CN113038886B - 可展和可折叠的轴展开机构 - Google Patents

Abstract

一种中空杆可展致动器工具，包括：第一连杆，其包括外圆筒；展开环，其包括第二连杆和第三连杆，第二连杆包括在第一接头处可枢转地联接到第一连杆的第一部分，第一接头安装在外圆筒的壁中的第一空腔中，第三连杆包括在第二连杆处可枢转地联接到第一部分的第二工具部分，以及包括内圆筒的第四连杆，展开环的第二部分也在安装在内圆筒的壁的第二空腔中的第三连杆处可枢转地联接到所述内圆筒。当第四连杆的内圆筒相对于第一连杆的外圆筒旋转时，致动器工具从展开环收纳在工具内的第一状态转变到展开环向外展开的第二状态。

Description

可展和可折叠的轴展开机构

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年9月18日提交的共同未决的美国临时申请62/732，909的优先权和权益，该申请涉及两个申请共有的所有主题。所述临时申请的公开内容通过引用整体结合于此。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在国家自然科学基金委员会授予的NSF第1663345号资助下，由政府支持完成的。政府对这项发明有一定的权利。

技术领域

本发明涉及工具，更具体地说，涉及设置在中空杆内的致动机构，该致动机构适于执行任务，例如从内部将物体展开到中空杆外部。

背景技术

通常，在具有设置在中空柱形轴、管或杆内的致动机构的工具领域中，传统工具通常只允许一个机构或单一功能在杆的端部操作。当中空杆的内部横截面积小时尤其如此。尽管柱形轴的端部存在这些可互换的附件(例如，带有差动钻头的螺丝刀)，但这仍然需要工具从工作空间缩回以手动进行切换。任何附加功能通常都需要附加的独立工具。

发明内容

需要具有多个可展致动机构的中空杆可展致动机构，所述可展致动机构设置在具有小横截面积的中空杆内。除了具有其他期望的特征之外，本发明还致力于解决这一需求的其他解决方案。其他期望的特征包括多功能性，而不需要装置缩回或额外的工具来执行需要多个装置的功能。

根据本发明的实施例，提供了一种中空杆可展致动器工具。该工具包括具有外圆筒的第一连杆、第一展开环以及包含内圆筒的第四连杆，其中，第一展开环具有包含所述展开环的第一部分的第二连杆和包含所述展开环的第二部分的第三连杆。

第一连杆上的外圆筒包括具有第一孔的第一端、具有第二孔的第二端、在第一端和第二端之间延伸的第一壁，第一壁限定中空杆的外圆周和从第一端到第二端从中穿过的中心通道，以及设置在第一壁中的第一空腔，第一空腔中安装有第一接头。

包括第一展开环的第一部分的第二连杆包括在第一接头处可枢转地联接到第一连杆的第一壁的第一端、具有第二接头的第二端以及在第一端和第二端之间延伸的主体。

包括第一展开环的第二部分的第三连杆包括在第二接头处可枢转地联接到第二连杆的主体的第一端、可枢转地联接到第三接头的第二端以及在第一端和第二端之间延伸的主体。

第四连杆的内圆筒设置在第一连杆的外圆筒的中心通道中，并包括具有第一孔的第一端、具有第二孔的第二端、在第一端和第二端之间延伸的第二壁，所述第二壁限定了中空杆的内圆周和从第一端到第二端从其中穿过的中心通道，以及在第二壁中的第二空腔，所述第二空腔具有可枢转地联接到第三连杆的主体的第三接头。

当第四连杆的内圆筒相对于第一连杆的外圆筒旋转使得第一接头和第三接头沿着工具的周边远离彼此移动时，工具从第一状态转变到第二状态，在第一状态中，展开环位于相应的第一壁和第二壁的第一空腔和第二空腔内，在第二状态中，展开环延伸到工具的外圆周的外部。

根据本发明的方面，诸如相机或灯的装置可以附接到展开环。在一些这样的方面，提供了用于将该装置附接到展开环的安装件。

根据本发明的方面，第二连杆的主体和第三连杆的主体中的至少一个被弯曲成匹配第一连杆的曲率，使得当致动器工具处于第一状态时，第二连杆和第三连杆与外圆周齐平。

根据本发明的方面，第一空腔和第二空腔位于第一连杆的第二孔和第四连杆的第四孔附近。

根据本发明的方面，第二连杆的主体在垂直于中心通道的第一平面中围绕第一接头枢转，第三连杆在垂直于中心通道并与第一平面偏移的第二平面中围绕第三接头枢转。

根据本发明的方面，连接展开环的第二连杆和第三连杆的第二接头是顺从性(compliant)部段。

根据本发明的各方面，第一接头和第三接头是顺从性部段。

根据本发明的方面，中空杆可展致动器工具还包括第二展开环。第二展开环包括第五连杆和第六连杆，第五连杆包括第二展开环的第一段，第六连杆包括第二展开环的第二部分。

根据本发明的方面，第五连杆包括第二展开环的第一部分，该第一部分包括在第一连杆的第三空腔中的第四接头处可枢转地联接到第一连杆的第一壁的第一端、具有第五接头的第二端以及在第一端和第二端之间延伸的主体。

根据本发明的方面，第六连杆包括展开环的第二部分，该第二部分包括在第五接头处可枢转地联接到第五连杆的主体的第一端、在第四连杆的第四空腔中的第六接头处可枢转地联接到第四连杆的第二壁的第二端、以及在第一端和第二端之间延伸的主体。

当第四连杆的内圆筒相对于第一连杆的外圆筒旋转，使得第四接头和第六接头沿着中空杆的周边远离彼此移动时，致动器工具从第一状态转变到第二状态，在第一状态中，第二展开环位于相应的第一壁和第二壁的第一空腔和第二空腔内，在第二状态中，第二展开环延伸到中空杆的外圆周的外部。

