專利名稱:四線纜腕的后端機(jī)構(gòu)的制作方法
四線纜腕的后端機(jī)構(gòu)相關(guān)申請的交叉引用本專利文件涉及并且結(jié)合共同提交的題為Iour-Cable Wrist with Solid Surface Cable Channels”、代理卷號為ISRG01630US的美國專利申請和共同提交的題為 "Bipolar Cautery Instrument”、代理卷號為ISRG01640US的美國專利申請作為參考。
背景技術(shù):
機(jī)器人控制的外科器械通常用在微創(chuàng)醫(yī)療程序中。這種器械的一個結(jié)構(gòu)包括在延 伸部分的遠(yuǎn)端處安裝在腕機(jī)構(gòu)上的(例如手術(shù)鉗、剪切工具或燒灼工具)的執(zhí)行器或工具, 延伸部分有時在此稱為器械的主管路。在醫(yī)療程序中,執(zhí)行器和主管路的遠(yuǎn)端被插入到病 人的小切口或自然開口中,以將執(zhí)行器放置在病人的體內(nèi)的工作部位。然后,當(dāng)在工作部位 實(shí)施期望的程序時,腕機(jī)構(gòu)可被用于移動或者操作執(zhí)行器。延伸通過器械的主管路的線纜 或相似結(jié)構(gòu)可以將腕機(jī)構(gòu)連接至傳輸裝置,傳輸裝置有時在此稱為后端機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)執(zhí)行 器和腕機(jī)構(gòu)的機(jī)器人控制,后端機(jī)構(gòu)是電機(jī)驅(qū)動的,并且處理系統(tǒng)可以被用于為醫(yī)生提供 一個用戶界面以便控制器械。腕機(jī)構(gòu)一般提供執(zhí)行器運(yùn)動的特定自由度。例如,對于手術(shù)鉗或其他夾握工具,腕 能夠改變執(zhí)行器的俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握。雖然能夠通過腕實(shí)現(xiàn)更多的自由度,但是實(shí)現(xiàn)腕的三 個自由度并且通過主管路的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)例如側(cè)滾或者插入/抽出的其他自由度一般提供實(shí) 施醫(yī)療程序所需的運(yùn)動。在機(jī)器人控制的醫(yī)療器械中腕機(jī)構(gòu)的常規(guī)結(jié)構(gòu)采用線纜來轉(zhuǎn)動腕機(jī)構(gòu)的絞盤 (capstan)并且由此旋轉(zhuǎn)被連接至絞盤的腕機(jī)構(gòu)的部分。例如,腕機(jī)構(gòu)可包括繞俯仰軸線、 偏轉(zhuǎn)軸線或夾握軸線旋轉(zhuǎn)的三個絞盤。每個絞盤可以通過使用兩根線纜來控制,這兩根線 纜均被附接至絞盤,從而使得一側(cè)輸出線纜而另一側(cè)拉進(jìn)相等長度的線纜。通過該結(jié)構(gòu),三 個自由度需要從腕機(jī)構(gòu)向后沿主管路的長度延伸至器械的后端機(jī)構(gòu)的六根線纜。由于線纜 必須被仔細(xì)地引導(dǎo)通過腕機(jī)構(gòu)以在腕機(jī)構(gòu)的整個運(yùn)動范圍內(nèi)保持線纜的張力/張緊度并 且最小化一個旋轉(zhuǎn)軸線與另一個的相互作用(或聯(lián)接作用),所以腕機(jī)構(gòu)的有效實(shí)施是復(fù) 雜的。此外,滑輪一般用于降低線纜的摩擦,這延長了器械的壽命并且允許在沒有過大的力 施加至腕機(jī)構(gòu)的線纜或其他結(jié)構(gòu)的情況下的操作。燒灼工具對于帶有腕的器械存在更多的 復(fù)雜性,因?yàn)闊破餍敌枰斔碗娏χ量梢苿訄?zhí)行器。例如,雙極燒灼工具需要相反極性電 壓的輸送,導(dǎo)體移動的空間和電壓的有效隔離。期望一種腕機(jī)構(gòu)能夠通過小數(shù)目的線纜操作,以便于器械的小型化并且降低器械 的成本。期望腕機(jī)構(gòu)的低部件數(shù)目,以降低制造成本。此外,腕機(jī)構(gòu)應(yīng)該允許適合于燒灼器 械的電隔離并且具有高效的后端機(jī)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面,適用于微創(chuàng)醫(yī)療程序的器械具有腕機(jī)構(gòu),該腕機(jī)構(gòu)能夠通 過使用從腕延伸通過器械的主管路到達(dá)后端機(jī)構(gòu)的四根線纜來控制執(zhí)行器的俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握。根據(jù)本發(fā)明的另一方面,后端機(jī)構(gòu)將四根線纜連接至三個電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu),這三個電機(jī) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)共同控制執(zhí)行器的俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握。在一個實(shí)施例中,執(zhí)行器是雙極燒灼工具, 其采用刷式接觸用以電連接至執(zhí)行器的可移動部件。本發(fā)明的一個具體實(shí)施例是醫(yī)療器械或后端機(jī)構(gòu),其包括附接至第一和第二線纜 的第一機(jī)構(gòu)、附接至第三和第四線纜的第二機(jī)構(gòu)和附接至第一和第二機(jī)構(gòu)的一部分的搖 臂。所述第一機(jī)構(gòu)是可操作用來拉進(jìn)所述第一和第二線纜中的一個而同時輸出所述第一和 第二線纜的另一個,并且所述第二機(jī)構(gòu)可被操作用來拉進(jìn)所述第三和第四線纜中的一個而 同時輸出所述第三和第四線纜中的另一個。所述第一和第二機(jī)構(gòu)的每一個能夠使用絞盤或 桿系統(tǒng),以引起線纜期望的相對運(yùn)動。所述搖臂包括第一樞轉(zhuǎn)軸,第二樞轉(zhuǎn)軸和第三樞轉(zhuǎn) 軸,其中第一機(jī)構(gòu)的一部分圍繞第一樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),第二機(jī)構(gòu)的一部分圍繞第二樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 并且搖臂圍繞第三樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。搖臂以第一方向圍繞第三樞轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)使第一和第二樞轉(zhuǎn) 軸移動,拉進(jìn)第一和第二線纜中的至少一個,并且輸出第三和第四線纜中的至少一個。本發(fā)明的另一實(shí)施例是包括第一絞盤、第二絞盤和搖臂的醫(yī)療器械或后端機(jī)構(gòu)。 第一和第二線纜纏繞在第一絞盤上,使得第一絞盤的旋轉(zhuǎn)拉進(jìn)第一和第三線纜中的一個而 同時輸出第一和第二線纜中的另一個。相似地,第三和第四線纜纏繞在第二絞盤上,使得第 二絞盤的旋轉(zhuǎn)拉進(jìn)第三和第二線纜中的一個而同時輸出第三和第四線纜中的另一個。第一 滑輪組被安裝到搖臂上,并且第一和第二線纜從第一絞盤延伸并且圍繞第一滑輪組延伸。 第二滑輪組也被安裝到搖臂上,并且第三和第四線纜從第二絞盤延伸并且圍繞第二滑輪組 延伸。搖臂被機(jī)械聯(lián)接以擺動并且移動第一和第二滑輪組,并且由此相對第三和第四線纜 移動第一和第二線纜。本發(fā)明的另一實(shí)施例是包括三個驅(qū)動軸、一對桿和三個齒形部件的醫(yī)療器械。第 一齒形部件包括與第一驅(qū)動軸接合的齒條,從而使得第一驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)移動第一齒形部件 和被附接至第一齒形部件的第一線纜。第一桿具有附接至第二線纜的第一末端和與第一齒 形部件接觸的第一桿的第二末端。第二齒形部件包括與第二驅(qū)動軸接合的齒條,從而使得 第二驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)移動第二齒形部件和被附接至第二齒形部件的第三線纜。第二桿具有附 接至第四線纜的第一末端和與第二齒形部件接觸的第二末端。第三齒形部件包括第一桿圍 繞其樞轉(zhuǎn)的第一支點(diǎn)和第二桿圍繞其樞轉(zhuǎn)的第二支點(diǎn)。第三齒形部件與第三驅(qū)動軸接合, 從而第三驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致第三齒形部件圍繞樞轉(zhuǎn)軸線擺動。
