專利名稱：具有擺線表面的器械腕部的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
用于微創(chuàng)手術(shù)程序的醫(yī)療器械通常采用遠(yuǎn)距離啟動(dòng)的機(jī)械腕部或關(guān)節(jié)。在一些配置中，腕部機(jī)構(gòu)可以是位于該器械的主要導(dǎo)管的遠(yuǎn)端處的工具(如鉗、解剖刀、剪刀或燒灼工具)的一部分或可以操縱該工具。腱通常附連到該腕部機(jī)構(gòu)中的機(jī)械構(gòu)件或圓盤(pán)上并且延伸穿過(guò)該主要導(dǎo)管而到達(dá)該主要導(dǎo)管近端處的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。授予Cooper等人標(biāo)題為“具有可主動(dòng)定位的腱致動(dòng)的多圓盤(pán)式腕部關(guān)節(jié)的手術(shù)工具(Surgical tool having PositivelyPositionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint)”的美國(guó)專利US. 6，817，974描述了一些已知的腕部機(jī)構(gòu)，其包含多個(gè)圓盤(pán)以及腱控制的腕部關(guān)節(jié)。當(dāng)機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)構(gòu)件具有根據(jù)一種固定關(guān)系或齒輪比而改變的相對(duì)角度取向時(shí)，在一個(gè)關(guān)節(jié)處發(fā)生該腕部機(jī)構(gòu)中的齒輪式移動(dòng)。例如，圖IA示出腕部關(guān)節(jié)100的側(cè)視圖，該腕部關(guān)節(jié)具有構(gòu)件110和120，這些構(gòu)件具有圓形的并且曲率半徑相同的載荷表面112和122。當(dāng)圓形表面112和122在彼此上滾動(dòng)而不滑動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了 I: I齒輪比的齒輪式運(yùn)動(dòng)。為了防止滑動(dòng)，構(gòu)件110上的銷或齒114可以嚙合構(gòu)件120中開(kāi)口 124的壁，并且防止構(gòu)件110和120在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(未示出)拉動(dòng)腱130并且松開(kāi)相反的腱132時(shí)相對(duì)于彼此滑動(dòng)(如圖IB中所示)。齒114被優(yōu)選地設(shè)計(jì)形狀、定位和設(shè)計(jì)尺寸，從而使得齒114在構(gòu)件110和120的全轉(zhuǎn)動(dòng)范圍上保持與開(kāi)口 124耦合。齒輪式運(yùn)動(dòng)是希望的，因?yàn)闃?gòu)件110和120的移動(dòng)可以在計(jì)算機(jī)或確定如何操縱腱130和132來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)100的期望運(yùn)動(dòng)的其他處理系統(tǒng)中進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)。圓形載荷表面112和122保持了限定表面112和122的圓的中心之間的間隔，這是希望的，因?yàn)楫a(chǎn)生的移動(dòng)被容易地建模并且因?yàn)殡?30和132的對(duì)稱附連導(dǎo)致腱130或132被拉動(dòng)的長(zhǎng)度與另一個(gè)腱132或130被松開(kāi)的長(zhǎng)度相等。因此可以簡(jiǎn)化操縱 腱130和132的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械學(xué)。一般已知齒輪使用多種表面形狀來(lái)允許齒輪的齒相嚙合而不受約束。例如，擺線齒輪是具有遵循擺線曲線的接觸面的齒的齒輪。圖2示出了一對(duì)擺線齒輪210和220，它們被設(shè)置在相應(yīng)的軸212和222上，這些軸具有為了使齒輪210和220的齒正確嚙合所需要的間隔。