CN115349951A - 线缆长度持恒的医疗器械 - Google Patents

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Abstract

本申请题为“线缆长度持恒的医疗器械”。一种装置包括腕部、末端执行器、线缆对和传动装置。近侧腕部分耦接到轴的远端部分。腕部的致动使远侧腕部分相对于近侧腕部分移动。末端执行器耦接到远侧腕部分，并且能够被致动以相对于腕部移动。传动装置耦接到轴的近端部分，并且能够移动线缆对的一端以致动末端执行器。线缆对的端部被布线通过传动装置内的传动线缆路径。传动装置包括调整机构，该调整机构具有接收由线缆对的端部施加的力的输入部分。调整机构被配置为响应于所述力的改变而改变传动线缆路径的长度。

Description

线缆长度持恒的医疗器械
本申请是于2017年11月17日提交的名称为“线缆长度持恒的医疗器械”的中国专利申请201780083152.4(PCT/US2017/062258)的分案申请。
相关申请交叉引用
本申请要求标题为“Cable Length Conserving Medical Instrument”的美国临时专利申请第62/424,744号(2016年11月21日提交)的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述的实施例涉及用于持恒线缆长度的机构，更具体地涉及医疗设备，并且更具体地涉及内窥镜工具。更具体地，本文描述的实施例涉及包括用于在腕关节的运动范围内持恒线缆长度的机构的设备。
背景技术
用于微创手术的许多已知医疗器械可以沿细长轴使用一个或多个关节或腕部，该细长轴有时被称为医疗器械的主轴。典型地，腕部提供多个移动自由度，并且在主轴的远端处或远端附近的腕部可附接到或可结合有远侧工具，例如活检针、手术刀、钳子、剪刀或电灼工具。这种已知的腕部通常通过线缆来操作，这些线缆延伸通过器械的主轴内部并连接到传动装置或致动器(也称为后端(backend)中的驱动系统。该后端通常位于医疗器械的近端，并且可以被配置为与机器人接合或接口连接，该机器人在机械方面为后端提供动力以移动线缆，从而操作腕部。对于机器人系统或远程操作系统，后端机构是马达驱动的，并且可以可操作地耦接到处理系统，以便为用户提供用户界面以控制器械。在微创手术期间，医务人员可以操作该系统以通过小切口、导管或自然管腔插入医疗器械的远侧部分，直到医疗器械的远侧尖端位于患者体内的工作部位，并且随后医务人员可以操作机器人以驱动线缆并根据需要控制腕部，以移动远侧工具并在工作部位执行临床功能。
已知的医疗器械限定一条或多条线缆路径，通过该路径，线缆被从后端布线穿过器械轴并到达腕部。因为已知的腕部可以提供多个自由度，所以当使用医疗器械时，线缆路径(以及因此穿过线缆路径的线缆的长度)可以改变。例如，当一些已知的腕部围绕俯仰轴线旋转时，在俯仰轴线的第一侧上布线的线缆的线缆路径长度增加，而在俯仰轴线的第二侧(或相反侧)上布线的线缆的线缆路径长度减小。增加的线缆路径长度倾向于在俯仰轴线的第一侧上拉伸线缆或增加线缆中的张力，并且减小的线缆路径长度允许在俯仰轴线的第二侧上的线缆变得松弛或在线缆中的降低的张力下工作。一般而言，希望将线缆中的张力保持在合适的范围内，以防止松弛的线缆脱轨，并防止张紧的线缆变形或损坏其它部件。因此，一些已知的医疗器械包括在腕部内的线缆路径，这些线缆路径被布线以最小化线缆路径长度在致动期间的变化。这有时在本文中被称为线缆长度持恒/节省(cable lengthconservation)。
例如，图1A和图1B示出已知医疗器械100的俯视图和侧视图。医疗器械100包括腕部130，该腕部130位于医疗器械100的主轴120的远端并且经由后端110来致动。腕部130包括受动机构140和150，这些受动机构一起能够实现多个移动自由度。在图示的配置中，受动机构140是可被致动以提供对应于俯仰运动的自由度的关节。受动机构140包括耦接至主轴120的连杆142和耦接至受动机构150的连杆144。耦接到受动机构140的一对线缆126a和126b延伸穿过主轴120并且耦接到后端110中的驱动机构(未示出)。因此，如图1C所示，驱动机构可以拉动缆索126a或126b中的任一个，以使连杆144(以及医疗器械100的更远侧部分)相对于连杆142旋转。
受动机构150(也称为末端执行器)包括夹爪152和154，这些夹爪在它们一起转动时可充当另一个腕部自由度(例如，偏航运动)，并且在它们沿相反方向转动时可充当手术工具，例如钳子或剪刀。夹爪152和154被安装在枢轴156上，枢轴156可以偏移于并垂直于关节140的旋转轴线146(即俯仰轴线)。一对线缆122a和122b耦接到夹爪152并延伸穿过关节140和主轴120至后端110中的驱动机构112，并且驱动机构112可以拉动线缆122a或122b以围绕枢轴156旋转夹爪152。类似地，另一对致动线缆124耦接到夹爪154并延伸穿过受动机构140和主轴120至后端110，并且后端110中的另一驱动机构(未示出)可以拉动线缆124中的任一个以使夹爪154围绕共享枢轴156旋转。图1B示出用于线缆122a和122b的驱动机构112如何可包括线缆122a和122b从其延伸的绞盘112。在使用中，致动器(诸如控制机器人中的马达)可以旋转绞盘112以卷入一定长度的线缆122b或122a并且同时放出相同长度的线缆122a或122b，从而导致夹爪152的旋转。另一马达和绞盘(未示出)可以驱动线缆124以旋转夹爪154。
如图1A所示，线缆122和124具有交叉路径，并且被布线通过关节140的旋转轴线146，使得关节140的旋转不改变后端机构110与受动机构150之间的线缆122和124的路径长度。以此方式，即使当关节140围绕俯仰轴线146移动时，关节140内的线缆路径也在后端110和受动机构150之间保持线缆122和124的基本恒定的长度(见例如图1C)。因此，这种已知的接头组合件可以被认为是一种线缆长度持恒设备。
然而，在某些情况下，在腕关节内限定线缆长度持恒路径是不切实际的。例如，包括被布线至末端执行器的许多功能元件或其它部件(例如，电线)的医疗器械可能不适应线缆长度持恒路径。类似地，包含具有小横截面积或直径的关节的医疗器械可能没有足够的空间来容纳多根线缆的布线以用于线缆长度持恒。特别地，随着用于医疗器械的腕部架构被缩小到5mm或更小的直径，空间限制使得具有线缆长度持恒线缆路径的关节在实现的同时仍使用具有足够强度的线缆来满足所需的医疗能力是有挑战性的。
因此，需要改进的机构以适应医疗器械的远端和近端之间由远侧部件的运动范围引起的不同的线缆路径长度。
发明内容
本发明内容介绍了本文所描述的实施例的某些方面，以提供基本理解。该发明内容不是对发明主题的广泛概述，并且其不旨在识别关键或重要要素或描绘发明主题的范围。在一些实施例中，一种线缆长度持恒医疗器械包括路径长度调整驱动机构，该路径长度调整驱动机构可以位于医疗器械的后端中，并且可以消除对远侧线缆路径的固有长度持恒的需求。该驱动机构可以特别包括自主改变后端线缆布线以补偿远侧路径长度变化的机构，从而医疗器械整体上提供路径长度持恒。结果，驱动机构和腕部的结合允许简单的绞盘致动，并且外部控制系统不需要主动地监视或调整线缆长度张力。在一些实施方式中，由于在器械的一部分中缺乏长度持恒而引起的张力变化致动路线改变机构以补偿远程缺乏长度持恒，例如，使得一对线缆的路径长度响应于另一对线缆的路径长度的张力减小而增加。
在一些实施例中，一种装置包括腕部组合件、末端执行器、线缆对和传动装置。腕部组合件具有近侧腕部分和远侧腕部分。近侧腕部分耦接到轴的远端部分。腕部组合件的致动产生远侧腕部分相对于近侧腕部分的移动。腕部组合件限定在远侧腕部分相对于近侧腕部分移动时发生变化的长度的腕部线缆路径。末端执行器耦接到远侧腕部分。末端执行器的致动产生末端执行器相对于远侧腕部分的移动。线缆对被布线通过腕部线缆路径，并且线缆对的第一端耦接到末端执行器。传动装置耦接到轴的近端部分，并且能够移动线缆对的第二端以致动末端执行器。线缆对的第二端被布线通过传动装置内的传动线缆路径。传动装置包括调整机构，该调整机构被配置为响应于腕部线缆路径的长度的变化而改变传动线缆路径的长度。
在一些实施例中，一种装置包括腕部组合件、末端执行器、线缆对和传动装置。腕部组合件具有近侧腕部分和远侧腕部分。近侧腕部分耦接到轴的远端部分。腕部组合件的致动产生远侧腕部分相对于近侧腕部分的移动。末端执行器耦接到远侧腕部分。末端执行器的致动产生末端执行器相对于远侧腕部分的移动。线缆对具有第一端和第二端，第一端耦接到末端执行器。传动装置耦接到轴的近端部分，并且能够移动线缆对的第二端以致动末端执行器。线缆对的第二端被布线通过传动装置内的传动线缆路径。传动装置包括调整机构，该调整机构具有接收由线缆对的第二端施加的力的输入部分。调整机构被配置为响应于由线缆对的第二端施加的力的变化而改变传动线缆路径的长度。
