CN111970985A - 具有易组装构件的低摩擦小型医疗工具 - Google Patents

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A·萨达卡
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Abstract

低摩擦医疗装置包括第一连杆、第二连杆和张力元件。第一连杆联接至器械轴，并且在第一连杆内限定第一引导路径。第二连杆可相对于第一连杆旋转通过一定角度范围。第二连杆的远端部分被可旋转地联接至工具元件。在第二连杆内在工具元件与第一引导路径之间限定曲线状引导路径。第二连杆的曲线状引导表面限定第二引导路径的一部分。张力元件的第一部分平行于第一引导路径的中心线，并且第二部分联接至工具元件。第一与第二部分之间的张力元件的第三部分贯穿一部分所述角度范围与曲线状引导表面接触。

Description

具有易组装构件的低摩擦小型医疗工具
相关申请
本专利申请要求美国临时专利申请号62/639,631(2018年3月7日提交)(名称为“LOW-FRICTION,SMALL PROFILE MEDICAL TOOLS HAVING EASY-TO-ASSEMBLECOMPONENTS”)的优先权和申请日权益，其整体通过引用并入本文。
背景技术
本文所述的实施方式涉及抓握工具，更具体地涉及医疗装置，并且还更具体地涉及内窥镜工具。更具体地，本文所述的实施方式涉及低摩擦工具和装置，其包括可以在例如外科应用中使用的辊辅助的张力元件(roller-assisted tension members)。
用于微创手术(MIS)的已知技术采用器械操纵组织，其可以手动控制或通过计算机辅助的远程操作来控制。多种已知的MIS器械包括安装在腕状机构上延伸部(在本文中也称为主管或主轴)的远端处的治疗或诊断末端执行器(例如，钳、切割工具或灼烧工具)。在MIS程序中，可以将末端执行器、腕状机构和主管远端插入患者的小切口或天然孔口中，以将末端执行器定位在患者体内的工作位点。任选的腕状机构可以用于改变末端执行器相对于主管的取向，以在工作位点执行期望的程序。已知的腕状机构总体上为末端执行器的移动提供期望的自由度(DOF)。例如，对于钳或其它抓握工具，已知的腕状机构通常能够改变末端执行器相对于主管的俯仰(pitch)和偏航(yaw)。腕部可以任选地为末端执行器提供滚动DOF(roll DOF)，或者可以通过滚动主管来实现滚动DOF。末端执行器可以任选地具有另外的机械DOF，如抓握或刀片运动(knife blade motion)。在一些情况下，腕部和末端执行器机械DOF可以组合。例如，美国专利号5,792,135(1997年5月16日提交)公开了其中腕部和末端执行器抓握DOF组合的机构。
为了实现腕状机构和末端执行器的期望移动，已知的器械包括张力元件(例如，线缆(cables)、线缆/海波管组合、张力带)，该张力元件延伸通过器械的主管，并将腕状机构连接至传动器(transmission)(在本文中也称为后端机构)。后端机构使线缆移动以操作腕状机构。对于远程操作系统，后端机构是电动机驱动的，并且可以被可操作地联接至处理系统，以为医生控制器械提供用户界面。
患者受益于提高MIS方法和工具的有效性的不断努力。例如，减小主管和腕状机构的尺寸和/或操作足迹可以允许较小的进入切口，从而减小手术的负面影响，如疼痛、疤痕和不期望的治愈时间。但是，生产实现微创程序的临床期望功能的小直径医疗器械可具有挑战性。具体地，通过“按比例缩小”构件来简单地缩小已知腕状机构的尺寸将由于以所需的构件和材料性质无法缩放而不会导致有效的解决方案。例如，腕状机构的有效实施可能是复杂的，因为必须小心地将线缆布设(routed)通过腕状机构，以贯穿腕状机构的运动范围保持线缆张力，和使一个旋转轴线与另一个旋转轴线的相互作用(或联接效应)最小化。进一步，总体上需要滑轮(pulleys)和/或轮廓化表面以减小线缆摩擦，这延长了器械寿命和允许在不对腕状机构中的线缆或其它结构施加过大力的情况下操作。可以由较小的结构(包括腕状机构的线缆和其它构件)产生的增大的局部化力可以导致线缆在存储和使用过程中不期望的加长(例如，“拉伸”或“蠕变(creep)”)、线缆寿命缩短等。
进一步，一些医疗器械具有末端执行器，该末端执行器需要电能来实现临床功能，如干燥、止血、切割、解剖、引流、切口、组织破坏、灼烧和血管密封。因此，已知的器械包括被通过腕状机构布设到待供能末端执行器的部分的一个或多个导体。将腕状机构的所有构件、驱动线缆和导线装配成小直径(例如，小于约10mm)，同时保持这些构件的必要强度和功能，可能是困难的。
除了减小医疗器械的尺寸之外，还期望开发可有效地一次性使用(即，意图仅以经济成本单次使用)的低成本器械。使用这种器械，每个MIS程序均可以用新的灭菌器械来执行，这消除了笨重和昂贵的仪器重复使用清洁和灭菌程序。然而，多种当前的器械设计生产昂贵，因此为了经济起见，这些器械进行无菌再处理以用于多次外科程序。部分地，这些器械的成本可能是由于多股钨线缆和海波管部分承受了操作负荷。
在一些情况下，已知的腕状机构利用多对线缆来提供控制，以使腕状机构在各种运动范围(包括腕状机构相对于主管的偏航、俯仰和滚动移动)内移动。这些常规的腕状机构使用联接在一起的一对俯仰线缆以形成线缆环，从而为腕状机构提供俯仰控制。各个体线缆在这种已知腕状机构中的布设可以增强俯仰控制，但是也可以限制俯仰线缆在俯仰移动期间的移动，并增加与致动俯仰移动相关的摩擦。进一步，这些机构的线缆引导和连接特征的纳入也可增加腕状机构的尺寸或使得难以减小其尺寸和足迹。
另外，已知的腕状机构可能难以组装。例如，一些已知腕状机构的组装程序可以包括执行线缆压接程序以将一对线缆彼此轴向连接，从而形成线缆环，然后将该线缆对联接至腕状机构，其中压接部保持在腕状机构中形成的袋中。尽管在安装之前将线缆彼此压接和连接可以避免压接操作有关的损坏，但是线缆环的安装连同附接线缆压接部(cablecrimp)的安装可能使线缆环的安装复杂化，并在安装期间增加线缆环的不期望的弯曲或损坏。
因此，需要改进的内窥镜工具。改进可以包括具有减小的尺寸、减少的部件数量、较低的材料成本、以及在使用期间以低摩擦力操作的强度增加的张力元件的腕状机构。另外，改进可以允许组装容易，包括张力元件在腕状机构中安装，以轴向连接两个或更多个个体张力元件，同时避免在安装期间由于弯曲、扭曲或其它作用而不利地影响张力元件的完整性。
发明内容
本部分介绍本文所述的实施方式的某些方面以提供基本的理解。本部分不是本发明主题的广泛概述，并且不旨在确定关键或重要要素或描述本发明主题的范围。
在一些实施方式中，低摩擦医疗装置包括第一连杆(link)、第二连杆和张力元件。第一连杆联接至器械轴并且其中限定第一引导路径。第二连杆具有近端部分和远端部分。第二连杆可相对于第一连杆旋转通过一定角度范围。第二连杆的远端部分联接至工具元件，并且该工具元件可相对于第二连杆围绕第二轴线旋转。在第二连杆内、在工具元件与第一引导路径之间限定第二引导路径。第二连杆包括限定第二引导路径的部分的曲线状引导表面。张力元件具有第一张力元件部分、第二张力元件部分以及在第一张力元件部分与第二张力元件部分之间的第三张力元件部分。第一张力元件部分在第一引导路径内，并且第二张力元件部分联接至工具元件。第三张力元件部分贯穿所述角度范围的一部分与曲线状引导表面接触。第一张力元件部分平行于第一引导路径的中心线。
在一些实施方式中，低摩擦医疗装置包括第一连杆、第二连杆和张力元件。第一连杆联接至器械轴并限定第一引导路径。第二连杆联接至第一连杆并且可相对于第一连杆围绕第一轴线旋转。第二连杆限定第二引导路径、保持袋、连接路径和组装路径。连接路径延伸通过第二引导路径与保持袋之间的第二连杆的部分。第二连杆的壁围绕连接路径的部分。连接路径中心线和第二引导路径的中心线在第二连杆内限定第一平面。组装路径延伸通过第二连杆的部分进入保持袋中。组装路径的中心线在不平行于第一平面的第二平面内不平行于连接路径中心线。张力元件具有第一张力元件部分、第二张力元件部分和联接至第二张力元件部分的保持元件。第一张力元件部分被配置以：(A)沿组装路径中心线插入通过组装路径，和(B)旋转直至第一张力元件部分处于第二引导路径内。保持元件在第一张力元件部分旋转之后被保持在保持袋内，使得张力元件相对于第二连杆的移动受限。第二连杆被配置以在第一张力元件部分在第二引导路径内移动时相对于第一连杆围绕第一轴线旋转。
在阅读以下附图和详细描述后，根据实施方式的其它医疗装置、相关构件、医疗装置系统和/或方法对于本领域技术人员而言将是或变得显而易见。意图此描述中包括的所有这种另外的医疗装置、相关构件、医疗装置系统和/或方法都在本公开的范围之内。
附图说明
图1是根据实施方式的微创远程操作医疗系统的平面图，其正在用于执行医疗程序如手术。
图2是图1所示微创远程操作手术系统的任选的辅助单元的透视图。
图3是图1所示微创远程操作手术系统的用户控制台(user control console)的透视图。
图4是图1所示微创远程操作手术系统的包括多个器械的操纵器单元的前视图。
图5是根据实施方式的处于第一位置的手术系统的器械的部分的图解透视图。
图6A是第一取向的图5所示器械部分的图解俯视图。
图6B是图5所示器械部分的图6A所示区域H的放大图。
图7是第二取向的图5所示器械部分的图解俯视图。
图8A-8B是根据实施方式的器械系统的部分的图解示例。
图9是根据实施方式的第一取向的手术系统的器械的透视图。
图10是由图9所示区域Z指示的器械的远端部分的放大透视图。
图11是以分解视图显示的图10的器械的远端部分的透视图。
图12是图11所示张力元件的部分的放大透视图。
图13是图10的器械的远端部分的透视图，在第二连杆被移除以暴露张力元件的部分的情况下显示。
图14A是沿图9所示的线Y-Y截取的、第一取向的图10的器械的远端部分的侧视图，并且在第一连杆和张力元件被移除以暴露引导路径的部分的情况下显示。
图14B是由图14A所示区域K指示的第一取向的图10的器械的远端部分的放大侧视图。
图15A是第一取向的图10的器械的远端部分的俯视图。
图15B和15C是图15A所示的区域L和M指示的部分的放大俯视图，显示了图10器械的第二连杆的套筒(thimble)结构。
图16A是沿图15A所示线R-R截取的图10器械的远端部分的横截面图。
图16B是由图16A所示区域S指示的器械的远端部分的放大横截面图。
图17A是沿图15A所示线R-R截取的以第二取向显示的图10的器械的远端部分的横截面图。
图17B是沿图15A所示线R-R截取的以第三取向显示的图10的器械的远端部分的横截面图。
图18是根据实施方式的由图9所示区域Z指示的另一器械的远端部分的放大透视图。
图19是沿图9所示线Y-Y截取的第一取向的图18的器械的远端部分的侧视图。
图20是第一取向的图18的器械的远端部分的侧视图，并且在第一连杆被移除以暴露张力元件的部分的情况下显示。
图21是第二取向的图18的器械的远端部分的侧视图，并且在第一连杆被移除以暴露张力元件的部分的情况下显示。
图22是图18器械的远端部分的侧视图，显示了在图20的第一取向上叠加的图21的第二取向，并且二者均在第一连杆被移除以暴露张力元件的部分的情况下显示。
图23是图20所示区域T指示的第一取向的图18器的械的远端部分的放大侧视图。
图24是图21所述区域U指示的第二取向的图18的器械的远端部分的放大侧视图。
图25是沿图20所示线X-X截取的第一取向的图18的器械的远端部分的横截面图。
图26是根据实施方式的第一取向的手术系统的器械的部分的图解前视图。
图27是根据图26所示线N-N观察到的、第一取向的图26所示器械部分的图解侧视图，并且在没有张力元件以暴露其中形成的路径的情况下显示。
图28是沿图27所示线Q-Q截取的、第一取向的图26和27所示器械部分的图解横截面图，并且在没有张力元件以暴露其中形成的路径的情况下显示。
图29是沿图27所示线P-P截取的、第一取向的图26和27所示器械部分的图解横截面图，并且在没有张力元件以暴露其中形成的路径的情况下显示。
图30是图26和27所示器械部分的张力元件的远端部分的图解俯视图。
图31A是图26和27所示器械部分的张力元件的远端部分的图解俯视图，其示例了根据实施方式的作为安装方法一部分的张力元件中的安装弯曲部。
图31B和31C是沿图27所示线P-P截取的图26和27所示器械部分的图解横截面图，并且各自连同图30的张力元件的远端部分的俯视图显示，以示例根据实施方式的安装方法。
图32是根据实施方式的第一取向的器械的远端部分的放大透视图。
图33是图32的器械的远端部分的放大透视图，在张力元件、第一连杆和滑轮中的一些被移除以暴露第二连杆的部分的情况下显示。
图34是由图33所示区域F指示的图32和33的器械的部分的放大透视图。
图35是第一取向的图32的器械的远端部分的侧视图。
图36是第一取向的图32的器械的第二连杆的侧视图。
图37是沿图36所示线V-V截取的第一取向的图32的器械的第二连杆的仰视图。
图38是图32的器械的第三张力元件的透视图。
图39和40是第一取向的图32的器械的第二连杆和俯仰张力元件的部分的透视图，示例俯仰张力元件的安装。
图41和42是图32器械的第二连杆的部分以及从图38所示的线W-W观察的用于图38和39所示的俯仰张力元件安装的俯仰张力元件的俯视横截面图。
具体实施方式
本文描述的实施方式可以有利地用于与微创手术相关的各种抓握、切割和操纵操作。具体地，本文所描述的器械可以是低成本的一次性器械，其有助于用于仅一个程序。如本文所述，器械包括一根或多根线缆(其用作张力元件)，该线缆可以被移动，从而以多个自由度来致动末端执行器。此外，线缆可以包括具有较大横截面积的区域以促进增加的强度，或者缆线可以被缠绕或弯曲以允许在微型化腕状组件内有效地布设。
在一些实施方式中，低摩擦医疗装置包括第一连杆、第二连杆和张力元件。第一连杆联接至器械轴并且其中限定第一引导路径。第二连杆具有近端部分和远端部分。第二连杆可相对于第一连杆围绕第一轴线旋转通过一定角度范围。第二连杆的远端部分联接至工具元件，并且该工具元件可相对于第二连杆围绕第二轴线旋转。在第二连杆内在工具元件与第一引导路径之间限定曲线状引导路径。第二连杆包括限定第二引导路径的部分的曲线状引导表面。张力元件具有第一张力元件部分、第二张力元件部分和在第一张力元件部分与第二张力元件部分之间的第三张力元件部分。第一张力元件部分处于第一引导路径内，并且第二张力元件部分联接至工具元件。第三张力元件部分贯穿所述角度范围的一部分与曲线状引导表面接触。第一张力元件部分平行于第一引导路径的中心线。
在一些实施方式中，第一引导路径的中心线距轴的中心线偏移第一距离，并且曲线状引导表面的特征在于围绕(关于，about)第一轴线的半径。在这种实施方式中，所述半径等于第一距离。在一些实施方式中，第一引导路径的中心线距轴的中心线偏移第一距离，并且曲线状引导表面的特征在于限定第二引导路径的第一部分的曲率半径。该曲率半径的中心距轴偏移第二距离，并且第二距离等于曲率半径与第一距离之和。
在一些实施方式中，张力元件包括在第一张力元件部分与第三张力元件部分之间的第四张力元件部分。第四张力元件部分贯穿所述角度范围与第一引导路径的中心线平行。在一些实施方式中，第二连杆的曲线状引导表面是联接至第二连杆的滑轮的外表面，或者曲线状引导表面是第二连杆的壁。在一些实施方式中，曲线状引导表面是第一曲线状引导表面，并且第二连杆包括第二曲线状引导表面。第一曲线状引导表面包括联接至第二连杆的滑轮的外表面，并形成第二引导路径的第一部分。第二曲线状引导表面限定第二引导路径的第二部分。所述角度范围的部分是第一部分，并且第三张力元件部分贯穿所述角度范围的第一部分与滑轮的外表面接触。第三张力元件部分贯穿所述角度范围的第二部分与第二曲线状引导表面接触。第四张力元件部分贯穿第一角度范围和第二角度范围与第一引导路径的中心线平行。在一些实施方式中，当第二连杆相对于第一连杆处于第一取向时，第三张力元件部分与滑轮的外表面间隔开并与第二曲线状引导表面接触。当第二连杆相对于第一连杆处于第二取向时，第三张力元件与第二曲线状引导表面间隔开并与滑轮的外表面接触。
在一些实施方式中，第一引导路径的中心线距轴的中心线偏移一定距离，并且滑轮的外表面限定与该距离相等的滑轮半径。在一些实施方式中，第二曲线状引导表面的特征在于曲率半径，并且该距离小于滑轮半径与曲率半径之和。在一些实施方式中，该距离是第二距离，曲率半径的中心距轴的中心线偏移第一距离，并且第一距离等于第二距离与曲率半径之和。
在一些实施方式中，低摩擦医疗装置包括第一连杆、第二连杆和张力元件。第一连杆内限定第一引导路径，并且第一引导路径的中心线距轴的中心线偏移一定距离。第二连杆具有近端部分和远端部分。第二连杆的近端部分被可旋转地联接至第一连杆，并且第二连杆可相对于第一连杆围绕第一轴线旋转通过一定角度范围。第二连杆的远端部分被可旋转地联接至工具元件，并且工具元件可相对于第二连杆围绕第二轴线旋转。在第二连杆内在工具元件与第一引导路径之间限定第二引导路径。第二连杆包括限定第二引导路径的部分的曲线状引导表面。该曲线状引导表面的特征在于围绕第一轴线的半径。该半径等于第一引导路径的中心线距轴的中心线偏移的距离。张力元件具有第一张力元件部分、第二张力元件部分和在第一张力元件部分与第二张力元件部分之间的第三张力元件部分。第一张力元件部分处于第一引导路径内，并且第二张力元件部分联接至工具元件。第三张力元件部分贯穿所述角度范围的至少部分与曲线状引导表面接触。
在一些实施方式中，低摩擦医疗装置包括第一连杆、第二连杆和张力元件。第一连杆内限定第一引导路径。第一引导路径的中心线距轴的中心线偏移第一距离。第二连杆具有近端部分和远端部分。第二连杆的近端部分被可旋转地联接至第一连杆。第二连杆可相对于第一连杆围绕第一轴线旋转通过一定角度范围。第二连杆的远端部分被可旋转地联接至工具元件，并且工具元件可相对于第二连杆围绕第二轴线旋转。在第二连杆内在工具元件与第一引导路径之间限定第二引导路径。第二连杆包括限定第二引导路径的部分的曲线状引导表面。曲线状引导表面的特征在于曲率半径。该曲率半径的中心距轴的中心线偏移第二距离。第二距离等于曲率半径与第一距离之和。张力元件具有第一张力元件部分、第二张力元件部分和在第一张力元件部分与第二张力元件部分之间的第三张力元件部分。第一张力元件部分处于第一引导路径内，并且第二张力元件部分联接至工具元件。第三张力元件部分贯穿所述角度范围的至少部分与曲线状引导表面接触。