根据本发明的各方面，一装置可以附接到第二展开环。在某些这样的方面，提供了用于将装置附接到第二展开环的安装件。

根据本发明的方面，当致动器工具处于第一状态时，第五连杆的主体和第六连杆的主体中的至少一个被弯曲以匹配第一连杆的曲率，使得第五连杆和第六连杆与外圆周齐平。

根据本发明的各方面，连接第二展开环的第五连杆和第六连杆的第五接头是顺从性部段。

根据本发明的各方面，第四接头和第六接头是顺从性部段。

根据本发明的实施例，提供了一种使用中空杆可展致动器工具的方法。该方法包括提供中空杆可展致动器工具和致动该工具的步骤。

中空杆可展致动器工具是如本文所述的工具，并且包括包含外圆筒的第一连杆、包含第二连杆和第三连杆的展开环以及包含内圆筒的第四连杆。

致动工具包括使第四连杆的内圆筒相对于第一连杆的外圆筒旋转，使得第一接头和第三接头沿着工具的周边远离彼此移动，以将工具从第一状态转变到第二状态。

根据某些方面，该方法可以进一步包括收纳工具的展开环。这包括使第四连杆的内圆筒相对于第一连杆的外圆筒旋转，使得第一接头和第三接头沿着工具的周边朝向彼此移动，以将工具从第二状态转变到第一状态。

附图说明

通过结合附图参考以下详细描述，将更全面地理解本发明的这些和其他特征，其中：

图1示出了具有展开环可展致动器机构的中空杆可展致动器工具的连续图示，该工具通过不同的致动阶段从收纳在杆内转变到展开环；

图2是处于展开构造的中空杆可展致动器工具的图像，其中装置设置在展开环中；

图3是具有用作扩张器的多个展开环的中空杆可展致动器工具的示意图；

图4示出了具有两个展开环致动器机构的中空杆可展致动器工具的连续图示，该工具通过不同的致动阶段从收纳在杆内过渡到部分地展开，再转变到完全展开；

图5示出了附接到较长轴的中空杆可展致动器工具；

图6示出了图1所示机构的兼容版本；

图7A和图7B示出了机构展开环处于收纳构造然后处于完全展开构造的兼容版本，特别是展开环由于其兼容构造而处于同一平面；

图8A示出了中空杆和双稳态展开环部件；

图8B示出了具有双稳态展开环致动器机构的中空杆可展致动器工具的连续图示，该工具通过不同的致动阶段从收纳在杆内转变到部分地展开，再转变到完全展开；

图8C示出了具有可拆卸展开环的中空杆可展致动器工具，其中展开环被拆卸；

图8D示出了附接有展开环的图8C的中空杆可展致动器工具；

图9是描述使用本发明的中空杆可展致动器工具的方法的流程图；和

图10描绘了一种中空杆可展致动器工具，其中展开环延伸，并且物体通过中心通道插入。

具体实施方式

本发明的说明性实施例涉及一种中空杆多功能可展致动器工具。该工具包括柱形管，所述柱形管隐藏了弯曲连杆(可展开的)四杆机构，该四杆机构可以致动为邻近管形成具有中空中心的展开环。当所述装置关闭时，管类似于简单的柱形管。当该机构在展开状态下打开时，一个或多个展开环向外延伸超过柱形管，并可用于支撑任何数量的致动器或装置等。同时在整个展开过程中仍保持中心管中空。

沿着管的长度可以包括多个展开环。柱形管上的单个或多个机构能够使管通过限定的入口进入工作空间，然后膨胀以允许多个工具或其他装置进入工作空间，然后被保持、指向、定向、致动、利用等，而不需要为工作空间创建多个入口或也不需要额外的独立工具。例如，利用本发明的微创外科手术工具可以通过通向体腔(例如腹部)的小切口进入，使用本发明的机构(见图2)从柱形管展开两个相机，然后允许第三工具(例如一对镊子)通过原始中空杆柱形管来执行手术任务，同时双相机提供工作空间中的立体(3D)视觉。还存在许多其他非手术示例应用，例如用于光、烧灼器、激光、真空、水射流、电源等的附件。

系统中可以包含兼容部件，使系统成为双稳态或多稳态。这些部分也可以用来把双系统放在同一平面中。

放置在中空杆上的多个机构也可以实现膨胀/扩张运动，例如支架或微创外科扩张工具(见图3)。这允许直径控制扩张，其与内圆筒的致动直接成正比。这提供了优于传统球囊导管或支架的优点，在传统球囊导管或支架中，扩张是基于压力的，并且实际扩张可能因患者而异。

图1至图10示出了根据本发明的中空杆可展致动器工具的一个或多个示例性实施例，其中相同的部分始终由相同的附图标记表示。尽管本发明将参考附图中示出的一个示例性实施例或多个示例性实施例进行描述，但是应当理解，许多替代形式可以体现本发明。本领域技术人员将另外理解以仍然符合本发明的精神和范围的方式改变所公开的实施例的参数的不同方式，例如元件或材料的尺寸、形状或类型。

如这里所使用的，术语“可展”具有特定的含义。可展曲面是一种可以由薄片材料制成而不断裂或拉伸的形状。术语“可展机构”或“可展致动器”是在此使用的可互换术语，描述了符合可展表面或由可展表面形成的机构。可展机构可以符合或从可展表面出现，如飞机机身和机翼、潜艇外壳、火箭锥和微创手术工具。该机构由两个同心圆筒组成。

同样如本文所使用的，当处于未展开的第一状态时，容纳在柱形管或杆内的本发明的机构被认为是“闭合的(closed)”，其嵌套在管壁中的空腔内并容纳在工具的外圆周内，当处于展开的第二状态时，本发明的机构被认为是“打开的(open)”，其从空腔向外膨胀并超过管壁位于工具的外圆周外部。