附图说明
图1A和图1B示出采用线缆长度持恒布线的现有技术医疗器械的示意性侧视图和俯视图。
图1C示出当腕部的远侧部分围绕俯仰轴线旋转时图1A的医疗器械的示意性侧视图。
图2A和图2B示出根据一个实施例的医疗器械的侧视图，该医疗器械包括补偿不持恒线缆长度的远侧线缆布线的驱动机构。
图2C示出可被包含在图2A和图2B的医疗器械中的腕部的透视图。
图3示出根据一个实施例的用于一对致动线缆的路径长度补偿驱动机构的透视图。
图4A示出根据一个实施例的具有路径长度补偿驱动机构的医疗器械的近侧部分的俯视图。
图4B示出图4A的医疗器械的近侧部分的侧视图。
图5示出根据一个实施例的具有使用滑动穿梭件的路径长度补偿驱动机构的医疗器械的实施方式的俯视图。
图6示出根据一个实施例的使用在可移动绞盘之间的杆联动装置的路径长度补偿驱动机构的俯视图。
图7是根据一个实施例的器械的透视图。
图8是由图7中所示的区域Z指示的器械的近端部分处的传动装置的放大透视图。
图9是图8中所示的传动装置的透视图。
图10是根据一个实施例的图8中所示的传动装置的分解透视图，其示出调整机构。
图11和图12是图10中所示的调整机构的前透视图(图11)和左侧透视图(图12)。
图13是图10中所示的调整机构的分解透视图。
图14是图10中所示的调整机构的可移动构件的透视图。
图15是处于第一配置的图10中所示的调整机构的俯视图。
图16是处于第一配置的图10中所示的调整机构的一部分的横截面图，该横截面是沿图14中的线X16-X16截取的。
图17是处于第一配置的图10中所示的调整机构的一部分的横截面图，该横截面是沿图14中的线X17-X17线截取的。
图18-图19是处于第二配置(图18)和第三配置(图19)的图10中所示的调整机构的俯视图。
具体实施方式
本文描述的实施例通过允许腕部中的线缆路径长度变化并且自主地应用器械传动装置(例如位于器械的近端处)中的补偿的线缆路径长度变化，能够有利地持恒用于腕部组合件的俯仰运动和偏航运动的线缆长度。这种布置能够促进在减小尺寸的器械中改进器械性能。在这种应用中，腕部的尺寸可能不允许足够的空间用于横穿腕部的所有线缆的固有长度持恒路径，因此，本文描述的实施例包括改变传动装置(或后端)中的线缆布线的路线改变机构，以至少近似地持恒传动装置致动器(例如，驱动绞盘)到受动机构(例如，末端执行器)的线缆的总长度。例如，缺少用于偏航致动线缆穿过腕部的俯仰轴线的空间的医疗器械可以包括本文所示和描述的类型的驱动机构，该驱动机构补偿了腕部中的线缆长度持恒的不足。
在一些实施例中，腕部组合件可以将线缆(例如，致动末端执行器的偏航致动线缆)布线经过关节并相对于关节的旋转轴线偏移。结果，当腕部组合件围绕关节旋转(例如，俯仰旋转)时，在旋转轴线的一侧上的线缆的路径长度增加，这倾向于拉伸一些线缆或增加一些线缆中的张力，而在旋转轴线的相对侧上的线缆的路径长度减少，这允许一些线缆变得松弛或减小线缆中的张力。在这些实施例中，本文描述的调整机构通过调整器械的近端部分中的张力或线缆路径长度，可以在旋转期间将线缆中的张力保持在合适的范围内。这防止松弛的线缆脱轨，并防止张紧的线缆变形或损坏其它部件。
在一些实施例中，一种装置包括腕部组合件、末端执行器、线缆对和传动装置。腕部组合件具有近侧腕部分和远侧腕部分。近侧腕部分耦接到轴的远端部分。腕部组合件的致动产生远侧腕部分相对于近侧腕部分的移动。腕部组合件限定腕部线缆路径，该腕部线缆路径具有当远侧腕部分相对于近侧腕部分移动时改变的长度。末端执行器耦接到远侧腕部分。末端执行器的致动产生末端执行器相对于远侧腕部分的移动。线缆对被布线通过腕部线缆路径，并且线缆对的第一端耦接到末端执行器。传动装置耦接到轴的近端部分，并且能够移动线缆对的第二端以致动末端执行器。线缆对的第二端被布线通过传动装置内的传动线缆路径。传动装置包括调整机构，该调整机构被配置为响应于腕部线缆路径的长度的变化来改变传动线缆路径的长度。
在一些实施例中，一种装置包括腕部组合件、末端执行器、线缆对和传动装置。腕部组合件具有近侧腕部分和远侧腕部分。近侧腕部分耦接到轴的远端部分。腕部组合件的致动产生远侧腕部分相对于近侧腕部分的移动。末端执行器耦接到远侧腕部分。末端执行器的致动产生末端执行器相对于远侧腕部分的移动。线缆对具有第一端和第二端，该第一端耦接到末端执行器。传动装置耦接到轴的近端部分，并且能够移动线缆对的第二端以致动末端执行器。线缆对的第二端被布线通过传动装置内的传动线缆路径。传动装置包括调整机构，该调整机构具有接收由线缆对的第二端施加的力的输入部分。该调整机构被配置为响应于由线缆对的第二端施加的力的变化而改变传动线缆路径的长度。
在一些实施例中，一种装置包括腕部组合件、末端执行器、线缆对、传动装置和调整工具。腕部组合件具有近侧腕部分和远侧腕部分。近侧腕部分耦接到轴的远端部分。腕部组合件的致动产生远侧腕部分相对于近侧腕部分的移动。腕部组合件限定腕部线缆路径，该腕部线缆路径具有当远侧腕部分相对于近侧腕部分移动时发生变化的长度。末端执行器耦接到远侧腕部分。末端执行器的致动产生末端执行器相对于远侧腕部分的移动。线缆对被布线通过腕部线缆路径，并且具有耦接到末端执行器的第一端。传动装置耦接到轴的近侧部分并且包括致动器，该致动器移动线缆对的第二端以致动末端执行器。线缆对的第二端被布线通过传动装置内的传动线缆路径。调整工具被配置为响应于腕部线缆路径的长度的变化而改变传动线缆路径的长度。
在一些实施例中，一种医疗器械包括驱动机构、从驱动机构延伸的轴以及在轴上的受动机构。一对线缆具有在受动机构中并穿过轴通向驱动机构的路线，并且受动机构的自由度的致动引起该对线缆在驱动机构外的路径长度的变化。驱动机构包括与该对线缆接合的路线改变机构，并且在致动期间，该路线改变机构自主地改变第一对线缆在驱动机构中的路径长度，以补偿第一对线缆在受动机构中的路径长度的变化。
在一些实施例中，一种医疗器械包括传动装置、从传动装置延伸的轴以及传动装置中的驱动机构。第一对线缆从传动装置穿过主轴延伸到受动机构，并被耦接以致动受动机构的第一自由度。第二对线缆从传动装置穿过主轴延伸到致动机构。第二对线缆被耦接以致动受动机构的第二自由度。驱动机构耦接到第一对线缆和第二对线缆并且包括路线改变机构，该路线改变机构响应于由于第一对线缆和第二对线缆穿过该轴的路径中缺乏长度持恒而引起的张力变化而改变第一对线缆和第二对线缆的路径，从而致动该机构。
在一些实施例中，一种装置包括底盘、线缆对、致动器和调整机构。底盘耦接到轴的近端部分。轴的远端部分被配置为耦接到腕部组合件。线缆对被布线穿过轴并具有第一端和第二端。线缆对的第一端被配置为耦接到腕部组合件。线缆对的第二端被布线通过底盘内的传动线缆路径。致动器在底盘内，并且被配置为移动线缆对的第二端。调整机构具有接收由线缆对的第二端施加的力的输入部分。调整机构被配置为响应于由线缆对的第二端施加的力的变化而改变传动线缆路径的长度。
本文还描述了操纵器械的方法。在一些实施例中，一种方法包括致动器械的腕部组合件以使远侧腕部分相对于近侧腕部分从第一方位移动到第二方位。近侧腕部分耦接到轴的远端部分。远侧腕部分耦接到末端执行器。线缆对被布线通过腕部线缆路径，使得线缆对的第一端耦接到末端执行器，并且线缆对的第二端耦接到传动装置(也被称为后端)内的致动器。该传动装置耦接到轴的近端部分。当远侧腕部分从第一方位移动到第二方位时，腕部线缆路径的长度改变。线缆对的第二端被布线通过的传动线缆路径的长度响应于腕部线缆路径的长度的变化而改变。线缆对的第二端经由传动装置内的致动器来移动以致动末端执行器。
如本文所用，当与参考数字指示一起使用时，术语“大约(about)”意味着参考数字指示加上或减去高达该参考数字指示的10％。例如，“大约50”一词涵盖45至55的范围。类似地，“大约5”一词涵盖4.5至5.5的范围。
如本说明书所用，“远侧(distal)”一词是指朝向工作部位的方向，而“近侧(proximal)”一词是指远离工作部位的方向。因此，例如，最接近目标组织的器械的端部将是工具的远端/远侧端部(distal end)，而与远端相对的端部(即由用户操纵的端部)将是器械的近端/近侧端部(proximal end)。