在一些实施方式中，工具元件具有滑轮部分，该滑轮部分通过销联接至第二连杆的远端部分。张力元件的第二部分围绕自销偏移的滑轮部分缠绕，使得当张力元件被移动时，工具元件相对于第二连杆围绕第二轴线旋转。张力元件的第二部分在第二连杆的曲线状引导表面与工具元件的滑轮部分之间平行。
在一些实施方式中，医疗装置包括第一连杆、第二连杆和张力元件。第一连杆联接至器械轴并限定第一引导路径。第二连杆被可旋转地联接至第一连杆，以相对于第一连杆围绕第一轴线旋转。第二连杆限定第二引导路径、保持袋、连接路径和组装路径。连接路径延伸通过第二引导路径与保持袋之间的第二连杆的部分。第二连杆的壁围绕连接路径的部分。连接路径中心线和第二引导路径的中心线在第二连杆内限定第一平面。组装路径延伸通过第二连杆的部分进入保持袋中。组装路径的中心线在不平行于第一平面的第二平面内不平行于连接路径中心线。张力元件具有第一张力元件部分、第二张力元件部分和联接至第二张力元件部分的保持元件。第一张力元件部分被配置以：A)沿组装路径中心线插入通过组装路径，和B)旋转直至第一张力元件部分处于第二引导路径内。保持元件在第一张力元件部分旋转之后被保持在保持袋内，使得张力元件相对于第二连杆的移动受限。第二连杆进一步被配置以当第一张力元件部分在第二引导路径内移动时相对于第一连杆围绕第一轴线旋转。
在一些实施方式中，张力元件是线缆，并且保持元件是线缆压接部。在一些实施方式中，线缆压接部被配置以在安装期间在线缆压接部处具有自松弛状态相对于张力元件的纵向轴线的角度扭转。在一些实施方式中，第一张力元件部分旋转通过约90度的安装角度。在一些实施方式中，第二连杆内限定细长槽，并且线缆压接部被配置以当张力元件部分被旋转时滑动通过细长槽并进入保持袋。在一些实施方式中，线缆压接部被配置以在安装后恢复无角度扭转的松弛状态。在一些实施方式中，保持袋的尺寸大于连接路径的尺寸。在一些实施方式中，第二平面横穿第一平面。在一些实施方式中，组装路径中心线和连接路径中心线形成5度至45度之间的插入角度。在一些实施方式中，保持元件包括附接至张力元件的型锻(swage)连接件。
在一些实施方式中，医疗装置包括第一连杆、第二连杆和张力元件。第一连杆联接至器械轴并且其中限定第一引导路径。第二连杆被可旋转地联接至第一连杆，以相对于第一连杆围绕第一轴线旋转。第二连杆限定第二引导路径、保持袋、连接路径和组装路径。连接路径延伸通过第二引导路径与保持袋之间的第二连杆的部分。第二连杆的第一壁限定打开到保持袋中的细长槽。第二连杆的第二壁限定保持袋的远侧边界。连接路径中心线和第二引导路径的中心线在第二连杆内限定第一平面。组装路径延伸通过第二连杆的所述部分进入到保持袋中。组装路径的组装路径中心线在不平行于第一平面的第二平面内不平行于连接路径中心线。张力元件具有第一张力元件部分、第二张力元件部分和联接至第二张力元件部分的保持元件。第一张力元件部分被配置以A)沿组装路径中心线插入通过细长槽和组装路径，和B)旋转直至第一张力元件部分处于第二引导路径内。保持元件在第一张力元件部分旋转之后被保持在保持袋内，使得张力元件相对于第二连杆的移动受限。第二连杆被配置以当第一张力元件部分在第二引导路径内移动时相对于第一连杆围绕第一轴线旋转。
在一些实施方式中，提供了组装腕状组件的部分的方法，其中腕状组件包括第一连杆和第二连杆。第一连杆限定第一引导路径，并且第二连杆被可旋转地联接至第一连杆，以相对于第一连杆围绕第一轴线旋转。方法包括将张力元件的第一末端部分插入通过在第二连杆内限定的组装路径。组装路径延伸通过第二连杆的部分进入由第二连杆限定的保持袋中。张力元件包括第二末端部分和联接至第二末端部分的保持元件。方法进一步包括在插入之后，使张力元件的部分围绕不平行于张力元件的第一末端部分的纵向轴线的旋转轴线旋转。旋转致使张力元件的第一末端部分处于由第二连杆限定的第二引导路径和连接路径内。连接路径延伸通过在第二引导路径与保持袋之间的第二连杆的部分。组装路径的组装路径中心线不平行于连接路径的连接路径中心线。
在一些实施方式中，组装腕状组件的部分的方法进一步包括将张力元件的第一末端部分插入第一引导路径中。在一些实施方式中，旋转包括使张力元件旋转通过5度至45度的角度。
如本文所用，术语“约”在与提及的数值指示结合使用时意为提及的数值指示加减上至该提及的数值指示的10％。例如，表述“约50”涵盖45至55的范围。类似地，表述“约5”涵盖4.5至5.5的范围。
与诸如机械结构、构件或构件组件的部件关联的术语“挠性”应被广义地解释。本质上，该术语意为部件可以被反复弯曲并恢复为原始形状而无部件损害。某些挠性构件也可以是弹性的。例如，如果构件(例如，挠曲件)具有在其弹性变形时吸收能量，然后在卸负(unloading)时释放存储的能量(即，恢复至其原始状态)的能力，则称该构件是弹性的。很多“刚性”物体由于材料性质而具有轻微的固有弹性“弯曲性”，尽管在本文中使用该术语时这种物体并不被认为是“挠性的”。
挠性部件可具有无限的自由度(DOF)。挠性是所述物体的广延性质，因此取决于形成该物体的材料以及该物体的某些物理特性(例如，横截面形状、长度、边界条件等)。例如，可以通过在物体中选择性地包括具有期望的弹性模量、挠曲模量和/或硬度的材料来增加或减小物体的挠性。弹性模量是构成材料的强度(即，固有)性质，并且描述了物体响应于施加的力而弹性地(即，非永久性)变形的趋势。在相同施加应力的存在下，具有高弹性模量的材料将不会偏转多如具有低弹性模量的材料。因此，可以例如通过将具有相对高弹性模量的材料引入物体和/或构造具有相对高弹性模量的材料的物体，来减小物体的挠性。这些部件的实例包括封闭的可弯曲管(由例如
Figure BDA0002715005210000091
聚合物、软橡胶等制成)、螺旋线圈弹簧等，其可以弯曲成各种简单或复合的曲线，通常没有显著的横截面变形。
通过使用一系列紧密间隔的构件(其类似于像蛇样“椎骨”的短连接连杆的串联布置)，其它挠性部件可以近似这种无限DOF部件。在这种椎骨式布置中，各构件是运动链中的短连杆，并且各连杆之间的可移动机械约束件(例如，销铰链、杯和球、活动铰链等)可允许连杆之间一个DOF(例如，俯仰)或两个DOF(例如，俯仰和偏航)的相对移动。短挠性部件可以充当和被模塑成一个机械约束件(接头)，其提供运动链中两个连杆之间的一个或多个DOF——即使挠性部件本身可以是由若干具有多DOF的联接连杆或无线DOF连杆制成的运动链。
如本说明书和所附权利要求书中所用，词语“远侧”指代接近工作位点的方向，而词语“近侧”指代远离工作位点的方向。因此，例如，最接近目标组织的工具末端将是工具的远端，而与远端相反的末端(即，由用户操纵或联接至致动轴的末端)将是工具的近端。
进一步，选择用来描述一个或多个实施方式以及任选的要素或特征的具体词语不旨在限制本发明。例如，可以使用空间相对术语——如“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”等——来描述图中示例的一个要素或特征与另一要素或特征的关系。这些空间相对术语旨在涵盖除附图中所示位置和取向之外的在使用或操作中装置的不同位置(即，平移放置)和取向(即，旋转放置)。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其它要素或特征“下方”或“…下面”的要素于是将在其它要素或特征“上方”或“上面”。因此，术语“下方”可以同时涵盖上方和下方的位置和取向。装置可以以其它方式定向(例如，旋转90度或处于其它取向)，并且本文所用的空间相对描述语被相应地解释。同样，对沿(平移)和围绕(旋转)各种轴线的移动的描述包括各种空间装置位置和取向。主体的位置和取向的组合限定了主体的姿势。
类似地，除非上下文另外指出，诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“正方形”的几何术语并不旨在要求绝对的数学精度。取而代之，这种几何术语允许制造或等同功能而引起的变化。例如，如果一个要素被描述为“圆形”或“总体上圆形”，此描述仍涵盖不是严格圆形的构件(例如，稍椭圆或很多边的多边形的构件)。
另外，除非上下文另有说明，单数形式“一”、“一个/种”和“该/所述”旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“具有”等指定所述特征、步骤、操作、要素、构件等的存在，但不排除存在或增加一个或多个其它特征、步骤、操作、要素、构件或群组。
除非另有说明，术语“设备”、“医疗装置”、“器械”及其变型可以互换使用。
主要就使用由Intuitive Surgical,Inc.,Sunnyvale,California销售的da
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手术系统的实施来描述本发明的方面。这种手术系统的实例是da Vinci
Figure BDA0002715005210000102
手术系统(型号IS4000)和da Vinci
Figure BDA0002715005210000103
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实施和实现，包括计算机辅助式、非计算机辅助式以及手动和计算机辅助实施方式和实现方式的混合组合。在da
Figure BDA0002715005210000104
手术系统(例如，型号IS4000、型号IS3000、型号IS2000、型号IS1200)上的实施仅作为实例呈现，并且其不应被视为限制本文公开的本发明方面的范围。在适用时，本发明的方面可以在相对较小的、手持的、手动操作的装置以及具有另外的机械支撑的相对较大的系统中实施和实现。
图1是计算机辅助远程操作系统的平面图示例。显示了医疗装置，其是微创机器人手术(MIRS)系统1000(在本文中也称为微创远程操作手术系统)，用于对平躺在操作台1010上的患者P进行微创诊断或手术程序。该系统可以具有任何数量的构件，如在程序期间供外科医生或其它技术临床医生S使用的用户控制单元1100。MIRS系统1000可以进一步包括操纵器单元1200(通常称为手术机器人)和任选的辅助设备单元1150。操纵器单元1200可以包括臂组件1300和被可移除地联接至臂组件的工具组件。在外科医生S观察手术位点并通过控制单元1100控制工具1400的移动的同时，操纵器单元1200可以通过在患者P的身体中的微创切口或天然孔口来操纵至少一个可移除地联接的工具组件1400(在本文中也称为“工具”)。手术位点的图像通过内窥镜(未显示)如立体内窥镜获得，该内窥镜可以被操纵器单元1200操纵以使内窥镜定向。辅助设备单元1150可以用于处理手术位点的图像，以随后通过用户控制单元1100显示给外科医生S。一次使用的工具1400的数量将总体上取决于诊断或手术程序和手术室内的空间限制以及其它因素。如果有必要在程序期间更换正在使用的器械1400中的一个或多个，则助手将器械1400从操纵器单元1200移除，并用来自手术室中的托盘1020的另一器械1400将其替换。尽管显示为与器械1400联用，但是本文所述的任何器械都可以与MIRS 1000联用。
图2是控制单元1100的透视图。用户控制单元1100包括左眼显示器1112和右眼显示器1114，用于向外科医生S呈现能够进行深度感知的手术位点的坐标化立体视图。用户控制单元1100进一步包括一个或多个输入控制装置1116，其进而致使操纵器单元1200(图1所示)操纵一个或多个工具。输入控制装置1116提供至少与其关联的器械1400相同的自由度，从而为外科医生S提供远程呈现(telepresence)，或输入控制装置1116与器械1400一体(或直接连接)的感知。以这种方式，用户控制单元1100为外科医生S提供直接控制器械1400的强烈感觉。因此，可以采用位置、力和触觉反馈传感器(未显示)以通过输入控制装置1116将位置、力和触觉感觉从器械1400传回外科医生的手。
用户控制单元1100在图1中显示为与患者在同一房间，使得外科医生S可以直接监视程序，必要时亲自到场，并且直接与助手交谈，而不是通过电话或其它通信介质。然而，在其它实施方式中，用户控制单元1100和外科医生S可以与患者位于不同的房间、完全不同的建筑或其它远离患者的位置，实现远程手术程序。
图3是辅助设备单元1150的透视图。辅助设备单元1150可以与内窥镜(未显示)联接，并且可以包括一个或多个处理器以处理捕获的图像，用于后续显示，如经由用户控制单元1100或在本地和/或远程位置的另一合适的显示器上。例如，在使用立体内窥镜的情况下，辅助设备单元1150可以处理所捕获的图像，以经由左眼显示器1112和右眼显示器1114向外科医生S呈现手术位点的坐标化立体图像。这种坐标化可以包括相对图像之间的对齐，并且可以包括调整立体内窥镜的立体工作距离。作为另一实例，图像处理可以包括使用预先确定的摄像机校准参数来补偿图像捕获装置的成像误差，如光学像差。
图4显示了操纵器单元1200的主视透视图。操纵器单元1200包括构件(例如，壁、连接体、马达、传感器等)，以提供对器械1400和成像装置(未显示)如立体内窥镜的操纵，其用于捕获程序(手术，procedure)位点的图像。具体地，器械1400和成像装置可以通过具有多个接头的远程操作机构来操纵。此外，器械1400和成像装置通过患者P的切口或天然孔口以使得运动的动力学远程中心保持在切口或孔口处的方式被定位和操纵。以这种方式，切口尺寸可以被最小化。
图5、6A、6B和7是根据实施方式的器械2400的各个部分的图解示例。在一些实施方式中，器械2400或其中的任何构件任选地是手术系统的部件，该手术系统执行微创手术程序，并且可以包括操纵器单元、一系列运动学连接体、一系列插管等。器械2400(以及本文所述的任何器械)可以用于任何合适的手术系统(如以上显示和描述的MIRS系统1000)中。器械2400包括腕状组件2500、至少一个张力元件2420和工具元件2462。尽管仅显示了一个张力元件2420，但是可以包括一个或多个另外的张力元件或一个或多个另外的工具元件。如本文所述，器械2400被配置使得张力元件2420的移动产生腕状组件2500的移动(如图6A和7所示)、工具元件2462的移动(如图5所示例)、或腕状组件2500的移动且工具元件2462的移动。
腕状组件2500包括近侧第一连杆2510和远侧第二连杆2610。第一连杆2510具有近端部分2511和远端部分2512。近端部分2511联接至器械轴(未显示)。尽管在图5-7中未显示器械轴，但是近端部分2511可以联接至任何合适的器械轴，如本文显示和描述的器械轴4410(图9)。此外，第一连杆2510的近端部分2511可以经由任何合适的机制(如焊接、过盈配合(interference fit)、粘合剂等)联接至器械轴。如下所述，远端部分2512被可旋转地联接至第二连杆2610。以这种方式，第一连杆2510和第二连杆2610形成具有第一旋转轴线A1(其充当俯仰轴线；术语俯仰是任意的)的腕状组件2500，第二连杆可以围绕第一旋转轴线A1相对于第一连杆旋转通过腕状组件的一定角度范围。近侧第一连杆2510在第一连杆内并通过第一连杆限定从其近端部分2511至其远端部分2512延伸的第一引导路径2515。第一引导路径2515的至少部分与轴(未显示)的中心线CL1平行，但相对于轴的中心线偏移，如以下进一步讨论。由此，第一引导路径2515的中心线CL2距轴的中心线CL1偏移第一距离d1。在一些实施方式中，轴的中心线CL1与第一连杆2510的中心线同轴，并且与第一旋转轴线A1相交。因此，在这种实施方式中，第一引导路径2515的中心线CL2距轴的第一旋转轴线A1偏移第一距离d1。
第二连杆2610具有近端部分2611和远端部分2612。如上所述，近端部分2611被可旋转地联接至第一连杆2510的远端部分2512，以形成腕状接头。旋转轴线A1位于轴的中心线CL1(以及在一些实施方式中，第一连杆2510)上并且沿第二连杆2610的中心线CL3(参见图7)。在图5、6A和6B所示的第一取向上，轴中心线CL1(也是第一连杆2510的中心线)和第二连杆的中心线CL3共线。在图7所示的第二取向上，第一连杆2510的轴中心线CL1与第二连杆的中心线CL3形成一定角度(即，俯仰角)。在一些实施方式中，近端部分2611可以经由销式接头(如名为“Four-Cable Wrist with Solid Surface Cable Channels”的美国专利号US8,821,480B2(2008年7月16日提交)中显示和描述的在近侧U型夹(proximal clevis)220与远侧U型夹230之间的销式接头，该专利其整体通过引用并入本文)联接至远端部分2512。在其它实施方式中，近端部分2611可以经由配合盘表面(如名为“Mechanical Wrist Jointswith Enhanced Range of Motion,and Related Devices and Methods”的美国专利申请公开号US 2017/0120457A1(2015年2月20日提交)中显示和描述的类型，该申请其整体通过引用并入本文)联接至远端部分2512。
第二连杆2610的远端部分2612包括联接至工具元件2462的连接件2680，使得工具元件2462可以相对于腕状组件2500围绕第二旋转轴线A2旋转通过一定角度范围。如图5所示，第二旋转轴线A2(也称为偏航轴线或抓握轴线)不平行于第一旋转轴线A1。如本文所述，轴线A2既在工具元件2462与另一工具元件(未显示，但是第二工具元件可以任选地被包括在器械2400中)一起旋转时充当偏航轴线(术语偏航是任意的)，又在工具元件与另一工具元件相反旋转时(未显示)充当抓握轴线(grip axis)。因此，器械2400提供上至三个自由度(即，围绕第一旋转轴线A1的俯仰旋转、围绕第二旋转轴线A2的偏航旋转和围绕第二旋转轴线A2的抓握运动)。尽管第二旋转轴线A2被显示为垂直于第一旋转轴线A1，但在其它实施方式中，第二旋转轴线A2可以距第一旋转轴线A1偏移任何合适的角度。连接件可以是任意合适的连接件，以将工具元件2462可旋转地联接至第二连杆2610，以形成工具接头。例如，在一些实施方式中，连接件2680可以包括U型夹和销，如名为“Medical InstrumentElectronically Energized Using Drive Cables”的美国专利号9,204,923(2008年7月16提交)中显示和描述的销式接头，该专利其整体通过引用并入本文。在其它实施方式中，连接件2680可以包括顺应性机构(compliant mechanism)，如名为“Rolling-Contact JointMechanisms and Methods”的国际公开号WO 2016/123139A2(2016年1月26日提交)中显示和描述的顺应性机构，该申请其整体通过引用并入本文。