图1示出了操作中的中空杆可展致动器工具100的连续俯视图图像。图2是中空杆可展致动器工具100的透视图，其具有第二展开环和附接到展开环的安装件。图3是具有多个展开环的中空杆可展杆致动器的自上而下视图。图4示出了操作中的空中空杆可展致动器工具100的连续图像。图5示出了具有延伸轴的中空杆可展致动器工具100。

在图1的实施例中，工具100的机构包括两个同心圆筒。一个四杆机构，一个弯曲的或适合的曲柄滑块，适配于外圆筒的直径和厚度，因此该机构的单个连杆具有与外圆筒相同的曲率(尽管这不是操作的要求)。构成四杆机构的元件包括：包括外圆筒的第一连杆102、包括第二连杆106和第三连杆108的第一展开环104、以及包括设置在第一连杆102的中心通道118内的内圆筒的第四连杆110。

第一连杆102的外圆筒具有带有第一孔的第一端112、带有第二孔的第二端114、以及在第一端112和第二端114之间延伸的第一壁116，所述第一壁限定中空杆可展致动器工具100的外圆周和从第一端110到第二端112从其中穿过的中心通道118。第一空腔120设置在第一壁116中，所述第一空腔具有安装在其中的第一接头122。

第一连杆102的第一壁116可以由塑料、金属或适于形成可展表面的任何其他材料形成。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。得益于本公开，其他合适的材料对于本领域技术人员来说是显而易见的。第一连杆102的外圆周以及第一端112和第二端114之间的第一壁116的长度可以根据中空杆可展致动器工具100的预期用途或应用而变化。

第一壁116中的第一空腔120包括凹口、凹陷、切口、通路、通道、窗口等，其尺寸和大小设置为当本装置的机构处于关闭位置时，允许第一展开环104的至少一部分驻留或以其他方式收纳在第一空腔120中。在某些实施例中，第一接头122是嵌入在第一壁116中并横跨第一空腔120的销。得益于本公开，其他合适的接头装置或机构对于本领域技术人员来说是显而易见的。

第二连杆106构成第一展开环104的第一部分。第二连杆106具有在第一接头122处可枢转地联接到第一连杆102的第一壁116的第一端124、具有第二接头128的第二端126以及在第一端124和第二端126之间延伸的主体130。第二连杆106的主体130可以由塑料、金属或适于形成可展表面的任何其他材料形成。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。在某些实施例中，第二连杆106的主体130被弯曲以与第一连杆102的曲率一致，使得当工具100处于关闭状态时，第二连杆106的主体130可以安置在第一壁116的第一空腔120内。在某些实施例中，第二连杆106的长度部分地决定了第一展开环104的第一部分在被致动时将离开第一连杆102的外圆筒行进多远。在某些实施例中，第二接头128是在第二连杆106的第二端126处嵌入在主体130中的销。

第三连杆108构成第一展开环104的第二部分。第三连杆108具有在第二接头128处可枢转地联接到第二连杆106的主体130的第一端132、具有第三接头136的第二端134以及在第一端132和第二端134之间延伸的主体138。第三连杆108的主体138可以由塑料、金属或适于形成可展表面的任何其他材料形成。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。在某些实施例中，第三连杆108的主体138被弯曲以与第一连杆102的曲率一致，使得当机构处于关闭状态时，第三连杆108的主体138可以安置在第一壁116的第一空腔120内。在某些实施例中，第三连杆108可以具有第一连杆102的外圆筒的圆周的一半的弧长，这可以使得第一展开环104的每个部分在被致动时仅向外移动或远离第四连杆110的内圆筒移动，尽管这再一次不是操作的要求。

第四连杆110的内圆筒具有带有第一孔的第一端140、带有第二孔的第二端142和在第一端140与第二端142之间延伸的第二壁144，第二壁144限定了中空杆的内圆周和从第一端140到第二端142从其中穿过的中心通道118。第二空腔146设置在第二壁144中，所述第二空腔具有安装在其中并且可枢转地联接到第三连杆108的主体138的第二端134的第三接头136。

第四连杆110的第二壁144可以由塑料、金属或任何其他适合形成可展表面的材料形成。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。得益于本公开，其他合适的材料对于本领域技术人员来说是显而易见的。第四连杆110的内圆周以及第一端140和第二端142之间的第二壁144的长度可以根据中空杆可展致动器工具100的预期用途或应用而变化。

第二壁144中的第二空腔146包括凹口、凹陷、切口、通路、通道、窗口等，其大小和尺寸被设置成当工具100处于关闭位置时，允许第一展开环104的至少一部分安置或以其他方式收纳在第二空腔146中。在某些实施例中，第三接头136是嵌入在第二壁144中并横跨第二空腔146的销。在这样的实施例中，第二空腔146的大小和尺寸设置成允许第三连杆108围绕第三接头136枢转。在其它实施例中，其中第一装置180或安装件178附接到第一展开环104，第二空腔146的大小和尺寸被设置成当工具100处于关闭或收纳状态时允许装置或安装件穿过第二壁144以便安置在中心通道118中。得益于本公开，其他合适的构造对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

第四连杆110用作四杆机构(其可以是如图所示的内圆筒或其他旋转致动器)的滑块，其相对于第一连杆102的外圆筒旋转以致动该机构。

第二连杆106、第三连杆108和第四连杆110的在第一连杆102上的深度(或沿圆筒的长度的距离)不会改变机构的功能，但是更深的连杆可以帮助延伸的机构类似附接的圆筒或通路，而不是附接的环或金属圈。当创建双稳态系统时，更深的连杆也可能有助于额外的回弹力。第一连杆102可以是完整的圆筒，其可以在工具100的机构的其余部分的上方和下方延伸。

在操作中，第四连杆110的内圆筒相对于第一连杆102的外圆筒旋转，使得第一接头122和第三接头136沿着工具的周边远离彼此移动，如箭头148所指示的，工具100从展开环104位于第一壁116的第一空腔120内的第一状态(如在图1的最左边的图像中所见)转变到第二状态，在第二状态中，第二连杆106和第三连杆108延伸到工具100的外圆周的外部以形成第一展开环104，如图1的最右边的图像中所见。