此外，被选择用于描述一个或多个实施例以及可选元件或特征的特定词语并不旨在限制本发明。例如，空间上的相对术语——例如“下方”、“下面”、“下部”、“上面”、“上部”、“近侧”、“远侧”等——可用于描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了图中所示的方位和取向之外，这些空间相对术语还意欲涵盖设备在使用或操作中的不同方位(即，平移布置)和取向(即，旋转布置)。例如，如果图中的设备被翻转，则描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”的元件将被描述为在其它元件或特征“上面”或“上方”。因此，术语“下面”可以包括上面和下面的方位和取向。设备可以是其它取向的(例如，旋转90度或处于其它取向)，并且本文中使用的空间相对描述符被相应地解释。类似地，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方位和取向。身体的方位和取向的组合限定了身体的姿势。
类似地，例如“平行”、“垂直”、“圆形”或“正方形”等几何术语不需要绝对的数学精度，除非上下文另有说明。相反，这种几何术语允许由制造或等效功能引起的变化。例如，如果一个元件被描述为“圆形”或“大致圆形”，则不是精确圆形的元件(例如，略呈椭圆形或多个侧边的多边形的元件)仍被涵盖于这种描述。
此外，单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式，除非上下文另有说明。术语“包括”、“包含”、“具有”等具体说明了所述特征、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它特征、步骤、操作、元件、部件或群组。
除非另有说明，否则术语“装置”、“医疗设备”、“器械”及其变体可以互换地使用。
本发明的各方面主要在使用外科手术系统的实施方式方面进行描述，所述外科手术系统例如为由美国加利福尼亚州Sunnyvale市的Intuitive Surgical公司商业化的da
Figure BDA0003814762830000081
外科手术系统。这种外科手术系统的示例是da
Figure BDA0003814762830000082
XiTM手术系统(型号IS4000)和da Vinci
Figure BDA0003814762830000092
手术系统(型号IS4000)以及da Vinci
Figure BDA0003814762830000093
手术系统(型号IS3000)。然而，本领域技术人员将理解，本文所公开的发明方面可以以各种方式来体现和实施，包括计算机辅助的实施例和实施方式、非计算机辅助的实施例和实施方式以及手动和计算机辅助的实施例和实施方式的混合组合。关于da
Figure BDA0003814762830000091
外科手术系统(例如，型号IS4000、型号IS3000、型号IS2000、型号IS1200)的实施方式仅作为示例来呈现，并且它们不被视为限制本文所公开的发明方面的范围。在适用的情况下，发明方面可以在相对较小的手持式手动操作设备和具有额外的机械支撑件的相对较大的系统中体现和实施。
图2A和图2B示出可用于微创医疗程序的医疗器械200的示意性侧视图。医疗器械200包括腕部230，该腕部230包括俯仰关节240，第一对致动线缆222a和222b以及第二对致动线缆224a和224b延伸穿过该俯仰关节240。(线缆222b和224b在图2A和图2B的侧视图中不可见，但在图2C中所示的腕部230的透视图中是可见的。)在图示的配置中，俯仰关节240由近侧连杆(或近侧腕部分)242和远侧连杆(或远侧腕部分)244形成，这些连杆被机械地连接或布置以允许围绕俯仰轴线246旋转。术语“俯仰”是任意的，并且在本文中被用于指代远侧连杆244相对于近侧连杆242的移动。俯仰关节240可替代地可采用许多类型的接头架构，例如使用销、滚动表面或挠曲件。附连到连杆244的一对致动线缆226a和226b从关节240中的连杆244穿过器械200的主轴220延伸到器械200的传动装置210。每根线缆222a、222b、224a、224b、226a和226b可包括绞合线缆、导线、条、带、管、杆或类似细长结构的区段。在一些实施例中，每根线缆包括压接在海波管上的绞合线缆的区段，绞合线缆被用在线缆发生显著弯曲或缠绕的地方，并且海波管被用在其它区段中以限制线缆的拉伸。更一般地，术语“线缆”在本文中被用于指代任何可被拉动以对机构进行致动的腱(tendon)或腱式结构。
传动装置210可被配置为与机器人接合以移动线缆，从而导致远侧连杆244相对于近侧连杆242的旋转以及末端执行器258相对于远侧连杆244的移动。末端执行器258的移动以及更具体地在一起或彼此对置(例如，作为抓握器)的夹爪252和夹爪254的旋转可以围绕偏航轴线(术语“偏航”是任意的)进行。因此，传动装置210可以通过任何合适的机构来移动线缆的任何组合的近端以产生期望的移动。在一些实施例中，传动装置210(以及本文描述的任何传动装置)可以包括旋转或“缠绕”线缆以产生移动的绞盘或其它马达驱动辊。例如，在一些实施例中，传动装置210可以包括题为“Medical Instrument ElectronicallyEnergized Using Drive Cables”的美国专利第9,204,923号中描述的任何后端组合件或部件，该专利的全部内容通过引用并入本文。
对于俯仰致动(即远侧连杆244围绕俯仰轴线246的旋转)，传动装置210可包括由马达提供动力的传统驱动机构(未示出，也被称为致动器)。特别地，控制机器人可以操作传动装置210中的传统驱动机构以卷收一个线缆226a或226b并且放出另一个线缆226b或226a，从而相对于近侧连杆242旋转远侧连杆244。图2A示出处于第一(或未弯曲)配置的医疗器械200，并且图2B示出处于第二配置的医疗器械200，其中线缆226b的长度已被释放并且线缆226a的长度已被拉入以引起远侧连杆244(以及医疗器械200的更远侧部分)相对于近侧连杆242围绕俯仰轴线246旋转。
穿过关节240的线缆222a和222b被用于致动夹爪252，例如，使夹爪252围绕对应于枢轴256的偏航轴线旋转。线缆224a和224b被用于致动夹爪254，例如，使夹爪254围绕对应于枢轴256的偏航轴线旋转。如图所示，关节240不包括允许线缆222a、222b、224a和224b全部沿着线缆长度持恒路径穿过关节240的线缆路径。类似地，关节240不限定穿过俯仰轴线246的线缆路径。例如，如图2C所示，连杆242和244可能需要空间用于中心内腔(lumen)247，该中心内腔247穿过连杆242和244以用于工作部位冲洗、加压或用于诸如视觉系统的其他医疗系统(未示出)。因此，线缆222a和222b不穿过关节240的旋转轴线246。相反，如图所示，线缆222a和222b以偏移至关节240的旋转轴线246的一侧的方式穿过俯仰关节240，而线缆224a和224b类似地以偏移至关节240的轴线246的相对侧的方式穿过俯仰关节240。在一些实施例中，线缆222a和222b从关节240的旋转轴线起的偏移距离与线缆224a和224b从关节240的旋转轴线起的偏移距离相同。
每对线缆222a和222b或者224a和224b可以预加载张力，以降低线缆内的松弛发展的可能性，从而保持线缆222a、222b、224a和224b与导向滑轮(未示出)或夹爪252或254接合。例如，当设备200处于图2A所示的第一配置时，线缆222a、222b、224a和224b都可以具有相等的张力。如图2A所示，腕部230限定第一腕部线缆路径222’，线缆222a和222b通过该第一腕部线缆路径222’被布线在远侧连杆244与近侧连杆242之间。当设备200处于第一配置时，第一腕部线缆路径具有长度L1。腕部230限定第二腕部线缆路径224’，线缆224a和224b通过该第二腕部线缆路径224’被布线在远侧连杆244与近侧连杆242之间。当设备200处于第一配置时，第二腕部线缆路径具有长度L2。尽管被示出为对称实施方式，其中当设备200处于第一配置时长度L1和长度L2相等，但在其他实施例中，长度L1和长度L2在第一(或在任何其他)配置中可能不相等。
当关节240被致动以使得远侧连杆244相对于近侧连杆242旋转时，如图2B所示，关节240的旋转以及第一线缆路径222’和第二线缆路径224’的偏移特性导致线缆路径的长度改变(并且变得不相等)。具体地，在第二(或旋转)配置中，第一线缆路径222’具有小于长度L1的长度L’1。减小的路径长度倾向于减小拉力并在该线缆对222a和222b中产生松弛。类似地，在第二(或旋转)配置中，第二线缆路径224’具有大于长度L2的长度L’2。增加的路径长度倾向于增加张力并拉伸该线缆对224a和224b。
为了在关节240移动时使线缆222a、222b、224a和224b的线缆松弛或变形最小化，传动装置210包括能够自动补偿俯仰关节240中的线缆路径长度的变化的路径长度补偿驱动机构212。在一些实施例中，路径长度补偿驱动机构212可以响应于对应的腕部线缆路径的长度的变化而改变传动装置210内的线缆路径(即传动线缆路径)的长度。例如，在一些实施例中，路径长度补偿驱动机构212可以响应于由L’1指示的路径长度的减小而改变传动装置210内的线缆路径的长度，其中线缆对222a和222b被布线通过该线缆路径。以此方式，总线缆路径长度(从传动装置210起并穿过关节240)保持基本恒定(即路径长度被持恒)。在一些实施例中，路径长度补偿驱动机构212可以响应于由线缆施加的力的变化而改变传动装置210内的线缆路径(即传动线缆路径)的长度。例如，在一些实施例中，路径长度补偿驱动机构212可以响应于由线缆对222a和222b施加在驱动机构212上的张力的减小而改变传动装置210内的线缆路径的长度，其中线缆对222a和222b被布线通过该线缆路径。
在一些实施例中，传动装置可包括调整机构，该调整机构通过在传动装置内移动致动器的方位来补偿腕部或关节组合件内的一对线缆的路径长度的变化。例如，在一些实施例中，传动装置(例如，传动装置210)可以包括线缆对围绕其缠绕的绞盘，并且调整机构可以改变绞盘的旋转轴线以改变传动装置内的线缆路径的长度。例如，图3示出驱动机构300，其可以用在器械传动装置中以驱动具有不持恒线缆长度的远侧线路的一对线缆222a和222b。驱动机构300包括输入芯轴310，该输入芯轴310可旋转地安装在器械传动装置内的底盘330上的固定位置处。芯轴310的位置可以根据外部致动器(例如用于医疗器械的对接端口中的驱动马达(未示出))的位置来固定。例如，控制机器人(未示出)可以具有容纳可互换的医疗器械的对接端口，并且每个可互换的医疗器械的传动装置可以被成形为适配该对接端口并且可能需要一个或多个输入芯轴被固定在与对接端口中的驱动马达相对应的位置处。因此，机器人的对接端口的规格可以规定底盘330上的芯轴310的尺寸、形状和位置。
驱动机构300包括线缆222a和222b围绕其缠绕的至少一个绞盘320。该驱动机构还包括允许绞盘320的移动的安装件340。绞盘方位的调整可用于调整传动装置内的线缆路径的长度。绞盘方位的调整还可以使线缆222a和222b中的张力保持恒定或在期望的工作范围内。绞盘320可以是安装在轮轴322上的圆柱形绞盘。如图3所示，安装件340包括一个或多个臂形件，并且每个臂形件被附连以围绕芯轴310的固定轮轴312旋转，并且这些臂形件在相距芯轴轮轴312的固定距离处支持绞盘轮轴322。在使用中，绞盘轮轴322的位置可以围绕芯轴轮轴312沿着圆形路径移动。此外，驱动机构300包括调整机构，该调整机构包括安装件340和弹簧系统342。弹簧系统342偏置绞盘320和安装件340以逆着由线缆222a和222b在绞盘320上施加的张力来拉动或推动。以此方式，驱动机构300(以及其中的调整机构)用于维持或限制线缆222a和222b中的张力。特别地，弹簧系统可以向绞盘320施加力，该力抵抗线缆222a和222b施加到绞盘320的力。
图3示出一种具体实施方式，其中弹簧系统342是一端固定在底盘330上而另一端耦接到安装件340或轮轴322的弹簧。然而，其他实施例可包括任何合适的弹簧系统配置或偏置系统以抵抗线缆222a和222b中的张力。例如，在一些实施例中，弹簧可以被拉伸或压缩以向安装件340或轮轴322施加力。此外，可以采用许多类型的弹簧，例如螺旋弹簧或挠曲件。弹簧系统还可以用作胡克定律弹簧，其可允许线缆222a和222b中的预加载张力随着轮轴322的方位而变化，或者作为恒定力弹簧，其在线缆222a和222b中维持恒定的平均张力。在一些实施例中，弹簧系统可以被结合在安装件340的臂形件中，例如，臂形件可以固定在芯轴轮轴312处并且可以弯曲以提供轮轴322的移动和弹簧力两者来抵抗线缆222a和222b中的张力。
驱动机构340包括在绞盘320与芯轴310之间的驱动耦接件350，该驱动耦接件连接绞盘320以在芯轴310旋转时进行旋转。虽然驱动耦接件350被示出为条带，但是在其他实施例中，可以使用任何合适的耦接件，对于轮轴322的任何位置或一系列位置，该耦接件将芯轴310围绕轮轴312的旋转联接起来以促使绞盘320围绕轮轴322的旋转。例如，在一些实施例中，驱动耦接件350可包括缆索、链传动装置或齿轮系统。
如图所示，线缆对(即线缆222a和222b)缠绕在绞盘320上，使得绞盘320围绕轮轴322的旋转放出线缆222a或222b中的一个的一定长度并同时卷收另一线缆222b或222a的相等长度。在操作中，如果腕关节或其他系统沿着主器械轴的俯仰移动不能持恒线缆222a和222b在腕关节、安装件340内的线缆长度，则驱动机构300在没有外部干预的情况下可以移动绞盘320以补偿当设备围绕俯仰轴线(例如，俯仰轴线246)旋转时引起的线缆长度的变化。特别地，随着线缆对222a、222b的路径长度在腕关节内减小，弹簧342将轮轴322拉回(如箭头AA所示)以占据在两根线缆222a和222b中产生的松弛。类似地，随着线缆对222a、222b的路径长度在腕关节内增加，施加到绞盘320的增加的张力将导致绞盘320在线缆222a、222b中的张力否则可能具有潜在破坏性时向前移动(如箭头BB所示)。特别地，弹簧系统342通过补偿腕部组合件内的路径长度变化使线缆222a和222b中的张力保持恒定或在期望的范围内，使得在轮轴322的任何方位处和在轮轴322的移动期间，固定芯轴310的旋转可以引起绞盘320的旋转，以致动耦接到线缆222a和222b的受动机构。
在某些操作中，由俯仰致动引起的线缆路径长度变化可以与偏航或抓握致动同时发生。术语“抓握致动”在这里广泛地指代一对夹爪(例如，夹爪252和夹爪254)的打开或闭合，例如，如果夹爪用作镊子或烧灼工具，则抓握致动可以用于抓取或释放物体，或者如果夹爪用作剪刀，则抓握致动可以用于切割。对于使用两个线缆对(即，每个夹爪一对线缆)的抓握致动，每对中的一根线缆通常具有低张力，而该对中的另一线缆通常具有高张力以闭合或保持夹爪。通过针对每个线缆对使用单独的弹簧加载路线改变机构，一根线缆中的高张力可能抵抗试图赋予长度变化补偿的弹簧力，并且因此可能破坏路线改变系统的功能。因此，在一些实施例中，调整机构可以持恒两对线缆中的路径长度，并且可以平衡在一对线缆的一根线缆中可能出现的高夹持张力与在另一对线缆的一根线缆中的伴随的高夹持张力。在两对线缆中持恒路径长度的调整机构尤其可以用在具有引起路径长度的互补变化的关节或远侧机构的系统中。例如，图2C的腕部230将一对线缆222a和222b以一定偏移量布线到俯仰轴线246的一侧，并将线缆224a和224b以相同的偏移量布线到俯仰轴线246的相对侧。结果，俯仰移动使一个线缆对222a和222b或224a和224b在腕部内的线缆路径长度增加的量等于另一个线缆对224a和224b或线缆对222a和222b在腕部内的线缆路径长度减少的量。因此，线缆长度持恒驱动机构可包括调整机构，该调整机构同时引起传动装置中的线缆路线的互补移位，以补偿路径长度的更远端变化。
在一些实施例中，例如，调整机构可以在器械的传动装置内并且可以调整多个线缆对的传动线缆路径长度(即，在传动装置内布线的线缆对的长度)。例如，在一些实施例中，调整机构可以接收来自两个或更多个线缆对的输入，以同时增加线缆对中的一个的传动线缆路径，同时减小线缆对中的另一个的传动线缆路径。例如，在一些实施例中，医疗器械可包括具有枢轴臂(或摆锤(pendulum))的调整机构，该枢轴臂位于器械的传动装置内并且使相对的线缆对中的张力均衡。例如，图4A和图4B示出医疗器械400的一部分的平面图和剖视侧视图，该医疗器械400具有传动装置410，主器械轴420从该传动装置410延伸。该器械包括腕部(未示出，但可以类似于图2C的腕部230)或任何其他受动机构，其导致第一线缆对222a和222b的路径长度变化与第二线缆对224a和224b的路径长度变化相反。该腕部可以耦接到主轴420的远端。