第二连杆2610在第二连杆内并通过第二连杆限定从其近端部分2611处的第一引导路径2515至其远端部分2612处的工具元件2462延伸的第二引导路径2615。第二连杆包括内引导表面2616，该内引导表面2616限定第二引导路径的部分，并且相对于第二连杆2610位于第二引导路径2615的内部。尽管内引导表面2616被显示为沿第二引导路径2615位于第二连杆2610的近端部分2611处，但在其它实施方式中，内引导表面2616可以处于第二引导路径2615的任何合适的位置处或限定第二引导路径2615的任何合适的部分。内引导表面2616相对于第一旋转轴线A1是曲线状的，使得内引导表面具有相对于第一旋转轴线A1的曲率半径R弯曲，该曲率半径R弯曲沿图6A和7所示的方向CC围绕第一旋转轴线A1贯穿腕状组件2500的旋转角度范围延伸。尽管曲率半径R弯曲被显示为以第一旋转轴线A1为中心，但在其它实施方式中，内引导表面2616的曲率半径可以以任何合适的位置为中心。如以下进一步讨论，内引导表面2616和曲率半径R弯曲被配置以保持位于第一引导路径2515内的张力元件2420的部分处于其中心，以减小在第二连杆2615相对于第一连杆2515移动、工具元件2462相对于第二连杆2615移动或工具元件2462和第二连杆2610的均移动的过程中张力元件2420的摩擦接触。
第二连杆进一步包括外引导表面2619，该外引导表面2619限定第二引导路径2615的部分，并且相对于第二连杆2610位于第二引导路径2615的外部上。尽管外引导表面2619被显示为位于第二引导路径2615内远端部分2612附近处，但在其它实施方式中，外引导表面2619可以处于第二引导路径2615的任何合适的位置处或限定第二引导路径2615的任何合适的部分。如以下进一步讨论，外引导表面2619使张力元件2420偏置成与内引导表面2616接触。另外，远侧外引导表面被配置以使张力元件2420与工具元件2462对齐以附接至其。
张力元件2420具有近端部分2421、联接至工具元件2462的远端部分2422、远侧中心部分2423和近侧中心部分2425。近端部分2421位于第一连杆2510的第一引导路径2515的部分内。远侧中心部分2423处于远端部分与近侧中心部分2425之间，并且位于第二连杆2610的第二引导路径2615内。近侧中心部分2425处于远侧中心部分2423与近端部分2421之间。当第二连杆2610处于图5、6A和6B所示的第一取向时，至少第二连杆2610的内引导表面2616接触张力元件2420的远侧中心部分2423。类似地说明，张力元件2420的远侧中心部分2423与内引导表面2616贯穿第二连杆2610相对于第一连杆2510的运动角度范围的一部分接触。内引导表面2616引导张力元件2420的路径，以在处于图6A所示的第一取向时，以及在第二连杆2610相对于第一连杆2510沿所示方向CC旋转时，在第二曲线状引导路径2615内过渡。具体地，内引导表面2616被设定尺寸和定位，使得张力元件的近端部分2421、近侧中心部分2425或近端部分2421和近侧中心部分2425与第一引导路径2515的中心线CL2对齐。类似地说明，这种布置使得张力元件的近端部分2421、近侧中心部分2425或近端部分2421和近侧中心部分2425平行于中心线CL2。此外，内引导表面2616的曲率半径R弯曲被定位和设定尺寸，使得在第二连杆2610相对于第一连杆2510沿方向CC运动的范围内，张力元件的近端部分2421、近侧中心部分2425或近端部分2421和近侧中心部分2425保持平行于中心线CL2。由此，张力元件2420可以在第一引导路径2515内沿箭头AB所示的方向移动，而不接触第一引导路径内的表面。以这种方式，在沿方向CC运动的角度范围内，张力元件2420的移动导致的摩擦接触减少。
在一些实施方式中，内引导表面2616具有围绕第一旋转轴线A1的曲率半径R弯曲，其小于或等于距离d1，使得张力元件的近端部分2421、近侧中心部分2425或近端部分2421和近侧中心部分2425在第二连杆2610的运动范围内保持平行于中心线CL2。尽管显示为单个曲率半径R弯曲，但在其它实施方式中，内引导表面2616可以是特征在于多个不同曲率半径的曲线状表面。
如以下连同本文中的其它实施方式所述，在一些实施方式中，第二张力元件(未显示)可以类似地相对于第一连杆2510的纵向中心线CL1和第一轴线A1沿相反方向偏移以赋予沿方向CC的旋转。
张力元件2420的近端部分2421从腕状组件2500向近侧延伸，通过器械轴(未显示)，并在器械的近端处联接至致动器(未显示)。致动器(其充当传动器)可以通过任何合适的机制使线缆的近端部分2421移动，以在线缆的远端部分2422处产生所导致的移动(或力)(如图5和6A中的箭头AB所示)。在一些实施方式中，器械2400的致动器是马达驱动的，并因此适于机器人或远程操作的手术系统。张力元件2420的近侧中心部分2425和远侧中心部分2423被设置在第二引导路径2615内，并且线缆的远端部分2422联接至工具元件2462。以这种方式，如本文所述，张力元件2420的移动可以产生工具元件2462的旋转、第二连杆2610的旋转、或工具元件2462和第二连杆2610的旋转。线缆2420的远端部分2422可以通过任何合适的机制联接至工具元件2462。例如，在一些实施方式中，远端部分2422可以通过与工具元件2462的连接部分啮合(或被接收在其中)的销或突出部(protrusion)联接至工具元件2462。在其它实施方式中，远端部分2422可以经由粘合剂联接至工具元件2462。在又一实施方式中，张力元件的远端部分2422可以围绕工具元件2462的滑轮部分缠绕。
参考图5，工具元件2462联接至腕状组件2500，并且相对于腕状组件围绕第二旋转轴线A2旋转。具体地，第一和第二引导路径2515、2615距第二旋转轴线A2偏移距离d2。以这种方式，沿近侧方向(箭头AB指示为方向B)向张力元件2420施加张力在工具元件2462上围绕第二旋转轴线A2产生扭矩，这导致工具元件2462相对于第二连杆2610旋转，如图5中的箭头DD所示。以这种方式，工具元件2462的远侧部分(例如，啮合部分)可以在手术程序期间啮合或操纵目标组织。工具元件2462(或本文所述的任何工具元件)可以是任何合适的医疗工具元件。例如，在一些实施方式中，工具元件2462(或本文所述的任何工具元件)可以包括充当抓握器(gripper)、切割器、组织操纵器等的啮合表面。在其它实施方式中，工具元件2462(或本文描述的任何工具元件)可以是用于灼烧程序的通电工具元件。尽管仅显示了一个工具元件2462，但在其它实施方式中，器械2400包括合作执行抓握或剪切功能的两个移动工具元件。以这种方式，工具元件2462可以形成用于手术器械2400的末端执行器的部分。
如图7所示，第二连杆2610限定与第一旋转轴线A1相交的纵向中心线CL3。当腕状组件2500处于第一取向(图5、6A和6B)时，第一连杆2510的纵向中心线CL1和第二连杆2610的纵向中心线CL3共线(并且在图5中统称为CL1)。当第二连杆2610相对于第一连杆2510旋转(即，俯仰旋转)时，第一连杆2510的纵向中心线CL1和第二连杆的纵向中心线CL3形成俯仰角度。贯穿方向CC的运动角度范围，包括在图7所示的高俯仰角度处，张力元件2420保持与第一引导路径2515的中心线CL2对齐，而不与第一引导路径内第一连杆2510的表面摩擦接触。
再次参考图7，当器械处于高俯仰取向时，张力元件2420与腕状组件2500的构件之间的摩擦接触量减小允许线缆2420沿方向AA移动，从而在处于高俯仰取向时以有效的方式使工具元件2462移动，并且张力元件2420将被束缚的可能性减小。这允许工具元件2462贯穿俯仰取向范围(例如，在0度(图6A)和90度(图7)之间的俯仰角、0度和45度之间的俯仰角、0度和60度之间的俯仰角)移动。
在一些实施方式中，张力元件2420(和本文所述的任何张力元件)可以形成为由钨或不锈钢制成的线缆，以提供足够的强度、弯曲性和耐久性。在一些实施方式中，线缆可以由多根细丝编织物构成，以提供强度和弹性。在一些实施方式中，线缆可以由0.018mm至0.025mm(0.0007英寸至0.001英寸)直径钨丝的150至350根编织物制成，提供具有0.356mm至0457mm(0.014英寸至0.018英寸)的外径的线缆。
在一些实施方式中，器械2400可以包括任何合适的张力元件。例如，在一些实施方式中，器械2400(和本文所述的任何器械)可以包括具有任何合适横截面形状的张力元件。例如，在一些实施方式中，器械2400(和本文所述的任何器械)可以包括名为“MedicalTools Having Tension Bands”的美国专利申请号62/598,620(2017年12月14日)中显示和描述的类型的张力带，该申请其整体通过引用并入本文。在一些实施方式中，这种带(和本文所述的任何张力元件)可以具有梯形形状。在其它实施方式中，这种带(和本文所述的任何张力元件)可以包括稍微曲线状的表面。此外，这种带(和本文所述的任何张力元件)可以由任何合适的材料构成。例如，在一些实施方式中，这种带(和本文所述的任何张力元件)可以由一系列粘合在一起(例如，经由粘合剂)的层压体构成。层压体可以由任何合适的材料(包括钨、钢或任何合适的聚合物)构成。
尽管第一连杆2510和第二连杆2610被显示为具有矩形横截面形状，但是在其它实施方式中，第一连杆2510、第二连杆2610或第一连杆2510和第二连杆2610可以具有任何合适的横截面形状。例如，在一些实施方式中，第一连杆2510、第二连杆2610或第一连杆2510和第二连杆2610可以具有基本上圆形的横截面形状(即，腕状组件2500可以是基本上圆柱形的)。
尽管第二连杆2610被显示和描述为具有内表面2616(即，位于第二引导路径2615的内部上的表面)，但在其它实施方式中，第二连杆2610可以在第二引导路径2615内(或限定其任何部分)的任何合适位置中具有曲线状表面。例如，在一些实施方式中，第二连杆2610可以包括位于第二引导路径的外部上的曲线状表面(即，外引导表面)，该曲线状表面接触张力元件2420的部分，使得张力元件的近端部分2421、近侧中心部分2425或近端部分2421和近侧中心部分2425保持平行于中心线CL2。
在一些实施方式中，内表面2616(或第二引导路径2615或第一引导路径2515内的表面中的任一个)可以被涂覆、处理或以其它方式产生以具有低摩擦表面。例如，在一些实施方式中，内表面2616(或在第二引导路径2615或第一引导路径2515内的表面中的任一个)的特征可以在于小于0.1的摩擦系数。在一些实施方式中，内表面2616(或第二引导路径2615或第一引导路径2515内的表面中的任一个)可以涂覆有摩擦降低组合物，如氮化物涂层。
在一些实施方式中，第一连杆2510、第二连杆2610或本文所述的任何连杆可以在第一引导路径2515、第二引导路径2615或本文所述的任何引导路径内包括辊、轴承或其它摩擦降低机构。例如，在一些实施方式中，内表面2616可以是联接至第二连杆2610的滑轮的外表面。在其它实施方式中，第一连杆2515、第二连杆2615或本文所述的任何连杆可以包括名为“Low-Friction Medical Tools Having Roller-Assisted Tension Members”的美国临时专利申请案卷号ISRG10440PROV/US(在与本申请同日提交)中显示和描述的类型的辊，该申请其整体通过引用并入本文。
尽管器械2400被显示和描述为包括单个工具元件2462和单个张力元件(即，线缆2420)，但在其它实施方式中，器械可以包括任何合适数量的张力元件或工具元件。例如，在一些实施方式中，器械可以包括四个张力元件(或张力元件的部分)。图8A是根据实施方式的器械3400的部分的图解示例。器械3400包括腕状组件3500、第一张力元件3420、第二张力元件3440和末端执行器3460。器械3400被配置使得第一张力元件3420和第二张力元件3440的各种部分的移动可以产生腕状组件3500围绕俯仰轴线A1的移动、末端执行器3460围绕偏航轴线A2的移动、末端执行器3460的抓握运动或这些运动的任何组合。
腕状组件3500(其充当接头组件)包括第一连杆3510和第二连杆3610。第一连杆3510联接至本文中显示和描述的类型的器械轴(未显示)。第二连杆3610具有近端部分和远端部分。近端部分被可旋转地联接至第一连杆3510，以形成具有第一旋转轴线A1(其充当俯仰轴线，术语俯仰是任意的)的腕状组件3500，第二连杆3610可以围绕第一旋转轴线A1相对于第一连杆3510旋转。腕状组件3500可以包括任何合适的联接机构。例如，在一些实施方式中，第二连杆3610可以经由本文显示和描述的类型的销式接头联接至第一连杆3510。在其它实施方式中，第二连杆3610可以经由本文显示和描述的类型的配合盘表面联接至第一连杆3510。
第二连杆3610的远端部分联接至末端执行器3460。更具体地，第二连杆3610的远端部分联接至第一工具元件3462的滑轮部分3467和第二工具元件3482的滑轮部分3487。这种布置允许工具元件3462和工具元件3482中的每一个相对于腕状组件3500围绕第二旋转轴线A2旋转。第二旋转轴线A2不平行于第一旋转轴线A1，并且当工具元件一起旋转时充当偏航轴线(术语偏航是任意的)，而且当工具元件彼此相反旋转时又用作抓握轴线。因此，器械3400提供上至三个自由度(即，围绕第一旋转轴线A1的俯仰运动、围绕第二旋转轴线A2的偏航旋转、和围绕第二旋转轴线A2的抓握运动)。尽管末端执行器3460被显示为经由销连接件联接至第二连杆3610，但在其它实施方式中，末端执行器3460可以通过任何合适的机制连接至腕状组件3500。
末端执行器包括第一工具元件3462和第二工具元件3482。第一工具元件3462包括接触部分3464和滑轮部分3467，并且第二工具元件3482包括接触部分3484和滑轮部分3487。接触部分3464和接触部分3484各自被配置以在手术程序期间啮合或操纵目标组织。例如，在一些实施方式中，接触部分可以包括充当抓握器、切割器、组织操纵器等的啮合表面。在其它实施方式中，接触部分可以是用于灼烧程序的通电工具元件。如上所述，滑轮部分3467和滑轮部分3487各自被可旋转地联接至第二连杆3610，使得工具元件3462可以经由第二旋转轴线A2相对于腕状组件3500旋转。滑轮部分可以包括接触表面，相应的张力元件(即，第一张力元件3420和第二张力元件3440)围绕该接触表面缠绕。第一工具元件3462和第二工具元件3482(或本文所述的任何工具元件)可以是本文显示和描述的类型的任何合适的工具元件。
第一张力元件3420(其可以是带或线缆)具有第一近端部分3421、第二近端部分3431和远端部分3422。如图所示，远端部分3422围绕第一工具元件3462的滑轮部分3467缠绕。以这种方式，第一近端部分3421和第二近端部分3431各自延伸通过第一连杆3510并进入器械轴(未显示)中。另外，第一近端部分3421和第二近端部分3431各自联接至致动器(未显示)，该致动器可以使各近端部分移动(如标为俯仰、偏航和抓握的一系列箭头所示)。在腕状组件3500处于图8A所示的第一取向时，第一远侧引导柱3617附接至第二连杆3610，与第一张力元件3420的第一中间部分3423相邻，该第一中间部分3423在第一张力元件的第一近端部分3421与远端部分3422之间延伸。当腕状组件3500处于第一取向时，第一远侧引导柱3617的外表面接触第一张力元件3420的第一中间部分3423。在腕状组件3500处于图8A所示的第一取向时，第一近侧引导柱3522附接至第一连杆3510，与第一张力元件3420的第二中间部分3433相邻，该第二中间部分3433在第一张力元件的第二近端部分3431与远端部分3422之间延伸。当腕状组件3500处于第一取向时，第一近侧引导柱3522的外表面接触第一张力元件3420的第二中间部分3433。
第二张力元件3440(其可以是带或线缆)具有第三近端部分3441、第四近端部分3451和远端部分3442。如示，远端部分3442围绕第二工具元件3482的滑轮部分3487缠绕。以这种方式，第三近端部分3441和第四近端部分3451各自延伸通过第一连杆3510并进入器械轴(未显示)中。另外，第三近端部分3441和第四近端部分3451各自联接至致动器(未显示)，该致动器可以使各近端部分移动(如标为俯仰、偏航和抓握的一系列箭头所示)。在腕状组件3500处于图8A所示的第一取向时，第二近侧引导柱3532附接至第一连杆3510，与第二张力元件3440的第四中间部分3443相邻，该第四中间部分3443在第二张力元件的第四近端部分3451与远端部分3442之间延伸。当腕状组件3500处于第一取向时，第二近侧引导柱3532的外表面接触第二张力元件3440的第四中间部分3443。在腕状组件3500处于图8A所示的第一取向时，第二远侧引导柱3627附接至第二连杆3610，与第二张力元件3440的第三中间部分3453相邻，该第三中间部分3453在第二张力元件的第三近端部分3441与远端部分3442之间延伸。当腕状组件3500处于第一取向时，第二远侧引导柱3627的外表面接触第二张力元件3440的第三中间部分3453。
在一些实施方式中，第一张力元件3420或第二张力元件3440(或两者)可以整体构成，使得第一近端部分、第二近端部分和远端部分全部都在单个元件内。然而，在其它实施方式中，第一张力元件3420或第二张力元件3440(或两者)可以包括多个分开构造的构件(例如，第一近端部分3421可以与第二近端部分3431分开构造)。此外，第一张力元件3420或第二张力元件3440(或两者)可以具有如本文所述的任何合适的形状。在一些实施方式中，第一张力元件3420或第二张力元件3440(或两者)可以具有变化的横截面积。在一些实施方式中，第一张力元件3420或第二张力元件3440(或两者)可以由一系列粘合在一起(例如，经由粘合剂)的层压体构成。该层压体可以由任何合适的材料(包括钨、刚或任何合适的聚合物)构成。在一些实施方式中，第一张力元件3420和第二张力元件3440可以被构造成钢缆。