在某些实施例中，中空杆可展致动器工具100可以包括多个展开环。在图2的实施例中，工具100具有第二展开环150，该第二展开环150包括第五连杆152和第六连杆154，其中第五连杆152包括第二展开环150的第一部分，第六连杆154包括第二展开环150的第二部分。图2的工具100还包括将装置180、184固定到展开环104、150的装置安装件178、182。

第五连杆152构成第二展开环150的第一部分。第五连杆152具有在第三空腔160中的第四接头158处可枢转地联接到第一连杆102的第一壁116的第一端156、具有第五接头164的第二端162以及在第一端156和第二端162之间延伸的主体166。第五连杆152的主体166可以由塑料、金属或任何其他适于形成可展表面的材料制成。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。在某些实施例中，第五连杆152的主体166被弯曲以与第一连杆102的曲率一致，使得当工具100处于关闭状态时，第二连杆106的主体166可以位于第一壁116的第三空腔160内。在某些实施例中，第五连杆152的长度部分地决定了第二展开环150的第一部分在被致动时将远离第一连杆102的外圆筒行进多远。在某些实施例中，第四接头158是在第五连杆152的第二端162处嵌入在主体166中的销。

第六连杆154构成第二展开环150的第二部分。第六连杆154具有在第五接头164处可枢转地联接到第五连杆152的主体166的第一端168、在第四连杆110的第四空腔174中具有第六接头172的第二端170、以及在第一端168和第二端170之间延伸的主体176。第六连杆154的主体176可以由塑料、金属或任何其它适合形成可展表面的材料制成。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。在某些实施例中，第六连杆154的主体176被弯曲以与第一连杆102的曲率一致，使得当机构处于关闭状态时，第六连杆154的主体176可以位于第一壁116的第三空腔160内。在某些实施例中，第六连杆154可以具有第一连杆102的外圆筒的圆周的一半的弧长，这可以使得在致动时第二展开环150的每个部分仅向外移动或远离第四连杆110的内圆筒移动，尽管这也不是操作的要求。

为了适应第二展开环150的展开和储存，第一连杆设置有第三空腔160，第三空腔具有安装在其中的第四接头158。第一壁116中的第三空腔160包括凹口、凹陷、切口、通路、通道、窗口等，其大小和尺寸设置成当本装置的机构处于关闭位置时，允许第二展开环150的至少一部分安置或另外地收纳在第三空腔160中。在某些实施例中，第四接头158是嵌入在第一壁116中并跨越第三空腔160的销。在图2的实施例中，其中第二展开环150沿着工具100的长度邻近第一展开环104定位，第三空腔160从第一空腔120延伸。得益于本公开，其他合适的接头装置或机构对于本领域技术人员来说是显而易见的。

类似地，第四环110设有第四空腔174，第六接头172安装在第四空腔174中。第二壁144中的第四空腔174包括凹口、凹陷、切口、通路、通道、窗口等，其大小和尺寸被设置成当工具100处于关闭位置时，允许第二展开环150的至少一部分安置或以其他方式收纳在第二空腔146中。在某些实施例中，第六接头172是嵌入在第二壁144中并跨越第四空腔174的销。在这样的实施例中，第四空腔174的大小和尺寸设置为允许第六连杆154围绕第六接头172枢转。在其他实施例中，其中，第一装置180或安装件178附接到第二展开环150，第四空腔174的大小和尺寸设置为当工具100处于关闭或收纳状态时允许第一装置180或安装件178穿过第二壁144以便安置在中心通道118中。在图2的实施例中，其中，第二展开环150沿着工具100的长度邻近第一展开环104定位，第四空腔174从第二空腔146延伸。得益于本公开，其他合适的构造对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

在图2的实施例中，第一展开环104在保持第一装置180的第二连杆106上设置有第一安装件178，而第二展开环150在保持第二装置184的第五连杆152上设置有第二安装件182。装置180、184的类型取决于工具100被配置用于的用途。在该实施例中，第一装置180和第二装置184是相机。得益于本公开，其他合适的装置180、184对于本领域技术人员来说是显而易见的。以类似的方式，安装件178、182可以根据需要配置成保持任何数量的装置180、184或以其他方式与任意数量的装置180、184相互作用。在某些实施例中，安装件178、182由与它们相应的展开环104、150的部分相同的材料形成。在其他实施例中，安装件178、182由不同的材料形成，并附接到相应的展开环104、150。

图3描绘了具有若干展开环的中空杆可展致动工具100的实施例的从上而下视图。在该实施例中，除了第一展开环104和第二展开环150之外，工具100还包括第三展开环186、第四展开环188、第五展开环190、第六展开环192、第七展开环194和第八展开环196。每个展开环186、188、190、192、194和196具有类似于第一和第二展开环104、150的结构，其中，第一部分可枢转地联接到第一连杆102，第二部分可枢转地联接到第一部分和第四连杆110，从而允许所有展开环通过第四连杆110的内圆筒相对于第一连杆102的外环的旋转而被致动。放置在工具100(例如支架或微创外科扩张工具)上的多个展开环104、150、186、188、190、192、194和196能够实现膨胀/扩张运动。

图4示出了具有两个展开环104、150的工具100的3D打印实现的连续图像。最左边的图像是处于关闭或收纳状态的工具，而最右边的图像是处于打开展开状态的工具。在图4的例子中，第四连杆110的内圆筒没有延伸工具100的全部长度。第四壁的第二端142是第一展开环104和第二展开环150安装在工具100的长度上的端部。在该示例中，从第一展开环104和第二展开环150的位置延伸到第二端114的第一连杆102限定了工具的内圆周和外圆周。以这种方式，第一连杆102用作封闭工具的机构的盖。在这里，第二空腔146和第四空腔174由第一连杆102位于第四连杆110的顶部的位置之间的间隔形成，第一展开环104和第二展开环150定位在其间。通过在相应连杆102、110的第一端112、140处使第四连杆110的内圆筒相对于第一连杆102的外圆筒旋转来致动图4的工具100。