具體而言，當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪210順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪210的表面214接觸齒輪220的表面224。表面214和224的形狀被設(shè)計(jì)為當(dāng)齒輪221和220轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)抵靠彼此滾動(dòng)，例如表面214可以是平的而表面224遵循擺線曲線。然后表面216和226相接觸，并且齒輪210和220轉(zhuǎn)動(dòng)，直到齒輪210的下一個(gè)齒218與齒輪220的下一個(gè)齒228相接觸。擺線齒輪如齒輪210和220的恰當(dāng)嚙合對(duì)于軸212與222之間的間距是敏感的，這可能是現(xiàn)今在齒輪中更常使用漸開(kāi)線曲面(involute surface)的主要原因。如圖2中圖示的齒輪與諸如圖IA和IB中圖示的齒輪式腕部關(guān)節(jié)的不同之處在于軸212和222固定齒輪210和220的間距，從而使得這些齒輪的接觸面不承載顯著的壓縮力。相比之下，圖IA和IB的腕部關(guān)節(jié)100在位于醫(yī)療器械中時(shí)通常需要承載壓縮力(例如，由于腱130和132的張緊)，這些壓縮力趨向于使構(gòu)件110和120的凸形載荷表面112和122變平。由于含腕部關(guān)節(jié)(諸如腕部關(guān)節(jié)100)的醫(yī)療器械通常具有較小的直徑，例如構(gòu)件110或120的總直徑典型地約為3至10mm，并且可能遇到約一百磅的壓縮力，因此載荷表面112和122的變形是重要問(wèn)題。此外，對(duì)于腱引導(dǎo)件或諸如攝像機(jī)纜線或可以延伸穿過(guò)器械的其他系統(tǒng)的裝置的一個(gè)或更多個(gè)中心內(nèi)腔而言，可能需要腕部關(guān)節(jié)的大部分截面積。這些機(jī)械結(jié)構(gòu)的小的可用空間可能使得制造具有適當(dāng)強(qiáng)度和精確度的腕部關(guān)節(jié)100有挑戰(zhàn)性。具體而言，齒114的相對(duì)小的尺寸可能導(dǎo)致在腕部的極限運(yùn)動(dòng)下齒114與開(kāi)口124脫離接合，特別是當(dāng)腕部100支撐一個(gè)使表面112和122變形的負(fù)荷時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種腕部機(jī)構(gòu)包括多個(gè)構(gòu)件，這些構(gòu)件具有承載施加到腕部機(jī)構(gòu)的負(fù)荷的擺線表面。相應(yīng)構(gòu)件上的一對(duì)擺線形/擺線接觸面可以布置成在構(gòu)件的參照點(diǎn)之間維持恒定間隔，并且多對(duì)擺線接觸面可以布置成確保這些構(gòu)件的齒輪式運(yùn)動(dòng)。可替代地，在這些構(gòu)件上可以包括齒輪齒，以確保齒輪式運(yùn)動(dòng)并提高腕部對(duì)外部施加的滾動(dòng)扭矩的抵抗力。此外，每個(gè)載荷接觸面可以包括凹形的內(nèi)擺線表面/內(nèi)擺線形表面，并且凹形的載荷表面可以提高該腕部關(guān)節(jié)在沒(méi)有不可接受的變形的情況下承載壓縮力的能力或 者可替代地允許使用可能不適合用于給定大小和載荷能力的腕部的(多種)材料。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，一種器械腕部包括具有第一擺線表面的第一構(gòu)件，以及具有與該第一擺線表面接觸的第二擺線表面的第二構(gòu)件。通過(guò)該第一和第二構(gòu)件上的擺線表面的接觸產(chǎn)生這些構(gòu)件上的壓縮力。這些構(gòu)件可以被布置為響應(yīng)于由腱施加到這些構(gòu)件中一個(gè)構(gòu)件上的力而進(jìn)行齒輪式運(yùn)動(dòng)。