改变器械3400的俯仰、偏航或抓握总体上需要分别施加至四个近端部分(第一近端部分3421、第二近端部分3431、第三近端部分3441和第四近端部分3451)中的每一个的移动或动作。张力元件部分的移动可以总体上一次一个进行或以任何期望的组合同时进行，以改变器械3400的俯仰、偏航和抓握。例如，俯仰轴线旋转使第二连杆3610围绕第一旋转轴线A1(俯仰轴线)旋转，如箭头MM所示。关于围绕俯仰轴线A1的顺时针旋转，致动器(未显示)拉近(即，向近侧移动)相同长度的第一近端部分3421和第二近端部分3431，同时释放(即，允许向远侧移动)相同长度的第三近端部分3441和第四近端部分3451。这由标为俯仰的箭头示例。
第一近端部分3421和第二近端部分3431在由通过腕状组件3500的曲线状引导路径限定的力矩臂处向第二连杆3610施力。类似地说明，第一连杆3510和第二连杆3610可以限定一个或多个曲线状引导路径，该曲线状引导路径相对于俯仰轴线A1偏移，以产生围绕俯仰轴线A1的扭矩。曲线状引导路径可以是本文所述的任何曲线状引导路径(例如，结合腕状组件2500或腕状组件4500显示和描述的曲线状引导路径)。类似地，关于第二连杆3610围绕俯仰轴线A1的逆时针旋转，致动器拉近(即，向近侧移动)相同长度的第三近端部分3441和第四近端部分3451，同时释放(即，允许向远侧移动)相同长度的第一近端部分3421和第二近端部分3431。
偏航旋转是第一工具元件3462和第二工具元件3482围绕第二旋转轴线A2(偏航轴线)沿相同方向并通过相同角度的旋转。具体地，当致动器拉近(即，向近侧移动)一定长度的第一近端部分3421并释放(即，允许向远侧移动)相等长度的第二近端部分3431时，第一工具元件3462将围绕偏航轴线A2沿顺时针旋转(参见箭头NN)。关于此旋转，曲线状引导路径或滑轮部分3467的滑轮表面限定经由第一张力元件3420传递的力被施加的力矩臂。所产生的扭矩使第一工具元件3462顺时针旋转。在此移动过程中，第一近端部分3421和第二近端部分3431各自在第二连杆3610的曲线状引导路径内滑动。如果致动器同时拉近一定长度的第四近端部分3451并释放相同长度的第三近端部分3441，则第二工具元件3482将顺时针旋转通过一定角度，该角度与第一工具元件3462旋转通过的角度相同。因此，第一工具元件3462和第二工具元件3482保持其彼此相对位置，并且作为一个单元旋转通过一定的偏航角度。当致动器拉近相等长度的第二近端部分3431和第三近端部分3441同时释放相同长度的第一近端部分3421和第四近端部分3451时，类似地实现末端执行器3460的逆时针旋转。这由标为偏航的箭头示例。
抓握旋转是第一工具元件3462和第二工具元件3482围绕偏航轴线A2沿相反方向并通过相同角度的旋转。为打开末端执行器3460的抓握，致动器拉近相等长度的第一近端部分3421和第三近端部分3441，同时释放相同长度的第二近端部分3431和第四近端部分3451。这致使第一工具元件3562沿与第二工具元件3482相反的方向旋转。为闭合末端执行器的抓握，致动器拉动相等长度的第二近端部分3431和第四近端部分3451，同时释放相同长度的第一近端部分3421和第三近端部分3441。这致使第一工具元件3562朝向第二工具元件3482旋转。当工具元件的接触部分接触时，第二近端部分3431和第四近端部分3451中的张力可以保持大于第一近端部分3421和第三近端部分3441中的张力，以保持期望的抓握力。
近侧引导柱(第一近侧引导柱3522和第二近侧引导柱3532)各自在第一张力元件3420与第二张力元件3440之间的俯仰轴线A1的相对侧上联接至第一连杆3510。第一近侧引导柱3522的外表面在处于图8A所示的取向时接触第一张力元件的第二中间部分3433。同样，第二近侧引导柱3532的外表面在处于图8A所示的取向时接触第二张力元件的第四中间部分3443。这样，当张力元件移动时，近侧引导柱3522、3532的外表面引导第一张力元件3420和第二张力元件3440的位置和取向。这样，无论腕状组件3500的俯仰、偏航和抓握移动，近侧引导柱3522、3532保持第一和第二张力元件3420、3440的内部中间部分(第二中间部分3433和第四中间部分3443)与器械轴平行对齐。保持此平行对齐防止了在腕状组件的移动期间第一和第二张力元件3420、3440与其它物体之间干扰接触发生，这可导致张力元件束缚或缠结。另外，保持这种平行对齐通过避免第一和第二张力元件3420、3440与腕状组件3500的其它部分及其构件之间发生刮擦(rubbing)或其它摩擦接触而减少了腕状组件3500在操作期间的摩擦。
进一步，近侧引导柱3522、3532有利地减少沿张力元件3420、344在高拉伸应力位置处的摩擦。具体地，近侧引导柱3522、3532中的每一个位于第一连杆3510上俯仰枢轴A1的相对侧，第二连杆3610围绕俯仰枢轴A1旋转以进行俯仰移动。当进行高俯仰移动时，高拉伸应力被施加至位于俯仰旋转方向的相对侧上的张力元件3420、3440。近侧引导柱3522、3532可以减少在俯仰枢轴A1附近的高拉伸应力位置处的摩擦，这可以减少张力元件3420、3440上的磨损，并增强腕状组件3500的操作。
远侧引导柱(第一远侧引导柱3617和第二远侧引导柱3627)各自在第二连杆3610的相对外部上联接至第二连杆3610。第一远侧引导柱3617的外表面在处于图8A所示的取向时接触第一张力元件的第一中间部分3423。同样，第二远侧引导柱3627的外表面在处于图8A所示的取向时接触第二张力元件的第三中间部分3453。这样，远侧引导柱3617、3627中的每一个的外表面引导第一张力元件3420和第二张力元件3440的位置和取向。远侧引导柱3617、3627联接至第二连杆3610，第二连杆3610在腕状组件3500的俯仰移动期间旋转。这样，远侧引导柱3617、3627在俯仰旋转移动期间引导第一和第二张力元件3420、3440的外部中间部分(第三中间部分3453和第一中间部分3423)，以保持第一和第二张力元件3420、3440适当定位，从而避免其在腕状组件的移动期间卡在物体上以及束缚或缠结。进一步，远侧引导柱3617、3627有利地贯穿运动范围引导第一和第二张力元件3420、3440的路径，从而以低摩擦进行俯仰移动。
引导柱3522、3532、3617和3627可以是本文显示和描述的类型的任何合适的引导柱。例如，在一些实施方式中，引导柱3522、3532、3617和3627中的任一个的半径可以小于腕状组件3500内限定的任何引导路径的曲率半径。此外，尽管引导柱3522、3532、3617和3627被显示和描述为与其对应的第一张力元件3420和第二张力元件3440的部分接触，但是当腕状组件处于第二构型时，引导柱3522、3532、3617和3627中的任一个可以与其对应的第一张力元件3420和第二张力元件3440的部分间隔开。
腕状组件3500(和本文所述的任何腕状组件)可以包括任何合适的结构，以限定其中张力元件移动的任何适当引导路径，包括利用多个引导柱保持张力元件的近端部分贯穿腕状组件的各种移动与其在轴中的连接处平行对齐。例如，参考图8B，在一些实施方式中，第一连杆3510’包括成对的内引导柱和外引导柱，其共同保持各张力元件的近端部分与轴平行对齐，这可避免在移动期间张力元件与腕状组件的部分摩擦接触。
第一对引导柱包括沿第一张力元件3420’的第一中间部分3423’位于第一近端部分3421’与第二近端部分3431’之间的第一内引导柱3516’和第一外引导柱3517’。第一内引导柱3516’位于第一中间部分3423’的内侧上，并且第一外引导柱3517’位于第一中间部分3423’的外侧上。以类似方式，第二对引导柱包括位于第一张力元件3420’的第二中间部分3433’的内侧上的第二内引导柱3521’，和位于第二中间部分3433’的外侧上的第二外引导柱3522’。进一步，第三对引导柱包括位于第二张力元件3440’的第三中间部分3443’的内侧上的第三内引导柱3526’，和位于第三中间部分3443’的外侧上的第三外引导柱3527’。同样，第四对引导柱包括位于第二张力元件3420’的第四中间部分3453’的内侧上的第四内引导柱3531’，和位于第四中间部分3453’的外侧上的第四外引导柱3532’。
各对中的引导柱沿张力元件的相应中间部分共同定位，使得各对形成沿相应中间部分(3423’、3433’、3443’、3453’)的和在相应中间部分(3423’、3433’、3443’、3453’)的各侧上的门柱型引导(goal-post type guide)，其保持相应的第一张力元件部分(3421’、3431’、3441’和3451’)与相应的致动器(未显示)平行对齐。当腕状组件3500’处于图8B所示的第一取向和其它取向时，以及在腕状组件3500’的移动期间，引导柱对保持这种平行对齐。各对中的内引导柱(3516’、3521’、3526’和3531’)中的每一个可以与相应的外引导柱(3517’、3522’、3527’和3532’)间隔开，使得设置在其间的相应中间部分(3523’、3233’、3443’和3553’)在处于图8B所示的第一取向时不接触引导柱，并且因此可以沿张力元件3220’和3420’的纵向方向自由移动，而不与引导柱摩擦接触。这样，张力元件3420’和3440’可以在处于第一取向时以减小的摩擦与其纵向轴线同轴(in-line)纵向移动。进一步，当第二连杆3610’相对于第一连杆3510’围绕第一轴线A1’旋转时，引导柱对可以保持设置在引导柱对与相应致动器(未显示)之间的第一和第二张力元件3420’和3440’的部分与相应致动器平行对齐，这可以避免与腕状组件3500的部分摩擦接触，并减小张力元件束缚的可能性。
图9-17是根据实施方式的器械4400的各种视图。在一些实施方式中，器械4400或其中的任何构件任选地是手术组件的部件，该手术组件执行微创手术程序，并且可以包括操纵器单元、一系列运动学连接体、一系列插管等。器械4400(和本文所述的任何器械)可以在任何合适的手术系统(如以上显示和描述的MIRS系统1000)中使用。器械4400包括传动组件4700(其可以充当致动器机构)、器械轴4410、腕状组件4500和末端执行器4460。
参考图10，器械4400还包括将将传动机构4700联接至腕状组件4500的第一张力元件4420和第二张力元件4440。器械4400被配置使得张力元件的移动可以产生腕状组件4500围绕第一旋转轴线A1的旋转(即，俯仰旋转)、末端执行器4460围绕第二旋转轴线A2的偏航旋转、末端执行器4460的工具元件围绕偏航轴线的抓握旋转、或这些移动的任何组合。改变器械4400的俯仰、偏航或抓握可以通过以与上文关于器械3500所述方式类似的方式操纵所述四个张力元件来进行。因此，下文不描述所述四个张力元件中的每一个为实现期望移动的具体移动。尽管被显示和描述为包括围绕末端执行器4480缠绕的两个张力元件(导致四个近端张力元件部分(即，四张力元件的布置))，但在其它实施方式中，器械4400可以包括单独地改变器械4400的俯仰的另外的张力元件。
传动机构4700产生第一张力元件4420和第二张力元件中的每一个的移动，以在腕状组件4500处产生期望的移动(俯仰、偏航或抓握)。具体地，传动机构4700包括构件和控制件，以使一些张力元件沿近侧方向移动(即，拉近某些张力元件)，同时允许其它张力元件向远侧移动(即，释放或“付出(paying out)”)相等长度。以这种方式，传动机构4700可以保持张力元件内的期望张力，并且可以确保在腕状组件4500的整个移动范围内保持张力元件的长度(即，等量移动)。在一些实施方式中，例如，传动组件4700可以是名为“Cable LengthConserving Medical Instrument”的国际专利申请号PCT/US2017/062258(2017年11月14日提交)中显示和描述的任何传动组件，该申请其整体通过引用并入本文。然而，在其它实施方式中，不需要保持张力元件的长度。
在一些实施方式中，传动机构4700可以包括一个或多个线性致动器，其产生张力元件的部分的平移(线性运动)。这种传动机构可以包括例如，万向装置(gimbal)、杠杆或任何其它合适的机构，以直接拉动(或释放)任何张力元件的末端部分。例如，在一些实施方式中，传动机构4700可以包括名为“Lever Actuated Gimbal Plate”的美国专利申请公开号US 2015/0047454A1(2014年8月15日提交)或名为“Surgical Tool Having PositivelyPositionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint”的美国专利号US6,817,974B2(2001年6月28日提交)中描述的传动组件或构件中的任一种，其整体通过引用并入本文。然而，在其它实施方式中，传动机构4700可以包括绞盘(capstan)或其它马达驱动的辊，其旋转或“缠绕”任何张力元件的部分，以产生期望的张力元件移动。例如，在一些实施方式中，后端机构4700可以包括名为“Medical Instrument Electronically Energized UsingDrive Cables”的美国专利号9,204,923B2(2008年7月16日提交)中描述的后端组件或构件中的任一种，该专利其整体通过引用并入本文。
器械轴4410可以是将腕状组件4500联接至传动机构4700的任何合适的细长轴。具体地，器械轴4410包括联接至后端机构4700的壳体的近端部分4411和联接至腕状组件4500的远端部分4412。器械轴4410限定一个通道或一系列通道，张力元件和其它构件(例如，电线、地线等)可以通过该通道从传动机构4700布设至腕状组件4500。尽管被显示为圆柱形，但在其它实施方式中，器械轴4410可以具有任何合适的形状。
参考图10-13，腕状组件4500包括近侧第一连杆4510和远侧第二连杆4610。第一连杆4510具有近端部分4511和远端部分4512。近端部分4511联接至器械轴4410的远端部分4412。近端部分4511可以经由任何合适的机制连接至器械轴4410。例如，在一些实施方式中，近端部分4511可以配合地设置在器械轴的部分内(例如，经由过盈配合)。如示，近端部分4511可以包括将近端部分4511联接至器械轴的一个或多个突出部、凹口(recesses)、开口或连接件。近端部分4511可以经由粘合剂粘合(adhesive bond)、焊接或任何其它永久性联接机制(即，不意图在正常使用期间移除的联接机制)固定地联接至器械轴4410。
远端部分4512包括被可旋转地联接至第二连杆4610的配合接头部分4640的接头部分4540。以这种方式，第一连杆4510和第二连杆4610形成具有第一旋转轴线A1(也称为俯仰轴线)的腕状组件4500，第二连杆4610可以相对于第一连杆4510围绕第一旋转轴线A1旋转。销4541延伸通过远端接头部分4540和第二连杆接头部分4640，以将第二连杆4610可旋转地联接至第一连杆4510。如图10所示，第一连杆4510和第二连杆4610限定纵向中心线CL，该纵向中心线CL在器械处于初始(构型)(或“笔直”构型)时与俯仰轴线A1相交。
参考图11，第一连杆4510中限定了第一引导通道4515、第二引导通道4520、第三引导通道4525和第四引导通道4535。第一张力元件4420的第一近端部分4421被可移动地设置在第一引导通道4515内。第二张力元件4440的第一近端部分4431被可移动地设置在第二引导通道4520内。第一张力元件4440的第二近端部分4441被可移动地设置在第三引导通道4525内。第二张力元件4440的第二近端部分4451被可移动地设置在第四引导通道4530内。以这种方式，联接至第一工具元件4462的第一张力元件4420的部分处于分开的引导通道内。然而，在一些实施方式中，第一引导通道4515可以与第三引导通道4525组合以形成单个通道，第一张力元件4420的第一近端部分4421和第二近端部分4441被设置在该单个通道内。以这种方式，联接至第二工具元件4482的第二张力元件4440的部分处于分开的引导通道内。然而，在一些实施方式中，第二引导通道4520可以与第四引导通道4535组合以形成单个通道，第二张力元件4440的第一近端部分4431和第二近端部分4451被设置在该单个通道内。
第一连杆4510还限定另外的孔或引导通道4550。所述另外的引导通道4550可以含有腕状组件的各种构件(或允许其通过)，如例如电线。在一些实施方式中，引导通道4550可以含有另外的张力元件(未显示)，其联接至第二连杆4610并且在张力元件移动时致使第二连杆4610相对于第一连杆4510旋转(即，俯仰旋转)。以这种方式，腕状组件4500可以是六张力元件的构型(两个张力元件或张力元件部分控制俯仰旋转，以及四个张力元件或张力元件部分控制偏航和抓握旋转)。
远侧第二连杆4610具有近端部分4611和远端部分4612。如上所述，近端部分4611包括接头部分4640，其被可旋转地联接至第一连杆4510的接头部分4540。第二连杆4610的远端部分4612包括连接件4680，其被联接至末端执行器4460。以这种方式，第一工具元件4462和第二工具元件4482可以相对于第二连杆4610围绕第二旋转轴线(也称为偏航轴线)A2旋转。连接件4680是销型连接件并且包括销4683，该销4683被销开口4682支撑(并被置于其中)。在一些实施方式中，连接件4680可以包括名为“Medical InstrumentElectronically Energized Using Drive Cables”的美国专利号9,204,923B2(2008年7月16日提交)中显示和描述的销式接头的结构和特征中的任一种，该专利其整体通过引用并入本文。如图10所示，第二旋转轴线A2(也称为偏航轴线)不平行于俯仰轴线A1。因此，器械4400提供上至三个自由度(即，围绕第一旋转轴线A1的俯仰运动、围绕第二旋转轴线A2的偏航旋转和围绕第二旋转轴线A2的抓握运动)。
参考图11、14A、14B、15A-C，第二连杆4610限定第一套筒结构4660和第二套筒结构4665。第一套筒结构4660和第二套筒结构4665各自形成为设置在第二连杆4610的相对侧部分上的凸起结构(raised structures)，该凸起结构各自从第二连杆4610的纵向中心线CL横向向外延伸(参见图15A)。第一和第二套筒结构4660、4665中的每一个包括平滑的轮廓化外侧表面4661、4662，其基本上围绕相应第一和第二套筒结构4660、4665的外周延伸(参见图14A)。第一和第二套筒结构4660、4665被设置在第二连杆4610的相对侧部分上，使得轮廓化外侧表面4661、4662各自围绕与第一连杆的接头部分4540连接的接头部分4640的相对端延伸，并且各外侧表面围绕第一旋转轴线A1延伸。