传动装置410包括四个输入芯轴412、414、416和418，这些输入芯轴根据需要定位在传动装置410的底盘上，以与控制机器人的对接端口中的致动器以接口连接。输入芯轴412和414对应于医疗器械400的最远自由度运动，例如，一对夹爪(未示出，但类似于夹爪252、254)的偏航移动。芯轴416对应于腕关节的一个运动自由度(例如，俯仰运动)，如本文所述，其可以在传动装置410外部的位置处引起路径长度变化。具体地，芯轴416对线缆对226a和226b的致动可以产生针对线缆对222a和222b以及线缆对224a和224b的腕部线缆路径的长度的变化。芯轴418可以对应于医疗器械400的另一运动自由度，例如，主轴420的轴向旋转。如本文所述，器械400不包括来自外部控制装置(例如，控制机器人)的输入以动态地控制线缆路径长度，因为路径长度补偿通过调整机构450在传动装置410内自主地发生。具体地，如所描述，调整机构450响应于当医疗器械400的远侧部分(例如，腕部组合件)未能持恒线缆长度时所引起的张力变化。该自主补偿允许医疗器械400通过调整传动线缆路径的长度来持恒整个线缆长度(即，从传动装置410到器械的最远端的全线缆长度)。
芯轴412、414和416上的绞盘可以是具有圆形横截面的简单圆柱形绞盘，线缆围绕该圆形横截面缠绕。在一些实施例中，线缆226a和226b围绕安装在芯轴416的轮轴上的一个或多个绞盘沿相反方向缠绕。固定的惰轮436将线缆226a和226b重新引导到主轴420中。线缆226a和226b可以从那里连接到如图2C所示的类型的俯仰关节。线缆222a和222b围绕安装在芯轴412的轮轴上的一个或多个绞盘沿相反方向缠绕，并且从那里布线绕过固定的惰轮432、枢转臂440上的可动滑轮442，然后绕过固定的惰轮436，惰轮436将线缆222a和222b重新引导到主轴420中。在从传动装置410延伸之后，线缆222a和222b可以穿过非线缆长度持恒路线，例如穿过横贯俯仰关节(类似于图2A-图2C所示)的腕部线缆路径，然后连接到受动机构(例如，图2C的夹爪252)。类似地，线缆224a和224b围绕安装在芯轴414的轮轴上的一个或多个绞盘沿相反方向缠绕，并且从那里布线绕过固定的惰轮434、枢转臂440上的可动滑轮444，然后绕过固定的惰轮436，惰轮436将线缆224a和224b重新引导到主轴420中。在从传动装置410延伸之后，线缆224a和224b可以穿过非线缆长度持恒路线，例如穿过横贯俯仰关节(类似于图2A-2C所示)的腕部线缆路径，然后连接到另一个受动机构(例如，图2C的夹爪254)。
调整机构450包括枢转臂440，该枢转臂440可围绕固定在传动装置410的底盘上的枢轴446自由旋转。在使用中，枢转臂440的角度方位可以在俯仰运动期间移位以维持线缆对222a和222b以及线缆对224a和224b的所需张力，无需外部控制从芯轴412和414上的驱动绞盘中放出或卷入线缆长度。例如，如果俯仰运动倾向于远程地(即，在腕部内)减小线缆路径长度并由此减小第一线缆对222a和222b中的张力，同时倾向于远程地(即，在腕部内)增加线缆路径长度并由此增加第二线缆对224a和224b中的张力，则线缆对224a和224b中的增加的张力推动摆锤440围绕枢轴446旋转并减小传动装置410内的线缆对224a和224b的线缆路径长度。摆锤440的旋转同时增加在传动装置410内针对第一线缆对222a和222b的线缆路径长度。类似地，如果俯仰运动倾向于远程地减小线缆路径长度并减小线缆对224a和224b中的张力(即导致松弛)并且倾向于远程地增加线缆路径长度并增加线缆对222a和222b中的张力，则增加的张力使摆锤440围绕枢轴446沿相反方向旋转，以减小传动装置410中针对线缆对222a和222b的线缆路径长度，并增加传动装置410中针对线缆对224a和224b的线缆路径长度。因此，器械400在传动装置410内具有线缆长度持恒驱动机构，其补偿两对线缆的远侧线缆路径长度的相反变化。
在其他实施例中，线缆长度持恒医疗器械可包括使用线性穿梭件的调整机构，该线性穿梭件从一侧移位到另一侧以改变医疗器械的传动装置中的两对线缆的传动线缆路径。例如，图5示出医疗器械500，其包括传动装置510、从传动装置510延伸的主轴420以及在主轴420的远端处的腕部230。腕部230可包括诸如上面参考图2A、图2B和图2C所述的那些结构，并且使用如上所述的三对致动线缆(例如，用于致动一个夹爪的偏航移动的线缆222a和222b、用于第二夹爪的偏航移动的线缆224a和224b以及用于俯仰致动腕关节的线缆226a和226b)来致动。
器械传动装置510类似于图4A和图4B的传动装置410，并且特别地包含如上所述的输入芯轴412、414、416和418以及固定的惰轮432、434和436。传动装置510与传动装置410的不同之处在于传动装置510包括使用滑动系统实现的调整机构540，该滑动系统包括安装在穿梭件546上的滑轮542和544，穿梭件546在引导件或轨道548上滑动。如图所示，该设备500包括围绕安装在芯轴412上的一个或多个绞盘沿相反方向缠绕的线缆222a和222b。用于线缆对222a和222b的传动线缆路径进一步由围绕固定的惰轮432、穿梭件546上的可动滑轮542以及固定的惰轮436的路线限定。线缆224a和224b类似地围绕安装在芯轴414上的一个或多个绞盘沿相反方向缠绕。用于线缆对224a和224b的传动线缆路径进一步由围绕固定的惰轮434、穿梭件546上的可动滑轮544以及固定的惰轮466的路线限定。在腕部230的俯仰移动期间，一对线缆222a和222b或者224a和224b在腕部230内的线缆路径长度增加，同时另一对线缆224a和224b或者222a和222b的线缆路径长度减小。响应于腕部230中的线缆路径长度的变化以及所导致的线缆张力的变化，穿梭件546进行滑动以改变线缆222a、222b、224a和224b的传动线缆路径长度，从而补偿腕部230中的腕部线缆路径长度变化。以此方式，调整机构可以至少近似地持恒整个线缆路径长度。
图6示出包括传动装置610的医疗器械600，该传动装置610具有另一个路径长度补偿驱动机构，该路径长度补偿驱动机构补偿两对线缆中的相反的路径长度变化以用于致动偏航自由度。在器械600中，用于致动偏航或抓握旋转的每对线缆222a和222b或者224a和224b具有带有可旋转安装件340的绞盘320，其可以类似于上面参照图3所述的结构。特别地，每个绞盘320可以在轮轴322上旋转，并且每个安装件340可以围绕相关驱动芯轴310的轮轴312沿弧形旋转。驱动耦接件350将驱动芯轴310连接到相应的绞盘320，使得无论轮轴322的方位如何，每个绞盘320都响应于相关驱动芯轴310围绕其轮轴312旋转而围绕其轮轴322旋转。
与参考图3所描述的系统相比，器械600中的安装件340不耦接到弹簧系统。相反，刚性杆640耦接两个绞盘轮轴322。安装件340仍允许每个轮轴322围绕相关芯轴轮轴312旋转，但连杆640连接轮轴322，使得当一个轮轴322围绕其相关芯轴312旋转时，连杆640促使另一个轮轴322围绕其相关芯轴312旋转。此外，连杆640和安装件340具有选定的长度和方位，使得缩短传动装置610中的一对线缆222a和222b或者224a和224b的线缆路径长度的旋转同时延长传动装置610中针对另一对线缆224a和224b或者222a和222b的路径长度。传动装置610的底盘上的芯轴轮轴312、两个安装件340以及连杆630的固定间距形成一个4杆机构，实质上是一个4杆摆锤，其作用类似于上面描述的枢转臂或滑动系统。器械600可以具有需要相对少的惰轮630以将线缆222a、222b、224a和224b布线到主轴620中的优点。线缆222a、222b、224a和224b可以用作弹簧，因为导致一个线缆对中的线缆张力增加而另一个线缆对中的张力减小的线缆长度持恒的远侧缺乏将直接自动致动路线改变机构，以补偿线缆长度持恒的不足。因此，图6中所示的调整机构不需要外部控制。
图7-图19是根据一个实施例的器械1400的各种视图。在一些实施例中，器械1400或其中的任何部件可选地是执行微创外科手术的外科组合件的一些部分，并且其可以包括患者侧遥控操纵器单元、一个或多个运动联动装置、一个或多个插管，等等。器械1400包括传动装置1700(也被称为后端机构)、轴1410、腕部组合件1500和末端执行器1460。腕部组合件1500可以类似于本文示出和描述的任何腕部组合件。末端执行器1460可包括任何合适的工具构件，并且可以类似于本文所述的任何末端执行器。轴1410可以是将腕部组合件1500耦接到传动装置1700的任何合适的细长轴。具体地，轴1410包括近端部分1411和远端部分7412，近端部分1411耦接到传动装置1700的壳体1760，远端部分7412耦接到腕部组合件1500(例如，腕部组合件1500的近侧连杆，类似于上面描述的连杆242)。轴7410限定一个或多个通道，线缆(下面描述)和其他部件(例如，电线、地线等)可以穿过该通道从传动装置1700布线到腕部组合件1500。
器械1400包括将传动装置1700耦接到腕部组合件1500和末端执行器1460的线缆。器械1400被配置成使得线缆的移动可以产生腕部组合件1500围绕关节轴线(例如，类似于上述俯仰轴线246)的旋转、末端执行器1460围绕旋转轴线(例如，类似于上述轴线256，也被称为偏航轴线)的旋转、末端执行器1460的工具构件围绕偏航轴线的抓握旋转，或者这些移动的任何组合。可以通过操纵传动装置1700内的线缆来执行改变器械1400的俯仰、偏航或抓握。具体地，参考图8、图10和图15-图17，器械1400包括第一线缆对1420和第二线缆对1430。第一线缆对1420包括线缆1420A和线缆1420B，并且具有耦接到并致动末端执行器1460的工具构件的第一端(未示出)(类似于上面示出的对工具构件252进行致动的线缆对222的布置)。第一线缆对1420从末端执行器1460布线穿过腕部组合件1500和轴1410，使得第一线缆对1420的第二端1421处于传动装置1700内(参见图8和图10)。以此方式，传动装置1700可以移动第一线缆对1420的第二端1421以致动末端执行器1460。第二线缆对1430包括线缆1430A和线缆1430B，并且具有耦接到并致动末端执行器1460的工具构件的第一端(未示出)(类似于上面示出的对工具构件254进行致动的线缆对224的布置)。第二线缆对1430从末端执行器1460布线穿过腕部组合件1500和轴1410，使得第二线缆对1430的第二端1431处于传动装置1700内(参见图8和图10)。以此方式，传动装置1700可以移动第二线缆对1430的第二端1421以致动末端执行器1460。
在一些实施例中，器械1400可以包括耦接到并致动腕部组合件1500的第三线缆对(未示出)。例如，该第三线缆对可以类似于如上所述的线缆对226，并且可以用于使腕部组合件1500的远侧连杆相对于腕部组合件1500的近侧连杆移动(类似于如上所示和所述的远侧连杆244相对于近侧连杆242的旋转)。腕部组合件1500的这种旋转可以被称为俯仰。
与上述的腕部230类似，腕部组合件1500可以限定一个或多个腕部线缆路径，第一线缆对1420的第一端和第二线缆对1430的第一端被布线通过这些腕部线缆路径。在一些实施例中，腕部组合件1500可以限定第一线缆对1420被布线通过的第一腕部线缆路径(类似于上述的第一腕部线缆路径222’)以及第二线缆对1430被布线通过的第二腕部线缆路径(类似于上述的第二腕部线缆路径224’)。此外，当腕部组合件1500被致动以产生俯仰旋转时，腕部线缆路径的长度可以改变(并且变得不相等)。具体地，当沿第一方向旋转腕部组合件1500的远侧连杆时，第一腕部线缆路径减小，这倾向于减小张力并在第一线缆对1420中产生松弛，并且第二腕部线缆路径增加，这倾向于增加张力并可能拉伸第二线缆对1430。相反，当沿第二方向旋转腕部组合件1500的远侧连杆时，第一腕部线缆路径的长度增加，这倾向于增加张力并可能拉伸第一线缆对1420，并且第二腕部线缆路径的长度减小，这倾向于减小张力并在第二线缆对1430中产生松弛。如下所述，传动装置1700包括调整机构1800，该调整机构1800自动补偿在腕部组合件1500中发生的线缆路径长度的变化。以此方式，整个线缆路径长度(从传动装置1700通过腕部组合件1500到被致动的末端执行器工具构件部件)保持基本恒定(即，路径长度是持恒的)。
传动装置1700产生每个线缆对的移动，以在腕部组合件1500处产生所需的移动(俯仰、偏航或抓握)。具体地，传动装置1700包括部件和控制件以使一些线缆沿近侧方向移动(即，拉动或“收入(pay in)”)，同时允许其他线缆的远侧移动(即，释放或“放出(payout)”)。例如，线缆1420A的近侧移动和线缆1420B的相应远侧移动将产生工具构件(例如，工具构件252)围绕偏航轴线的旋转。参见图8-图10，传动装置1700包括底盘1760、第一绞盘组合件1710，第二绞盘组合件1720、第三绞盘组合件1730以及调整机构1800。
底盘1760提供结构支撑件，用于安装和对准传动装置1700的部件。例如，底盘1760限定轴1410的近端部分1411安装于其中的开口，以及绞盘组合件安装于其中的多个开口。底盘1760包括安装支架1765，该安装支架提供额外的安装表面和支撑(例如，用于绞盘组合件)。如图10所示，支架1765包括一对安装部分1766(仅示出了安装部分1766中的一个)，所述安装部分与线缆调整机构1800的安装突片(tab)1812接合，以将线缆调整机构1800保持在传动装置1700内。除了为传动装置1700的内部部件提供安装支撑之外，底盘1760还包括与驱动设备(未示出)的对接端口以接口连接的外部特征(例如，凹槽、夹子等)。驱动设备可以是例如计算机辅助的远程操作外科手术系统，其可以接收器械1400并操纵器械1400以执行各种外科手术。在其他实施例中，驱动设备可以是组装系统，其可以接收和操纵器械1400以执行各种组装操作。
第一绞盘组合件1710包括可被马达驱动以围绕绞盘轮轴旋转的轴。该旋转轴包括被第一线缆对1420的第二端1421缠绕的一部分。以此方式，线缆1420A从第一绞盘组合件1710的一侧切向延伸，并且线缆1420B从第一绞盘组合件1710的另一侧切向延伸。因此，当第一绞盘组合件1710沿第一方向旋转时，线缆1420A可以向近侧移动(即，可以被向内拉动或围绕该旋转轴缠绕)，并且线缆1420B可以向远侧移动(即，可以被从旋转轴放出或解绕)。线缆对1420的移动可以通过改变第一绞盘组合件1710的旋转方向来反转。第二绞盘组合件1720包括可被马达驱动以围绕绞盘轮轴旋转的轴。该旋转轴包括被第二线缆对1430的第二端1431缠绕的一部分。以此方式，线缆1430A从第二绞盘组合件1720的一侧切向延伸，并且线缆1430B从第二绞盘组合件1720的另一侧切向延伸。因此，当第二绞盘组合件1730沿第一方向旋转时，线缆1430A可以向近侧移动(即，可以被向内拉动或围绕该旋转轴缠绕)，并且线缆1430B可以向远侧移动(即，可以被从旋转轴放出或解绕)。通过改变第一绞盘组合件1710的旋转方向，可以反转第二线缆对1430的移动。
参照图15，第一绞盘组合件1710和传动装置1700内的其他部件的布置限定了第一线缆对1420的第二端1421被布线通过的第一传动线缆路径P1。类似地，第二绞盘组合件1720和传动装置1700内的其他部件的布置限定了第二线缆对1430的第二端1431被布线通过的第二传动线缆路径P2。如本文所述，调整机构1800被配置为响应于对应的腕部线缆路径的长度的变化而改变第一传动线缆路径P1和第二传动线缆路径P2的长度。以此方式，每个线缆对的整体线缆路径长度(从传动装置1700穿过腕部组合件1500到被致动的末端执行器工具构件部件)保持基本恒定(即，路径长度被持恒)。这允许第一线缆对1420和第二线缆对1430内的张力被维持在期望的范围内，而不管腕部组合件1500的俯仰方位如何。
参见图11-图13，调整机构1800包括框架1810、第一安装盖1831、第二安装盖1832和可移动构件1850。框架1810被配置为扣合(snap-fit)到传动装置1700的底盘1860中。具体地，框架1810包括一对对准销1813和一对连接凸片1812，它们与安装支架1765配合地接合。参见图10，连接凸片1812被配置为耦接安装部分1766，以将调整机构1800保持在传动装置1700内的适当位置。
参见图13，框架1810包括第一惰轮部分和第二惰轮部分。第一惰轮部分包括销1818和一对线缆引导件1819。第一惰轮1841安装到框架1810的第一侧(顶侧)上的销1818上并围绕销1818旋转。第一线缆对1420的线缆1420A部分地缠绕第一惰轮1841。线缆引导件1819具有与第一惰轮1841的形状对应的弯曲形状，并且将线缆1420A保持在第一惰轮1841的线缆槽内。第二惰轮1842安装到框架1810的第二侧(底侧)上的销1818并围绕销1818旋转。第一线缆对1420的线缆1420B部分地缠绕第二惰轮1842。在框架1810的底侧上的线缆引导件1819(未示出)具有与第二惰轮1842的形状对应的弯曲形状，并且将线缆1420B保持在第二惰轮1842的线缆槽内。第二惰轮部分包括销1821和一对线缆引导件1822。第三惰轮1843安装到框架1810的顶侧上的销1821上并围绕销1821旋转。第二线缆对1430的线缆1430A部分地缠绕第三惰轮1843。线缆引导件1822具有与第三惰轮1843的形状对应的弯曲形状，并且将线缆1430A保持在第三惰轮1843的线缆槽内。第四惰轮1844安装到框架1810的底侧上的销1821上并围绕销1821旋转。第二线缆对1430的线缆1430B部分地缠绕第四惰轮1844。框架1810的底侧上的线缆引导件1822具有与第四惰轮1844的形状对应的弯曲形状，并将线缆1430B保持在第四惰轮1844的线缆槽内。通过这种布置，这些惰轮限定了第一传动线缆路径P1和第二传动线缆路径P2的一部分。尽管第一线缆对1420的传动线缆路径P1包括两个稍微不同的路径(一个用于线缆1420A而另一个用于线缆1420B)，但为简单起见，第一传动线缆路径P1被用于笼统地指代线缆1420A、1420B中的每一个的路径。类似地，尽管第二线缆对1430的传动线缆路径P2包括两个稍微不同的路径(一个用于线缆1430A而另一个用于线缆1430B)，但为简单起见，第二传动线缆路径P2被用于笼统地指代线缆1430A、1430B中的每一个的路径。
框架1810的端部包括第一销1824和第二销1828，轴承1845围绕第一销1824安装，并且轴承1845围绕第二销1828安装。第一销1824的中心线和第二销1828的中心线限定了每个轴承1845的旋转轴线。此外，如本文详细描述的，销1824、1828的中心线限定了线性路径，可移动构件1850沿着该线性路径平移以调整第一传动线缆路径P1和第二传动线缆路径P2的长度。轴承1845可以是任何合适的轴承，例如，辊轴承、滚珠轴承或锥形辊轴承(即圆锥轴承)。如图13所示，框架1810的端部还包括一对滑动表面1825、1829，相应的表面1858、1868可以抵靠滑动表面1825、1829滑动。滑动表面1825、1829可包括表面涂层或处理，以减小框架1810与可移动构件1850之间的摩擦。
第一安装盖1831耦接到框架1810并将轴承1845固定就位，并且用于限制可移动构件1850在向上方向上的移动。具体地，第一安装盖1831包括第一安装孔1833和第二安装孔1835，可以穿过第一安装孔1833放置紧固件以将第一安装盖1831耦接到框架1810，并且第二安装孔1835围绕销1824耦接。第一安装盖1831包括安装在可移动构件1850的第一叉(fork)1851的一部分上方的止动表面1836，因此能够限制可移动构件1850的向上移动。第二安装盖1832耦接到框架1810并将轴承1845固定就位，并且用于限制可移动构件1850在向上方向上的移动。具体地，第二安装盖1832包括第一安装孔1837和第二安装孔1839，可以穿过第一安装孔1837放置紧固件以将第二安装盖1832耦接到框架1810，并且第二安装孔1839围绕销1828耦接。第二安装盖1832包括安装在可移动构件1850的第二叉1852的一部分上方的止动表面1840，因此能够限制可移动构件1850的向上移动。
可移动构件1850被配置为相对于框架1810移动以改变第一传动线缆路径P1和第二传动线缆路径P2的长度。具体地，可移动构件1850从第一线缆对1420接收第一力并且从第二线缆对1430接收第二力，并且响应于第一力与第二力之间的不平衡而相对于框架1810移动。如图所示，可移动构件包括第一叉1851、第二叉1852、第一输入部分1861、第二输入部分1863以及耦接器1870。第一叉1851包括两个相对的轴承表面(仅轴承表面1855被标识)和底部滑动表面1858。可移动构件1850耦接到框架1810，使得轴承1845位于相对的轴承表面1855之间的开口内。可移动构件1850具有足够的间隙以在与滑动运动方向正交的方向上移动，如图16中的箭头DD所示。以此方式，在调整机构1800的操作期间，相对的轴承表面1855中的任一个可以接触轴承1845。底部滑动表面1858与框架的相应滑动表面1825滑动接触，这限制了可移动构件1850相对于框架1810的向下的竖直移动。第二叉1852包括两个相对的轴承表面(仅轴承表面1865被标识)和底部滑动表面1868。可移动构件1850耦接到框架1810，使得轴承1845位于相对的轴承表面1865之间的开口内。可移动构件1850具有足够的间隙以在与滑动运动方向正交的方向上移动，如图16中的箭头DD所示。以此方式，在调整机构1800的操作期间，相对的轴承表面1865中的任一个可以接触轴承1845。底部滑动表面1868与框架的相应滑动表面1829滑动接触，这限制了可移动构件1850相对于框架1810的向下的竖直移动。
第一输入部分1861限定第一滑轮1871耦接于其中的第一槽和第二滑轮1872耦接于其中的第二槽。第二输入部分1863限定第三滑轮1873耦接于其中的第三槽和第四滑轮1874耦接于其中的第四槽。滑轮1871、1872、1873、1874通过耦接器1870耦接在槽内，该耦接器1870包括滑轮围绕其旋转的销。此外，如图14所示，耦接器1870包括第一引导销1875和第二引导销1876。参见图16，第一线缆对1420的线缆1420A被从第一惰轮1841布线并且部分缠绕第一滑轮1871。第一引导销1875将线缆1420A保持在第一滑轮1871的线缆槽内。在离开可移动构件1850后，线缆1420A被布线至第一绞盘组合件1710(参见图15)。类似地，第二线缆对1430的线缆1430A被从第三惰轮1843布线并且部分缠绕第三滑轮1873。第二引导销1876将线缆1430A保持在第三滑轮1873的线缆槽内。在离开可移动构件1850后，线缆1430A被布线至第二绞盘组合件1720(参见图15)。
参照图16，第一线缆对1420的线缆1420B从第二惰轮1842布线并且围绕第二滑轮1872部分地缠绕。第一引导销1875将线缆1420B保持在第二滑轮1872的线缆槽内。在离开可移动构件1850后，线缆1420B被布线至第一绞盘组合件1710(参见图15)。类似地，第二线缆对1430的线缆1430B从第四惰轮1844布线并且围绕第四滑轮1874部分地缠绕。第二引导销1876将线缆1430B保持在第四滑轮1874的线缆槽内。在离开可移动构件1850后，线缆1430B被布线至第二绞盘组合件1720(参见图15)。
通过这种布置，可移动构件1850(以及其中的滑轮)限定第一传动线缆路径P1和第二传动线缆路径P2的一部分。因此，可移动构件1850相对于框架1810的移动可以调整第一传动线缆路径P1和第二传动线缆路径P2的长度。例如，当器械是第一配置时，第一线缆对1420具有第一张力T1并且第二线缆对具有第二张力T2。在一些实施例中，第一线缆对1420和第二线缆对1430的腕部线缆路径具有相等的长度，因此张力T1等于张力T2。在这种情况下，可移动构件在第一销1824和第二销1828之间居中。
然而，当腕部组合件1500被致动时，腕部线缆路径可能具有不相等的长度，并且线缆对中的张力可能变得不平衡。例如，图18示出了第一线缆对1420的腕部线缆路径的长度大于第二线缆对1430的腕部线缆路径的长度的状态。如本文所述，这可以增加第一线缆对1420中的张力。因此，当器械处于第二配置时，如图18所示，第一线缆对1420具有大于第二线缆对1430的第二张力T2’的第一张力T1’。第一线缆对1420的增加的张力T1’作用在第一滑轮1871(来自线缆1420A)和第三滑轮1873(来自线缆1420B)上。因为张力T1’大于作用在第三滑轮1873(来自线缆1430A)和第四滑轮1874(来自线缆1430B)上的张力T2’，所以可移动构件如图18中的箭头CC所示移动。该移动改变第一线缆对1420的传动线缆路径P1’和第二线缆对1430的传动线缆路径P2’。具体地，传动线缆路径P1’的长度减小并且传动线缆路径P2’的长度增加。当第一线缆对1420中的张力变得等于第二线缆对1430中的张力时，同时进行的传动线缆路径P1’的减小和传动线缆路径P2’的增加将停止。当器械处于第三配置时，如图19所示，第一线缆对1420具有第一张力Tl”，该第一张力Tl”小于第二线缆对1430的第二张力T2”。第一线缆对1420的减小的第一张力Tl”作用于第一滑轮1871(来自线缆1420A)和第三滑轮1873(来自线缆1420B)。因为张力T1”小于作用在第三滑轮1873(来自线缆1430A)和第四滑轮1874(来自线缆1430B)上的张力T2”，所以可移动构件如图19中的箭头EE所示移动。该移动改变第一线缆对1420的传动线缆路径P1”和第二线缆对1430的传动线缆路径P2”。具体地，传动线缆路径P1”的长度增加并且传动线缆路径P2”的长度减小。当第一线缆对1420中的张力变得等于第二线缆对1430中的张力时，同时进行的传动线缆路径P1’的增加和传动线缆路径P2’的减小将停止。因此，可移动构件1850的移动是由线缆对中的张力的变化产生的，该变化是由于器械内的变化的线缆路径导致的。
尽管上面已经描述了各种实施例，但是应当理解，它们仅仅是通过示例方式而不是通过限制方式来呈现的。在上面描述的方法和/或示意图指示以特定顺序发生的特定事件和/或流程模式的情况下，可以修改特定事件和/或操作的顺序。虽然已经特别示出和描述了这些实施例，但是应当理解，可以在形式和细节上进行各种改变。
尽管传动装置1700被示出和描述为包括用于致动线缆的绞盘组合件，但是在其它实施例中，可以使用任何合适的致动器来致动线缆。此类致动器可以包括例如线性致动器、包括万向节安装部件的致动器等。例如，在一些实施例中，线性致动器可以通过以线性方式拉动(或松开)线缆对的每一端而不是绕着绞盘缠绕(或解缠)线缆对的端部来移动线缆对的每一端。
尽管可移动构件1850的第一叉1851和第二叉1852被示出为是对称的，但在其他实施例中，可移动构件可以包括不对称的叉。
尽管调整机构1800被示出为处于绞盘组合件与轴1410的出口路径之间，但在其他实施例中，调整机构可以位于绞盘组合件的后面(即，绞盘组合件可以在调整机构与轴1410的出口路径之间)。
参考图4A、图4B、图5和图6描述的两对线缆的路径长度补偿通常不要求器械传动装置中的线缆路径长度变化与医疗器械的更远侧部分中的线缆路径长度变化完全匹配。特别地，借助于图4A的枢轴440，线缆222a和222b的路径长度的变化取决于枢轴440的角度方位和移动以及线缆222a和222b接合可动滑轮442的角度。此外，传动装置410中的线缆222a和222b的线缆长度的变化可以不同于传动装置410中的线缆224a和224b的线缆长度的变化。图5的器械500中的可动滑轮542和544的纯线性移动可以通过图4A和图4B的器械400中的滑轮442和444的轻微弧形移动来引起线缆长度的略微不同的变化。图6的四杆机构提供了取决于连杆640、安装臂340的长度和芯轴轮轴312的分离程度的响应。此外，在不持恒线缆长度的俯仰关节或其它机构中，线缆222a、222b、224a和224b的线缆长度的变化取决于该机构的具体实施方式。然而，通常不需要传动路径长度变化与远侧路径长度变化的精确匹配以使线缆张力保持在安全工作范围内。
本文公开的医疗器械和驱动机构可以提供自主的或独立的路径长度补偿或改变，从而整个医疗器械作为线缆长度持恒机构来运行。具体地，驱动机构300和医疗器械400、500和600自主地进行操作，表现为它们改变(例如缩短或延长)一个或多个线缆对的路径长度，而不需要外部控制系统，例如监视线缆路径长度或张力且随后在器械传动装置中主动和动态地操作或驱动路径长度改变机构的系统。因此，一些公开的医疗器械可以允许更简单的控制技术，并且可以避免需要额外的接口部件，否则可能需要这些接口部件来允许外部控制系统主动地操作路径长度改变机构。
尽管各种实施例已被描述为具有特定的特征和/或部件的组合，但其它实施例可以具有来自以上讨论的任一实施例的任何特征和/或部件的组合。已经在一般的医疗设备和更具体的外科手术器械的上下文中描述了各个方面，但是本发明的各个方面不必局限于在医疗设备中使用。

Claims (10)

1.一种装置，其包括：
具有近侧腕部分和远侧腕部分的腕部组合件，所述近侧腕部分耦接到轴的远端部分，所述腕部组合件的致动产生所述远侧腕部分相对于所述近侧腕部分的移动，所述腕部组合件限定腕部线缆路径，所述腕部线缆路径的长度在所述远侧腕部分相对于所述近侧腕部分移动时变化；
耦接到所述远侧腕部分的末端执行器，所述末端执行器的致动产生所述末端执行器相对于所述远侧腕部分的移动；
通过所述腕部线缆路径布线的线缆对，所述线缆对的第一端耦接到所述末端执行器；以及
耦接到所述轴的近端部分的传动装置，所述传动装置包括致动器，所述致动器被配置为移动所述线缆对的第二端以致动所述末端执行器，所述线缆对的所述第二端被布线通过所述传动装置内的传动线缆路径，所述传动装置包括调整机构，所述调整机构被配置为响应于所述腕部线缆路径的长度的变化而改变所述传动线缆路径的长度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述腕部线缆路径是第一腕部线缆路径，所述线缆对是第一线缆对，所述第一线缆对的所述第一端耦接到所述末端执行器的第一工具，所述传动装置的所述致动器是第一致动器，所述传动线缆路径是第一传动线缆路径，所述装置还包括：
通过所述腕部组合件内的第二腕部线缆路径布线的第二线缆对，所述第二腕部线缆路径的长度在所述远侧腕部分相对于所述近侧腕部分移动时变化，所述第二线缆对的第一端耦接到所述末端执行器的第二工具，
所述传动装置包括第二致动器，所述第二致动器被配置为移动所述第二线缆对的第二端以促使所述第二线缆对致动所述末端执行器的所述第二工具，所述第二线缆对的所述第二端被布线通过所述传动装置内的第二传动线缆路径，所述调整机构被配置为响应于所述第二腕部线缆路径的长度的变化而改变所述第二传动线缆路径的长度。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述调整机构包括可操作地耦接到所述第一线缆对的所述第二端和所述第二线缆对的所述第二端的可移动构件，所述可移动构件的移动同时增加所述第一传动线缆路径或所述第二传动线缆路径中的一个并且减小所述第一传动线缆路径或所述第二传动线缆路径中的另一个。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一线缆对的第二端在所述可移动构件的第一侧上施加第一力，并且所述第二线缆对的所述第二端在所述可移动构件的第二侧上施加第二力，所述述可移动构件的移动由所述第一力和所述第二力之间的差异产生。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述调整机构包括可操作地至少耦接到所述线缆对的所述第二端的可移动构件，所述可移动构件被配置为响应于由所述线缆对在所述可移动构件上施加的张力的变化而在所述传动装置内移动，所述传动线缆路径的长度响应于所述可移动构件的移动而变化。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述调整机构包括在所述可移动构件上施加偏置力的偏置构件，所述偏置力与所述张力相反。
7.根据权利要求3所述的装置，其中所述可移动构件包括第一滑轮和第二滑轮，所述第一线缆对的所述第二端的一部分卷绕所述第一滑轮并在所述第一滑轮上施加第一力，所述第二线缆对的所述第二端的一部分卷绕所述第二滑轮并在所述第二滑轮上施加第二力，所述可移动构件被配置为响应于所述第一力与所述第二力之间的差异而在所述传动装置内移动。
8.根据权利要求3或7所述的装置，其中：
所述可移动构件能够在所述传动装置内围绕枢转轴线旋转；
所述可移动构件在第一方向上围绕所述枢转轴线的旋转增加所述第一传动线缆路径的长度并且减小所述第二传动线缆路径的长度；以及
所述可移动构件在第二方向上围绕所述枢转轴线的旋转减小所述第一传动线缆路径的长度并且增加所述第二传动线缆路径的长度。
9.根据权利要求3所述的装置，其中：
所述致动器是包括第一绞盘的第一致动器，所述第一线缆对的所述第二端围绕所述第一绞盘缠绕，所述第一绞盘被配置为围绕第一轮轴旋转以移动所述第一线缆对的所述第二端，所述第一轮轴被配置为在所述传动装置内移动以改变所述第一传动线缆路径的长度；
所述传动装置包括第二致动器，所述第二致动器包括第二绞盘，所述第二线缆对的所述第二端围绕所述第二绞盘缠绕，所述第二绞盘被配置为围绕第二轮轴旋转以移动所述第二线缆对的所述第二端，所述第二轮轴被配置为在所述传动装置内移动以改变所述第二传动线缆路径的长度；以及
所述可移动构件是连杆，所述连杆将所述第一致动器连接到所述第二致动器，使得所述第一轮轴的第一移动引起所述第二轮轴的第二移动。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述传动装置还包括：
第一驱动耦接件，其将第一驱动芯轴连接到所述第一绞盘，使得所述第一驱动芯轴的旋转引起所述第一绞盘围绕所述第一轴线旋转；以及
第二驱动耦接件，其将第二驱动芯轴连接到所述第二绞盘，使得所述第二驱动芯轴的旋转引起所述第二绞盘围绕所述第二轴线。
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