图5示出了中空杆可展致动器工具100，其中第一连杆102的外圆筒和第四连杆110的内圆筒延伸以形成更长的轴，使得第一展开环104和第二展开环150靠近相应的连杆102、110的远侧第二端114、142。图5的工具100通过在靠近使用者的相应的连杆102、110的第一端112、140处使第四连杆110的内圆筒相对于第一连杆102的外圆筒旋转而被致动。

通过应用顺从性机构的原理，销接头可以由柔性段代替，并提供相同的运动。图6示出了图1所示的机构的顺从性版本。通过调整连杆的形状，本发明机构的两个实例可以占据相同的平面，如图7A和图7B所示。这些顺从性构造允许更多的制造方法，如平面数控布线和模切。图8A和图8B示出了部件的双稳态结构和组装的展开机构。

在图6的示例中，工具100的第一接头122、第二接头128和第三接头136的销接头被顺从性机构代替。顺从性机构利用形成接头的材料的柔性特性来允许材料弯曲，从而复制由传统销接头提供的运动程度。通过使用柔性机构，第一展开环104的第二连杆106和第三连杆108以及第一接头122、第二接头128和第三接头136可以由一件式材料形成。这允许第一展开环104的所有部分存在于垂直于中心通道118的同一平面中。

在图7A和图7B的示例中，与第二接头128和第五接头164的顺从性机构相结合的展开环104、150的形状的变化允许第一展开环104和第二展开环150存在于垂直于中心通道118的同一平面中，并且没有干扰地进行操作。在该示例中，第一接头122和第三接头136是由从第二连杆106的第一端124和第三连杆108的第二端134延伸的销构成的销接头，其被接收在第一连杆102和第四连杆110中的相应插座中。类似地，第四接头158和第六接头172是由从第五连杆152的第一端156和第六连杆154的第二端170延伸的销构成的销接头，其被接收在第一连杆102和第四连杆110中的相应插座中。第一展开环104的第二接头128和第二展开环150的第五接头164是也提供偏移的顺从性机构。尽管第一展开环104和第二展开环150都存在于垂直于中心通道118的同一平面中，但是偏移和顺从性性质防止第一展开环104和第二展开环150在被致动时相互干扰。

图7A示出了处于第一关闭或储存状态的工具100，其中，第一展开环104的第二连杆106和第三连杆108、第二展开环150的第五连杆152和第六连杆154以及安装件178、182被收纳在工具100的外圆周内。图7B示出了处于第二打开或展开状态的工具100，其中，第一展开环104的第二连杆106和第三连杆108和第二展开环150的第五连杆152和第六连杆154，以及分别附接到第二连杆106和第五连杆152的安装件178、182延伸到工具100的外圆周的外部。工具100从如图7A所见的第一状态致动到如图7B所见的第二状态是通过使第四连杆110的内圆筒相对于第一连杆102的外圆筒旋转来实现的。

图8A和图8B示出了工具100的实施例，该工具100利用销接头和顺从性机构来制造具有第一展开环104的工具100，其中部件是双稳态的，并且每个部件能够形成为实心件。图8A示出了拆开的第一连杆102、第一展开环104和第四连杆110。

第一连杆102的外圆筒具有带有第一孔的第一端112和带有第二孔的第二端114以及在第一端112和第二端114之间延伸的第一壁116，所述第一壁限定中空杆可展致动器工具100的外圆周和从第一端110到第二端112从其穿过的中心通道118。第一空腔120设置在第一壁116中，第一壁中形成有插座204。

在图8A和图8B的示例中，第一连杆102的第一壁116由塑料形成。得益于本公开，其他合适的材料对于本领域技术人员来说是显而易见的。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。

第一壁116中的第一空腔120包括切口，该切口的大小和尺寸设置为当本装置的机构处于关闭位置时，允许第一展开环104的至少一部分安置或以其他方式收纳在第一空腔120中。在图8A和图8B的示例中，第一空腔120包括在第一壁116中用于接收构成第一接头122的销200的插座204。

第二连杆106构成第一展开环104的第一部分。第二连杆106具有在第一接头122处可枢转地联接到第一连杆102的第一壁116的第一端124、具有第二接头128的第二端126以及在第一端124和第二端126之间延伸的主体130。在图8A和图8B的示例中，第二连杆106的主体130由塑料形成。第二连杆106的主体130被弯曲成与第一连杆102的曲率一致，使得当工具100处于关闭状态时，第二连杆106的主体130能够位于第一壁116的第一空腔120内。在该示例中，成型的销200设置在主体130的第一端124处，以与第一连杆102上的插座204配合，从而构成第一接头122。第二接头128包括顺从性机构，该顺从性机构通过使第二接头128处的材料变薄而形成，将第二连杆106连接到第三连杆108。

第三连杆108构成第一展开环104的第二部分。第三连杆108具有经由第二接头128的顺从性机构可枢转地联接到第二连杆106的主体130上的第一端132、具有成形销202的第二端134和在第一端132与第二端134之间延伸的主体138。在图8A和图8B的示例中，第三连杆108的主体138由塑料形成。第三连杆108的主体138弯曲成与第一连杆102的曲率一致，使得当机构处于关闭状态时，第三连杆108的主体138能够位于第一壁116的第一空腔120内。在该示例中，形成销202设置在主体130的第二端134处以与第四连杆110上的插座206配合，从而构成第三接头136。

由第二连杆106、第三连杆108和连接第二连杆106和第三连杆108的第二接头128构成的第一展开环104由塑料形成。得益于本公开，其他合适的材料对于本领域技术人员来说是显而易见的。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。