第一和第二套筒结构4660、4665的轮廓化外侧表面4661、4662被配置以充当张力元件4420、4440的支撑表面，其可以保护张力元件免于在第二连杆4610内的高负荷承载区域处弯曲或扭结。如下讨论，轮廓化外侧表面4661、4662还被配置以帮助引导张力元件4420、4440通过腕状组件4500的第二连杆4610的一侧中限定的曲线状引导路径4615、4620(参见图14B)，以及通过第二连杆的相对侧上的类似曲线状引导路径(未显示)。参考图15B和15C，轮廓化外侧表面4661、4662中的每一个被塑形以包括凹槽，该凹槽可以增强与轮廓化外侧表面接触的张力元件4420、4440的部分的保持。沿轮廓化外侧表面4661、4662与张力元件4420、4440中的一个的部分的任何接触点的曲率半径可以被以有效曲率半径R弯曲确定。如图15A和15B所示，沿轮廓化外侧表面4661、4662的任何点处的有效曲率半径R弯曲是沿轮廓化外侧表面的该点处的凹槽内的当前曲率半径与张力元件的一半厚度(即，半径)之和。
参考图16A和16B，第一和第二套筒结构4660、4665的这种布置允许第一张力元件4420的第一远侧中心部分4423和第二张力元件4440的第一远侧中心部分4433各自接触第一套筒结构的外侧表面4661的部分——根据腕状组件4500的取向。尽管未显示，但是第一张力元件4420的第二远侧中心部分4443和第二张力元件4440的第二远侧中心部分4443可以类似地接触位于第二连杆4610的相对侧上的第二套筒结构4665的外表面4662。因此，这种布置提供了一种套筒结构，该套筒结构作用于啮合和限定用于两个不同张力元件部分的引导路径的部分。如图15B和15B所示，第一和第二套筒结构4660、4665的轮廓化外侧表面4661、4662的近端的有效半径被以R弯曲确定，并且被选择以产生期望的引导路径，如以下进一步所述。
参考图14B，第二连杆4610限定第一曲线状引导路径4615和第二曲线状引导路径4620。第二连杆4610还包括第一引导表面4616和第二引导表面4621，即第一套筒结构4660的轮廓化外侧表面4661的部分。第二连杆4610还包括与第一曲线状引导路径4615的部分对齐的第三引导表面4617，和与第二曲线状引导路径4620的部分对齐的第四引导表面4622。第一和第二曲线状引导路径4615、4620(和因此其中的第一张力元件4420和第二张力元件4440的部分)各自相对于纵向中心线CL和第一旋转轴线A1偏移。以这种方式，经由第一张力元件4420或第二张力元件4440施力产生围绕第一旋转轴线A1的扭矩。这可以导致第二连杆4610相对于第一连杆4510旋转(即，俯仰)，如图17A中的箭头OO所示以经由第一张力元件4420施力，或如图17B中的箭头NN所示以经由第二张力元件4440施力。张力元件距纵向中心线CL的偏移量还部分地基于套筒结构4660的尺寸。如图16A和16B所示，当器械4400处于某些取向时，套筒结构4660的外表面4661接触第一张力元件4420的第一中心部分4423和第二张力元件4440的第三中心部分4433。因此，套筒结构4660的有效半径R弯曲限定了偏移量。
如图13所示，末端执行器4460包括第一工具元件4462和第二工具元件44824。第一工具元件4462包括接触部分4464和滑轮部分4467。接触部分4463被配置以在手术程序期间啮合或操纵目标组织。尽管被显示为抓握表面，但在其它实施方式中，接触部分4464可以是本文显示和描述的类型的任何合适的表面(例如，切割器、组织操纵器、灼烧表面等)。如图10和11所示，滑轮部分4467经由销4683被可旋转地联接至第二连杆4610。以这种方式，第一工具元件4462可以经由第二旋转轴线A2围绕销4683并且相对于第二连杆4610旋转。此外，滑轮部分4467限定了联接开口4472，第一张力元件4420的远端部分4422被联接在该联接开口4472内。滑轮部分4467的外表面相对于偏航轴线A2偏移。以这种方式，通过第一张力元件4420在滑轮部分4467上施力在第一工具元件4462上产生围绕偏航轴线A2的扭矩，这可以导致第一工具元件4462的旋转或抓握力的施加。
如图13所示，第二工具元件4482包括接触部分4484和滑轮部分4487。接触部分4484被配置以在手术程序期间啮合或操纵目标组织。尽管被显示为抓握表面，但在其它实施方式中，接触部分4484可以是本文显示和描述的类型的任何合适的表面(例如，切割器、组织操纵器、灼烧表面等)。如图10和11所示，滑轮部分4487经由销4683被可旋转地联接至第二连杆4610。以这种方式，第二工具元件4464可以经由第二旋转轴线A2围绕销4683并且相对于第二连杆4610旋转。如图11所示，滑轮部分4487限定联接开口4492，第二张力元件4440的远端部分4432被联接在联接开口4492内。滑轮部分4487的外表面相对于偏航轴线A2偏移。以这种方式，第二张力元件4440在滑轮部分4487上的施力在第二工具元件4482上产生围绕偏航轴线A2的扭矩，这可以导致第二工具元件4482的旋转或抓握力的施加。
如图12所示，第一张力元件4420具有在第一张力元件环的一侧上的第一近端部分4421、第一近侧中心部分4425、第一远侧中心部分4423和第一远端部分4422，以及在第一张力元件环的另一侧上的第二中心部分4443和第二近端部分4441连同第一远端部分4422。第二张力元件4440具有在第二张力元件环的一侧上的第三近端部分4431、第三近侧中心部分4427、第三远侧中心部分4433和第三末端部分4432，以及在第二张力元件环的另一侧上的第四中心部分4453和第四近端部分4451连同第四远端部分。近端部分4421、4427、4431、4437各自延伸到腕状组件4500外，通过器械轴4410，并进入传动机构4700中。如上所述，传动机构4700可以使近端部分4421、4427、4431、4437移动，以在张力元件的对应远端部分4422、4432处产生所导致的移动(或力)。张力元件4420和4440可以具有任何合适的形状。张力元件的使用可以提供适于微创手术程序的低成本一次性器械。在使用中，器械4400的远端部分提供上至三个自由度，并且可以在多种不同的构型之间移动以进行各种手术操作。
参考图16A，第一张力元件4420的第一近侧中心部分4425和第二张力元件4440的第三近侧中心部分4426在第二连杆4610的一侧上被保持在第一和第二曲线状引导路径4615、4620内，如以上结合图14B所述。第一和第二曲线状引导路径4615、4620的形状使得第一张力元件4420和第二张力元件4440以如下方式被布设通过腕状组件4500：在器械4400的致动期间其中保持期望的弯曲几何、张力元件张力等。这包括将第一和第二张力元件4420、4440相对于第一和第二曲线状引导路径4615、4620以低摩擦、平行对齐的方式布设，如以下结合图16B、17A和17B所述。类似地，第一张力元件4420的第二中心部分4443和第二张力元件4440的第四中心部分4453被保持在相应第三和第四曲线状引导路径(未显示)内，如以上关于第一和第二曲线状引导路径4615、4620所述。第三和第四曲线状引导路径(未显示)的形状使得第一张力元件4420和第二张力元件4440以如下方式被布设通过腕状组件4500：在器械4400的致动期间保持期望的弯曲几何、张力元件张力等。这同样包括将第一和第二张力元件4420、4440以低摩擦方式布设，如以下结合图16B、17A和17B关于第一和第二曲线状引导路径4615、46204616所述。如上所述，远端部分4422被联接至第一工具元件4462，并且远端部分4433被联接至第二工具元件4482——经由销或型锻联接(即，在联接开口4472、4492内)。以这种方式，如本文所述，张力元件的移动(或施加至其的力)可以产生俯仰、偏航、抓握或这些运动的任何组合。
参考图16A和16B，第三引导表面4617沿第一曲线状引导路径4615的远侧部分形成，并且相对于曲线状引导路径4615向内弯曲，使得第一引导表面4616和第三引导表面4617相对于彼此并且相对于曲线状引导路径4615是凸形的(convex)。进一步，第三引导表面4617具有有效曲率半径R1，其包括第三引导表面4617的曲率半径加上第一张力元件4420的厚度(即，圆形张力元件的半径)。第三引导表面4617被配置以引导第一张力元件4420的第一远侧中心部分4423通过第一引导路径4615，使得设置在第一远端部分4422与第一远侧中心部分4423之间的第一张力元件4420的部分，在处于图16A所示的第一取向时以及当处于图17A所示的第二取向、图17B所示的第三取向以及其间的取向时，与末端执行器4460的滑轮部分4467平行对齐。这样，第三引导表面可以通过保持第一张力元件在第二连杆4620与末端执行器4460之间的平行对齐，来减小在腕状组件4500的移动过程中第一张力元件4420与包括滑轮部分4467的末端执行器4460之间的摩擦接触。另外，如以下结合图17A进一步讨论，第三引导表面被配置以在处于图17A所示的第二取向时，引导第一张力元件4420的第一远侧中心部分4423，使得近侧中心部分4425保持与第一连杆4510的第一引导路径4515平行对齐。第四引导表面4622同样被配置以类似的方式相对于第二引导路径4620引导第二张力元件4440的部分。
参考图16A、16B和17B，当第二连杆4610处于图10、16A和16B所示的第一取向时，并且当第二连杆4610处于其它取向(如，图17B所示的第三取向)时，第二连杆4610的至少第一引导表面4616接触第一张力元件4420的第一远侧中心部分4423。类似地说明，张力元件4420的远侧中心部分4423贯穿第二连杆4610相对于第一连杆4510运动的角度范围的一部分与第一引导表面4616接触。当处于图16A所示的第一取向时并且还当第二连杆4610相对于第一连杆4510沿图17B所示的方向NN旋转时，第一引导表面4616引导第一张力元件4420在第二曲线状引导路径4615内过渡的路径。进一步，第一引导表面4616被配置以这样做，同时还保持第一张力元件4420的第一近侧中心部分4425和第一近端部分4421与第一连杆4510的第一引导路径4515的中心线CL2平行对齐。
具体地，第一引导表面4616被设定尺寸和定位，使得第一张力元件4420的第一近端部分4421、第一近侧中心部分4425或第一近端部分4421和第一近侧中心部分4425贯穿第二连杆4610相对于第一连杆4510运动的角度范围的一部分保持与第一连杆4510的第一引导路径4515的中心线CL2平行对齐。这样，第一张力元件4420可以在第一引导路径4615内沿图16A的箭头A-B所示的方向移动，而不接触第一连杆的第一引导路径4515内的表面。以这种方式，关于第一张力元件4420在至少沿方向NN的运动角度范围内的移动，摩擦接触减少。在一些实施方式中，第一引导表面4616具有围绕第一旋转轴线A1的有效曲率半径R弯曲，该有效曲率半径R弯曲等于图16A所示的距离d1，使得第一张力元件的第一近端部分4421、第一近侧中心部分4425或第一近端部分4421和第一近侧中心部分4425在第二连杆4610的运动范围的一部分内保持平行于中心线CL2。尽管被显示为单一曲率半径R弯曲，但在其它实施方式中，第一引导表面4616可以是特征在于多个不同曲率半径的曲线状表面。
参考图16A和17A，当第二连杆4610处于图10和16A所示的第一取向时，以及当第二连杆4610处于其它取向(如，图17A所示的第二取向)时，至少第二连杆4610的第二引导表面4621接触第二张力元件4440的第二远侧中心部分4433。类似地说明，第二张力元件4440的第二远侧中心部分4433贯穿第二连杆4610相对于第一连杆4510运动的角度范围的一部分与第二引导表面4621接触(例如，缠绕在其周围，如图17A所示)。在处于图16A所示的第一取向时，以及当第二连杆4610相对于第一连杆4510沿图17A所示的方向OO旋转时，第二引导表面4621引导第二张力元件4440在第二曲线状引导路径4620内过渡的路径。进一步，第二引导表面4621被配置以这样做，同时还保持第二张力元件4440的第二近侧中心部分4426和第二近端部分4431与第一连杆4510的第二引导路径4520的中心线CL3平行对齐。
具体地，第二引导表面4621被设定尺寸和定位，使得第二张力元件4440的第二近端部分4431、第二近侧中心部分4426或第二近端部分4431和第二近侧中心部分4426贯穿运动角度范围的一部分内保持与第二引导路径4520的中心线CL3平行对齐。这样，第二张力元件4440可以在第一连杆的第二引导路径4520内沿图16A的箭头AB所示的方向移动，而不接触第二引导路径内的表面。以这种方式，关于第二张力元件4440沿方向OO在至少运动角度范围内移动的摩擦接触减少。在一些实施方式中，第二引导表面4621具有围绕第一旋转轴线A1的有效曲率半径R弯曲，该有效曲率半径R弯曲等于图16A所示的距离d1，使得第二张力元件的第二近端部分4431、第二近侧中心部分4426或第二近端部分4431和第二近侧中心部分4426在第二连杆4610的运动范围的一部分内保持平行于中心线CL3。尽管被显示为单一曲率半径R弯曲，但在其它实施方式中，第二引导表面4626可以是特征在于多个不同曲率半径的曲线状表面。
在使用中，腕状组件4500可以在各种取向之间移动。如图17A中的箭头OO所示，通过使第二连杆4610相对于第一连杆4510围绕第一旋转轴线A1旋转，可以使腕状组件4500在第一(或笔直)取向与第二取向之间移动。类似地，第二连杆4610可以沿图17B中的箭头NN所示的相反方向围绕第一旋转轴线A1旋转至图17B所示的第三取向。当腕状组件4500处于图16A所示的第一取向时，第一张力元件4420处于第一张力元件路径4615内，并且第二张力元件4440处于第二张力元件路径4620内。更具体地，第一中心部分4423接触第二连杆4610的第一引导表面4616和套筒结构4660的外侧表面4661。第二中心部分4433与第二连杆4610的第二引导表面4621和套筒结构4660的外侧表面4661接触。当第一张力元件4420和第二张力元件4440沿相同方向移动时(例如，以产生末端执行器4460的偏航移动)，第一远侧中心部分4423和第二远侧中心部分4433将抵靠表面4461滑动，这使第一和第二张力元件4420、4440的第一近侧中心部分4425和第二近侧中心部分4426与第一连杆4510的第一和第二引导路径4515、4520的中心线CL2、CL3平行对齐。
当腕状组件4500处于第二取向(图17A)时，第一张力元件4420的第一远侧中心部分4423保持在第一曲线状引导路径4615内，但是与第一引导表面4616间隔开并围绕第三引导表面4617缠绕并与第三引导表面4617接触。此外，第一远侧中心部分4423与套筒结构4660及其外侧表面4661连同第一引导表面4616间隔开，使得第一远侧中心部分4423在第一曲线状引导路径4615内主要通过第三曲线状引导表面4617被引导。
第三引导表面4617具有有效曲率半径R1，其包括第三引导表面4617的曲率半径加上第一张力元件4420的一半厚度(即，圆形张力元件的半径)。有效曲率半径R1被配置以在腕状组件4500处于图17A所示的第二取向时，引导第一张力元件4420的第一近侧中心部分4425与第一连杆4510的第一引导路径4515的中心线CL2平行对齐。因此，第一张力元件4420的第一近侧中心部分4425和第一近端4421可以贯穿第二连杆4610在图17A所示的第二取向，通过上述图16A和16B所示的第一取向，至下述图17B所示的第三取向之间的运动角度范围在第一连杆4510的第一引导路径4515内保持平行对齐。因此，通过腕状组件4500的运动角度范围，可以避免第一张力元件4420在第一连杆的第一引导路径4515内的摩擦接触，这减少了其移动的总摩擦。
当腕状组件4500处于第三取向(图17B)时，第二张力元件4440的第二远侧中心部分4433保持在第二曲线状引导路径4620内，但与第二引导表面4621间隔开。这样，远侧中心部分4433围绕第四引导表面4622缠绕并与第四引导表面4622接触，这从而引导远侧中心部分维持近侧中心部分4426与第一连杆4510的第二引导路径4520的中心线CL3平行对齐。此外，第二远侧中心部分4433与套筒结构4660间隔开，使得第二远侧中心部分在第二曲线状引导路径4620内主要通过第四曲线状引导表面4622被引导。
第四曲线状引导表面4622具有有效曲率半径R1，其包括第四引导表面4622的曲率半径加上第二张力元件4440的一半厚度(即，圆形张力元件的半径)。有效曲率半径R1被配置以在腕状组件4500处于图17B所示的第三取向时，引导第二张力元件4440的第二近侧中心部分4426与第二连杆4510的第二引导路径4520的中心线CL3平行对齐。因此，第二张力元件4440的第二近侧中心部分4426和第二近端4431可以贯穿第二连杆4610在图17A所示的第二取向，通过上述图16A和16B所示的第一取向，至图17B所示的第三取向之间的运动角度范围保持在第一连杆4510的第二引导路径4520内平行对齐。因此，通过腕状组件4500的运动角度范围，可以避免第二张力元件4440在第一连杆的第二引导路径4540内的摩擦接触，这减少了其移动的总摩擦。
再次参考图16A和16B，第一张力元件4420和第二张力元件4440被配置用于在第一近端部分4421和4431根据上述致动器(未显示)移动时的低摩擦轴向移动，这使第一近端部分沿图16A所示箭头A-B的方向移动。这样，在包括第一和第二曲线状表面4616、4621的套筒结构近端处，套筒结构4660的外支撑壁4661的有效半径R弯曲被配置与第一连杆4510的第一和第二引导路径4515、4520的中心线CL2和CL3距轴的中心线CL1偏移的距离d1相同。换言之，第一和第二曲线状表面4616、4621的有效半径(即，R弯曲)被配置以等于第一连杆引导表面4515、4520的偏移距离(即，d1)，使得R弯曲＝d1。这种关系在腕状组件处于图16A和16B所示的第一取向时，使第一和第二张力元件4420、4440的第一和第二近侧中心部分4425、4426以及第一和第二近端部分4421、4431在第一连杆4510的第一和第二引导路径4515、4520内和通过第一连杆4510的第一和第二引导路径4515、4520平行对齐。