圖IA和IB示出一種已知腕部關(guān)節(jié)的側(cè)視圖，該腕部關(guān)節(jié)使用銷釘和開(kāi)口來(lái)約束接觸的構(gòu)件進(jìn)行齒輪式運(yùn)動(dòng)。圖2示出一對(duì)擺線齒輪。圖3圖示外擺線和內(nèi)擺線，它們?cè)邶X輪式運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在其相應(yīng)的中心之間維持固定的間隔。圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的腕部關(guān)節(jié)，該腕部關(guān)節(jié)使用階梯形/級(jí)形擺線表面來(lái)承載負(fù)荷并且約束該腕部關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。圖5A和5B示出在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種腕部關(guān)節(jié)中使用的相應(yīng)的機(jī)械構(gòu)件，該腕部關(guān)節(jié)使用混合的擺線表面來(lái)承載負(fù)荷并且約束移動(dòng)。圖6A示出鞍形的腕部構(gòu)件，該腕部構(gòu)件允許對(duì)擺線表面進(jìn)行定位以提供交叉的傾斜軸線和緊湊的腕部結(jié)構(gòu)。圖6B示出一種多關(guān)節(jié)的腕部機(jī)構(gòu)，該腕部機(jī)構(gòu)使用圖6A中圖示的鞍形的腕部構(gòu)件。圖7示出一種兩件式腕部關(guān)節(jié)，該腕部關(guān)節(jié)使用擺線表面以在緊湊結(jié)構(gòu)中提供俯仰和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的腕部機(jī)構(gòu)的分解視圖，該腕部機(jī)構(gòu)包含具有擺線載荷表面的多個(gè)關(guān)節(jié)和構(gòu)件以及用于確保齒輪式運(yùn)動(dòng)的齒輪結(jié)構(gòu)。
圖9A、9B、9C和9D示出圖8的腕部機(jī)構(gòu)中使用的帶齒末端構(gòu)件的側(cè)視圖、頂視圖和兩個(gè)截面圖。圖10A、10B、10C和IOD示出圖8的腕部機(jī)構(gòu)中的帶槽構(gòu)件的側(cè)視圖、頂視圖和兩
個(gè)截面圖。圖11A、11B、11C和IlD示出圖8的腕部機(jī)構(gòu)中的帶齒的插入構(gòu)件(interveningmember)的側(cè)視圖、頂視圖和兩個(gè)截面圖。圖12示出一種機(jī)器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在微創(chuàng)醫(yī)療器械中包括腕部結(jié)構(gòu)。在不同圖中使用相同的參考符號(hào)表示相似或相同的項(xiàng)目。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明一方面，腕部機(jī)構(gòu)中的(多個(gè))機(jī)械構(gòu)件使用擺線表面/擺線形表面從而在這些機(jī)械構(gòu)件的齒輪式運(yùn)動(dòng)過(guò)程中承載壓縮作用。具體而言，腕部關(guān)節(jié)可以在第一構(gòu)件上使用外擺線表面/外擺線形表面，該第一構(gòu)件上的外擺線表面與第二構(gòu)件上的內(nèi)擺線表面/內(nèi)擺線形表面相接觸。通過(guò)對(duì)這些構(gòu)件的限定擺線和齒輪的參數(shù)的正確選擇，這些擺線表面約束這些構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，從而在與這些擺線表面所遵循的擺線曲線中心相對(duì)應(yīng)的參照點(diǎn)之間保持間隔。這些擺線表面還提供了凹形接觸區(qū)域，這導(dǎo)致在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或外部負(fù)荷將這些構(gòu)件推到一起時(shí)變形更小。通過(guò)使用另外的載荷擺線表面，可以實(shí)現(xiàn)該第一和第二構(gòu)件的齒輪式運(yùn)動(dòng)。具體而言，第一構(gòu)件上的內(nèi)擺線表面和第二構(gòu)件上的外擺線表面可以產(chǎn)生接觸區(qū)域，該接觸區(qū)域用來(lái)平衡另一個(gè)接觸區(qū)域處的力，這樣使得這些接觸區(qū)域處的凈力導(dǎo)致齒輪式運(yùn)動(dòng)?？商娲兀谶@些構(gòu)件上可以使用齒輪結(jié)構(gòu)(諸如齒)，從而確保齒輪式運(yùn)動(dòng)并且改進(jìn)對(duì)滾動(dòng)扭矩的抵抗力。