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的使用醫(yī)療器械的機(jī)器人控制系統(tǒng)。圖2A、圖2B和圖2C顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例使用一對夾具(clevis)和在集成到 夾具中的導(dǎo)向表面上滑動的四根驅(qū)動線纜的腕機(jī)構(gòu)。圖3A和圖:3B說明根據(jù)本發(fā)明的可替代實(shí)施例的使用高摩擦路徑附接線纜的鉗 爪。圖4A說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的腕機(jī)構(gòu)在俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握中產(chǎn)生變化的四根 驅(qū)動線纜的運(yùn)動。圖4B顯示說明當(dāng)使用圖4A的線纜運(yùn)動操作時圖2A、圖2B和圖2C的腕機(jī)構(gòu)的樞 轉(zhuǎn)軸線的透視圖。
圖5A和圖5B分別顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例使用齒輪和桿移動驅(qū)動線纜的后端機(jī)構(gòu) 的分解圖和截面圖。圖6顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例使用滑輪、絞盤和齒輪移動驅(qū)動電纜的后端機(jī)構(gòu)。圖7A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在具有使用刷式接觸的電連接的雙極燒灼器械中腕 機(jī)構(gòu)的截面圖。圖7B說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在雙極燒灼器械中導(dǎo)向驅(qū)動線纜和電導(dǎo)體的一種設(shè)置。在不同的附圖中使用相同的參考符號指示相似或同一部件。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的一個方面,醫(yī)療器械的腕機(jī)構(gòu)為執(zhí)行器或工具提供三個自由度(俯 仰、偏轉(zhuǎn)和夾握)并且僅使用四根驅(qū)動線纜。腕結(jié)構(gòu)包括限定俯仰控制的樞轉(zhuǎn)軸線的近端 夾具和限定偏轉(zhuǎn)和夾握控制的樞轉(zhuǎn)軸線的遠(yuǎn)端夾具。驅(qū)動線纜在與所述夾具一體的導(dǎo)向通 道的表面上滑動,從而不需要滑輪或者較大的線纜纏繞角。具體地,這些夾具可以包括支撐 線纜的相對側(cè)的一體線纜導(dǎo)向表面,并且線纜導(dǎo)向表面可以在多個方向上彎曲以消除對于 在一些現(xiàn)有腕結(jié)構(gòu)中需要的較大線纜纏繞角。線纜導(dǎo)向表面被額外地構(gòu)造或者彎曲,以避 免線纜的出軌并且將線纜保持在套管的直徑限制內(nèi),藉此腕機(jī)構(gòu)可以在微創(chuàng)醫(yī)療程序期間 被插入或移除。腕機(jī)構(gòu)可以提供需要很少線纜和消除滑輪空間需求的優(yōu)點(diǎn),由此允許對腕 機(jī)構(gòu)在臨床上的有益的更小工作容積;消除額外的部件例如滑輪的成本;并且當(dāng)與帶有更 大線纜纏繞角的腕結(jié)構(gòu)相比較時降低了摩擦。根據(jù)本發(fā)明的另一方面,線纜將器械的鉗爪拉在一起用于夾握的部分可以比器械 中的其他線纜更堅(jiān)硬,例如具有更大的直徑。例如,在四根線纜的腕結(jié)構(gòu)中,其中的兩根線 纜可以具有比其他線纜的對應(yīng)部分更大的部分。選擇的線纜的較大直徑允許使用較大的夾 握力,而沒有擴(kuò)大整個器械尺寸。根據(jù)本發(fā)明的另一方面,腕型燒灼器械可以使用刷子或相似滑動接觸,以使器械 的鉗爪電連接。為了在雙極器械中提供電壓的電隔離,遠(yuǎn)端夾具可以由電絕緣材料制成并 且在共享同一樞轉(zhuǎn)軸線的相對的極性鉗爪之間提供間隔件。額外地,帶有非傳導(dǎo)部分的線 纜可以通過使用較高摩擦路徑被附接至鉗爪。使用較高摩擦路徑能夠簡化器械組件并且避 免使用褶皺(crimp)或相似結(jié)構(gòu)的需要,該褶皺和相似結(jié)構(gòu)難以可靠附接至非傳導(dǎo)線纜材 料。根據(jù)本發(fā)明的另一方面,腕機(jī)構(gòu)的四根驅(qū)動線纜連接至后端機(jī)構(gòu)中的三個電機(jī)驅(qū) 動軸。后端機(jī)構(gòu)與腕機(jī)構(gòu)協(xié)作地工作,以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握的機(jī)器人控制。后 端機(jī)構(gòu)的一個實(shí)施例使用了兩個絞盤,兩根線纜纏繞絞盤使得絞盤的旋轉(zhuǎn)拉進(jìn)一根線纜的 長度并且繞出相同長度的另一線纜,并且機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動兩個自由度驅(qū)動絞盤。第三自 由度以線纜經(jīng)由一組滑輪而實(shí)現(xiàn),其中該組滑輪被配置為與機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動的第三自由度 成比例的整組移動?;喗M的移動主要是朝向一個絞盤而遠(yuǎn)離另一絞盤,這具有拉伸或輸 出一對絞盤線纜而縮短或拉進(jìn)另一對線纜的效果。后端機(jī)構(gòu)的另一實(shí)施例具有附接至對應(yīng)桿的末端的兩個或兩個以上驅(qū)動線纜。齒 輪機(jī)構(gòu)可以通過反向于線纜的附接移動桿的末端或者移動相應(yīng)的桿的樞轉(zhuǎn)軸線而移動線
7纜。通過桿的樞轉(zhuǎn)軸線的適當(dāng)設(shè)置,任一線纜的運(yùn)動可以通過一個或一個以上的其他線纜 的相等和反向運(yùn)動被匹配,并且線纜的連接可以保證在所有腕移動期間保持線纜的張緊 度,包括當(dāng)器械與機(jī)器人的控制分離時可能的運(yùn)動。桿一般沿器械的長度拉動線纜。這種 近似線性的運(yùn)動還允許線纜由固體桿或管替換,固體桿或管比絞合線纜成本更低。圖1顯示能夠使用根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的醫(yī)療器械的機(jī)器人控制系統(tǒng)100的 示例。系統(tǒng)100可以是來自htuitive Surgical, Inc.(直觀外科手術(shù)公司)的da Vinci 外科手術(shù)系統(tǒng),系統(tǒng)100包括多個醫(yī)療器械150,每個醫(yī)療器械被安裝在機(jī)器人手臂130上 的對接端口(docking port)中。器械150可以被制作為可互換的,從而被安裝到手臂130 上的器械150可以被選擇用于具體醫(yī)療程序或者在醫(yī)療程序期間被改變以提供需要的臨 床功能。如在本領(lǐng)域已知的,器械150可以實(shí)現(xiàn)很多功能,包括但不限于不同形狀和大小的 手術(shù)鉗或抓持器、針驅(qū)動器和剪刀。根據(jù)本發(fā)明的一方面,器械150可以是雙極燒灼器械。對接端口一般包括為器械150的操作提供機(jī)械動力的驅(qū)動電機(jī)。對接端口可以另 外包括與器械150相連的電接口,以便例如識別在對接端口中的器械類型并且獲得器械的 參數(shù)。電接口還可以傳送測量值,例如組織的阻抗的測量值,以用于確定密封操作的參數(shù)。 高電壓電氣系統(tǒng)(未示出)例如用于燒灼或密封器械的發(fā)電機(jī)一般通過分離的連接器連接 至器械150,但可替代地通過控制系統(tǒng)100的內(nèi)置電路提供。每個器械150通常包括傳輸裝置或后端機(jī)構(gòu)120、從后端機(jī)構(gòu)120延伸的主管路 110和在主管路110的遠(yuǎn)端處的腕機(jī)構(gòu)200。被連接至器械150中的腕機(jī)構(gòu)200的驅(qū)動線 纜和電導(dǎo)體可以延伸通過主管路110并且連接至后端機(jī)構(gòu)120。后端機(jī)構(gòu)120 —般提供驅(qū) 動線纜至由驅(qū)動電機(jī)在控制系統(tǒng)100中提供的電機(jī)驅(qū)動軸的機(jī)械聯(lián)接。因此,控制系統(tǒng)100 可以如需要的位置、方向來控制驅(qū)動線纜中的運(yùn)動和張力并且操作腕機(jī)構(gòu)200。系統(tǒng)100的 處理系統(tǒng)140能夠?yàn)獒t(yī)生或其他操作空間的工作人員提供使得臂130的操縱可用的用戶界 面。