R弯曲＝d1的关系进一步通过以下维持这种平行对齐：在第一远侧中心部分4423与第一曲线状引导表面4616接触(图17B)时，并且在第二远侧中心部分4433与第二曲线状引导表面4621接触(图17A)时，第二连杆4610相对于第一连杆4510围绕第一旋转轴线A1的部分角度旋转。这是因为第一和/或第二曲线状引导表面4616、4621作为套筒结构4460的外侧壁4661的部分形成，其具有R弯曲作为其有效曲率半径，该R弯曲等于d1——相对于沿轴中心线CL1定位的第一旋转轴线A1。这样，第一和/或第二近侧中心部分4425、4426保持与第一连杆4510中的第一和第二引导路径中心线CL2和CL3平行对齐，该第一和第二引导路径中心线CL2和CL3在处于第二取向(图17A)和第三取向(图17B)时还距轴中心线偏移相同的距离d1。例如，图17A显示了在第二取向时围绕套筒结构4660的部分缠绕的第二张力元件4440，使得第二远侧部分4433与具有有效半径R弯曲的第一表面4621接触，该有效半径R弯曲等于相对于轴线A1和轴中心线CL1的d1，从而保持第二近侧中心部分4426与通过第一连杆4510的第二引导路径4520平行对齐。同样，图17B显示了在第三取向时围绕套筒结构4660的部分缠绕的第二张力元件4420，使得第一远侧部分4423与具有有效半径R弯曲的第一表面4616接触，该有效半径R弯曲等于相对于轴线A1和轴中心线CL1的d1，从而保持第一近侧中心部分4425与通过第一连杆4510的第一引导路径4515平行对齐。
进一步参考16A和16B，第一张力元件4420和第二张力元件4440另外被配置以基于以下在处于第一取向时提供低摩擦轴向移动：(i)第三和第四曲线状表面4617、4622的有效曲率半径R1；(ii)第一和第二曲线状表面4616、4621的有效曲率半径R弯曲；和(iii)R1的轴线AR1距轴中心线CL1的垂直偏移距离。如图16A所示，第三和第四曲线状表面4617、4622的有效曲率半径R1各自具有关于该曲率半径的轴线AR1，该轴线AR1在轴中心线的相对侧上距腕部的轴中心线CL1垂直偏移以偏移距离d2。图16A所示的第一取向在垂直偏移距离d2、有效曲率半径R1与曲率半径R弯曲之间提供一种关系，使得垂直偏移距离d2小于有效曲率半径R1加曲率半径R弯曲之和(即，d2<R弯曲+R1)。第一取向的这种关系确保张力元件4420、4440的第一和第二远侧中心部分4423、4433各自通过引导第一和第二引导路径4615、4620被朝向腕状组件4500的中心线CL向内引导，这与图16A所示第一取向的轴中心线CL1是同时的。第一和第二远侧中心部分4423、4433在相应的第一或第二引导路径4615、4620内从与第一或第二曲线状引导表面4616、4621的接触点向与相应第三或第四曲线状引导表面4617、4622的接触点被向内引导。这样，第一和第二远侧中心部分4423、4433中的每一个在处于第一取向时被偏置与对应的第一或第二引导路径4615、4620的相应第一或第二曲线状引导表面4616、4621和相应第三或第四曲线状引导表面4617、4622接触，这使第一和第二近侧中心部分4425、4426与第一连杆4510的相应第一和第二第一引导路径4515、4420平行对齐。
如图16A所示，第二连杆4610被配置以相对于第一连杆4510围绕第一旋转轴线A1旋转。第二连杆4610沿指示的方向OO以角度旋转Θ旋转，以从第一取向旋转至图17A所示的第二取向。在一些实施方式中，从第一取向到第二取向的角度旋转Θ可以是第二连杆4610相对于第一连杆4510的最大角度旋转Θ。当第二连杆4610从第一取向旋转至第二取向时，第三和第四曲线状表面4616、4621、相应的有效曲率半径R1和曲率轴线AR1也围绕第一轴线A1旋转以旋转角度Θ。旋转改变了第三曲线状表面4617的曲率轴线AR1的位置及其第一取向的轴中心线CL距图17A所示第二取向的旋转位置的垂直偏移距离d2，其距轴中心线CL偏移垂直距离d2’。
在其中第二连杆4610以最大角度旋转Θ旋转以得到第二取向的实施方式中，第三引导表面4617的从轴中心线CL到轴线AR1的垂直偏移距离d2’等于第一连杆4510中第一引导路径4515的中心线CL2的轴偏移距离加上第三引导表面4617的相应曲率半径R1。换言之，d2’(最大旋转时的曲率轴线垂直偏移)等于d1(第一引导路径垂直偏移)与R1(远侧第三引导表面的半径)之和(即，d2’＝d1+R1)，这保持沿方向OO的最大角度旋转时近侧中心张力元件4425与第一引导路径4515的平行对齐。然而，对于图16A的第一取向，d2(第一取向时的曲率轴线垂直偏移)小于d1与R1之和(即，d2<d1+R1)，这保持近侧中心张力元件4425与第一引导路径4515在此取向时的平行对齐。这是由于在最大角度旋转Θ，处于第二取向时，第一张力元件4420的远侧中心部分4423保持抵靠第三引导表面4617，使得第一近侧中心部分4425和第一末端部分4421与第一引导路径4515平行对齐。因此，第一张力元件4420可以在处于其最大角度旋转，处于第二取向时，在第一引导路径4515内沿纵向方向自由移动，而不与第一引导路径内的表面摩擦接触。
参考图14B和16B，套筒结构4660包括近侧区域4663和远侧区域4664。近侧区域4663的外侧壁4661包括在轴的中心线CL的一侧上的第一引导表面4616和在中心线的相对第二侧上的第二引导表面4621。另外，近侧区域4663根据曲率半径R弯曲围绕旋转轴线A1弯曲。相比之下，远侧区域4664内的外侧壁4661不根据曲率半径R弯曲弯曲。而是，远侧区域4664内的外侧壁4661被配置以具有以下轮廓：总体上遵循在处于图16B所示的第一取向时第一和第二张力元件4420、4440的靠近其中外侧壁的部分的轮廓。外侧壁4661的这种轮廓部分可以提供沿第一和第二引导路径4615和4620的另外的引导表面，以在引导路径内移动过程中引导第一和张力元件4420、4440。
在一些实施方式中，套筒结构可以被配置以包括套筒结构4660的近侧部分4663，而不包括远侧部分4664。这样，图14B和16B所示的套筒结构4660可以被配置以包括形成第一引导表面4616和第二引导表面4621的外侧壁4661的部分，其呈曲线状以具有曲率半径R弯曲，而不包括外侧壁4661的不根据曲率半径R弯曲呈曲线状的其余部分(和套筒结构4660的相应部分)。换言之，套筒结构可以被配置以具有圆形滑轮样形状，该圆形滑轮样形状可以相对于第二连杆4610固定或者作为滑轮安装以相对于第二连杆4610旋转。这种实施方式可以进一步避免张力元件4420、4440与从套筒的远侧部分沿引导路径4615、4620设置的表面之间在张力元件在其中纵向移动过程中的潜在摩擦接触。例如，图18-25显示了根据实施方式的器械5400的各种视图，其中套筒结构被配置为滑轮，该滑轮缺少远侧部分和相应的表面，并且相对于第二连杆5610旋转。除以下结合图18-25所述之外，器械5400总体上包括以上结合图10-17B所讨论的器械4400的方面和特征。
与器械4400相似，器械5400包括传动组件5700(其可以充当致动器机构)、器械轴5410、腕状组件5500和末端执行器5460。参考图18，器械5400还包括将传动机构5700联接至腕状组件5500的第一张力元件5420和第二张力元件5440。器械5400被配置使得线缆的移动可以产生腕状组件5500围绕第一旋转轴线A1的旋转(即，俯仰旋转)、末端执行器5460围绕第二旋转轴线A2的偏航旋转、末端执行器5460的工具元件围绕偏航轴线的抓握旋转、或这些移动的任何组合。改变器械5400的俯仰、偏航或抓握可以通过以与上文关于器械3500和4500所述的方式类似的方式操纵四根线缆来进行。因此，下文不描述四根线缆中的每根实现期望移动的具体移动。尽管被显示和描述为包括两根线缆，该两根线缆围绕末端执行器5460缠绕，产生四个近端线缆部分(即，四线缆的布置)，但在其它实施方式中，器械5400可以包括另外的线缆，其单独地改变器械5400的俯仰。
参考图18和19，腕状组件5500包括近侧第一连杆5510和远侧第二连杆5610。第一连杆5510具有近端部分5511和远端部分5512。近端部分5511联接至器械轴5410的远端部分5412。近端部分5511可以经由任何合适的机制连接至器械轴5410。例如，在一些实施方式中，近端部分5511可以被配合地设置在器械轴的部分内(例如，经由过盈配合)。如示，近端部分5511可以包括将近端部分5511联接至器械轴的一个或多个突出部、凹口、开口或连接件。近端部分5511可以经由粘合剂粘合、焊接或任何其它永久性联接机制(即，不意图在正常使用过程中被移除的联接机构)被固定地联接至器械轴5410。
远端部分5512包括接头部分5540，该接头部分5540被可旋转地联接至第二连杆5610的配合接头部分5640。以这种方式，第一连杆5510和第二连杆5610形成具有第一旋转轴线A1(也称为俯仰轴线)的腕状组件5500，第二连杆5610可以相对于第一连杆5510围绕第一旋转轴线A1旋转。销5541延伸通过远端接头部分5540和第二连杆接头部分5640，以将第二连杆5610可旋转地联接至第一连杆5510。如图18所示，第一连杆5510和第二连杆5610限定纵向中心线CL，该纵向中心线CL在器械处于初始(构型)(或“笔直”构型)时与俯仰轴线A1相交。
远侧第二连杆5610具有近端部分5611和远端部分5612。如上所述，近端部分5611包括接头部分5640，该接头部分5640被可旋转地联接至第一连杆5510的接头部分5540。第二连杆5610的远端部分5612包括连接件5680，该连接件5680被联接至末端执行器5460。以这种方式，第一工具元件5462和第二工具元件5482可以相对于第二连杆5610围绕第二旋转轴线(也称为偏航轴线)A2旋转。连接件5680是销型连接件，并且包括销5683，该销5683被销开口5682支撑(和被置于其中)。在一些实施方式中，连接件5680可以包括名为“MedicalInstrument Electronically Energized Using Drive Cables”的美国专利号9,204,923B2(2008年7月16日提交)中显示和描述的销式接头的结构和特征中的任一种，该专利其整体通过引用并入本文。如图10所示，第二旋转轴线A2(也称为偏航轴线)不平行于俯仰轴线A1。因此，器械5400提供上至三个自由度(即，围绕第一旋转轴线A1的俯仰运动、围绕第二旋转轴线A2的偏航旋转、和围绕第二旋转轴线A2的抓握运动)。
参考图20、23和25，第二连杆5610包括第一滑轮5660(其充当第一套筒元件)、和第二滑轮5665(其充当第二套筒元件)。第一滑轮5660和第二滑轮5665各自经由销5541被可旋转地联接至第二连杆5610。以这种方式，第一滑轮5660和第二滑轮5665可以各自相对于第二连杆5610围绕第一旋转轴线A1旋转。在其它实施方式中(未显示)，第一滑轮5660和第二滑轮5665可以被固定地附接至第二连杆5610。第一滑轮5660包括在带槽通道内的外表面5661(参见图25)，并且第二滑轮5665包括在带槽通道内的外表面5666(参见图25)。这种布置允许第一张力元件5420的第一远侧中心部分5423和第二张力元件5440的第二远侧中心部分5433各自接触第一滑轮的外表面5661(参见图23和24)——根据腕状组件5500的取向。尽管未显示，第一张力元件5420的第三中心部分5443和第二张力元件5440的第四中心部分5453可以类似地接触第二滑轮5665的外表面5666。因此，这种布置提供了这样的滑轮：作用以啮合和限定两个不同线缆部分的引导路径的部分。如图23所示，第一滑轮5660和第二滑轮5665的半径被以R滑轮确定，并且被选择以产生期望的引导路径，如下所述。
如图23所示，第二连杆5610限定第一曲线状引导路径5615和第二曲线状引导路径5620。第二连杆5610还包括与第一曲线状引导路径5615的部分对齐的第一引导表面5616和第三引导表面5617。第二连杆5610还包括与第二曲线状引导路径5620的部分对齐的第二引导表面5621和第四引导表面5622。第一和第二曲线状引导路径5615、5620(以及因此其中的第一张力元件5420和第二张力元件线缆5440的部分)各自相对于纵向中心线CL和第一旋转轴线A1偏移。以这种方式，经由第一张力元件5420或第二张力元件5440的施力产生围绕第一旋转轴线A1的扭矩。这可以导致第二连杆5610相对于第一连杆5510旋转(即，俯仰)，如图22中的箭头OO所示，以经由第一张力元件5420施力。张力元件距纵向中心线CL的偏移量还部分地基于滑轮5660的尺寸。如图23所示，当器械5400处于某些取向时，滑轮5660的外表面5661接触第一张力元件5420的第一远侧中心部分5423和第二张力元件5440的第二远侧中心部分5433。因此，滑轮5660的半径R滑轮限定偏移量。
在使用中，腕状组件5500可以在各种取向之间移动。如图22中的箭头OO所示，通过使第二连杆5610相对于第一连杆5510围绕第一旋转轴线A1，可以使腕状组件5500在第一(或笔直)取向与第二取向之间移动。类似地，可以使第二连杆5610围绕第一旋转轴线A1沿相反方向旋转至第三取向(未显示)。当腕状组件5500处于第一取向时，第一张力元件5420处于第一张力元件路径5615内，并且第二张力元件5440处于第二张力元件路径5620内。更具体地，第一远侧中心部分5423与第二连杆5610的第一引导表面5616和滑轮5660的表面5661接触。第二远侧中心部分5433与第二连杆5610的第三引导表面5631和滑轮5660的表面5661接触。
如以上结合腕状组件4500所讨论和如图19、20和23所示，第一和第二张力元件5420、5440被以低摩擦平行对齐的方式相对于第一连杆5510中的第一和第二引导路径5515、5520通过第一和第二曲线状引导路径5615、5620布设。类似地，第一张力元件5420的第二中心部分5443和第二张力元件5440的第四中心部分5453被保持在相应的第三和第四曲线状引导路径(未显示)内，如本文关于第一和第二曲线状引导路径5615、5620所述。第三和第四曲线状引导路径(未显示)的形状使得第一张力元件5420和第二张力元件5440被以在器械5400的致动期间保持期望的弯曲几何、张力元件张力等的方式通过腕状组件5500布设。这同样包括以相似的平行低摩擦方式将第一和第二张力元件5420、5440布设。
参考图20和23，第三引导表面5617沿第一曲线状引导路径5615的远侧部分形成，并且相对于曲线状引导路径5615向内弯曲，使得第一引导表面5616和第三引导表面5617相对于彼此并且相对于曲线状引导路径5615是凸形的。进一步，第三引导表面5617具有有效曲率半径R1，该有效曲率半径R1包括第三引导表面5617的曲率半径加上第一张力元件5420的厚度(即，圆形张力元件的半径)。第三引导表面5617被配置以引导第一张力元件5420的第一远侧中心部分5423通过第一引导路径5615，使得在处于图20和23所示的第一取向时，以及当处于图21和24所示的第二取向时，处于与第二取向相反旋转的第三取向(未显示)时以及其间的取向时，设置在第一远端部分5422与第一远侧中心部分5423之间的第一张力元件5420的部分与末端执行器5460的滑轮部分5467平行对齐。这样，通过保持第一张力元件在第二连杆5620与末端执行器5460之间的平行对齐，第三引导表面可以减少在腕状组件5500的移动过程中第一张力元件5420与包括滑轮部分5467的末端执行器5460之间的摩擦接触。
参考图19、20和23，当第二连杆5610处于图19、20和23所示的第一取向时，以及当第二连杆5610处于其它取向(如，图21和24所示的第二取向)时，至少第二连杆5610的第二引导表面5621接触第二张力元件5440的第二远侧中心部分5433。类似地说明，贯穿第二连杆5610相对于第一连杆5510的运动角度范围的一部分，第二张力元件5440的第二远侧中心部分5433与第二引导表面5621接触(例如，缠绕，如图21、22和24所示)。当处于图19、20和23所示的第一取向时，以及当第二连杆5610相对于第一连杆5510沿图22所示的方向OO旋转时，第二引导表面5621引导第二张力元件5440在第二曲线状引导路径5620内过渡的路径。进一步，第二引导表面5621被配置以这样做，同时还保持第二张力元件5440的第二近侧中心部分5426和第二近端部分5431与第一连杆5510的第二引导路径5520的中心线CL3平行对齐。
具体地，第二引导表面5621被设定尺寸和定位，使得第二张力元件5440的第二近端部分5431、第二近侧中心部分5426或第二近端部分5431和第二近侧中心部分5426贯穿移动角度范围的一部分保持与第二引导路径5520的中心线CL3平行对齐。这样，第二张力元件5440可以在第一连杆的第二引导路径5520内沿图19的箭头A-B所示的方向移动，而不接触第二引导路径内的表面。以这种方式，关于第二张力元件5440沿方向OO在至少该运动角度范围内的移动，减少了摩擦接触。在一些实施方式中，第二引导表面5621具有围绕第一旋转轴线A1的有效曲率半径R弯曲，该有效曲率半径R弯曲等于图16A所示的距离d1，使得第二张力元件的第二近端部分5431、第二近侧中心部分5426或第二近端部分5431和第二近侧中心部分5426在第二连杆5610的运动范围的一部分内保持平行于中心线CL3。尽管被显示为单一曲率半径R弯曲，但在其它实施方式中，第二引导表面5626可以是特征在于多个不同曲率半径的曲线状表面。
当第一张力元件5420和第二张力元件5440沿相同方向移动时(例如，以产生末端执行器5460的偏航移动)，第一远侧中心部分5423或第二远侧中心部分5433中的一个将随滑轮5660的旋转而移动，并且第一远侧中心部分5423或第二远侧中心部分5433中的另一个将抵靠表面5661滑动。通常，具有围绕滑轮5660的较大缠绕角度的张力元件(即，与表面5661具有较大摩擦量的张力元件)将致使滑轮5660旋转，而具有较小缠绕角度的张力元件(即，具有较小摩擦量的张力元件)将抵靠表面5661滑动。以这种方式，滑轮5660有利地减小最大摩擦区域的摩擦。这种布置允许末端执行器5460的有效操作，而无论腕状组件5500的俯仰取向。