本文使用的“擺線表面/擺線形表面”是指如下表面該表面所具有的擺線的一部分是所述表面與平面的交線。擺線是公知的并且通?？梢允褂脜?shù)方程來(lái)定義。更直觀地，擺線對(duì)應(yīng)于在一條線或另一圓上滾動(dòng)的一個(gè)圓上點(diǎn)的路徑。例如，圖3圖示外擺線310，它對(duì)應(yīng)于圍繞半徑為R的圓314外部滾動(dòng)的一個(gè)半徑為r的圓312上點(diǎn)的路徑，其中R>r。內(nèi)擺線320對(duì)應(yīng)于圍繞半徑為R’的較大圓324內(nèi)部滾動(dòng)的一個(gè)半徑為r’的圓322上點(diǎn)的路徑，R’ >r’。在所述圓的半徑相同的條件下，即R’ =R并且r’ =r，當(dāng)擺線310和320以相同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)(即，在1:1齒輪比的齒輪式運(yùn)動(dòng)中)時(shí)，外擺線310的中心315和內(nèi)擺線320的中心325之間的距離保持恒定。(外擺線和內(nèi)擺線也可以匹配，以便對(duì)于其他齒輪比提供恒定的中心到中心的間隔。)在齒輪式運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果擺線310和320上的接觸點(diǎn)位于所述的圓314和324上，則在這些接觸點(diǎn)之間沒(méi)有相對(duì)速度。然而，這些接觸面通常以不同的速度移動(dòng)，并且這些表面抵靠彼此摩擦(滑動(dòng))。即使這些表面發(fā)生摩擦，I I的齒輪運(yùn)動(dòng)(對(duì)于R=R’ )也確保這兩個(gè)所述圓314和324不相對(duì)于彼此滑動(dòng)。在腕部關(guān)節(jié)中擺線表面和曲線優(yōu)于常規(guī)帶齒齒輪的優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)施加的力保持這些構(gòu)件相接觸時(shí)，腕部關(guān)節(jié)中的(多個(gè))構(gòu)件的接觸面自動(dòng)維持對(duì)于操作而言恰當(dāng)?shù)亩ㄎ?，正如在腱停?tendon-stayed)的機(jī)器人腕部中的情況。圖4示出包括滾動(dòng)構(gòu)件410和420的腕部關(guān)節(jié)400，滾動(dòng)構(gòu)件410和420采用載荷擺線表面。腕部關(guān)節(jié)400可以用于包括若干相似關(guān)節(jié)的機(jī)械腕部中，并且在示例性實(shí)施方案中被結(jié)合在可以用于微創(chuàng)醫(yī)療程序的醫(yī)療器械之中。在腕部關(guān)節(jié)400中，每個(gè)構(gòu)件410或420都具有基本圓盤(pán)形的本體，該本體具有中心孔415或425，該孔限定了可以沿著器械的長(zhǎng)度延伸的中心內(nèi)腔的一部分。每個(gè)圓盤(pán)410和420可以由針對(duì)腕部關(guān)節(jié)400的特殊用途并且特別針對(duì)腕部機(jī)構(gòu)的尺寸和預(yù)期的負(fù)荷提供足夠的強(qiáng)度和耐久性的任何材料制成。腕部構(gòu)件410和420可能需要是用于更高負(fù)荷應(yīng)用的金屬如不銹鋼，特別是當(dāng)腕部直徑小于約5mm時(shí)。在更大直徑的腕部機(jī)構(gòu)或更小負(fù)荷的條件下可以使用諸如塑料或陶瓷的材 料。如下面進(jìn)一步說(shuō)明的，腕部關(guān)節(jié)400的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)壓縮應(yīng)變的抵抗力，并且這種抵抗力可以允許在具有更小直徑和/或可以使用圓形載荷表面而實(shí)現(xiàn)的中心內(nèi)腔的電絕緣腕部中使用諸如塑料或陶瓷的材料。絕緣的腕部機(jī)構(gòu)在包括帶電的或電啟動(dòng)的工具或末端執(zhí)行器的醫(yī)療器械中是特別希望的。一般，該腕部可以對(duì)于力或任務(wù)而縮放(scaled)。圓盤(pán)410具有凸起412、414、416和418，這些凸起具有的擺線表面與圓盤(pán)420上的凸起422、424、426和428的相應(yīng)擺線表面相接觸。凸起412、414、416和418沿著圓盤(pán)410的直徑定位，其中凸起412和418靠近或延伸至圓盤(pán)410的圓周的相對(duì)邊緣，并且凸起414和426靠近或延伸至中心孔415的相對(duì)邊緣。類似地，凸起422、424、426和428沿著構(gòu)件420的直徑定位，其中凸起422和428靠近或延伸至圓盤(pán)420的圓周的相對(duì)邊緣，并且凸起424和426靠近或延伸至穿過(guò)圓盤(pán)420的中心孔425的相對(duì)邊緣。在圖示的實(shí)施例中，凸起412、414、416和418包括為外擺線或內(nèi)擺線表面的中央部分，外擺線或內(nèi)擺線表面與相接觸的凸起422、424、426和428上的相應(yīng)內(nèi)擺線或外擺線表面互補(bǔ)。凸起412、414、416和418上的中央擺線部分遵循相應(yīng)的擺線的部分，并且這些擺線的中心全都位于一條限定了傾斜軸線的方向的線上。類似地，凸起422、424、426和428上的中央擺線部分遵循相應(yīng)的擺線的部分，并且這些擺線的中心全都位于一條與該傾斜軸線平行的線上。當(dāng)圓盤(pán)410相對(duì)于圓盤(pán)420在適當(dāng)齒輪比的齒輪式運(yùn)動(dòng)下發(fā)生傾斜時(shí)，凸起412、414、416和418的擺線表面保持與凸起422、424、426和428的擺線表面相接觸并且在與這些限定了表面的擺線的中心相對(duì)應(yīng)的參照點(diǎn)或線之間維持固定的間隔。這些凸起的高度提供了用于在構(gòu)件410和420的本體部分彼此接觸之前發(fā)生傾斜的間隙并且防止進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)。圓盤(pán)410和420除了具有用于醫(yī)療器械的中央內(nèi)腔的中心孔415和425之外還包括引導(dǎo)孔413和423，這些引導(dǎo)孔用于鉸接關(guān)節(jié)400的腱451和452以及可以延伸穿過(guò)關(guān)節(jié)400到達(dá)該醫(yī)療器械的其他部分的腱(未示出)。腱451和452可以是纜線、細(xì)絲、管或類似的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)足夠柔性而能在器械內(nèi)根據(jù)需要彎曲，并足夠強(qiáng)韌而能施加力到鉸接關(guān)節(jié)400，從而使構(gòu)件410相對(duì)于構(gòu)件420傾斜。示出的腱451和452相對(duì)于凸起412、414、416和418沿其定位的直徑以相反的力臂附接到構(gòu)件410。然后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(未示出)可以拉動(dòng)(或增大其中的張力)一個(gè)腱451或452，從而使構(gòu)件410相對(duì)于構(gòu)件420在一個(gè)方向上傾斜，或者拉動(dòng)(或增大其中的張力)另一個(gè)腱452或451,從而使構(gòu)件410在相反方向上傾斜。一般，腱451和452具有預(yù)加載的張力，這些張力迫使構(gòu)件410和420到一起，從而使得凸起412、414、416和418保持與相應(yīng)的凸起422、424、426和428相接觸。在腕部機(jī)構(gòu)400中通過(guò)外擺線表面和內(nèi)擺線表面在多個(gè)接觸區(qū)域內(nèi)的布置而維持齒輪式運(yùn)動(dòng)。具體而言，凸起412具有中央外擺線部分，該部分與凸起422的匹配的內(nèi)擺線部分相接觸。當(dāng)腱451或452被拉動(dòng)而使構(gòu)件410傾斜時(shí)，凸起412的外擺線表面在凸起422的內(nèi)擺線表面上滾動(dòng)。如果凸起412和422是孤立的系統(tǒng)，即，如果凸起414、416、418、424、426和428不存在，則凸起412和422將相對(duì)于齒輪式運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)。然而，在凸起414與424的接觸部分處，該外擺線表面位于構(gòu)件420上并且與構(gòu)件410上的內(nèi)擺線表面接觸。因此，凸起412與422的接觸部分相對(duì)于齒輪式運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)的趨勢(shì)被凸起414與424的接觸部分在相反意義上滑動(dòng)的相反趨勢(shì)所抵消。在腕部關(guān)節(jié)400中，這些凸起的擺線接觸面具有相平衡的滑動(dòng)趨勢(shì)，這共同地在腱451和452鉸接腕部關(guān)節(jié)400時(shí)將構(gòu)件410和420保持在齒輪式運(yùn)動(dòng)中。在中央擺線表面彼此接觸時(shí)，圓盤(pán)410相對(duì)于圓盤(pán)420的角運(yùn)動(dòng)的范圍取決于限定這些擺線表面的參數(shù)。具體而言，在圖3中，外擺線310具有參數(shù)R和r，使得R=4r，這產(chǎn)生與四個(gè)內(nèi)擺線波瓣結(jié)合的四個(gè)外擺線波瓣，并且外擺線310的齒輪式轉(zhuǎn)動(dòng)維持了內(nèi)擺線320與外擺線310的一個(gè)波瓣的接觸，這可以提供最多90°的角范圍，即，高達(dá)+/-45°。在腕部關(guān)節(jié)400中，基于具有更多波瓣的擺線的擺線表面是所希望的，這是由于凸起412、414,416和418的尺寸目標(biāo)或限制以及在每個(gè)波瓣具有更小的角范圍時(shí)的齒輪式運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸面處摩擦的減小。該運(yùn)動(dòng)范圍典型地是對(duì)腕部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)輸入，并且在所定義的擺線中波瓣的數(shù)目和每個(gè)波瓣的角范圍可能對(duì)于具體用途而言是優(yōu)化腕部的問(wèn)題。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)波瓣的大小(例如，該中央擺線表面)約為所要求的運(yùn)動(dòng)范圍的一半，這提供了 實(shí)用的且可生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，并且當(dāng)每個(gè)凸起從一個(gè)外擺線或內(nèi)擺線中央表面平滑地過(guò)渡到該中央表面任一側(cè)上的兩個(gè)內(nèi)擺線或外擺線表面時(shí)，22. 5度的擺線(B卩，在整個(gè)外擺線或內(nèi)擺線中有16個(gè)波瓣)很適合±45° ROM (運(yùn)動(dòng)范圍)。凸起上的外擺線表面和內(nèi)擺線表面遵循具有相同中心點(diǎn)和半徑參數(shù)R和r的擺線的部分。為了提供互補(bǔ)的表面，凸起422包括中央內(nèi)擺線表面，該表面平滑地過(guò)渡到兩個(gè)外擺線表面，其中限定這些表面的所有擺線具有相同的中心點(diǎn)和相同的半徑參數(shù)R和r。凸起412、414、416、418、422、424、426和428上的每個(gè)擺線表面是這樣的，即使得與腕部關(guān)節(jié)400的傾斜軸線平行的平面與該擺線表面沿一條直線相交，并且與該傾斜軸線垂直的平面與該擺線表面沿一條擺線曲線或如上所述的一系列擺線曲線相交。使用這種構(gòu)型，腕部關(guān)節(jié)400提供了單一的運(yùn)動(dòng)自由度，例如圓盤(pán)410相對(duì)于圓盤(pán)420的傾斜角度。對(duì)于多關(guān)節(jié)的腕部機(jī)構(gòu)，與凸起412、414、416和418類似的額外的凸起(未示出)可以被增加到圓盤(pán)410的背側(cè)并且與相似于圓盤(pán)420或與圓盤(pán)420相同的圓盤(pán)上的多個(gè)凸起嚙合。如果增加到圓盤(pán)410背面上的這些凸起是沿著與凸起412、414、416和418相同的圓盤(pán)410直徑，則該額外的腕部關(guān)節(jié)可以提供比單個(gè)腕部關(guān)節(jié)400更大的傾斜范圍。可替代地，如果在圓盤(pán)410背面上增加的凸起是沿著與凸起412、414、416和418所在的直徑垂直的直徑，則這對(duì)關(guān)節(jié)可以提供兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，例如，俯仰和偏轉(zhuǎn)。腕部關(guān)節(jié)400以外擺線表面接觸內(nèi)擺線表面的方式工作，從而使得載荷表面中的至少一個(gè)(即，內(nèi)擺線表面)是凹形的。這是所希望的，因?yàn)檫@些表面還支撐了壓縮力，例如對(duì)鉸接的腱451和452中的張力以及施加在含腕部關(guān)節(jié)400的器械上的外力作出反應(yīng)。在不可接受地變形之前，這些凹形的表面一般可以經(jīng)受住比凸形表面可以經(jīng)受的更大的力。例如，如果使用圓形表面來(lái)抵靠彼此進(jìn)行滾動(dòng)并維持中心點(diǎn)之間的間隔，則兩個(gè)接觸面均是凸形的并且在施加負(fù)荷時(shí)可能更容易變平。變形可能損壞或壓碎承載負(fù)荷的結(jié)構(gòu)，特別是如果在腕部關(guān)節(jié)中使用如陶瓷等不太有彈性的材料的話。腕部關(guān)節(jié)400的另一個(gè)希望的特征是凸起412、414、416和418以及422、424、426和428在具有中央外擺線表面和中央內(nèi)擺線表面之間交替。凸起412和424以及426和428的較高部分可以互鎖并且防止圓盤(pán)410相對(duì)于圓盤(pán)420沿該傾斜軸線的方向側(cè)向地滑動(dòng)。圖5A圖示一種采用具有彎曲擺線表面的凸起513和517的構(gòu)件或圓盤(pán)510。具體而言，凸起513的外邊緣512 (靠近圓盤(pán)510的圓周)是外擺線曲線，并且凸起513的內(nèi)邊緣514 (靠近中心孔515)是內(nèi)擺線。邊緣512與514之間的彎曲表面包含將外擺線邊緣512上的(多個(gè))點(diǎn)連接到內(nèi)擺線邊緣514上的(多個(gè))點(diǎn)的(多條)線，其具有相匹配的角度參數(shù)Θ值，其中角度參數(shù)Θ表示用來(lái)定義擺線曲線512或514的小圓的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。凸起517類似地具有彎曲的表面，該彎曲表面從圓盤(pán)510的圓周處的外擺線曲線518過(guò)渡到中心孔515的邊緣處的內(nèi)擺線曲線516。圖5B示出了圓盤(pán)520，該圓盤(pán)具有凸起523和527，這些凸起具有沿圓盤(pán)520的直徑對(duì)齊的彎曲表面，并且這些表面被設(shè)計(jì)用于在圖5A的圓盤(pán)510的彎曲表面上進(jìn)行齒輪式運(yùn)動(dòng)。凸起523上的彎曲表面從圓盤(pán)522的圓周處的內(nèi)擺線曲線522平滑地過(guò)渡到穿過(guò)圓盤(pán)520的中心孔525的圓周處的外擺線曲線524。類似地，凸起527上的彎曲表面從圓盤(pán)522的圓周處的內(nèi)擺線曲線522平滑地過(guò)渡到穿過(guò)圓盤(pán)520的中心孔525的圓周處的外擺線曲線524。圓盤(pán)520上的外部?jī)?nèi)擺線曲線522和528與圓盤(pán)510上的外部外擺線曲線512和518互補(bǔ)，并且圓盤(pán)520上的內(nèi)部外擺線曲線524和526與圓盤(pán)510上的內(nèi)部?jī)?nèi)擺線曲線514和516互補(bǔ)。圓盤(pán)510在保持凸起513和517的彎曲表面與圓盤(pán)520上的凸起523和527相接觸時(shí)可以在圓盤(pán)520上滾動(dòng)，并且這些互補(bǔ)的擺線曲線約束圓盤(pán)510和520以圓形物體在彼此上滾動(dòng)的相同方式的移動(dòng)從而使圓盤(pán)510相對(duì)于圓盤(pán)520傾斜。此外，這些彎曲表面的相對(duì)邊緣處接觸點(diǎn)相對(duì)于齒輪式運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)的趨勢(shì)彼此抵消并且共同維持齒輪式運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，凸起513和517以及523和527的這些交替的較高部分可以抵抗沿傾斜軸線方向的圓盤(pán)510和520的滑動(dòng)。與常規(guī)圓形表面的接觸部分支撐壓縮作用的能力相比，這些彎曲表面也可以提供更好的支撐壓縮作用的能力。具體而言，這些彎曲表面具有被拐點(diǎn)分隔的(多個(gè))凹形和凸形部分，并且兩個(gè)互補(bