔性缆线或刚性杆在第二关节构件530上的固定点处施加致动力。在其他实施例中，可以经由柔性缆线或刚性杆在第二关节构件530上的多个点处施加致动力。此外，关节组件500的中空圆筒形状允许致动构件(例如，杆、缆线等)设置在关节组件500的内筒411内。以这种方式，关节组件500的外表面可以没有可能引起尺寸增大的移动缆线、外部杆或其他致动构件。
控制圆筒关节组件400或圆筒关节组件500的挠曲件(或本文所述的任何挠曲件)的曲率可以在挠曲件屈服之前实现更大的角偏转。对于圆筒交叉轴线挠曲设计，挠曲件是由圆筒直径和挠曲角度限定的椭圆形节段。作为挠曲件长度的第一近似，使用基于内径的挠曲件的直线距离。该近似可以与上面示出和描述的挠曲件长度L1和L2类似或相同。具体地，挠曲件长度L的直线近似为：
公式(5)：
其中Di是内筒的内径，β是从垂直于圆筒的轴线(例如，第一轴线AL1或第二轴线AL2)切割圆筒的平面起的挠曲件的角度。挠曲件长度受到内筒的内径的约束。如上所述，在一些实施例中，外筒中的挠曲件被设计成与内筒中的挠曲件具有相同的直线长度，以保持近似的挠曲对称性。如上所述，这可以通过与内筒的圆角(例如，圆角414和圆角434)相比向每侧添加具有更大半径的圆角(例如，圆角524和圆角524)来实现。然后可以使用近似长度L来计算理论角偏转θcam，如：
公式(6)：
其中Sy是材料的屈服强度，E是弹性模量，h是挠曲件厚度。公式3和公式6用于计算钢原型的接触表面(或凸轮表面)的曲率半径，如图17至图19和图21所示。
由于用于圆筒交叉轴线设计的挠曲件的椭圆形状，挠曲件(例如，挠曲件470、挠曲件475和挠曲件575)在偏转期间不与相应的接触表面(例如，接触表面416、接触表面436、接触表面526、接触表面546)完全接触。包括挠曲件的部分的机构的移动平台开始离开由圆筒表面限定的边界，因此不接合接触表面。如果挠曲件旋转超过该点，它将屈服(如果不希望屈服，则可能导致挠曲件失效)。当筒的壁厚与筒的直径相比较小时，这个问题更加明显。
为了评估关节组件400和关节组件500的性能，制作了一系列物理原型关节组件。如下所述，将原型关节组件的性能与本文描述的解析建模进行比较，并且还与有限元建模进行比较。具体地，图17至图19是由4130钢管构造成的大规模原型顺从关节组件700的照片。关节组件700(和关节组件400、关节组件500)的切割图案是平面的，因此适用于各种制造方法，包括下面描述的方法10以及各种材料移除方法，包括激光切割、电线电火花加工(wire-EDM)、水刀(waterjet)和传统机械加工。
关节组件700包括内筒711和外筒721。内筒711在设计和功能上类似于上述内筒411，但不包括接触表面416、接触表面436。外筒721类似于上面示出和描述的外筒421。因此，关节组件700可以被认为是“无凸轮”设计，并且用作可与包括一个或多个接触表面的关节组件进行比较的基准。对准缺口(类似于上面关于关节组件400示出和描述的对准缺口417、对准缺口427、对准缺口437、对准缺口447)用于在组装期间促进内筒711和外筒721的周向对准。以这种方式，内筒711和外筒721可以周向对准(例如，在小于5度内)。提供在表1中关节组件700的尺度。
表1：关节组件700尺度
参数 内筒711 外筒721
外径，OD(mm) 19.05 28.58
内径，ID(mm) 9.50 19.02
壁厚，WT(mm) 4.78 4.78
挠曲件角度，FA(deg) 45 45
挠曲件厚度，FT(mm) 0.25 0.25
挠曲件长度，FL(mm) 13.72 13.46
用于关节组件700的实验数据被收集并与有限元模型数据进行比较。特别地，评估第二关节构件对第一关节构件的旋转扭矩和所产生的偏转角度。对于实验数据，校准的扭矩传感器在关节组件偏转时测量反作用力矩，并且光学编码器记录每个反作用应力矩测量时关节组件偏转的角度。图20是关节组件700的角偏转作为扭矩的函数的标绘图(plot)。
图21是由4130钢管构造成的大型原型顺从关节组件400’的照片。关节组件400’(和关节组件400、关节组件500)的切割图案是平面的，因此适用于各种制造方法，包括下面描述的方法10，以及各种材料移除方法(包括激光切割、电线EDM、水刀和传统机械加工)。
关节组件400’包括内筒411’和外筒421’。内筒411’在设计和功能上类似于上述内筒411，并包括接触表面416、接触表面436。外筒421’类似于上面示出和描述的外筒421。因此，关节组件400’可以被认为是“内筒凸轮”设计，并且复制了上述关节组件400的设计。关节组件400’的尺度在表1中提供。
因为外挠曲件比内挠曲件稍长(由于较大的OD尺寸)，所以对于给定的偏转，在内挠曲件中将产生最高的应力。请注意，在表1中，挠曲件长度是直线近似值。因此，当考虑挠曲件的椭圆形状时，与外筒相比，内挠曲件将具有略短的有效挠曲件长度。相应地，通过限制内挠曲件上的应力，该机构的最大应力将受到限制。因此，用于关节组件400’(和关节组件400)的接触表面(或凸轮表面)被设置在内筒上。在其他实施例中，诸如关节组件500，接触表面(或凸轮表面)也可以位于外筒上。