当腕状组件5500处于第二取向(图21和24)时，第一张力元件5420的第一远侧中心部分5423保持在第一引导路径5615内，并且与第一引导表面5623接触。此外，第一远侧中心部分5423与滑轮5660间隔开。进一步，当腕状组件5500处于第二取向(图21和24)时，第二张力元件5440的第二远侧中心部分5433保持在第二引导路径5620内，并且与滑轮5660的表面5661接触(并且至少部分地围绕其缠绕)。因此，当将轴向张力施加至第二张力元件5440以进行俯仰移动或者第二工具元件5482的移动以进行偏航或抓握移动时，滑轮5660随第二远侧中心部分5433的移动而旋转。滑轮5660的旋转基于在滑轮表面5661处与第二张力元件5440的接触，并且当施加张力以进行俯仰、偏航、或抓握移动时，减小否则将在张力元件抵靠第二连杆5610的表面滑动时发生的摩擦。
在一些实施方式中，器械5400被配置使得另外提供一个或多个俯仰张力元件(未显示)，以辅助其它张力元件(例如，第一和第二张力元件5420、5440)产生俯仰旋转和/或用于产生俯仰移动的主要目的。俯仰张力元件可以以如下方式联接至第二连杆5610：致使第二连杆在俯仰张力元件(一个或多个)移动时相对于第一连杆5510旋转(即，俯仰旋转)。以这种方式，腕状组件5500可以是例如六张力元件(或六线缆)构型(两个俯仰张力元件或俯仰张力元件部分控制俯仰旋转和四个张力元件或张力元件部分控制偏航和抓握旋转)。在其它实施方式中，可以在适当时提供任何数量的俯仰张力元件，以在腕状组件中产生和/或辅助产生俯仰移动。例如，参考图26-31，显示了根据实施方式的包括腕状组件6500(其具有用于产生俯仰旋转的俯仰张力元件6455)的器械6400的各种部分的图解示例。除以下所述外，器械6400和腕状组件6500总体上包括上述器械(包括器械2400、3400、4400和5400)以及相应的腕状组件的方面和优点。
在一些实施方式中，器械6400或其中的任何构件任选地是手术系统的部件，该手术系统执行微创手术程序，并且可以包括操纵器单元、一系列运动学连接、一系列插管等。器械6400(和本文所述的任何器械)可以用于任何合适的手术系统(如以上显示和描述的MIRS系统1000)中。器械6400包括腕状组件6500、至少一个张力元件6455和工具元件6462。尽管仅显示了一个张力元件6455，但是可以包括一个或多个另外的张力元件。如本文所述，器械6400被配置使得张力元件6455的移动产生腕状组件6500的移动(如图26所示的箭头BB所示)。
参考图26-28，腕状组件6500包括近侧第一连杆6510和远侧第二连杆6610。第一连杆6510具有近端部分6511和远端部分6512。近端部分6511联接至器械轴(未显示)。尽管未在图26-31中显示器械轴，但是近端部分6511可以联接至任何合适的器械轴，如以上结合器械4400显示和描述的器械轴4410(图9)。此外，第一连杆6510的近端部分6511可以经由任何合适的机制(如焊接、过盈配合、粘合剂等)联接至器械轴。如下所述，远端部分6512被可旋转地联接至第二连杆6610。以这种方式，第一连杆6510和第二连杆6610形成具有第一旋转轴线A1(其充当俯仰轴线；术语俯仰是任意的)的腕状组件6500，第二连杆可以相对于第一连杆围绕第一旋转轴线A1旋转通过腕状组件的一定角度范围。
近侧第一连杆6510在第一连杆内和通过第一连杆限定第一引导路径6515，该第一引导路径6515从第一连杆的近端部分6511延伸至其远端部分6512。第一引导路径6515的至少部分平行于轴的中心线CL，但如下进一步所述相对于轴的中心线偏移。这样，第一引导路径6515的中心线CL1距轴的中心线CL偏移一定距离。在一些实施方式中，轴的中心线CL与第一连杆6510的中心线同轴并且与第一旋转轴线A1相交。
第二连杆6610具有近端部分6611和远端部分6612。如上所述，近端部分6611被可旋转地联接至第一连杆6510的远端部分6512，以形成腕状接头。旋转轴线A1位于轴的中心线CL上，并且在一些实施方式中，位于第一连杆6510的中心线上，以及第二连杆6610的中心线上，如图26所示。在处于图26-28所示的第一取向时，第一连杆6510的中心线CL与第二连杆6610的中心线是共线的。因此，为简单起见和避免与腕状组件6500中限定的路径和/或其它特征的中心线混淆，第一和第二连杆6510、6610以及腕状组件6500的中心线在处于图26-28的第一取向时在图26-28中被共同表示为CL。与上述腕状组件相似，第二连杆6610的远端部分6612包括连接件(未显示)，该连接件联接至工具元件6462，使得工具元件6462可以相对于腕状组件6500围绕第二旋转轴线(未显示)旋转通过一定角度范围。连接件可以是用于将工具元件6462可旋转地联接至第二连杆6610并形成工具接头的任何合适的连接件。
参考图26-28，第二连杆6610限定第二引导路径6615、保持袋6656、连接路径6655和组装路径6691。第二引导路径6615被限定在第二连杆的部分内并通过第二连杆的部分，并且从第二连杆的近端部分6611处的第一引导路径6515延伸至连接路径6655。连接路径6655被限定在第二连杆的部分内并通过第二连杆的部分，并且在第二引导路径6615与保持袋6656之间延伸。在一些实施方式中，连接路径6655具有与第二引导路径6615的中心线CL1相交的中心线CL2。第二连杆6610的壁6654围绕连接路径6655的部分。第二连杆6610将保持袋6656限定为在第二连杆6610内形成的内部空腔，该内部空腔在连接路径的一端处联接至连接路径6655。在一些实施方式中，第二连杆6610可以限定槽开口6658，该槽开口6658可以提供通向保持袋6656的入口，如用于张力元件6455的安装过程中。如下文还进一步详细地所述，保持袋6656被配置以在其中接收并保持联接至张力元件6455的保持元件6459。进一步，保持袋6656被设定尺寸以延伸超过其与连接路径6655的连接处的连接路径6655的横截面，使得围绕连接路径6655的壁6654形成阻挡部，该阻挡部可以帮助将保持元件6459保持在其中。类似于连接路径6655，组装路径6691也被限定在第二连杆6610的部分内并通过第二连杆6610的部分，并且还在保持袋6656与在第二引导路径6615的中心线CL1近侧的第二连杆的部分之间延伸。然而，如以下结合张力元件6455更详细地讨论，组装路径6691远离连接路径6655成角度——在该路径从保持袋6656向外延伸时。
连接路径6691的中心线CL2与第二引导路径6615的中心线CL1对齐，使得这两个路径一起在第一连杆6510中的第一引导路径6515与第二连杆6610内形成的保持袋6656之间形成张力元件的组合路径。这样，连接路径中心线CL2在这两条路径的交叉点处与第二引导路径中心线CL1相交。对齐的路径的相交中心线CL1、CL2在第二连杆6610内限定第一平面6605。在一些实施方式中，第一平面6605被定向使得其相对于第二连杆6610的纵向轴线是横向的。如图27所示，腕状组件6500中限定的第一平面6605相应于横截面图的线Q-Q。这样，根据图27所示的线Q-Q截取的图28的横截面图提供了沿第一平面6605(其包括第二引导路径6615的中心线CL1和连接路径6691的中心线CL2)的腕状组件6500的视图。
参考图27和29，组装路径6691不平行于第二引导路径6615。而是，如图29所示，组装路径6691在其从保持袋6656向外延伸时不平行于连接路径6655(或远离其成角度)。进一步，组装路径6691的中心线CL3被配置以在第二平面6609内不平行于连接路径6655的连接路径中心线CL2，该第二平面6609不平行于第一平面6605。由于连接路径6655和组装路径6691均与保持袋6656连接，当从第一平面6605以外的平面考虑时，在保持袋6656处组装路径的中心线CL3相对于连接路径的中心线CL2形成插入角度6695。
换言之，组装路径6691以插入角度6695从保持袋6656向外延伸，其被定向远离沿第一平面6605的连接路径6655并且远离第二连杆6610内张力元件6655的路径——包括第二引导路径6615和连接路径6655，二者对齐以在第一连杆引导路径6515与保持袋6656之间形成张力元件的路径。如以下进一步讨论，组装路径6691相对于连接路径6655和第一平面6605在插入角度6695下的取向允许张力元件6455更容易地在第二连杆6610内安装和布设，同时避免在安装期间损坏张力元件6455。进一步，第二连杆在位于连接路径6655与组装路径6691之间的第二连杆的内部处限定插入角度6695内的开放路径(参见图29)。换言之，连接路径6655的组装路径6694的位于这两个路径之间的内侧部分是打开的，使得在张力元件的安装期间张力元件6455可以在适当时从组装路径6691被移动至连接路径6655。
参考图26和29-31，张力元件6455具有近端部分6456、联接至保持元件6459的远端部分6458和设置在近端部分与远端部分之间的中心部分6457。近端部分6456位于第一连杆6510的第一引导路径6515的部分内。进一步，近端部分6456联接至器械轴(未显示)，该器械轴联接至传动机构(如上述传动机构4700)的壳体。中心部分6457在远端部分6458与近端部分6456之间，并且位于第二连杆6610的第二引导路径6615内和连接路径6655的部分内。保持元件6459连接至张力元件6455的远端部分6458，并且被配置以适配在保持袋6656内，使得张力元件的远端部分6458从保持元件6459和保持袋6656延伸至连接路径6655内。保持元件6459被设定尺寸，使得其在与张力元件的远端部分6458的连接处大于张力元件的远端部分6458。进一步，保持元件6459被设定尺寸以适配在保持袋6656内，使得围绕连接路径6655的壁6654形成阻挡部，以在将张力沿张力元件的纵向轴线施加至张力元件以提供第二连杆6610相对于第一连杆6510的俯仰移动时帮助将保持元件6459保持在保持袋6656内。换言之，保持元件6659、保持袋6656和连接路径6655被配置使得保持元件不能随连接路径6655移动。
因此，腕状组件6500被配置以在沿图26所示的方向BB的俯仰移动过程中将张力元件6455牢固地保持在连接路径6655和第二引导路径6615内，例如以进行围绕第一轴线A1远离图26所示的第一取向的角度旋转。保持袋6656基于有益特征将保持元件6459牢固地保持在其中，如阻挡特征(如围绕连接路径6655的部分的壁6654)的干涉，以及保持袋6656被设定尺寸以大于连接路径6691的横截面，以及保持元件被设定尺寸以适配在保持袋6656内，并且还延伸超过远端部分6458的横截面。
另外，腕状组件6500进一步被配置以提高在腕状组件6500内安装张力元件6455(包括将张力元件6455布设通过第二连杆6610，和将保持元件6459安装在保持袋6656以及其它可提供将张力元件保持在第二连杆6610内的益处的部件内)的容易性。进一步，腕状组件6500被配置以降低张力元件6455在安装期间被损坏的可能性，如避免张力元件内形成弯曲或扭结，和降低安装对张力元件的割伤和磨损的可能性。对张力元件的这种损坏可以引起张力元件内的应力集中区域，使腐蚀发生得更快，不利地影响其结构完整性，改变其性能性质，和以其它方式降低张力元件的功能、寿命和性能。
参考图29-30，器械6400和腕状组件6500被配置以允许张力元件6455和保持元件6459在其中容易地安装，并且提供上述保持益处，以及降低在安装期间损坏张力元件6455的可能性。如图29-30所示例，腕状组件6400和张力元件6455被配置使得张力元件6455的近端部分6456和中心部分6457可以：A)被沿组装路径中心线CL3插入通过组装路径6691；和B)近端部分6456和中心部分6457可以被旋转直至近端部分6456处于第一引导路径6515内(图26)，并且中心部分6457处于第二引导路径6615内，使得在组装时远端部分6458处于连接路径6455内。
如图31A所示，张力元件6455可以基于其弹性模量和其它张力元件性质在其挠性范围内被以适当的弯曲角度6495挠曲，以辅助张力元件的安装，同时避免可损坏张力元件的过度弯曲或挠曲。可以通过将近端部分6456和中心部分6457螺入第二连杆通过保持袋6656的暴露槽开口6658来安装张力元件6455。弯曲角度6495可以是如图31A所示的锐角，其使张力元件相对于保持元件6459以小角度挠曲以辅助安装，同时避免扭结、永久性弯曲或以其它方式损坏张力元件，如在显著更大弯曲角度下可能发生(的那些)。在一些实施方式中，弯曲角度可以大于组装角度6695。在一些实施方式中，弯曲角度可以与组装角度6695相同，并且在一些实施方式中，弯曲角度可以小于组装角度6695。如上所述，组装路径6691被配置和相对于保持袋定向，使得组装路径远离连接路径6695成角度——在这些路径从保持袋6656以角度6695向外延伸时。另外，如图31B和31C所示，组装路径的中心线CL1可以被远离连接路径6656定向，使得组装路径6695尽可能与槽开口6658对齐。这样，安装路径被形成，通过槽开口6658和保持袋6656，并进入和通过成角度的组装路径6691，这避免了为将张力元件安装在腕状组件6500内而使张力元件6455以大弯曲角度挠曲或通过轮廓化路径。
当张力元件6455已经完全螺入通过组装路径6595，使得保持元件6459如图31C所示被保持和安装保持袋6656内时，张力元件可以被从组装路径6695移动至连接路径6655中——通过这两个路径之间间隔的开口。因此，可以将张力元件6455连同保持元件6459安装在腕状组件6500内，而不显著弯曲或挠曲该张力元件或将其布设通过会损坏张力元件的急弯。在一些实施方式(未显示)中，在张力元件已被部分地安装之后，如处于图31B所示的位置时，保持元件6459可以被联接至张力元件的远端部分6458。这样做可以进一步避免张力元件在安装期间的过度弯曲和挠曲。然而，在部分安装张力元件之后将保持元件6459联接至张力元件6455可增加其它困难，如在附接保持元件时增加损坏腕状组件6500的可能性，或降低保持元件6459与张力元件的远端部分6458之间连接的质量或完整性。
本文结合各种实施方式所讨论的多种益处和优点可以适用于本文显示或描述的其它实例实施方式，和/或在再其它实施方式中组合。例如，涉及具有被配置以提供俯仰移动的一个或多个张力元件的腕状组件6500的多个方面和特征可以与具有提供俯仰移动连同末端执行器的移动的张力元件的其它实施方式组合。例如，在一些实施方式中，类似于腕状组件6500的张力元件6455的一个或多个张力元件可以被添加至另一器械，如器械5400和腕状组件5500。换言之，尽管器械5500被显示为包括四线缆腕状组件5500，但在其它实施方式中，腕状组件5500可以包括两根另外的俯仰线缆。在这种实施方式中，四个线缆末端(例如，5421、5431、5441、5451)可以沿与上述类似的摩擦降低的引导路径的被布设，并且可以被操纵以控制末端执行器的抓握或偏航旋转，并且两个另外的线缆末端(参见7456、7457)可以被操纵以控制俯仰移动。此外，在这种实施方式中，俯仰缆线(或缆线末端)可以以与以上参考器械6400描述的方式类似的方式被安装。
例如，图32-41显示了根据实施方式的具有腕状组件7500的器械7400。除下文所述外，该器械总体上包括上述器械(包括器械2400、3400、4400和5400)以及相应的腕状组件的低摩擦方面和构件。具体地，器械7400包括上文关于器械5400和腕状组件5500(参见图18-25)描述的某些构件和特征，并且这种构件下文不再详细描述。另外，与器械5400不同，器械7400还包括另外的张力元件7455(具有两个近端7456和7457)，使得腕状组件7500是六线缆腕部。下文讨论了腕状组件7400的另外的引导路径、俯仰控制和移动以及俯仰张力元件7455的安装。
图32-42所示的器械7400和腕状组件7500可以包括任何合适的传动组件(图32-42中未显示)，如上述传动组件5700。另外，器械7400包括器械轴5410、腕状组件7500和末端执行器5460。参考图32，器械7400还包括将传动组件联接至腕状组件7500的第一张力元件5420和第二张力元件5440，如以上参考图18-25更详细地描述。然而，器械7400被配置使得张力元件5420、5440的移动可以产生末端执行器5460围绕第二旋转轴线A2(“偏航轴线”)的偏航旋转、和末端执行器5460的工具元件围绕偏航轴线的抓握旋转、或这些移动的任何组合。另外，器械7400和腕状组件7500包括第三张力元件7455，其在移动时通过使第二连杆7610相对于第一连杆5510围绕第一轴线A1旋转一定角度旋转范围而产生俯仰移动，下文进一步所述。在其它实施方式(未显示)中，俯仰移动可以通过第一和第二张力元件的移动连同第三俯仰张力元件的移动的组合来提供。
参考图32，腕状组件7500包括近侧第一连杆5510和远侧第二连杆7610。第一连杆5510具有近端部分5511和远端部分5512。近端部分5511联接至器械轴5410的远端部分5412。远端部分5512包括接头部分5540，其被可旋转地联接至第二连杆5610的配合接头部分7640。以这种方式，第一连杆5510和第二连杆7610形成腕状组件5500，其具有第一旋转轴线A1(也称为俯仰轴线)，第二连杆7610可以围绕第一旋转轴线A1相对于第一连杆5510旋转。如图32所示，第一连杆5510和第二连杆7610限定纵向中心线，该纵向中心线在器械处于第一(或“笔直”)取向时与俯仰轴线A1相交，该纵向中心线与轴中心线CL共线。如图35所示，第一连杆5510限定第五引导路径7550和第六引导路径7555，其被配置以引导第三张力元件7455的部分，如下文进一步所述。第五引导路径7550和第六引导路径7555类似于以上参考图11显示和描述的引导路径4550。
参考图32-37，远侧第二连杆7610具有近端部分7611和远端部分7612。如上所述，近端部分7611包括接头部分7640，其被可旋转地联接至第一连杆5510的接头部分5540。第二连杆7610的远端部分7612包括联接至末端执行器5460的连接件7680。以这种方式，第一工具元件5462和第二工具元件5482可以相对于第二连杆7610围绕第二旋转轴线(也称为偏航轴线)A2旋转。除了第一张力元件5420和第二张力元件5440的引导路径(其类似于上述引导路径5615、5620)外，第二连杆7610还限定第五引导路径7650、第六引导路径7652、保持袋7656、连接路径7655和组装路径7691。第五引导路径7650和第六引导路径7652各自被限定在第二连杆的部分内并通过第二连杆的部分，并且各自从第二连杆5510的第五引导路径7550和第六引导路径7555中的相应一个延伸至连接路径7655。