例如,臂130可以被用于通過正經(jīng)歷醫(yī)療程序的病人的小切口中的套管插入醫(yī)療器械 150的端部,并且被用于在病人內(nèi)部的工作部位處操作腕機(jī)構(gòu)200。相應(yīng)地,腕機(jī)構(gòu)200和 主管路110的直徑可以根據(jù)使該器械可用的套管的大小來選擇。在示例性實(shí)施例中,腕機(jī) 構(gòu)200和主管路110的直徑約5mm或約8mm,以配合一些現(xiàn)有套管系統(tǒng)的大小。主管路110是中空的并且可以包含從后端機(jī)構(gòu)120延伸至腕機(jī)構(gòu)200的驅(qū)動線纜 和電導(dǎo)體。主管路110可以是剛性的或者撓性的。撓性主管路100可被用于例如通過內(nèi) 窺鏡或其他導(dǎo)向或套管沿著自體腔或者其他的彎曲的路徑的插入。然而,許多常用類型的 微創(chuàng)醫(yī)療程序例如腹腔鏡外科手術(shù)使用直套管來插入和移除器械,從而允許使用剛性主管 路110。剛性主管路110可以在醫(yī)療程序期間為使用腕機(jī)構(gòu)200提供更堅(jiān)硬的基礎(chǔ)/基座 (solid base)。剛性并且直的主管路110還允許延伸通過主管路110的驅(qū)動線纜的部分是 例如桿或管(例如,海波管)的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以提供更好的抗拉伸性或者不那么昂貴。圖2A、2B和2C顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的腕機(jī)構(gòu)200的三個示圖。如在圖2A中示 意的,腕機(jī)構(gòu)200包括近端夾具220、遠(yuǎn)端夾具230和執(zhí)行器MO。執(zhí)行器240包括鉗爪242 和M4,每個均具有附接至圓形輪轂上的夾握部分。線纜251、252、253和2M均被附接至執(zhí) 行器240上,它們沿執(zhí)行器M0、遠(yuǎn)端夾具230和近端夾具220中的導(dǎo)向通道的堅(jiān)硬表面延 伸,并且從那里通過主管路110延伸返回至后端機(jī)構(gòu)(例如,圖1的后端機(jī)構(gòu)120)。所使用 的較少部件數(shù)的腕機(jī)構(gòu)200和較小數(shù)目的驅(qū)動線纜251、252、253和2M便于腕機(jī)構(gòu)200和主管路110的較小直徑的實(shí)現(xiàn)。此外,較少部件數(shù)允許在一次性器械(即在一次醫(yī)療程序 之后器械被丟棄)中而不是在隨后使用必須被消毒的器械中的腕機(jī)構(gòu)的使用是有成本效 益的。圖2B中的腕機(jī)構(gòu)200的局部剖視圖顯示近端夾具220如何能夠延伸進(jìn)入并且附 接至主管路110。近端夾具220中的銷225將遠(yuǎn)端夾具230附接至近端夾具220但是允許 遠(yuǎn)端夾具230圍繞由銷225限定的樞轉(zhuǎn)軸線(有時在此被稱為俯仰軸線)旋轉(zhuǎn)。近端夾具 220包括線纜251、252、253和254的導(dǎo)向通道222,并且導(dǎo)向通道222的開口 2 提供線纜 251、252、253和254的運(yùn)動范圍,其引導(dǎo)線纜251、252、253和254進(jìn)入近端夾具230的導(dǎo) 向通道232中。在示例性實(shí)施例中,導(dǎo)向通道222的開口 2M在平行于銷225的方向上是 狹窄的以便將線纜251、252、253和254引導(dǎo)到遠(yuǎn)端夾具230中相應(yīng)的導(dǎo)向通道232中,但 在垂直于銷225的方向上展開從而在俯仰角的范圍內(nèi)保持較低的線纜摩擦,所述俯仰角由 腕機(jī)構(gòu)200提供給遠(yuǎn)端夾具230。相似地,最靠近近端夾具220的導(dǎo)向通道232的開口 234 在平行于俯仰軸線的方向上是狹窄的,但在垂直于銷225的方向上展開從而適于俯仰旋轉(zhuǎn) 并且避免夾擰線纜251、252、253和254。當(dāng)圍繞銷225(即圍繞俯仰軸線)旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)端夾具230時,遠(yuǎn)端夾具230中的導(dǎo)向通 道232限定了圍繞銷225的半徑,在銷225處線纜251、252、253和2M作用在遠(yuǎn)端夾具230 上。為了使得由線纜施加的扭矩的力臂在腕機(jī)構(gòu)200的整個俯仰運(yùn)動范圍內(nèi)是恒定的,導(dǎo) 向通道232具有近似圓弧形狀的表面。當(dāng)遠(yuǎn)端夾具230處于在圖2C中示意的位置時,線纜 253具有抵靠下部導(dǎo)向表面的部分,下部導(dǎo)向表面圍繞銷225的俯仰軸線對包(substend) 圓弧,并且在俯仰軸線和線纜253在導(dǎo)向通道232的下部表面上的接觸點(diǎn)之間的距離是通 過線纜253施加的扭矩的力臂。在圖2C的示圖中,當(dāng)后端機(jī)構(gòu)拉動線纜253時,遠(yuǎn)端夾具 230順時針旋轉(zhuǎn)。如果從所示的位置繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn),則線纜253將保持在表面上并且作用 恒定的力臂直到遠(yuǎn)端夾具230達(dá)到其運(yùn)動范圍的限制。此外,貫穿整個運(yùn)動,圓弧的導(dǎo)向通 道232的表面隨著遠(yuǎn)端夾具230的旋轉(zhuǎn)拉進(jìn)并且逐漸放出相等長度的線纜,由此避免線纜 的松弛。在圖2C中的遠(yuǎn)端夾具230的截面進(jìn)一步示出了導(dǎo)向通道232如何延伸通過遠(yuǎn)端 夾具230并且將線纜251、252、253和2M引導(dǎo)到圓形導(dǎo)向通道246中,圓形導(dǎo)向通道246被 集成到執(zhí)行器MO的鉗爪242和M4中。具體地,四個導(dǎo)向通道232為四根線纜251、252、 253和2M打開通道以貫通遠(yuǎn)端夾具230。最靠近執(zhí)行器MO的導(dǎo)向通道232的開口 236 引導(dǎo)線纜251、252、253和254到鉗爪242和244中的相應(yīng)導(dǎo)向通道246。遠(yuǎn)端夾具230中的銷235垂直于銷225并且限定了作為整體的執(zhí)行器240或單獨(dú) 地鉗爪242和244的樞轉(zhuǎn)軸線,有時被指稱為偏轉(zhuǎn)軸線或夾握軸線。(偏轉(zhuǎn)軸線和夾握軸線 在腕機(jī)構(gòu)200中重合)。鉗爪242和M4的導(dǎo)向通道246是圓形的并且在銷235的中央, 從而當(dāng)旋轉(zhuǎn)鉗爪242和244或者保持鉗爪242和M4的夾握力時,通道M6的半徑是線纜 251、252、253和2M施加至鉗爪242和M4的扭矩的力臂。術(shù)語夾握在此以一般意義被使 用,因?yàn)殂Q爪242和244的動作取決于鉗爪242和244的工作尖端。在圖2A、2B和2C示出 的實(shí)施例中,鉗爪242和M4的工作尖端具有用于夾握的表面并且可被使用在例如鉗子或 燒灼應(yīng)用中??商娲?,當(dāng)鉗爪242和244的尖端是作為剪刀協(xié)作地剪切的葉片時,閉合鉗 爪242和244的“夾握”可以是剪切動作。因此,夾握能夠根據(jù)執(zhí)行器240的特征實(shí)施不同的功能。線纜251、252、253和2M通過腕機(jī)構(gòu)200的路徑?jīng)]有使用滑輪。取代滑輪,腕機(jī) 構(gòu)200通過使用與夾具220和230 —體的堅(jiān)硬表面(即,導(dǎo)向通道222和232的表面)來 引導(dǎo)如上說明的線纜251、252、253和254。有時,導(dǎo)向表面支撐(cradle)線纜的對置側(cè)。 例如,在圖2C中顯示的線纜253的頂部和底部表面與導(dǎo)向表面232在拐點(diǎn)237處接觸,在 拐點(diǎn)237處線纜253的曲率改變。堅(jiān)硬導(dǎo)向表面還被彎曲以消除對于較大線纜纏繞角的需 要并且保持固定的線纜半徑或力臂。在一些現(xiàn)有腕機(jī)構(gòu)中大纏繞角是必須的,以保持在整 個運(yùn)動范圍內(nèi)圍繞樞轉(zhuǎn)軸線的恒定線纜半徑。導(dǎo)向通道222和232的表面可以另外被成形 為保持(或避免出軌)線纜251、252、253和2M并且保持線纜251、252、253和2M處于套 管的直徑限制內(nèi),腕機(jī)構(gòu)200在微創(chuàng)醫(yī)療程序期間通過該套管。