图22是作为扭矩的函数的关节组件400’的角偏转与关节组件700(“无凸轮”设计)和类似于关节组件500的原型关节组件(“外凸轮”设计)的作为扭矩的函数的角偏转的比较的标绘图。如图所示，在外侧筒上具有凸轮表面的原型和没有接触表面(或凸轮表面)的原型关节组件700之间存在刚度差异。预期接触表面(或凸轮表面)的引入可以改变机构刚度，因为挠曲件曲率受到约束。来自在内筒上具有接触表面(或凸轮表面)的原型的数据与来自没有凸轮表面的原型关节组件700的数据紧密匹配。
尽管关节组件400、关节组件500和其他关节组件在本文中被示出和描述为具有单个旋转轴线，其允许单个自由度，但在其他实施例中，关节组件可以包括多个自由度。例如，在一些实施例中，圆筒关节组件类似于关节组件400或关节组件500，但具有另外一组挠曲件，其允许关节组件的两个自由度。在一些实施例中，关节组件可以被构造成使得第一旋转轴线和第二旋转轴线相交。这种布置可以通过在沿着关节组件的单个纵向点处允许多个自由度来减小关节组件的总长度。作为一个示例，图23至图32是根据一个实施例的关节组件600的各种视图。关节组件600包括第一关节构件610、第二关节构件630和第三关节构件650，它们通过一系列挠曲件可移动地耦接在一起。第三关节构件650在第一关节构件610和第二关节构件630之间，并且如本文描述的，其允许第二关节构件630相对于第一关节构件610绕两个不同的轴线旋转。关节组件600和本文所述的任何关节组件可用于如本文描述的任何合适的手术设备或系统中。例如，关节组件600或其中的任何部件可选地是末端执行器(诸如夹持器、剪刀等)、铰接轴、腕组件等的零件。第一关节构件610或第二关节构件630中的任一个可以耦接到手术器械轴的端部以形成腕组件，该腕组件允许末端执行器参考该轴改变取向(例如，滚转、俯仰和偏航中的一个或多个)。
关节组件600由内筒611(图25至图28)和外筒621(图29至图32)构造成。如下面更详细描述的，第一关节构件610包括内筒611的第一端部612和外筒621的第一端部622。第二关节构件630包括内筒611的第二端部632和外筒621的第二端部642。第三关节构件650包括内筒611的中心部分652和外筒621的中心部分662。以这种方式，当内筒611设置在外筒621内(并且耦接到外筒621)时，如图23和图24所示，内筒611和外筒621的相应部分形成第一关节构件610、第二关节构件630和第三关节构件650，这些关节构件通过一系列挠曲件(具体地，第一挠曲件670、第二挠曲件675、第三挠曲件680和第四挠曲件685)耦接在一起。
参见图25至图28，内筒611包括第一端部612、第二端部632和中心部分652。第一挠曲件670(其彼此周向相对；即，相隔180度)耦接在第一端部612和中心部分652之间。第三挠曲件680(其彼此周向相对；即，相隔180度)耦接在第二端部632和中心部分652之间。更具体地，每个第三挠曲件680与每个第一挠曲件670间隔开90度。内筒611限定第一轴线AL1(参见图23)，第一轴线AL1是内筒611的纵向中心线。换言之，第一轴线AL1沿着内筒611的圆形横截面的中心点。第一端部612包括一对连接突起部614，每个连接突起部614具有连接表面615。连接突起部614朝向由中心部分652限定的开口延伸并延伸到该开口内。以这种方式，如本文描述的，中心部分652限定之字形(zig-zag)或狗腿形状。连接表面615限定与第一轴线AL1基本正交的平面613(由图27和图28中的虚线表示)。连接表面615或连接突起部614中的任一个可以具有将第一端部612耦接到第一挠曲件670的任何合适的性质。
每个连接突起部614可以以任何合适的方式耦接到对应的第一挠曲件670。例如，在一些实施例中，连接表面615可以是第一挠曲件670(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接突起部614可以包括凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构，第一挠曲件670紧固到该紧固机构。在其他实施例中，连接突起部614可以与第一挠曲件670整体形成(即，可以与第一挠曲件670一体形成)。例如，在一些实施例中，内筒611可以根据本文所示和所述的方法10整体形成。
第二端部632包括一对连接突起部634，每个连接突起部634具有连接表面635。连接突起部634朝向由中心部分652限定的开口延伸并延伸到该开口内。以这种方式，中心部分652限定之字形或狗腿形状。连接表面635限定与第一轴线AL1基本正交的平面633(由图27和图28中的虚线表示)。连接表面635或连接突起部634中的任一个可以具有将第二端部632耦接到第三挠曲件680的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接表面635是第三挠曲件680(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面。在其他实施例中，连接突起部634可以包括凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接突起部634可以与第三挠曲件680整体形成(即，可以与第三挠曲件680一体形成)。
中心部分652包括第一对连接构件655和第二对连接构件659。连接构件655在周向上彼此相对；即，每个连接构件655相隔180度。类似地，连接构件659在周向上彼此相对；即，每个连接构件659相隔180度。因此，每个连接构件655与每个连接构件659间隔开90度。此外，第一对连接构件655沿着第一轴线AL1处于不同的位置，从而形成之字形或狗腿形状。中心部分652的周向偏移形状产生开口，在该开口内设置连接突起部614和连接突起部634。
每个第一连接构件655包括连接表面653，该连接表面653限定与第一轴线AL1基本正交的平面(由图27和图28中的虚线表示)。在一些实施例中，连接表面平面653与第二端部632的连接表面平面633共面。以这种方式，第三挠曲件680耦接到第二端部632的平面(或点)与第一挠曲件670耦接到中心部分652的平面(或点)处于沿着第一轴线AL1的相同位置处。这种布置有利于两个旋转轴线(P1和P2，下面讨论)相交互叉。连接表面653或连接构件655中的任一个可以具有将中心部分652耦接到第一挠曲件670的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接表面653是第一挠曲件670(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面。在其他实施例中，连接构件655可以包括凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接构件655可以与第一挠曲件670整体形成(即，可以与第一挠曲件670一体形成)。
每个第二连接构件659包括连接表面657，该连接表面657限定与第一轴线AL1基本正交的平面(由图27和图28中的虚线表示)。在一些实施例中，连接表面平面657与第一端部612的连接表面平面613共面。以这种方式，第一挠曲件670耦接到第一端部632的平面(或点)与第三挠曲件680耦接到中心部分652的平面(或点)处于沿着第一轴线AL1的相同位置处。这种布置有利于两个旋转轴线(P1和P2，下面讨论)的相互交叉。连接表面657或连接构件659中的任一个可以具有将中心部分652耦接到第三挠曲件680的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接表面657是第三挠曲件680(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面。在其他实施例中，连接构件659可以包括凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接构件659可以与第三挠曲件680整体形成(即，可以与第三挠曲件680一体形成)。
参见图29至图32，外筒621包括第一端部622、第二端部642和中心部分662。第二挠曲件675(其彼此周向相对；即，相隔180度)耦接在第一端部622和中心部分662之间。第四挠曲件685(其彼此周向相对；即，相隔180度)耦接在第二端部642和中心部分662之间。更具体地，每个第四挠曲件685与每个第二挠曲件675间隔开90度。外筒621限定第二轴线AL2(参见图23)，第二轴线AL2是外筒621的纵向中心线。换言之，第二轴线AL2沿着外筒621的圆形横截面的中心点。第一端部622包括一对连接突起部624，每个连接突起部624具有连接表面625。连接突起部624朝向由中心部分662限定的开口延伸并延伸到该开口内。以这种方式，如本文描述的，中心部分662限定之字形或狗腿形状。连接表面625限定与第二轴线AL2基本正交的平面623(由图31和图32中的虚线表示)。连接表面625或连接突起部624中的任一个可以具有将第一端部622耦接到第二挠曲件675的任何合适的性质。
每个连接突起部624可以以任何合适的方式耦接到对应的第二挠曲件675。例如，在一些实施例中，连接表面625可以是第二挠曲件675(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面(即，连接表面)。在其他实施例中，连接突起部624可以包括凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构，第二挠曲件675紧固到该紧固机构。在其他实施例中，连接突起部624可以与第二挠曲件675整体形成(即，可以与第二挠曲件675一体形成)。例如，在一些实施例中，外筒621可以根据本文所示和所述的方法10整体形成。
第二端部642包括一对连接突起部644，每个连接突起部644具有连接表面645。连接突起部644朝向由中心部分652限定的开口延伸并延伸到该开口内。以这种方式，中心部分652限定之字形或狗腿形状。连接表面645限定了与第二轴线AL2基本正交的的平面(由图31和图32中的虚线表示)。连接表面645或连接突起部644中的任一个可以具有将第二端部642耦接到第四挠曲件685的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接表面645是第四挠曲件685(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面。在其他实施例中，连接突起部6f44可以包括凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接突起部644可以与第四挠曲件685整体形成(即，可以与第四挠曲件685一体形成)。
中心部分662包括第一对连接构件665和第二对连接构件669。连接构件665在周向上彼此相对；即，每个连接构件665相隔180度。连接构件669在周向上彼此相对；即，每个连接构件669相隔180度。因此，每个连接构件665与每个连接构件669间隔开90度。此外，第一对连接构件665处于沿着第二轴线AL2的不同位置，从而形成之字形或狗腿形状。中心部分662的周向偏移形状产生开口，在该开口内设置连接突起部624和连接突起部644。
每个第一连接构件665包括连接表面663，连接表面663限定与第二轴线AL2基本正交的平面(由图31和图32中的虚线表示)。在一些实施例中，连接表面平面663与第二端部642的连接表面平面643共面。以这种方式，第四挠曲件685耦接到第二端部642的平面(或点)与第二挠曲件675耦接到中心部分662的平面(或点)处于沿着第二轴线AL2的相同位置处。这种布置有利于两个旋转轴线(P1和P2，下面讨论)的相互交叉。连接表面663或连接构件665中的任一个可以具有将中心部分662耦接到第二挠曲件675的任何合适的性质。例如，在一些实施例中，连接表面663是第二挠曲件675(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面。在其他实施例中，连接构件665可以包括凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接构件665可以与第二挠曲件675整体形成(即，可以与第二挠曲件675一体形成)。
每个第二连接构件669包括连接表面667，该连接表面667限定与第二轴线AL2基本正交的平面(由图31和图32中的虚线表示)。在一些实施例中，连接表面平面667与第一端部622的连接表面平面623共面。以这种方式，第二挠曲件675耦接到第一端部622的平面(或点)与第四挠曲件685耦接到中心部分662的平面(或点)处于沿着第二轴线AL2的相同位置处。这种布置有利于两个旋转轴线(P1和P2，下面讨论)的相互交叉。
连接表面667或连接构件669中的任一个可以具有将中心部分662耦接到第四挠曲件685的任何合适的特性。例如，在一些实施例中，连接表面667是第四挠曲件685(例如，经由焊接、粘合剂等)结合到的表面。在其他实施例中，连接构件669可以包括凹口、紧固件或任何其他合适的紧固机构。在其他实施例中，连接构件669可以与第四挠曲件685整体形成(即，可以与第四挠曲件685一体形成)。
在使用中，当第二关节构件630相对于第一关节构件610移动时，第一挠曲件670、第二挠曲件675、第三挠曲件680和第四挠曲件685各自弹性变形。换言之，当第一关节构件610和第二关节构件630在各种构型之间移动时，挠曲件弹性变形。因此，挠曲件是弹性构件，其存储来自致动力的能量并且在致动力被移除时释放能量，因此允许关节组件600在各种构型之间重复地移动。
当关节组件600从第一构型转换到第二构型时，第二关节构件630相对于第一关节构件610旋转，如图23中的箭头EE所示。特别地，第二关节构件630相对于第一关节构件610绕第一旋转轴线(也称为枢转轴线，由P1表示)旋转。当关节组件600处于第一构型时，第一旋转轴线P1可近似为第一挠曲件670与第二挠曲件675交叉处的轴线。如图23所示，第一轴线AL1和第二轴线AL2各自与第一旋转轴线P1相交，并且与第一旋转轴线P1基本正交。而且，在一些实施例中，这些挠曲件的长度基本相等。在这样的实施例中，第一旋转轴线P1可近似为在第二关节构件630移动期间相对于第一关节构件610处于基本恒定的位置。然而，在其他实施例中，关节组件可以被构造成使得第一旋转轴线P1与挠曲件交叉处的轴线间隔开，或者当关节组件从第一构型转换到第二构型时，第一旋转轴线P1平移。
当关节组件600从第一构型转换到第三构型时，第二关节构件630相对于第一关节构件610旋转，如图23中的箭头FF所示。特别地，第二关节构件630相对于第一关节构件610绕第二旋转轴线(也称为枢转轴线，由P2表示)旋转。当关节组件600处于第一构型时，第二旋转轴线P2可近似为第三挠曲件680与第四挠曲件685交叉处的轴线。如图23所示，第一轴线AL1和第二轴AL2各自与第二旋转轴线P2相交，并且与第二旋转轴线P2基本正交。而且，在一些实施例中，这些挠曲件的长度基本相等。在这样的实施例中，第二旋转轴线P2可近似为在第二关节构件630移动期间相对于第一关节构件610处于基本恒定的位置。然而，在其他实施例中，关节组件可以被构造成使得第二旋转轴线P2与挠曲件交叉处的轴线间隔开，或者当关节组件从第一构型转换到第二构型时，第二旋转轴线P2平移。
如图23所示，第一旋转轴线P1与第二旋转轴线P2正交，并且与第二旋转轴线P2相交。以这种方式，关节组件可以以两个自由度旋转(即，沿EE方向旋转并且也沿FF方向旋转)。此外，第三(或中心)关节构件650的偏移(或之字形)性质允许在没有约束的情况下绕第一旋转轴线P1和第二旋转轴线P2独立地运动。
尽管在图23和图24中未示出，但使得第二关节构件630相对于第一关节构件610移动的力(称为致动力)可以通过任何合适的机构施加到关节组件600的任何合适部分。例如，在一些实施例中，第二关节构件630可以包括接合部分，该接合部分接收致动力以使关节组件600在各种构型之间转换。在一些实施例中，可以经由柔性缆线或刚性杆在第二关节构件630上的固定点处施加致动力。在其他实施例中，可以经由柔性缆线或刚性杆在第二关节构件630上的多个点处施加致动力。此外，关节组件600的中空圆筒形状允许致动构件(例如，杆、缆线等)设置在关节组件600的内筒611内。以这种方式，关节组件600的外表面可以没有可能引起尺寸增大的移动缆线、外部杆或其他致动构件。
尽管关节组件600未示出为包括任何对准缺口(类似于缺口417或缺口437)，但在其他实施例中，内筒611或外筒621(或两者)可以包括对准特征以便于周向对准。
本文描述的任何挠曲件、关节构件、内筒或外筒可以由任何合适的材料构造成，以在操作期间产生所需的柔性、弹性和耐久性。例如，在一些实施例中，本文描述的任何关节组件可以由不锈钢、钛、金属玻璃和镍钛合金制成。(也称为NiTi)包含几乎相等原子百分比的镍和钛。NiTi可以表现出超弹性效果，因此适用于本文描述的顺从机构，因为其在屈服之前能够经受很大的应变。由NiTi构成的挠曲件可以通过非常小的材料集达到大约6％至大约8％的应变。相反，在屈服之前，钢通常会达到小于1％的应变。
为了评估各种材料和挠曲件设计，对三种不同的圆筒交叉轴线挠曲关节组件设计进行了有限元建模。一般设计类似于上面图17至图19中所示的原型关节组件700(即没有接触表面的基准设计)。表2中提供了建模的关节组件的尺度(IC表示内筒尺度，OC表示外筒尺度)。
表2：关节组件尺度
直径为3mm的不锈钢圆筒交叉轴线挠曲关节组件的有限元分析表明，SS304的最大弹性偏转为±2.6度，并且SS17-4的最大弹性偏转为±12.5度。对由Ti-6-4钛构成的3mm圆筒交叉轴线挠曲关节组件进行的建模得到最大弹性偏转为±14.2度。不锈钢和钛的结果在图33中示出。图33中的标绘图还包括所考虑的三种合金中的每一种的屈服强度。
尽管具有3mm标称尺寸的关节组件的模型产生的角偏转范围低于30度，但在其他实施例中，本文描述的任何关节组件可由适于实现任何所需角偏转范围的材料构成。例如，在一些实施例中，本文描述的任何关节组件可以具有在±30度内、在±45度内、在±60度内、在±75度内、在±90度内或大于±90度的角偏转范围。具体地，为了改善本文描述的关节组件的旋转范围，这种关节组件可以由NiTi构成。
具体地，在这样的实施方案中，可以选择NiTi合金，使得它在室温和更高温度下是超弹性的。NiTi的超弹性是由于在合金受到超过某一点的机械应力时发生的奥氏体-马氏体相变引起的。在许多情况下，NiTi可以拉伸超过6％而不会发生塑性变形，而大多数钢通常会在不到1％的应变下屈服。与用于给定机构几何形状的线性弹性材料相比，这种超弹性行为能够实现更大范围的运动。
考虑材料选择的一个考量因素是NiTi具有带迟滞的非线性应力-应变曲线。由于NiTi的非线性应力-应变响应，屈服强度没有很好地定义。因此，应变通常用作设计之间相对比较的度量。对于4％的最大材料应变，预计组件在失效前经历100000次循环。具有6％最大应变的机构应该在失效之前经历约100次循环。
为了评估NiTi对各种关节组件的角度范围的影响，进行了有限元分析。所用NiTi的材料特性值在表3中提供。奥氏体相的弹性模量E由实验数据确定。所有其他值均来自文献，其中μ是泊松比，σAS S是正向相变的起始应力值，σAS F是正向相变的最终应力值，σSA S是反相变换的起始应力值，σSA F是反相变换的最终应力值，εL是最大残余应变，而α是拉伸和压缩之间的材料响应比。
表3：NiTi的材料性质(用于FE建模)
性质 值 性质 值
E(GPa) 21.38 σ<sup>SA</sup><sub>S</sub>(MPa) 185.5
μ 0.3 σ<sup>SA</sup><sub>F</sub>(MPa) 112.6
σ<sup>AS</sup><sub>S</sub>(MPa) 339.0 ε<sub>L</sub> 0.048
σ<sup>AS</sup><sub>F</sub>(MPa) 40.95 α 0
有限元(FE)模型用于比较圆筒交叉轴线挠曲关节组件在三种标称器械直径即3mm、5mm和8mm下的相对性能，其使用表2中的尺度。图34A至图34C示出了具有应变轮廓的3mm关节组件的代表性示例。图35是示出作为每个尺寸的角旋转的函数的总(弹性+变换)von Mises应变的标绘图。应注意图35还包括代表4％应变和6％应变的线，如上描述的，它们可以与失效前的预期循环次数相关联。图36是作为旋转角度的函数在挠曲件中产生的最大von Mises应力的标绘图。
除了对由NiTi构造成的关节组件的性能进行建模之外，还构建了3mm设计的物理原型(具有表2中提供的尺度)。图37至图40是由NiTi构造成的关节组件800的照片。使用来自Minitubes的中空NiTi筒，使用具有0.254mm(0.01英寸)切口宽度的电线EDM来制造关节组件800。实际原型的挠曲件长度与模型尺度不同，因为添加了圆角以减少应力集中。内挠曲件和外挠曲件的实际挠曲件长度分别为2.551mm和2.547mm。
使用具有Futek 4.45N(11磅)测力传感器的定制测试夹具来测试关节组件800，以测量偏转该组件所需的力。测试夹具被设计用于在机构的旋转端施加从动力。对关节组件800进行测试直到大约85度的角偏转。图41是与有限元模型结果和解析分析相比较的测试结果的标绘图。这些数据表明输入力与机构的旋转之间存在线性关系。使用截距为零的最小二乘线性拟合，计算斜率θ/F。
使用组件刚度K的斜率和模型来计算近似弹性模量，其中：
公式(7)：
使用伪刚体模型并将关节组件近似为销关节，则关节的角偏转与施加的力矩之间的关系是
公式(8)：
重排弹性模量E，公式变为：
公式(9)：
其中F是施加的力，r是从伪枢轴到施加的力的垂直距离(力矩臂)，l是挠曲件长度，并且Iavg是挠曲件的面积的平均第二力矩。使用I的平均值是因为内挠曲件和外挠曲件的挠曲件宽度略有不同，以及由于椭圆几何形状，挠曲件宽度随着沿着挠曲件的位置而变化的事实。请注意，原始模型假定将纯力矩应用于关节组件。对于该分析，将近似力矩施加为在某一距离处的力。
使用实验数据和公式(9)计算的弹性模量被用于FE模型。如上所述，该比较在图41中绘出。图42示出了具有线性材料性质和非线性材料性质的FE模型的标绘图。这表明NiTi的非线性材料性质可以使给定的输入力实现更大的旋转。注意，NiTi的非线性材料性质导致力-偏转关系的迟滞。
尽管结合物理原型800描述了上述建模和实验数据，但是构造了包括本文描述的接触表面(或凸轮表面)的附加物理原型。图43和图44是关节组件900的照片，关节组件900包括关节组件的内筒上的接触表面(类似于上面参照关节组件400所示和所述的接触表面)。
可以根据任何合适的方法制造本文描述的任何关节组件。例如，在一些实施例中，圆筒交叉轴线关节组件(例如，关节组件400、关节组件500或关节组件600)可以使用各种材料移除方法(包括激光切割、电线EDM、水刀和传统机械加工)由管状坯料制造。然而，在其他实施例中，可以通过首先从平面材料片移除材料，然后将材料卷绕(或形成)成管状构件来制造圆筒构件，例如本文公开的任何内筒或外筒。例如，如图45所示，如果关节组件的一个圆筒构件(例如内筒411、外筒421或本文描述的任何圆筒构件)被“展开”到一个平面上，则所得到的几何形状变成两个偏移曲线且三个材料区域被“切除”。
具体而言，图45示出了平面材料片1000，可以从该平面材料片1000制造圆筒构件1011。在制造时，圆筒构件1011包括第一端部1012、第二端部1032和与第一端部1012与第二端部1032耦接的挠曲件1070。为了制造圆筒构件1011，从标识为材料片1000的节段1003、节段1004和节段1005的三个部分移除材料，以限定挠曲件1070的形状和尺寸。为了制造椭圆挠曲件1070(其类似于上面所示的挠曲件470和挠曲件475)，在平面材料片1000上限定两个偏移的正弦曲线。
下面的公式10提供了由与圆筒相交的平面产生的椭圆形横截面的数学方程，其中h＝r(tanβ)，并且β是垂直于圆筒轴线的平面与挠曲件之间的角度。
公式(10)：
公式(11)：
公式(12)：
公式(13)：
定义挠曲件1070的厚度的偏移曲线通过正弦函数的解析导数来计算，如上面的公式11所示。然后取导数的负倒数，以找到沿主曲线的每个特定点处垂直于切线的斜率。每个点处的偏移的位置由公式12和公式13提供，其中x*和y*是距点(x，y)的偏移距离。
在从节段1003、节段1004和节段1005移除材料之后，随后可以绕轴线AL1卷绕平面片1000以形成圆筒构件1011。
图46是根据一个实施例的制造关节组件的圆筒部分的方法10的流程图。可以执行方法10以产生本文描述的任何设备、关节组件或其部件。方法10包括在12处当材料片处于平面构型时在材料片中生产关节构件。该关节构件可以是本文描述的任何关节构件或筒，并且包括第一端部、第二端部和在第一端部与第二端部之间的挠曲件。在一些实施例中，该生产包括从第一端部和第二端部之间移除材料以限定挠曲件的形状。可以通过任何合适的方法移除材料，例如电火花加工(EDM)、激光切割、水刀和传统机械加工。
该方法进一步包括在14处在生产之后卷绕材料片以使得第一端部绕纵向轴线形成第一圆筒，并且第二端部绕纵向轴线形成第二圆筒。然后在16处将材料片的第一侧结合到材料片的第二侧。在一些实施例中，关节构件是第一圆筒关节构件，并且方法10可选地包括在18处在卷绕之后将第一关节构件设置在第二关节构件内。第二关节构件具有第一圆筒端部、第二圆筒端部以及在第二关节构件的第一圆筒端部与第二关节构件的第二圆筒端部之间的挠曲件。执行该设置以使得第一关节构件的挠曲件倾斜于第二关节构件的挠曲件。
虽然上面已经描述了各种实施例，但是应该理解，它们仅以示例的方式呈现，而不是限制性的。在上述方法和/或示意图指示以特定顺序发生的某些事件和/或流程模式的情况下，可以修改某些事件和/或操作的排序。虽然已经具体示出和描述了实施例，但是应该理解，可以在形式和细节上做出各种改变。
例如，任何工具构件可以由任何材料构造成，例如医用级不锈钢、镍合金、钛合金等。此外，本文描述的任何关节组件或部件可以由多个工件构造成，这些工件随后结合在一起。例如，在一些实施例中，可以通过将单独构造的部件(例如，横向臂、线轴、纵向臂)结合在一起来构造关节构件。然而，在其他实施例中，本文描述的任何关节组件或部件(例如，内筒或外筒)可以是整体构造的。
尽管已经将各种实施例描述为具有特定特征和/或部件的组合，但是其他实施例也可以具有来自如上所述的任何实施例的任何特征和/或部件的组合。已经在医疗设备并且更具体地在手术器械的一般背景下描述了各方面，但是创造性方面不一定限于在医疗设备中使用。
例如，在一些实施例中，本文描述的任何关节组件可以包括一个或多个接触表面，类似于上面示出和描述的接触表面416。例如，尽管关节组件600未被示出为包括挠曲件接合的接触表面，但是在一些实施例中，关节组件600可以包括一个或多个接触表面。

Claims (29)

1.一种装置，其包括：
第一关节构件，其包括连接部分和接触表面；
第二关节构件，其包括连接部分；以及
挠曲件，其具有第一端部、第二端部和位于所述第一端部与所述第二端部之间的中心部分，所述第一端部耦接到所述第一关节构件的所述连接部分，所述第二端部耦接到所述第二关节构件的所述连接部分，所述挠曲件被构造成当所述第一关节构件和所述第二关节构件从第一构型移动到第二构型时弹性变形，当所述第一关节构件和所述第二关节构件处于所述第一构型时，所述挠曲件的所述中心部分与所述接触表面间隔开，当所述第一关节构件和所述第二关节构件处于所述第二构型时，所述挠曲件的所述中心部分与所述接触表面接触。
2.如权利要求1所述的装置，其中，当所述挠曲件弹性变形时，所述第二关节构件相对于所述第一关节构件旋转。
3.如权利要求1所述的装置，其中：
所述第一关节构件限定第一轴线；以及
所述第二关节构件限定第二轴线，当所述第一关节构件和所述第二关节构件处于所述第一构型时，所述第二轴线与所述第一轴线同轴，当所述第一关节构件和所述第二关节构件处于所述第二构型时，所述第二轴线与所述第一轴线不同轴。
4.如权利要求3所述的装置，其中，当所述挠曲件弹性变形时，所述第二关节构件绕枢转轴线相对于所述第一关节构件旋转，所述第一轴线与所述枢转轴线相交。
5.如权利要求1所述的装置，其中：
所述第一关节构件包括形成圆筒的侧壁，所述侧壁的端表面包括所述第一关节构件的所述连接部分。
6.如权利要求3所述的装置，其中：
所述第一关节构件包括形成围绕所述第一轴线的第一圆筒的第一侧壁，所述第一侧壁的端表面包括所述第一关节构件的所述连接部分；以及
所述第二关节构件包括形成围绕所述第二轴线的第二圆筒的第二侧壁，所述第一侧壁的端表面包括所述第二关节构件的所述连接部分。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述第一关节构件、所述挠曲件和所述第二关节构件是整体形成的。
8.如权利要求1所述的装置，其中：
所述第二关节构件包括接触表面；以及
当所述第一关节构件和所述第二关节构件从所述第一构型移动到所述第二构型时，所述第二关节构件相对于所述第一关节构件在第一方向上旋转，所述第二关节构件被构造成当所述第一关节构件和所述第二关节构件从所述第一构型移动到第三构型时相对于所述第一关节构件在第二方向上旋转，
当所述第一关节构件和所述第二关节构件处于所述第三构型时，所述挠曲件的所述中心部分与所述第二关节构件的所述接触表面接触。
9.如权利要求1所述的装置，其中
当所述挠曲件弹性变形时，所述第二关节构件相对于所述第一关节构件绕枢转轴线旋转；以及
所述第一关节构件限定基本正交于所述枢转轴线的第一轴线，所述第一轴线位于所述第一关节构件的所述连接部分与所述接触表面的至少一部分之间。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述接触表面位于所述枢转轴线与所述第一关节构件的所述连接部分之间。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述接触表面的至少一部分是弯曲的。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述挠曲件是第一挠曲件，所述第一关节构件的所述连接部分是第一连接部分，所述第一关节构件包括第三连接部分，所述第二关节构件的所述连接部分是第二连接部分，所述第二关节构件包括第四连接部分，所述装置进一步包括：
第二挠曲件，其具有第一端部、第二端部和位于所述第二挠曲件的所述第一端部与所述第二挠曲件的所述第二端部之间的中心部分，所述第二挠曲件的所述第一端部耦接到所述第三连接部分，所述第二挠曲件的所述第二端部耦接到所述第四连接部分，所述第二挠曲件被构造成当所述第一关节构件和所述第二关节构件从所述第一构型移动到所述第二构型时弹性变形，当所述第一关节构件和所述第二关节构件处于所述第一构型时，所述第一挠曲件的中心线倾斜于所述第二挠曲件的中心线。
13.如权利要求12所述的装置，其中：
所述接触表面是第一接触表面，所述第一关节构件的所述端部包括第二接触表面，
当所述第一关节构件和所述第二关节构件从所述第一构型移动到所述第二构型时，所述第二关节构件相对于所述第一关节构件在第一方向上旋转，所述第二关节构件被构造成当所述第一关节构件和所述第二关节构件从所述第一构型移动到第三构型时相对于所述第一关节构件在第二方向上旋转，
当所述第一关节构件和所述第二关节构件处于所述第三构型时，所述第二挠曲件的所述中心部分与所述第二接触表面接触。
14.一种装置，其包括：
第一关节构件；
第二关节构件；
在所述第一关节构件与所述第二关节构件之间的第三关节构件；
第一挠曲件，其具有第一端部和第二端部，所述第一端部耦接到所述第一关节构件，所述第二端部耦接到所述第三关节构件，所述第一挠曲件被构造成当所述第二关节构件相对于所述第一关节构件绕第一旋转轴线旋转时弹性变形；以及
第二挠曲件，其具有第一端部和第二端部，所述第二挠曲件的所述第一端部耦接到所述第二关节构件，所述第二挠曲件的所述第二端部耦接到所述第三关节构件，所述第二挠曲件被构造成当所述第二关节构件相对于所述第一关节构件绕第二旋转轴线旋转时弹性变形，所述第二旋转轴线不平行于所述第一旋转轴线并与所述第一旋转轴线相交。
15.如权利要求14所述的装置，其中当所述第一关节构件、所述第二关节构件和所述第三关节构件处于第一构型时，所述第一关节构件、所述第二关节构件和所述第三关节构件限定纵向轴线，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线均正交于所述纵向轴线。
16.如权利要求14所述的装置，其中：
所述第一挠曲件的所述第一端部耦接到所述第一关节构件的连接部分；并且
所述第二挠曲件的所述第二端部耦接到所述第三关节构件的连接部分，由所述第一关节构件的所述连接部分限定的平面与由所述第三关节构件的所述连接部分限定的平面基本共面。
17.如权利要求16所述的装置，其中：
所述第二挠曲件的所述第一端部耦接到所述第二关节构件的连接部分；
所述第三关节构件的所述连接部分是第三连接部分；以及
所述第一挠曲件的所述第二端部耦接到所述第三关节构件的第四连接部分，由所述第二关节构件的所述连接部分限定的平面与由所述第三关节构件的所述第四连接部分限定的平面基本共面。
18.如权利要求15所述的装置，其中：
所述第一关节构件包括第一侧壁，所述第一侧壁绕所述纵向轴线形成第一圆筒；并且
所述第二关节构件包括第二侧壁，所述第二侧壁绕所述第二轴线形成第二圆筒，所述第一侧壁的端表面包括所述第二关节构件的所述连接部分。
19.如权利要求14所述的装置，其中所述第一关节构件、所述第一挠曲件和所述第三关节构件是整体形成的。
20.如权利要求14所述的装置，其中所述第一关节构件、所述第一挠曲件、所述第二关节构件、所述第二挠曲件和所述第三关节构件是整体形成的。
21.如权利要求14所述的装置，其中：
所述第一关节构件或所述第三关节构件中的至少一个包括接触表面；以及
所述第一挠曲件包括在所述第一挠曲件的所述第一端部和所述第一挠曲件的所述第二端部之间的中心部分，所述第一挠曲件被构造成当所述第二关节构件相对于所述第一关节构件绕所述第一旋转轴线旋转时在第一构型和第二构型之间转换，当所述第一挠曲件处于所述第一构型时，所述第一挠曲件的所述中心部分与所述接触表面间隔开，当所述第一挠曲件处于所述第二构型时，所述第一挠曲件的所述中心部分与所述接触表面接触。
22.如权利要求14所述的装置，其中：
所述第二关节构件或所述第三关节构件中的至少一个包括接触表面；并且
所述第二挠曲件包括在所述第二挠曲件的所述第一端部和所述第二挠曲件的所述第二端部之间的中心部分，所述第二挠曲件被构造成当所述第二关节构件相对于所述第一关节构件绕所述第二旋转轴线旋转时在第一构型和第二构型之间转换，当所述第二挠曲件处于所述第一构型时，所述第二挠曲件的所述中心部分与所述接触表面间隔开，当所述第二挠曲件处于所述第二构型时，所述第二挠曲件的所述中心部分与所述接触表面接触。
23.一种方法，其包括：
当材料片处于平面构型时在所述材料片中生产关节构件，所述关节构件包括第一端部、第二端部以及在所述第一端部和所述第二端部之间的挠曲件；
在所述生产之后，将所述材料片卷绕成使得所述第一端部绕纵向轴线形成第一圆筒，并且所述第二端部绕所述纵向轴线形成第二圆筒；以及
将所述材料片的第一侧结合到所述材料片的第二侧。
24.如权利要求23所述的方法，其中：
所述生产包括从所述第一端部和所述第二部分之间移除材料以限定所述挠曲件的形状。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述挠曲件的形状是正弦曲线形状。
26.如权利要求23所述的方法，其中：
所述生产包括通过放电加工工艺从所述第一端部和所述第二部分之间移除材料以限定所述挠曲件的形状。
27.如权利要求23所述的方法，其中所述关节构件是第一关节构件，所述方法进一步包括：
在所述卷绕之后，将所述第一关节构件设置在第二关节构件内，所述第二关节构件具有第一圆筒端部、第二圆筒端部以及在所述第二关节构件的所述第一圆筒端部与所述第二关节构件的所述第二圆筒端部之间的挠曲件，执行所述设置以使得所述第一关节构件的所述挠曲件倾斜于所述第二关节构件的所述挠曲件。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述第一关节构件和所述第二关节构件限定枢转轴线，当所述第一关节构件的所述挠曲件和所述第二关节构件的所述挠曲件弹性变形时，所述第一关节构件的所述第二端部相对于所述第一关节构件的所述第一端部绕所述枢转轴线旋转。
29.如权利要求23所述的方法，其中所述材料片由镍钛合金构成。
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