第四连杆110的内圆筒具有带有第一孔的第一端140、带有第二孔的第二端142和在第一端140与第二端142之间延伸的第二壁144，第二壁限定了中空杆的内圆周和从第一端140到第二端142从其穿过的中心通道118。第二空腔146设置在第二壁144中，第二壁中形成有插座206。

在图8A和图8B的示例中，第四连杆110的第二壁144由塑料形成。得益于本公开，其他合适的材料对于本领域技术人员来说是显而易见的。合适材料的例子包括不锈钢、钛、镍钛合金、碳化钨、碳钢、铝、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸。在该示例中，第四连杆110还包括从第四连杆的第一端140延伸的唇缘208。当放置在第四连杆110的内圆筒上时，唇缘208还可以用作第一连杆102的外圆筒的支撑或保持特征。在某些实施例中，唇缘208可以进一步包括用于助于致动工具100的凸片210。

第二壁144中的第二空腔146包括切口，该切口的大小和尺寸设置为当工具100处于关闭位置时，允许第一展开环104的至少一部分安置或以其他方式收纳在第二空腔146中。在图8A和图8B的示例中，第二空腔146包括用于接收销202的插座206以构成第三接头136。

图8B示出了操作中的组装工具100的连续图像。最左边的图像示出了处于第一关闭或收纳状态的工具100。最右边的图像示出了处于第二打开或展开状态的工具100。工具100从第一状态到第二状态的致动是通过使第四连杆110的内圆筒相对于第一连杆102的外圆筒旋转来实现的。在某些实施例中，在提供唇缘208和/或凸片210的情况下，凸片210和/或唇缘208可以用于致动工具100。

图8C和图8D示出了工具100的一个实施例，其利用用于接头的顺从性机构，所述接头将展开环104连接到第一连杆102和第四连杆110，从而允许展开环104容易地附接到工具100或从工具100拆卸。图8C示出了从工具100拆下的展开环104，而图8D示出了从工具100上拆下的展开环104。在该实施例中，设置成与插座204配合以构成第一接头122的成形销200和设置成与插座206配合以构成第三接头136的成形销202是顺从性机构。这里，成形销200、202的顺从性机构提供了弹簧夹机构，该弹簧夹机构可以被夹入或卡合到相应的插座204、206中。通过使用用于成形销200、202的顺从性机构，展开环104可以容易地附接到工具100和从工具100拆卸。通过将展开环104与所需的装置180或用于装置178附接在其中的安装件附接在一起，这使得工具100能够针对特定应用进行快速配置。通过拆卸展开环104并将展开环104与另一个装备有所需装置180的展开环交换，可以根据需要重新配置该工具。得益于本公开，其他构造和合适的顺从性机构对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

图9描绘了使用本发明的中空杆可展致动器工具100的方法300。首先，提供如本文所述的中空杆可展致动器工具100(步骤302)。工具100可以展开在中空杆致动器工具通常被使用的特定工作空间中，例如钻孔位置或外科手术环境。工具100然后可以在工作空间中被致动(步骤304)，以从第一关闭或收纳状态转变到第二打开或展开状态。在工具100的一个或多个展开环104、150具有安装在其中的装置的实施例中，可以使用这些装置(步骤306)。在某些实施例中，工具100还可以从第二打开状态转变回第一关闭状态，以脱开工具100(步骤308)，其中工具100可以从工作空间取回。

工具100的致动(步骤304)在图1、图4和图8B的连续图像中示出，从左向右移动，最左边的图像是处于第一收纳状态的工具100，最右边的图像是处于展开的第二状态的工具100，其中一个或多个展开环104、150延伸到工具100的圆周之外。

典型地，工具100的第一端将靠近使用者，而工具100的远离的第二端(一个或多个展开环104、150定位在此处)将被插入工作空间。在一些实施例中，一个或多个装置180、184可以附接到展开环104、150。应当理解，展开环104、150可以位于沿着工具100的长度的任何位置，第二展开环150不必与第一展开环104处于相同的通用位置。

工具100从第一状态到第二状态的致动(步骤304)通过使第四连杆110的内圆筒相对于第一连杆102的外圆筒旋转来实现。在某些实施例中，在提供唇缘208和/或凸片210的情况下，凸片210和/或唇缘208可用于致动工具100。

一旦一个或多个展开环104、150已经延伸，如果在展开环104、150上安装有装置180、184，则所述装置可以在工具100的外圆周的外部的环境中使用(步骤306)。此外，一旦展开，物品可以通过工具的中心通道118插入环境中。所述方面的一个示例可以在图10中看到。

在图10中，示出了工具100的第二端，其中第一展开环104和第二展开环150部署在工具100的圆周的外部。在该示例中，附接到第一展开环104的第一装置180是具有内置光源的相机。附接到第二展开环的第二装置184也是具有内置光源的相机。

在图10的示例中，随着展开环104、150延伸，工具100的中心通道118是可利用的以用于将附加物品插入工作空间的环境中。在这个示例中，钳具310已经通过工具100的中心通道118插入。在使用中，设置在展开环104、150上的相机180、184提供了环境的立体视图，允许使用者看到正在使用钳具310与什么交互。在某些其他实施例中，相机180、184中的一个可以面向相反的方向安装，从而给使用者提供环境的不同视图。这提供了优于需要重新定位以获得不同视图的传统内窥镜的优点。

现在回到图9，以类似的方式，通过将工具100从展开的第二状态转变到第一收纳状态，工具100可以脱开(步骤308)。将工具从第二打开或展开状态转变到第一关闭或收纳状态包括在与用于将工具100从第一关闭或收纳状态转变到第二打开或展开状态的旋转方向相反的旋转方向上使第四连杆110的内圆筒相对于第一连杆102的外圆筒旋转。此时，工具100可以从环境中取出。

这里强调连杆的形状对于机构运动是任意的。只要销之间的距离保持相同，并且连杆不会自干涉，机构将具有相同的运动。为了在机构关闭时完全隐藏运动连杆，连杆被限制于致动圆筒的曲率半径，并且被限制于完全折叠时将适配在圆筒内的形状。

传统的柱形轴或管工具通常只允许一个工具在轴的端部操作，尤其是当管很小时。本发明能够将仪器或机构包括在柱形管中，并与隐藏在轴上的其他仪器相结合通过单一入口进入工作空间。这可以I)通过减少所需的工具更换次数，来减少在受限/远程工作空间中执行任务所需的时间；ii)通过减少所需入口孔/入口点的数量，来减少对工作空间的边界的损伤/损害；iii)通过限制刀片/夹持器和主体组织之间的界面来减少对工作空间的损伤/损害，因为与刀片/夹持器相互作用的唯一组织是被拉入柱形轴的内径中的组织；iv)降低与工具装置结合使用的控制系统的复杂性，因为需要更少的轴来进入空间，v)减少当装置被结合到工具中时需要插入/展开的装置的数量，vi)降低当工具被重新定位时，随着附接到工具的装置与工具移动而重新定位所涉及的复杂性，viii)降低过程的成本；ix)减少稳定或操作单个工具所需的工作手的数量，和x)在先前仅有用于单个工具的空间时，通过提供完成操作所需的多种工具/设备(如灯、相机和工具)，来提高在受限空间中工作时的能力。

根据本发明的示例性实施例，展开装置可以用在柱形轴处于紧密空间中的地方，并且它们可以受益于附加功能。两个关键应用包括微创外科手术器械和井下钻孔设备。其他应用包括带有柱形轴的电子设备，比如激光器、手电筒、相机镜头、电机、扬声器、充电端口等。

充电装置可以使其连接元件隐藏，直到需要它们时，然后扩展到充电或被充电。扬声器上的控制件(如亚马逊Alexa)可以使按钮和端口被隐藏以保持外观和免受污染。

当更换电池或试图修理装置内部的线路时，让“内部”膨胀可以轻松地修理或更换电池，然后将其推回圆筒。

在相机镜头上，有多个玻璃盘，其决定镜头如何运行。如果那些圆盘可以沿着镜头在不同的斑点处被简单地添加或移除，它将基本上成为单个通用镜头，而不是独立镜头的大集合。这可以适用于任何可能需要调整焦点的情况。这对于移动相机革命可能特别有用。

有数百个镜头滤镜附接到镜头的末端，例如彩色滤镜、紫外线滤镜等。如果所有这些滤镜都沿着镜头附接，并且简单地滑入和滑出，那么携带/更换滤镜将非常方便和容易。

在本文使用的任何程度上，术语“包括”和“包含”旨在被解释为包含性的，而不是排他性的。如这里所使用的，术语“示例性的”、“示例”和“说明性的”旨在表示“用作示例、实例或说明”，并且不应被解释为指示或不指示相对于其他配置的优选或有利的配置。如本文所使用的，术语“大约”和“近似”旨在涵盖可能存在于主观或客观值范围的上限和下限中的变化，例如性质、参数、大小和尺寸的变化。在一个非限制性例子中，术语“大约”和“近似”意味着等于或加上10％或更少，或减去10％或更少。在一个非限制性示例中，术语“大约”和“近似”意味着足够接近，以至于相关领域的技术人员认为其被包括在内。如本文所用，术语“基本上”是指动作、特征、性质、状态、结构、项目或结果的完全或接近完全的延伸或程度，如本领域技术人员所理解的。例如，“基本上”圆形的物体将意味着该物体完全是数学上可确定极限的圆，或者接近于本领域技术人员将认知或理解的圆。在某些情况下，绝对完整性的确切允许偏差程度可能取决于特定的上下文。然而，一般来说，接近完成将具有相同的总体结果，就好像绝对和全部完成被实现或获得。如本领域技术人员所理解的，当以负面含义使用时，“基本上”的使用同样适用于指代完全或接近完全缺乏动作、特征、属性、状态、结构、项目或结果。

鉴于前面的描述，本发明的许多修改和替代实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，该描述仅被解释为说明性的，并且是为了教导本领域技术人员实现本发明的最佳模式。在不脱离本发明的精神的情况下，该结构的细节可以大体上地变化，并且保留在所附权利要求的范围内的所有修改的排他性使用。在本说明书中，实施例已经以能够编写清楚和简洁的说明书的方式进行了描述，但是意图是并且将会理解，实施例可以不同地组合或分离，而不脱离本发明。目的是本发明仅局限于所附权利要求和适用法律规则所要求的范围。

还应当理解，下面的权利要求将覆盖这里描述的本发明的所有一般和特定特征，以及本发明范围的所有陈述，从语言上讲，可以说落在它们之间。

Claims (15)

1.一种中空杆可展致动器工具，所述工具包括：

第一连杆，其包括外圆筒，所述外圆筒包括：

具有第一孔的第一端；

具有第二孔的第二端，

第一壁，其在第一端和第二端之间延伸，所述第一壁限定所述中空杆的外圆周和从所述第一端到第二端从中穿过的中心通道；和

第一空腔，其设置在所述第一壁中，所述第一空腔中安装有第一接头；展开环，包括：

第二连杆，其包括所述展开环的第一部分，所述第一部分包括：

第一端，其在所述第一接头处可枢转地联接到所述第一连杆的第一壁；

第二端，其具有第二接头；和

主体，其在所述第一端和第二端之间延伸；和

第三连杆，其包括所述展开环的第二部分，所述第二部分包括：

第一端，其在所述第二接头处可枢转地联接到所述第二连杆的主体；

第二端，其可枢转地联接到第三接头；和

主体，其在所述第一端和第二端之间延伸；以及

第四连杆，其包括设置在所述第一连杆的外圆筒的中心通道内的内圆筒，所述内圆筒包括：

具有第一孔的第一端；

具有第二孔的第二端；

第二壁，其在所述第一端和第二端之间延伸，所述第二壁限定所述中空杆的内圆周和从所述第一端到第二端从中穿过的中心通道；和

第二空腔，其在所述第二壁中，所述第二空腔具有可枢转地联接到所述第三连杆的主体的所述第三接头；

其中，当所述第四连杆的内圆筒相对于所述第一连杆的外圆筒旋转使得所述第一接头和第三接头沿着所述工具的周边远离彼此移动时，所述工具从所述展开环位于相应的第一壁和第二壁的第一空腔和第二空腔内的第一状态转变为所述展开环延伸到所述工具的外圆周的外部的第二状态。

2.根据权利要求1所述的中空杆可展致动器工具，其中，一装置附接到所述展开环。

3.根据权利要求2所述的中空杆可展致动器工具，其中，提供了用于将所述装置附接到所述展开环的安装件。

4.根据权利要求1所述的中空杆可展致动器工具，其中，当所述致动器工具处于第一状态时，所述第二连杆的主体和所述第三连杆的主体中的至少一个被弯曲以匹配所述第一连杆的曲率，使得所述第二连杆和所述第三连杆与所述外圆周齐平。

5.根据权利要求1所述的中空杆可展致动器工具，其中，所述第一空腔和所述第二空腔位于所述第一连杆的第二端和所述第四连杆的第二端附近。

6.根据权利要求1所述的中空杆可展致动器工具，其中，连接所述展开环的第二连杆和第三连杆的所述第二接头是顺从性部段。

7.根据权利要求1所述的中空杆可展致动器工具，其中，所述第一接头和第三接头是顺从性部段。

8.根据权利要求1所述的中空杆可展致动器工具，还包括第二展开环，所述第二展开环包括：

第五连杆，其包括所述第二展开环的第一部分，所述第一部分包括：

第一端，其在所述第一连杆的第三空腔中的第四接头处可枢转地联接到所述第一连杆的第一壁；

第二端，其具有第五接头；

主体，其在所述第一端和第二端之间延伸；

第六连杆，其包括所述展开环的第二部分，所述第二部分包括：

第一端，其在所述第五接头处可枢转地联接到所述第五连杆的主体；

第二端，其在所述第四连杆的第四空腔中的第六接头处可枢转地联接到所述第四连杆的第二壁；和

主体，其在所述第一端和第二端之间延伸；

其中，当所述第四连杆的内圆筒相对于第一连杆的外圆筒旋转使得所述第四接头和第六接头沿着所述中空杆的周边远离彼此移动时，所述致动器工具从所述第二展开环位于相应的第一壁和第二壁的第一空腔和第二空腔内的第一状态转变到所述第二展开环延伸到所述中空杆的外圆周的外部的第二状态。

9.根据权利要求8所述的中空杆可展致动器工具，其中，一装置附接到所述第二展开环。

10.根据权利要求9所述的中空杆可展致动器工具，其中，提供了用于将所述装置附接到所述第二展开环的安装件。

11.根据权利要求8所述的中空杆可展致动器工具，其中，当所述致动器工具处于第一状态时，所述第五连杆的主体和所述第六连杆的主体中的至少一个被弯曲以匹配所述第一连杆的曲率，使得所述第五连杆和所述第六连杆与所述外圆周齐平。

12.根据权利要求8所述的中空杆可展致动器工具，其中，连接所述第二展开环的第五连杆和第六连杆的第五接头是顺从性部段。

13.根据权利要求8所述的中空杆可展致动器工具，其中，所述第四接头和第六接头是顺从性部段。

14.一种使用中空杆可展致动器工具的方法，所述方法包括：

提供中空杆可展致动器工具，所述工具包括：

第一连杆，其包括外圆筒，所述外圆筒包括：

具有第一孔的第一端；

具有第二孔的第二端，

第一壁，其在所述第一端和第二端之间延伸，所述第一壁限定所述中空杆的外圆周和从所述第一端到第二端从中穿过的中心通道；和

第一空腔，其设置在第一壁中，所述第一空腔中安装有第一接头；展开环，包括：

第二连杆，其包括所述展开环的第一部分，所述第一部分包括：

第一端，其在所述第一接头处可枢转地联接到所述第一连杆的第一壁；

第二端，其具有第二接头；和

主体，其在所述第一端和第二端之间延伸；

第三连杆，其包括所述展开环的第二部分，所述第二部分包括：

第一端，其在所述第二接头处可枢转地联接到所述第二连杆的主体；

第二端，其可枢转地联接到第三接头；和

主体，其在所述第一端和第二端之间延伸；

第四连杆，其包括设置在所述第一连杆的外圆筒的中心通道内的内圆筒，所述内圆筒包括：

具有第一孔的第一端；

具有第二孔的第二端；

第二壁，其在所述第一端和第二端之间延伸，所述第二壁限定所述中空杆的内圆周和从所述第一端到第二端从中穿过的中心通道；和

第二空腔，其在所述第二壁中，所述第二空腔具有可枢转地联接到所述第三连杆的主体的所述第三接头；

其中，当所述第四连杆的内圆筒相对于所述第一连杆的外圆筒旋转使得所述第一接头和第三接头沿着所述工具的周边远离彼此移动时，所述致动器工具从所述展开环位于相应的第一壁和第二壁的第一空腔和第二空腔内的第一状态转变到所述展开环延伸到所述工具的外圆周的外部的第二状态；和

通过将所述第四连杆的内圆筒相对于所述第一连杆的外圆筒旋转使得所述第一接头和第三接头沿着所述工具的周边远离彼此移动而将所述工具从第一状态转变到第二状态来致动所述工具。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：

将所述第四连杆的内圆筒相对于所述第一连杆的外圆筒旋转使得所述第一接头和第三接头沿着所述工具的周边朝向彼此移动而将所述工具从第二状态转变到第一状态。