當(dāng)與具有更大線纜纏繞角的腕機(jī)構(gòu)相比較時,導(dǎo)向線纜251、252、253和邪4受到 更小的摩擦。線纜251、252、253和2M抵靠遠(yuǎn)端夾具230和其他地方的摩擦還可以通過選 擇使用的材料而被減小。具體地,遠(yuǎn)端夾具230可以由塑料制成,其提供抵靠線纜251、252、 253和2M的材料的較低摩擦。此外,在一些實(shí)施例中,線纜251、252、253和2M包括可被鍛 造以提供具有更低摩擦的更光滑線纜表面的多股絞合金屬線纜(stranded metal cable) 的部分。降低的線纜摩擦允許取消滑輪同時保持腕機(jī)構(gòu)200在臨床上運(yùn)動的可接受的力、 扭矩和精確度和逼真度(fidelity)。避免使用滑輪減低了腕機(jī)構(gòu)200的空間需求,從而允 許腕機(jī)構(gòu)200具有臨床上有益的更小工作體積。消除滑輪還降低了成本。線纜251和252附接至執(zhí)行器MO的鉗爪M2,并且線纜253和254附接至執(zhí)行 器MO的鉗爪M4。線纜251和252至鉗爪M2的附接使得拉進(jìn)線纜251或252中一條線 纜的長度同時釋放線纜252或251中另一條相同的長度,導(dǎo)致鉗爪242繞銷235旋轉(zhuǎn)。同 理,線纜253和2M至鉗爪M4的附接使得拉進(jìn)線纜253或254中一條線纜的長度同時釋 放線纜2M或253中另一條相同的長度,導(dǎo)致鉗爪244繞銷235旋轉(zhuǎn)。許多附接線纜251、 252,253和254的技術(shù)可以被使用。例如,在典型的附接中,線纜251和252(或者線纜253 和254)是線纜環(huán)的相對末端部分,線纜環(huán)繞銷235沿圓弧延伸,導(dǎo)向通道M6限定在鉗爪 對2(或?qū)?)內(nèi),并且附接可以通過綁在其中的結(jié)節(jié)扣(knot)或者固定在環(huán)上的褶皺而被 產(chǎn)生并且在導(dǎo)向通道M6中被安裝到配合凹口(matching notch)(未顯示)中。然而,將 褶皺附接至一些線纜材料(例如非導(dǎo)電性的線纜材料)的可靠附接會存在挑戰(zhàn)。為避免褶 皺,線纜環(huán)可以通過鉗爪242或M4中的高摩擦路徑終止,從而摩擦防止線纜251、252、253 和2M相對于鉗爪242或M4的滑動。圖3A顯示了附接至線線纜環(huán)250的鉗爪M2A,關(guān)于線纜251和252,線纜環(huán)250 具有延伸返回至主管路110的部分。環(huán)250沿鉗爪242A的導(dǎo)向通道M6的圓弧延伸到高 摩擦路徑M8A中,并且沿導(dǎo)向通道M6的另一圓弧返回。路徑M8A與導(dǎo)向通道246基本 共面并且包括多個銳彎曲(sharp bend)。線纜環(huán)250和鉗爪M2A的表面在路徑M8A中的 彎曲處的接觸產(chǎn)生了防止或阻礙線纜250滑動的摩擦,每個彎曲增加防止線纜環(huán)250拉出 的摩擦力。線纜環(huán)250沒有附接的褶皺。圖;3B顯示使用可替代的高摩擦路徑M8B的鉗爪M2B,其中線纜環(huán)250穿過鉗爪 M2B中的多個孔。線纜環(huán)250與鉗爪M2B在線纜環(huán)M8B中的彎曲處(包括線纜環(huán)250通 過對28的位置)的接觸產(chǎn)生了阻礙或防止線纜環(huán)250的滑動。因此,不需要褶皺以將線纜環(huán)250附接到鉗爪M2B。使用高摩擦路徑M8B的腕機(jī)構(gòu)的組件要求線纜穿過鉗爪M2B中 的孔,但是一旦穿過,線纜環(huán)250被牢固地保持在鉗爪M2B中,這可使得使用圖:3B的高摩 擦路徑的腕組件比使用圖3A的高摩擦路徑M8A的腕組件更簡單。沒有褶皺的鉗爪附接消除了褶皺的空間要求和與褶皺相關(guān)的成本。沒有褶皺的附 接還對于一些形成褶皺是困難的線纜材料(例如,非金屬線纜)也是有利的。如在以下進(jìn) 一步說明的,非金屬線纜作為在燒灼器械中的電絕緣體是有益的。即使是不需要電絕緣的 器械,非金屬線纜也可以提供腕機(jī)構(gòu)中抵靠配合表面的降低的摩擦、磨損和顆粒的產(chǎn)生。以上說明的改變腕機(jī)構(gòu)200的俯仰、偏轉(zhuǎn)或夾握一般要求分別施加至四根線纜 251、252、253和2M的運(yùn)動或動作。圖4A顯示腕機(jī)構(gòu)200的簡化示圖并且說明了改變鉗爪 242和244的俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握的過程。所說明的過程一般一次執(zhí)行一個或者同時以任意期 望的組合執(zhí)行,以改變機(jī)構(gòu)200的俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握。圖4B以更多細(xì)節(jié)顯示腕機(jī)構(gòu)200以 說明腕機(jī)構(gòu)200的旋轉(zhuǎn)軸線并且在此同時與圖4A —起被說明。俯仰軸線的旋轉(zhuǎn)(S卩,圖4B中的旋轉(zhuǎn)425)圍繞由銷225限定的俯仰軸線旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn) 端夾具230。為了圍繞俯仰軸線順時針旋轉(zhuǎn),后端機(jī)構(gòu)(未顯示)拉進(jìn)線纜253和2M相 等的長度同時釋放線纜251和252相同的長度。線纜253和2M在由通過遠(yuǎn)端夾具230的 線纜253和254的導(dǎo)向通道限定的力臂處施加力至遠(yuǎn)端夾具230。同理,為了圍繞俯仰軸 線逆時針旋轉(zhuǎn)夾具230,后端機(jī)構(gòu)拉進(jìn)線纜251和252相等的長度同時釋放線纜253和2M 相等的長度。偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)(即圖4B中的旋轉(zhuǎn)43 對應(yīng)于在相同方向上旋轉(zhuǎn)鉗爪242和244并且 通過相同的角度。具體地,后端機(jī)構(gòu)拉進(jìn)線纜252 —定長度并且釋放線纜251相同的長度 將導(dǎo)致鉗爪M2以順時針方向繞銷235的軸線旋轉(zhuǎn)。對于旋轉(zhuǎn),鉗爪242中的導(dǎo)向通道限 定了線纜252在鉗爪242施加一個力的力臂,并且產(chǎn)生的扭矩導(dǎo)致鉗爪242順時針旋轉(zhuǎn)以 及線纜251和252在遠(yuǎn)端夾具230中的導(dǎo)向通道的堅(jiān)硬表面上滑動。如果同時后端機(jī)構(gòu)拉 進(jìn)線纜2M —定長度并且釋放線纜253相同的長度,則鉗爪244將順時針旋轉(zhuǎn)一個角度,該 角度與鉗爪242旋轉(zhuǎn)的角度相同。因此,鉗爪242和244相對彼此保持它們的位置,并且作 為一個整體旋轉(zhuǎn)通過一個偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)后端機(jī)構(gòu)拉進(jìn)線纜251和線纜253相等長度同時釋放 相同長度的線纜252和2M時,包括鉗爪242和244的執(zhí)行器的逆時針旋轉(zhuǎn)被相似地完成。夾握旋轉(zhuǎn)(即在圖4B中的旋轉(zhuǎn)44 通過以相對方向旋轉(zhuǎn)鉗爪242和244相同的 量而實(shí)現(xiàn)。為了打開鉗爪242和M4的夾握,后端機(jī)構(gòu)拉進(jìn)線纜251和2M相等的長度同 時釋放線纜252和253相同的長度,這導(dǎo)致鉗爪242和M4以遠(yuǎn)離彼此的相對的方向旋轉(zhuǎn)。 為了閉合鉗爪242和M4的夾握,后端機(jī)構(gòu)拉進(jìn)線纜252和253相等的長度同時釋放線纜 251和2M相同的長度,這導(dǎo)致鉗爪242和M4以朝向彼此的相對的方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)鉗爪242 和244的表面開始接觸時,線纜252和253的張力可以保持在大于線纜251和254的張力, 以便保持夾握力。圖4A說明線纜252和253的部分452和453能夠被分別制作得比線纜251和2M 的對應(yīng)部分更堅(jiān)硬或更厚以容納更高,或者保持用于夾握的張力。這能夠通過熔合對應(yīng)于 具有更重材料的線纜252或253的線纜環(huán)的末端來實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的典型實(shí)施例中,在線 纜的運(yùn)動期間具有更大撓性的線纜251、252、253和254的部分可以由撓性材料(例如多股 絞合金屬線纜)制成。在一些實(shí)施例中,每根線纜的相對直的部分(例如,延伸返回通過主管路的部分)可以是不太撓性的材料例如海波管或者在成本和抗拉伸方面有優(yōu)勢的相似 結(jié)構(gòu),并且在這種實(shí)施例中,較大海波管可以被用于線纜252和253的部分452和453。因 此,四根驅(qū)動線纜251、252、253和邪4的每一根的有效硬度可以被有利地控制,以改進(jìn)臨床 性能。具體地,引起鉗爪242和244關(guān)閉的驅(qū)動線纜252和253的有效硬度大于引起鉗爪 242和244打開的驅(qū)動線纜251和252的硬度。這種設(shè)置使線纜的松弛最小化,從而改進(jìn)了 腕機(jī)構(gòu)200運(yùn)動的逼真度。材料、直徑和長度(例如部分452和45 被控制以影響期望的 硬度。沒有在線纜251和254中使用更大的結(jié)構(gòu)節(jié)省了成本和空間。圖5A顯示根據(jù)主要使用齒輪和桿來控制腕機(jī)構(gòu)運(yùn)動的本發(fā)明的實(shí)施例,后端機(jī) 構(gòu)500的部分的分解示圖。后端機(jī)構(gòu)500的所示部分包括底盤510、三個驅(qū)動軸512、513和 514、三個齒形部件520、530和MO以及兩個桿550和560,并且聯(lián)接至四根驅(qū)動線纜571、 572,573和574。部件510、520、530、540、550和560可以根據(jù)各部件要求的負(fù)載和公差由 任何適當(dāng)?shù)哪陀貌牧?諸如,模塑或者機(jī)加工的塑料或者金屬)制成。如以下進(jìn)一步說明 的,線纜571、572、573、574可以對應(yīng)于線纜251、252、253和邪4并且連接至以上參考圖2八、 2B和2C說明類型的腕機(jī)構(gòu)。然而,后端機(jī)構(gòu)500更一般地用于期望四根線纜連接至三個電 機(jī)驅(qū)動軸的任何器械中。底盤(chaSSiS)510可以具有用于選擇連接至機(jī)器人控制系統(tǒng)的軌跡,所述機(jī)器 人控制系統(tǒng)包括運(yùn)行驅(qū)動軸512、513和514的電機(jī)。具體地,底盤510可以被成形以使得驅(qū) 動軸512、513和514在安裝進(jìn)入底盤510時是被定位為由例如da Vinci Surgical System 的機(jī)器人控制系統(tǒng)接合并且旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動軸512充當(dāng)嚙合齒形部件520的齒條部分的小齒輪。齒形部件520作為被 附接至線纜572的滑動件并且隨著驅(qū)動軸512的轉(zhuǎn)動以直線移動從而拉進(jìn)或釋放線纜572 的長度。齒形部件520還包括臂,該臂包含接觸桿550的調(diào)整螺釘522。具體地,調(diào)整螺釘 522在與線纜571被附接至桿550位置相對的相對端接觸桿550。桿550的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)或支點(diǎn) (fulcrum)在齒形部件540上,齒形部件540充當(dāng)搖臂,如以下進(jìn)一步說明的。在操作中,隨 著齒形部件520的移動,調(diào)整螺釘522導(dǎo)致或允許桿550圍繞樞轉(zhuǎn)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn),從而桿550能 夠拉進(jìn)或釋放線纜571。線纜571至桿550的連接和調(diào)整螺釘522在桿550上的接觸點(diǎn)可 以被形成距離桿陽0的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)相等距離,從而當(dāng)齒形部件520拉進(jìn)(或釋放)線纜572的 一定長度時,桿550釋放(或拉進(jìn))線纜571相同的長度。通過控制桿550相對于齒形部 件520位置的取向,調(diào)整螺釘522允許線纜571和572上張力的調(diào)整。驅(qū)動軸513相似地充當(dāng)接合齒形部件530的齒條部分(rack portion)的小齒輪。 齒形部件530作為被附接至線纜573的滑動件并且隨著驅(qū)動軸513的轉(zhuǎn)動以直線移動從 而拉進(jìn)或釋放線纜573的長度。齒形部件520還包括臂,該臂包含調(diào)整螺釘532,調(diào)整螺釘 532在與線纜574被附接至桿560位置相對的相對端處接觸桿560。桿560的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)或支 點(diǎn)在齒形部件540上,并且從桿560的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)到線纜574的連接的距離可以被形成為與從 桿560的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)到桿560上的調(diào)整螺釘532的接觸點(diǎn)的距離相等。結(jié)果,當(dāng)齒形部件550 拉進(jìn)(或釋放)線纜573的一定長度時,桿560釋放(或拉進(jìn))線纜574相同的長度。通 過控制桿560相對于齒形部件530位置的取向,調(diào)整螺釘523允許線纜573和574上張力 的調(diào)整。驅(qū)動軸512和513可以被操作,以便通過使用上述過程來改變腕機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角或
12者夾握。例如,當(dāng)線纜571、572、573和574分別對應(yīng)于圖4A的線纜251、252、253和2M時, 以相同速度在相同方向或相反方向上轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸512和513將改變腕機(jī)構(gòu)200的夾握或偏轉(zhuǎn)。驅(qū)動軸514接合齒形部件MO的內(nèi)部扇形齒輪/齒弧(sector gear)部分。齒形 部件540具有附接至底盤510的樞轉(zhuǎn)軸,這樣隨著驅(qū)動軸514的轉(zhuǎn)動,齒形部件540繞樞 轉(zhuǎn)軸542旋轉(zhuǎn)。齒形部件540還包括充當(dāng)桿550和560的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)的凸起(在圖5A中未示 出)。這些凸起可以位于距樞轉(zhuǎn)軸542相等距離處,這樣隨著齒形部件540的旋轉(zhuǎn),一個樞 轉(zhuǎn)軸靠近腕機(jī)構(gòu)移動并且另一樞轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)離腕機(jī)構(gòu)移動相等的量。如果齒形部件520和530 以適當(dāng)?shù)乃俣群头较蜻\(yùn)動,以保持桿550和560的取向,則齒形部件540的旋轉(zhuǎn)將拉進(jìn)(或 釋放)線纜571和572相等的長度并且釋放(或拉進(jìn))線纜573和574相同的長度。因此, 當(dāng)線纜571、572、573和574分別對應(yīng)于線纜251、252、253和254時,后端機(jī)構(gòu)500可以被 用于執(zhí)行如以上參考圖4A說明的俯仰改變,但是俯仰改變過程需要所有三個齒輪512、513 和514的協(xié)作旋轉(zhuǎn)。這種協(xié)作的旋轉(zhuǎn)能夠通過機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件來實(shí)現(xiàn)。圖5B顯示當(dāng)采用未顯示在圖5A中的額外部件組裝時,后端機(jī)構(gòu)500的截面示圖。 如所說明的,后端機(jī)構(gòu)500包括分別接合齒形部件520、530和540的驅(qū)動軸512、513和514, 并且聯(lián)接至后端機(jī)構(gòu)500的機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸512、513和514以控制腕機(jī)構(gòu) (未示出)的俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握。線纜571、572、573和574從腕機(jī)構(gòu)(未示出)主管路110 的遠(yuǎn)端處延伸通過主管路110并且進(jìn)入后端機(jī)構(gòu)500。主管路110在后端機(jī)構(gòu)500中被附接至斜齒輪580,斜齒輪通過中間斜齒輪582被 聯(lián)接至驅(qū)動軸511。當(dāng)控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸511時,斜齒輪582和580旋轉(zhuǎn)主管路110并且 由此改變在主管路110的遠(yuǎn)端處的執(zhí)行器的側(cè)滾角度。圖5B還顯示電路板590,其可以被包括在后端機(jī)構(gòu)500內(nèi)用于電連接至機(jī)器人控 制系統(tǒng)。電路板590可以包括存儲器和其他電路,所述電路發(fā)送識別信號到控制系統(tǒng)以指 示哪個器械被連接至控制系統(tǒng)和/或提供控制系統(tǒng)為器械的適當(dāng)運(yùn)行所需的關(guān)鍵參數(shù)???以在電路板590中包括連接至執(zhí)行器的電部件的連接,例如以對燒灼器械通電或者中繼傳 感器測量值。然而,期望獨(dú)立的電連接,以對執(zhí)行器通電,特別是當(dāng)需要高電壓時。如在圖5B中所示的后端機(jī)構(gòu)500還包括封閉后端機(jī)構(gòu)500的機(jī)械和電部件的蓋 516。可以使用兩個桿518來使后端機(jī)構(gòu)500與機(jī)器人控制系統(tǒng)斷開?;喓徒g盤可以用在后端機(jī)構(gòu)中以代替圖5A和圖5B的一些齒形部件。圖6顯示 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例使用線纜、滑輪和絞盤的后端機(jī)構(gòu)600。后端機(jī)構(gòu)600包括底盤610 ; 四根驅(qū)動軸611、612、613和614 ;—對絞盤620和630 ;安裝在第一對滑輪642和第二對滑 輪643上的搖臂640 ;斜齒輪580和582 ;和電路板590。被連接至腕機(jī)構(gòu)(未顯示)的四 根驅(qū)動線纜671、672、673和674延伸通過主管路110進(jìn)入后端機(jī)構(gòu)600。線纜671、672、 673和674可分別對應(yīng)于連接到圖2A、圖2B和圖2C中的腕機(jī)構(gòu)200的線纜251、252、253 和254。然而,后端機(jī)構(gòu)600能夠更一般地用于期望連接四根線纜至三個電機(jī)驅(qū)動軸的任何 器械中。底盤610的形狀一般被選擇具有對應(yīng)于機(jī)器人控制系統(tǒng)上的機(jī)架(mounting)的 軌跡。因此,后端機(jī)構(gòu)可以被裝配至控制系統(tǒng),從而驅(qū)動軸611、612、613和614被機(jī)械地聯(lián) 接至控制系統(tǒng)中的電機(jī)。然后,控制系統(tǒng)能夠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸611、612、613和614通過由軟件選擇的精確角度,以實(shí)現(xiàn)器械期望的操作或運(yùn)動。線纜671和672開始從主管路110穿過,圍繞一個或一個以上滑輪642卷繞,并且 圍繞絞盤620繞緊。線纜671和672圍繞絞盤620的纏繞使得當(dāng)絞盤620轉(zhuǎn)動時,線纜671 或672中一根的長度被拉進(jìn)并且線纜672或671中的另一根輸出相等長度。相似地,線纜 673和674開始從主管路110穿過,圍繞一個或一個以上滑輪643卷繞,并且圍繞絞盤630 繞緊,從而當(dāng)絞盤630轉(zhuǎn)動時,線纜673或674中的一根的長度被拉進(jìn)并且線纜674或673 中的另一根的相等長度被輸出。驅(qū)動軸612和613分別被聯(lián)接以轉(zhuǎn)動絞盤620和630。因 此,控制系統(tǒng)能夠通過使用上述過程轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸612和613,以改變腕機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角度或夾 握。例如,當(dāng)線纜671、672、673和674分別對應(yīng)于圖4A的線纜251、252、253和2M時,以相 同速度在相同方向或相反方向上轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸612和613將改變腕機(jī)構(gòu)200的夾握或偏轉(zhuǎn)?;?42和643被安裝在搖臂640上。搖臂640具有接合驅(qū)動軸614的扇形齒輪 部分,并且被聯(lián)接至底盤610以便當(dāng)驅(qū)動軸614轉(zhuǎn)動時圍繞樞轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)或來回?cái)[動。搖 臂640的齒弧部分和樞轉(zhuǎn)軸被設(shè)計(jì)從而使得搖臂640的旋轉(zhuǎn)主要導(dǎo)致一組滑輪642或643 朝向與其相連的絞盤620或630運(yùn)動并且另一組滑輪643或642遠(yuǎn)離與其相連的絞盤630 或620運(yùn)動。這有效拉進(jìn)線纜671和672或者673和674中一對的長度并且釋放線纜673 和674或者671和672中另一對相等的長度。因此,當(dāng)線纜671、672、673和674分別對應(yīng) 于線纜251、252、253和254時,后端機(jī)構(gòu)600僅通過驅(qū)動軸614的旋轉(zhuǎn)能夠改變腕機(jī)構(gòu)中 的俯仰,如以上參考圖4A說明的。后端機(jī)構(gòu)600能夠通過使用驅(qū)動軸611轉(zhuǎn)動斜齒輪582和580來控制在主管路 110遠(yuǎn)端處的腕機(jī)構(gòu)的側(cè)滾角度。斜齒輪580和581被聯(lián)接至主管路110并且以如上所述 的相同方式操作。后端機(jī)構(gòu)600中的線纜671、672、673和674圍繞滑輪642和643和絞盤620和630 纏繞或繞緊,并且當(dāng)絞盤620和630旋轉(zhuǎn)時,必須能夠彎曲。相應(yīng)地,后端機(jī)構(gòu)600中的線 纜671、672、673和674部分要求撓性并且可以是例如能夠繞相對急劇的拐角被重復(fù)彎曲而 不受損害的多股絞合金屬線纜。相應(yīng)地,每根線纜671、672、673和674可以包括三個部分 在腕機(jī)構(gòu)中的多股絞合線纜部分、延伸通過主管路110的直部分的更加剛性的部分(例如, 海波管)和后端機(jī)構(gòu)600中的第二多股絞合線纜部分。為了比較,圖5B的后端機(jī)構(gòu)500以 近似線性的動作移動線纜571、572、573和574并且不需要線纜571、572、573和574圍繞滑 輪或者其他銳彎的彎曲。相應(yīng)地,線纜571、572、573和574在后端機(jī)構(gòu)500中的部分可以 是相對剛性的結(jié)構(gòu),例如海波管。與圖5B的后端機(jī)構(gòu)500相似的圖6的后端機(jī)構(gòu)600包括帶有電路的電路板590, 所述電路提供至機(jī)器人控制系統(tǒng)的接口,如以上說明的。高電壓連接一般通過獨(dú)立的電連 接以及延伸通過后端機(jī)構(gòu)500或600并且通過主管路110延伸至執(zhí)行器的電線制成。例如, 在本發(fā)明的一個實(shí)施例中,器械是雙極燒灼器械并且電線或其他電導(dǎo)體(未示出)通過后 端機(jī)構(gòu)上的接頭/連接器(未示出)連接至發(fā)電機(jī),并且從那里驅(qū)動線纜延伸通過主管路 110延伸至主管路110遠(yuǎn)端處的腕機(jī)構(gòu)。在腕機(jī)構(gòu)處,用于燒灼的電能量可以通過接觸件被 輸送,其以與電機(jī)中的電刷相同的方式接合執(zhí)行器的鉗爪。圖7A顯示用于燒灼器械的腕機(jī)構(gòu)700的截面示圖。腕機(jī)構(gòu)700包括近端夾具220、 通過近端夾具220可旋轉(zhuǎn)地附接至銷225的遠(yuǎn)端夾具230和通過遠(yuǎn)端夾具230可旋轉(zhuǎn)地附接至銷235的鉗爪242和M4。腕機(jī)構(gòu)700的驅(qū)動線纜(在圖7A中未顯示)能夠沿著夾具 220和230中的導(dǎo)向通道并且附接至如以上參考圖2A、圖2B和圖2C說明的鉗爪242和M4, 并且能夠以參考圖4A和圖4B說明的相同方式改變腕機(jī)構(gòu)700的俯仰、偏轉(zhuǎn)和夾握。接觸 鉗爪242或244的驅(qū)動線纜或驅(qū)動線纜的至少一部分優(yōu)選地由絕緣材料制成。如以上參考 圖3A和圖;3B提到的,驅(qū)動線纜至鉗爪242和244的附接能夠使用高摩擦路徑被制成,以避 免由非導(dǎo)向線纜的卷曲產(chǎn)生的困難。絕緣電線或其他導(dǎo)體772和774同樣供給通過近端夾 具220和遠(yuǎn)端夾具230,從而線772和774的末端分別鄰接鉗爪242和M4。圖7B顯示近 端夾具220的末端示圖,其說明驅(qū)動線纜的導(dǎo)向通道222如何被定位在近端夾具220的外 部邊緣附近,以在近端夾具220的中心軸線附近為管道722提供空間。因此,線772和774 可以在不影響驅(qū)動線纜的情況下延伸通過夾具220和230。如在圖7A中顯示的接觸件782和784位于線772和774的末端處并且與相應(yīng)的 鉗爪242和M4電接觸。接觸件782和784可以由回火金屬(tempered metal)或彈性金 屬制成,當(dāng)鉗爪242和244被組裝到遠(yuǎn)端夾具230中時,該金屬被壓縮以形成與鉗爪242和 244的良好電接觸。在說明的實(shí)施例中,接觸件782和784在各鉗爪242和244的近端處接 合恒定半徑的圓周,從而隨著鉗爪242或244在偏轉(zhuǎn)角度或夾握的改變期間旋轉(zhuǎn)時,接觸件 782和784與圓形表面保持接觸。可替代地,兩個或任一個接觸件782和784可以被定位, 以接合垂直于夾握軸線和銷235的鉗爪242或244的平面?zhèn)?。接觸件782和784的優(yōu)點(diǎn)是 傳遞到線772和774的運(yùn)動的減少。具體地,線772和774僅在俯仰改變期間移動,而當(dāng)偏 轉(zhuǎn)或夾握被改變時不移動。通過直接(例如,焊接或皺縮)的電接觸,不管俯仰、偏轉(zhuǎn)或夾 握的改變,附接的線都會移動。線772和774運(yùn)動的減少降低了對于線772和774被老化、 與異物接觸、纏線或磨損的損害的可能性。接觸件782和784能夠被用于以相反極性電壓電激勵鉗爪242和M4,以激活腕機(jī) 構(gòu)700的燒灼功能。例如,為了在醫(yī)療程序期間密封脈管,腕機(jī)構(gòu)700可以被操縱從而使得 鉗爪282和284夾緊脈管,由此封閉被密封的脈管。然后導(dǎo)體772和774和接觸件782和 784以具有相反極性的高頻交流(AC)信號激勵鉗爪282和觀4。當(dāng)電能被施加至鉗爪242 和244時,電流流過夾在鉗爪242和244中的組織,并且電信號的持續(xù)時間可以被選擇以使 電流燒灼組織并且密封夾住的脈管。還可以通過本領(lǐng)域已知的其他方式使用燒灼來在醫(yī)療 程序期間剪切或毀壞組織。如在本領(lǐng)域已知的,用于電燒灼的能量一般來源于具有大于約IOOkHz頻率的高 電壓(例如大于250伏特)交流(AC)信號。為了避免非故意的組織毀壞,每個電信號需要 隔離與病人的任何非期望的接觸并且相應(yīng)地隔離與器械而不是鉗爪242和244的任何暴露 部分的接觸。線772和774上的涂層使信號與主管路和近端夾具220隔離,從而使得他們 都不會被電激勵。線772和774優(yōu)選地為撓性絞合并且具有例如FEP材料的絕緣涂層,這 在當(dāng)線772或774移動時提供了相對高電介質(zhì)常數(shù)和低摩擦。接觸件782和784位于其中 的遠(yuǎn)端夾具230可由絕緣材料制成,例如塑料(例如,Ultem全能阻燃纖維)或者絕緣陶瓷。 相似地,與鉗爪242和244接觸的銷235由絕緣材料(例如陶瓷)制成,以避免電壓泄漏并 且阻止鉗爪242和244之間的短路。在如圖7A中說明的雙極燒灼器械的示例,鉗爪242和244位于絕緣遠(yuǎn)端夾具230 中的空腔中。具體地,隔離器/分離器732被集成于遠(yuǎn)端夾具中,以提供相反極性鉗爪242和244之間的電隔離。該空腔能夠提供鉗爪242和244之間足夠的隔離距離,從而每個鉗爪 242或244的密封條或單獨(dú)的封裝(如在一些現(xiàn)有燒灼系統(tǒng)中存在的)是不需要的。接觸 件例如782和784還可被用于單極燒灼中,其中鉗爪242和244是相同的電壓,但鉗爪242 和244之間的分離/隔離對于單極燒灼是不需要的。很多以上說明的實(shí)施例可以降低微創(chuàng)外科手術(shù)器械的成本,其通過降低器械中 的部件數(shù)目;器械的復(fù)雜性;所使用材料的成本;部件的制造難度;和器械組裝難度。降低 成本不僅具有明顯的益處,還使得產(chǎn)生與現(xiàn)有可再使用的器械相比較更具成本競爭性(每 件)的一次性使用的器械。一次性使用的器械具有在醫(yī)院中消除再處理/消毒的益處并 且允許在器械的制造過程中的進(jìn)一步成本的節(jié)省,因?yàn)椴考恍枰獮樵偬幚矶辉O(shè)計(jì)和檢 驗(yàn)。本發(fā)明降低部件數(shù)目的實(shí)施例還能夠生產(chǎn)更小器械。這通過降低腕的直徑和長 度,具有臨床上的益處。因此,醫(yī)療程序能夠使用更小的切口,并且更精確的腕操縱控制是 可能的。例如,雙極內(nèi)腕燒灼器械可以被制造為具有5mm直徑,然而在以前,這種器械僅可 制造為具有8mm或者更大的直徑。雖然已經(jīng)參考具體的實(shí)施例說明了本發(fā)明,但是本說明書僅是本發(fā)明應(yīng)用的一個 示例并且不應(yīng)作為限制。公開的實(shí)施例的特征的各種修改和組合落入由權(quán)利要求限定的本 發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)療器械,其包括第一機(jī)構(gòu),其被附接至第一線纜和第二線纜,并且可操作拉進(jìn)所述第一線纜和所述第 二線纜中的一個同時輸出所述第一線纜和所述第二線纜中的另一個;第二機(jī)構(gòu),其被附接至第三線纜和第四線纜,并且可操作拉進(jìn)所述第三線纜和所述第 四線纜中的一個同時輸出所述第三線纜和所述第四線纜中的另一個;搖臂,其包括第一樞轉(zhuǎn)軸、第二樞轉(zhuǎn)軸和第三樞轉(zhuǎn)軸,所述第一機(jī)構(gòu)的一部分圍繞所述 第一樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn);所述第二機(jī)構(gòu)的一部分圍繞所述第二樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn);并且所述搖臂圍繞所 述第三樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),其中所述搖臂圍繞所述第三樞轉(zhuǎn)軸在第一方向的旋轉(zhuǎn)拉進(jìn)所述第一線 纜和所述第二線纜中的至少一個并且輸出所述第三線纜和所述第四線纜中的至少一個。
2.如權(quán)利要求1所述的器械,其中所述第一機(jī)構(gòu)包括 第一絞盤,所述第一線纜和所述第二線纜圍繞其纏繞;和第一滑輪組,其被安裝到所述搖臂的所述第一樞轉(zhuǎn)軸上,其中所述第一線纜和所述第 二線纜從所述第一絞盤圍繞所述第一滑輪組延伸。
3.如權(quán)利要求2所述的器械,其中所述第二機(jī)構(gòu)包括 第二絞盤,所述第三線纜和所述第四線纜圍繞其纏繞;和第二滑輪組,其被安裝到所述搖臂的所述第二樞轉(zhuǎn)軸上,其中所述第三線纜和所述第 四線纜從所述第二絞盤圍繞所述第二滑輪組延伸。
4.如權(quán)利要求3所述的器械,其進(jìn)一步包括; 第一驅(qū)動軸,其被聯(lián)接以旋轉(zhuǎn)所述第一絞盤; 第二驅(qū)動軸,其被聯(lián)接以旋轉(zhuǎn)所述第二絞盤;和第三驅(qū)動軸,其接合所述搖臂上的齒,其中所述第三驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)圍繞所述第三樞轉(zhuǎn) 軸旋轉(zhuǎn)所述搖臂。
5.如權(quán)利要求4所述的器械,其進(jìn)一步包括底盤,所述第一驅(qū)動軸、所述第二驅(qū)動軸和 所述第三驅(qū)動軸被安裝在所述底盤中,其中所述底盤裝配到控制系統(tǒng)的對接端口中并且定 位所述第一驅(qū)動軸、所述第二驅(qū)動軸和所述第三驅(qū)動軸以接合所述控制系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動軸ο
6.如權(quán)利要求1所述的器械,其中所述第一機(jī)構(gòu)包括第一桿,其被安裝到所述第一樞轉(zhuǎn)軸上,所述第一線纜被附接至所述第一桿的第一末端;第一滑動件,其具有接觸所述第一桿的第二末端的部分,其中所述第二線纜被附接至 所述第一滑動件;和第一驅(qū)動機(jī)構(gòu),其被機(jī)械地聯(lián)接以移動所述第一滑動件和所述第二線纜,其中所述第 一滑動件的移動導(dǎo)致所述第一桿在反向于所述第一滑動件的移動方向的方向上移動所述第一線纜。
7.如權(quán)利要求6所述的器械,其中所述第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括第一驅(qū)動軸,其接合所述第 一滑動件上的齒條,從而使得所述第一驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)移動所述第一滑動件。
8.如權(quán)利要求6所述的器械,其中所述第二機(jī)構(gòu)包括第二桿,其被安裝到所述第二樞轉(zhuǎn)軸上,所述第三線纜被附接至所述第二桿的第一末端;第二滑動件,其具有接觸所述第二桿的第二末端的部分,其中所述第四線纜被附接至 所述第二滑動件;和第二驅(qū)動機(jī)構(gòu),其被機(jī)械地聯(lián)接以在第一方向上移動所述第二滑動件和所述第二線 纜,其中所述第二滑動件的移動導(dǎo)致所述第二桿在反向于所述第二滑動件的移動方向的方 向上移動所述第三線纜。
9.如權(quán)利要求8所述的器械,其進(jìn)一步包括第三驅(qū)動機(jī)構(gòu),其被機(jī)械地聯(lián)接以圍繞所 述第三樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所述搖臂。
10.如權(quán)利要求9所述的器械,其進(jìn)一步包括底盤,所述第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)、所述第二驅(qū)動 機(jī)構(gòu)和所述第三驅(qū)動機(jī)構(gòu)被安裝在所述底盤中,其中所述底盤裝配到控制系統(tǒng)的對接端口 中并且定位所述第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)、所述第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)和所述第三驅(qū)動機(jī)構(gòu)以接合所述控制系 統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動軸。
11.如權(quán)利要求1所述的器械,其進(jìn)一步包括后端機(jī)構(gòu),其包括所述第一機(jī)構(gòu)、所述第二機(jī)構(gòu)和所述搖臂;從所述后端機(jī)構(gòu)延伸的主管路;和被聯(lián)接至所述主管路的遠(yuǎn)端的執(zhí)行器,其中所述第一線纜、第二線纜、第三線纜和第四 線纜延伸穿過所述主管路并且連接至所述執(zhí)行器,從而使得所述第一線纜、第二線纜、第三 線纜和第四線纜的移動操作所述執(zhí)行器。
12.—種醫(yī)療器械,其包括第一絞盤,第一線纜和第二線纜圍繞所述第一絞盤纏繞,從而使得所述第一絞盤的 旋轉(zhuǎn)拉進(jìn)所述第一線纜和第二線纜中的一個同時輸出所述第一線纜和第二線纜中的另一 個;第二絞盤,第三線纜和第四線圍繞所述第二絞盤纜纏繞,從而使得所述第二絞盤的 旋轉(zhuǎn)拉進(jìn)所述第三線纜和第四線纜中的一個同時輸出所述第三線纜和第四線纜中的另一 個;搖臂,其被機(jī)械地聯(lián)接以圍繞樞轉(zhuǎn)軸擺動;第一滑輪組,其被安裝到所述搖臂上,其中所述第一線纜和所述第二線纜從所述第一 絞盤延伸并且圍繞所述第一滑輪組延伸;和第二滑輪組,其被安裝到所述搖臂上,其中所述第三線纜和所述第四線纜從所述第二 絞盤延伸并且圍繞所述第二滑輪組延伸。
13.如權(quán)利要求12所述的器械,其進(jìn)一步包括第一驅(qū)動軸,其被聯(lián)接以旋轉(zhuǎn)所述第一絞盤;第二驅(qū)動軸,其被聯(lián)接以旋轉(zhuǎn)所述第二絞盤;和第三驅(qū)動軸,其接合所述搖臂上的齒,其中所述第三驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)圍繞所述第三樞轉(zhuǎn) 軸旋轉(zhuǎn)所述搖臂。
14.如權(quán)利要求13所述的器械,其進(jìn)一步包括底盤,所述第一驅(qū)動軸、所述第二驅(qū)動軸 和所述第三驅(qū)動軸被安裝在所述底盤中,其中所述底盤安裝到控制系統(tǒng)的對接端口中并且 定位所述第一驅(qū)動軸、所述第二驅(qū)動軸和所述第三驅(qū)動軸以接合所述控制系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū) 動軸。
15.如權(quán)利要求12所述的器械,其進(jìn)一步包括后端機(jī)構(gòu),其包含所述第一絞盤和所述第二絞盤、所述搖臂以及所述第一滑輪組和所 述第二滑輪組;從所述后端機(jī)構(gòu)延伸的主管路;和被聯(lián)接至所述主管路的遠(yuǎn)端的執(zhí)行器,其中所述第一線纜、第二線纜、第三線纜和第四 線纜延伸穿過所述主管路并且連接至所述執(zhí)行器,從而使得所述第一線纜、第二線纜、第三 線纜和第四線纜的移動操作所述執(zhí)行器。
16.一種醫(yī)療器械,其包括 第一驅(qū)動軸;第一齒形部件,其包括與所述第一驅(qū)動軸接合的齒條,從而使得所述第一驅(qū)動軸的旋 轉(zhuǎn)使所述第一齒形部件移動,其中第一線纜附接至所述第一齒形部件;第一桿,其具有附接至所述第一桿的第一末端的第二線纜,其中所述第一桿的第二末 端與所述第一齒形部件接觸; 第二驅(qū)動軸;第二齒形部件,其包括與所述第二驅(qū)動軸接合的齒條,從而使得所述第二驅(qū)動軸的旋 轉(zhuǎn)使所述第二齒形部件移動,其中第三線纜附接至所述第二齒形部件;第二桿,其具有附接至所述第二桿的第一末端的第四線纜,其中所述第二桿的第二末 端與所述第二齒形部件接觸; 第三驅(qū)動軸;和第三齒形部件,其包括所述第一桿圍繞其樞轉(zhuǎn)的第一支點(diǎn)和所述第二桿圍繞其樞轉(zhuǎn)的 第二支點(diǎn),其中所述第三齒形部件與所述第三驅(qū)動軸接合,從而使得所述第三驅(qū)動軸的旋 轉(zhuǎn)導(dǎo)致所述第三齒形部件圍繞樞轉(zhuǎn)軸線擺動。
17.如權(quán)利要求15所述的器械,其進(jìn)一步包括底盤,所述第一驅(qū)動軸、第二驅(qū)動軸和第 三驅(qū)動軸被安裝在所述底盤中,其中所述底盤裝配到控制系統(tǒng)的對接端口中并且定位所述 第一驅(qū)動軸、所述第二驅(qū)動軸和所述第三驅(qū)動軸以接合所述控制系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動軸。
18.如權(quán)利要求所述16的器械,其進(jìn)一步包括后端機(jī)構(gòu),其包含所述第一驅(qū)動軸、所述第二驅(qū)動軸和所述第三驅(qū)動軸;所述第一齒 形部件、所述第二齒形部件和第三齒形部件;以及所述第一桿和第二桿; 從所述后端機(jī)構(gòu)延伸的主管路;和被聯(lián)接至所述主管路的遠(yuǎn)端的執(zhí)行器,其中所述第一線纜、第二線纜、第三線纜和第四 線纜延伸穿過所述主管路并且連接至所述執(zhí)行器,從而使得所述第一線纜、第二線纜、第三 線纜和第四線纜的移動操作所述執(zhí)行器。
全文摘要
用于醫(yī)療器械的傳輸裝置或后端機(jī)構(gòu)將四根線纜連接至三個電機(jī)驅(qū)動的自由度。傳輸裝置使用附接至第一和第二線纜的第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)和附接至第三和第四線纜的第二驅(qū)動機(jī)構(gòu),其中每個機(jī)構(gòu)可以包括拉進(jìn)一個線纜而同時輸出另一線纜的絞盤或桿系統(tǒng)。第三驅(qū)動機(jī)構(gòu)具有第一樞轉(zhuǎn)軸,第二樞轉(zhuǎn)軸和第三樞轉(zhuǎn)軸,第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)的一部分圍繞第一樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)的一部分圍繞第二樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),第三驅(qū)動機(jī)構(gòu)圍繞第三樞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。第三驅(qū)動機(jī)構(gòu)圍繞第三樞轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)拉進(jìn)第一和第二線纜中的至少一個并且輸出第三和第四線纜中的至少一個。
文檔編號B25J9/00GK102143719SQ200980134414
公開日2011年8月3日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者W·A·伯班克 申請人:直觀外科手術(shù)操作公司