如图34、41和42所示，连接路径7655被限定在第二连杆7610的部分内并通过第二连杆7610的部分，并且在保持袋7656与第五和第六引导路径7650、7652中的每一个之间延伸。在一些实施方式中，连接路径7655具有中心线CL2，其与第五和第六引导路径7650、7655中的每一个的中心线CL1相交(图36)。参考图36和37，第二连杆7610的壁7654围绕连接路径7655的部分。第二连杆7610将保持袋7656限定为在第二连杆7610内形成的内部空腔，该内部空腔联接至连接路径7655的中心部分。第二连杆7610限定槽开口7658，该槽开口7658可以提供通向保持袋7656的入口，如用于张力元件7455的安装过程中。如下文进一步详细描述，保持袋7656被配置以在其中接收和保持联接至张力元件7455的保持元件7459。进一步，保持袋7656被设定尺寸为大于连接路径7655的横截面，使得围绕连接路径7655的壁7654形成阻挡部，该阻挡部可以帮助将保持元件7459保持在其中。类似于连接路径7655，组装路径7691也被限定在第二连杆7610的部分内并通过第二连杆7610的部分，并且还从保持袋7656延伸至在第五和第六引导路径7650、7652中的每一个的中心线CL1近侧的第二连杆的部分。然而，如下文结合张力元件7455更详细地讨论，组装路径7691远离连接路径7655成角度——在这些路径从保持袋7656向外延伸时。
连接路径7691的中心线CL2与第五和第六引导路径7650、7652的中心线CL1对齐。因此，连接路径7691和这两个引导路径7650、7652一起在第一连杆5510中在第五和第六引导路径7550、7555之间形成张力元件7455的组合路径，该组合路径延伸通过在第二连杆7610中形成的保持袋7656。这样，在连接路径与第五和第六引导路径7650、7652的相交点处，连接路径中心线CL2与中心线CL1相交。路径7550、7555的中心线CL1在第二连杆7610内限定第一平面7605(图39)。在一些实施方式中，第一平面7605被定向使得其相对于第二连杆7610的纵向轴线是横向的。连接路径7691的中心线CL2可以位于第二连杆7610内的第二平面7609内(图39)。第二平面7609可以垂直于第一平面7605。
参考图41和42——其显示了沿第二平面7609截取的第二连杆7610的横截面，组装路径7691不平行于第五和第六引导路径7650、7652。而是，如图41所示，组装路径7691不平行于连接路径7655(或远离其成角度)——在其从保持袋7656向外延伸时。换言之，组装路径7691的中心线CL3被配置以在第二平面7609内不平行于连接路径7655的连接路径中心线CL2，该第二平面7609不平行于第一平面7605。由于连接路径7655和组装路径7691均与保持袋7656连接，当从第一平面7605以外的平面考虑时，在保持袋7656处组装路径的中心线CL3相对于连接路径的中心线CL2形成插入角度7695。
换言之，组装路径7691以插入角度7695从保持袋7656向外延伸，其被定向远离沿第一平面7605的连接路径7655和远离第二连杆7610内张力元件7655的第五和第六引导路径7650、7652。插入角度7695可以具有任何合适的值，例如，5度至45度。如下文进一步讨论，组装路径7691相对于连接路径7655和第一平面7605在插入角度7695下的取向允许张力元件7455更容易地在第二连杆7610内被安装和布设，同时避免在安装期间损坏张力元件7455。进一步，第二连杆7610限定在插入角7695内的位于连接路径7655与组装路径7691之间的第二连杆的内部处的开放路径(参见图41)。换言之，连接路径7655和组装路径7691的位于这两个路径之间的内侧部分是打开的，使得在张力元件的安装期间，张力元件7455可以在适当时被从组装路径7691移动至连接路径7655。
参考图34、35、38和39，张力元件7455具有第一近端部分7456、联接至保持元件7459的远端部分7458、设置在第一近端部分与远端部分之间的第一中心部分7493、和设置在远端部分与第二近端部分之间的第二中心部分7494。在安装时，第一近端部分7456位于第一连杆5510的第五引导路径7550的部分内。类似地，第二近端部分7457位于第一连杆5510的第六引导路径7555的部分内。进一步，第一和第二近端部分7456、7457各自被布设在器械轴(未显示)内，该器械轴联接至传动机构(如上述传动机构5700)的壳体。第一中心部分7493处于第一远端部分7458与近端部分7458之间，并且位于第二连杆7610的第五引导路径7650内和连接路径7655的部分内。第二中心部分7494处于第二远端部分7457与近端部分7458之间，并且位于第二连杆7610的第六引导路径7652内和连接路径7655的部分内。
保持元件7459连接至张力元件7455的远端部分7458，并且被配置以适配在保持袋7656内，使得张力元件的远端部分7458从保持元件7459和保持袋7656延伸至连接路径7655内。保持元件7459被设定尺寸，使得其在其与张力元件的远端部分7458的连接处大于张力元件的远端部分7458。进一步，保持元件7459被设定尺寸以适配在保持袋7656内，使得围绕连接路径7655的壁7654形成阻挡部，以当沿张力元件的纵向轴线(图35所示的箭头A-B)将张力施加至张力元件以提供第二连杆7610相对于第一连杆7510的俯仰移动时，辅助将保持元件7459保持在保持袋7656内。换言之，保持元件7659、保持袋7656和连接路径7655被配置使得保持元件不能随连接路径7655移动。
因此，腕状组件7500被配置以在俯仰移动期间将张力元件7455牢固地保持在连接路径7655以及第五和第六引导路径7650、7655内，例如以进行围绕第一轴线A1的远离图32和35所示的第一取向的角度旋转。保持袋7656基于有益特征将保持元件7459牢固地保持在其中，如阻挡特征(如围绕连接路径7655的部分的壁7654)的干涉)，以及保持袋7656被设定尺寸以大于连接路径7655的横截面，并且保持元件被设定尺寸以适配在保持袋7656内并且还大于远端部分7458的横截面。
另外，腕状组件7500被进一步配置以提高在腕状组件7500内安装张力元件7455(包括将张力元件7455布设通过第二连杆7610，和将保持元件7459安装在保持袋7656以及其它可提供将张力元件保持在第二连杆7610内的益处的部件内)的容易性。进一步，腕状组件7500被配置以降低张力元件7455在安装期间被损坏的可能性，如避免张力元件内形成弯曲或扭结，和降低安装对张力元件的割伤和磨损的可能性。
参考图39-42，器械7400和腕状组件7500被配置以允许将张力元件7455和保持元件7459容易地安装在其中，连同提供上述保持益处，以及降低在安装期间损坏张力元件7455的可能性。如图39-42所示例，腕状组件7400和张力元件7455被配置使得张力元件7455的近端部分7456以及第一和第二中心部分7493、7394中的每一个可以：A)被沿组装路径中心线CL2插入通过组装路径7691；和B)第一和第二近端部分7456、7457以及第一和第二中心部分7493、7394可以被旋转直至第一和第二近端部分7456、7457中的每一个处于第一连杆5510的相应第五和第六引导路径7550、7555内(图35)，并且第一和第二中心部分7493、7494各自处于相应第五和第六引导路径7650、7652内，使得在组装时远端部分7458处于连接路径7455内。
如图40和42所示，张力元件7455可以基于其弹性模量和其它张力元件性质在其挠性范围内以适当的弯曲角度挠曲以辅助张力元件的安装，同时避免可以损坏张力元件的过度弯曲或挠曲。可以将第一和第二近端部分7456、7457以及第一和第二中心部分7493、7494通过保持袋7656的暴露槽开口7658螺入第二连杆中来安装张力元件7455。弯曲角度7495可以是如图42所示的锐角，其使张力元件相对于保持元件7459以小角度挠曲以辅助安装，同时避免扭结、永久性弯曲或以其它方式损坏张力元件，如在显著更大弯曲角度下可能发生(的那些)。在一些实施方式中，弯曲角度可以大于组装角度7695。在一些实施方式中，弯曲角度可以与组装角度7695相同，并且在一些实施方式中，弯曲角度可以小于组装角度7695。
如上所述，组装路径7691被配置并且相对于保持袋定向，使得组装路径远离连接路径7655成角度——在这些路径以角度7695从保持袋7656向外延伸时。另外，如图39-42所示，组装路径的中心线CL3可以被定向远离连接路径7655，使得组装路径7691尽可能与槽开口7658对齐。这样，形成安装路径，通过槽开口7658和保持袋7656并进入和通过成角度的组装路径7691，这避免了为将张力元件安装在腕状组件7500内而使张力元件7455以大弯曲角度挠曲或通过轮廓化路径。
当张力元件7455已被螺入通过组装路径7691使得保持元件7459如图42所示被保持和安装在保持袋7656内时，张力元件可以从组装路径7691被移动至连接路径765中——通过这两个路径之间间隔的开口。因此，可以将张力元件7455连同保持元件7459安装在腕状组件7500内，而不使张力元件显著弯曲或挠曲或将其布设通过会损坏张力元件的急弯。在一些实施方式中(未显示)，可在张力元件已被部分安装之后将保持元件联接至张力元件的远端部分。这样做可以进一步避免张力元件在安装期间的过度弯曲和挠曲。
尽管上文已经描述了各种实施方式，但是应理解，其仅以实例而非限制的方式呈现。在上述方法和/或示意图指示以某顺序发生的某些事件和/或流程模式的情况下，某些事件和/或操作的顺序可以被改变。尽管已经具体显示和描述了实施方式，但是应理解，可以进行形式和细节上的各种改变。
例如，本文所述的任何器械(及其中的构件)任选地是手术组件的部件，该手术组件执行微创手术程序，并且可以包括操纵器单元、一系列运动学连接、一系列插管等。因此，本文所述的任何器械可以用于任何合适的手术系统，如以上显示和描述的MIRS系统1000。此外，本文显示和描述的任何器械可以用于在手术程序期间操纵目标组织。这种目标组织可以是癌细胞、肿瘤细胞、损伤、血管阻塞、血栓形成、结石、子宫肌瘤(uterine fibroids)、骨转移、子宫内膜异位或任何其它身体组织。展示的目标组织的实例不是详尽列举。此外，目标结构还可以包括在身体内或与身体相关的人工物质(或非组织)，如例如，支架、人工管路的部分、身体内的紧固件等。
例如，任何工具元件可以由任何材料(如医用级不锈钢、镍合金、钛合金等)构成。进一步，本文所述的连杆、工具元件、张力元件或构件中的任一种可以由多件构成，该多件之后被连接在一起。例如，在一些实施方式中，连杆可以通过将分开构造的构件连接在一起而构成。然而，在其它实施方式中，本文所述的连杆、工具元件、张力元件或构件中的任一种可以是整体构造的。
尽管总体上将器械显示为具有垂直于第一旋转轴线A1的第二旋转轴线A2，但是在其它实施方式中，本文所述的任何器械可以包括距第一旋转轴线A1偏移任何适当角度的第二旋转轴线A2。
尽管已经将各种实施方式描述为具有具体特征和/或构件组合，但是具有来自上述实施方式中的任一种的任何特征和/或构件的组合的其它实施方式是可能的。已经在医疗装置和更具体地手术器械的总体环境下描述了方面，但是本发明方面不必限于在医疗装置中的应用。
例如，在一些实施方式中，器械可以包括张力元件，该张力元件如上文参考器械5400所述被扭转并且还具有一个或多个连杆(例如，第一连杆或第二连杆)，该连杆包括上文参考器械3400所述的内引导表面或外引导表面。因此，在一些实施方式中，该器械可以包括这样的腕状组件：其限定引导表面，该引导表面可以沿纵向中心线弯曲并且可以沿垂直于纵向中心线的横截面具有线性表面。

Claims (20)

1.设备，包括：
联接至器械轴的第一连杆，所述第一连杆包括第一引导路径；
第二连杆，所述第二连杆包括第二引导路径、保持袋、连接路径、壁和组装路径，所述第二连杆联接至所述第一连杆，所述第二连杆能相对于所述第一连杆围绕第一轴线旋转，所述连接路径延伸通过在所述第二引导路径与所述保持袋之间的所述第二连杆的部分，所述第二连杆的壁围绕所述连接路径的部分，连接路径中心线和所述第二引导路径的中心线在所述第二连杆内限定第一平面，所述组装路径通过所述第二连杆的所述部分延伸到所述保持袋中，并且所述组装路径的组装路径中心线在不平行于所述第一平面的第二平面内不平行于所述连接路径中心线；和
张力元件，所述张力元件包括第一张力元件部分、第二张力元件部分和联接至所述第二张力元件部分的保持元件，所述第一张力元件部分被配置以A)沿所述组装路径中心线被插入通过所述组装路径和B)被旋转直至所述第一张力元件部分处于所述第二引导路径内，所述保持元件在所述第一张力元件部分旋转后被保持在所述保持袋内，使得所述张力元件相对于所述第二连杆的移动受限，并且所述第一张力元件部分在所述第二引导路径内的移动促使所述第二连杆相对于所述第一连杆围绕所述第一轴线旋转。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述张力元件是线缆，并且所述保持元件包括线缆压接部。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述保持元件被配置以，在安装过程中，在所述线缆压接部处具有自松弛状态相对于所述张力元件的纵向轴线的角度扭转。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述保持元件被配置以在安装后恢复至无角度扭转的松弛状态。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中所述第一张力元件部分旋转通过约90度的安装角度。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，所述第二连杆包括细长槽，所述保持元件被配置以当所述张力元件部分旋转时滑动通过所述细长槽并进入所述保持袋中。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中所述保持袋的尺寸大于所述连接路径的尺寸。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中所述第二平面横穿所述第一平面。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中所述组装路径中心线和所述连接路径中心线形成5度至45度之间的插入角度。
10.设备，包括：
联接至器械轴的第一连杆，所述第一连杆包括第一引导路径；
第二连杆，所述第二连杆包括第二引导路径、保持袋、连接路径、第一壁、第二壁和组装路径，所述第二连杆联接至所述第一连杆，所述第二连杆能相对于所述第一连杆围绕第一轴线旋转，所述连接路径延伸通过在所述第二引导路径与所述保持袋之间的所述第二连杆的部分，所述第一壁包括打开到所述保持袋中的细长槽，所述第二连杆的第二壁限定所述保持袋的远侧边界，连接路径中心线和所述第二引导路径的中心线在所述第二连杆内限定第一平面，所述组装路径延伸通过所述第二连杆的所述部分进入到所述保持袋中，并且所述组装路径的组装路径中心线在不平行于所述第一平面的第二平面内不平行于所述连接路径中心线；和
张力元件，所述张力元件包括第一张力元件部分、第二张力元件部分和联接至所述第二张力元件部分的保持元件，所述第一张力元件部分被配置以A)沿所述组装路径中心线被插入通过所述细长槽和所述组装路径和B)被旋转直至所述第一张力元件部分处于所述第二引导路径内，所述保持元件在所述第一张力元件部分旋转后被保持在所述保持袋内，使得所述张力元件相对于所述第二连杆的移动受限，并且所述第一张力元件部分在所述第二引导路径内的移动促使所述第二连杆相对于所述第一连杆围绕所述第一轴线旋转。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述张力元件是线缆，并且所述保持元件包括线缆压接部。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述保持元件被配置以，在安装过程中，在所述线缆压接部处具有自松弛状态相对于所述张力元件的纵向轴线的角度扭转。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述保持元件被配置以在安装后恢复至无角度扭转的松弛状态。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的设备，其中所述第一张力元件部分旋转通过约90度的安装角度。
15.组装腕状组件的部分的方法，所述腕状组件包括张力元件、第一连杆和第二连杆，所述第一连杆限定第一引导路径，所述第二连杆包括组装路径、保持袋、第二引导路径和连接路径，所述第二连杆联接至所述第一连杆，并且所述第二连杆能相对于所述第一连杆围绕第一轴线旋转，所述方法包括：
将所述张力元件的第一末端部分插入通过所述第二连杆内的所述组装路径，所述组装路径延伸通过所述第二连杆的部分进入由所述第二连杆限定的保持袋中，并且所述张力元件包括第二末端部分和联接至所述第二末端部分的保持元件；和
在插入后，使所述张力元件围绕不平行于所述张力元件的所述第一末端部分的纵向轴线的旋转轴线旋转，所述旋转导致所述张力元件的所述第一末端部分处于所述第二连杆的所述第二引导路径和所述连接路径内，所述连接路径延伸通过在所述第二引导路径与所述保持袋之间的所述第二连杆的部分，并且所述组装路径的组装路径中心线不平行于所述连接路径的连接路径中心线。
16.根据权利要求15所述的组装所述腕状组件的部分的方法，进一步包括：
将所述张力元件的所述第一末端部分插入所述第一引导路径中。
17.根据权利要求15所述的组装所述腕状组件的部分的方法，其中所述旋转包括使所述张力元件旋转通过5度至45度之间的角度。
18.根据权利要求15所述的组装所述腕状组件的部分的方法，其中所述旋转包括使所述张力元件的部分旋转通过约60度至90度之间的安装角。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的安装所述腕状组件的部分的方法，其中所述插入包括将所述张力元件的所述第一末端部分插入通过所述第二连杆的细长槽。
20.根据权利要求15-18中任一项所述的安装所述腕状组件的部分的方法，其中所述保持袋的尺寸大于所述连接路径的尺寸。
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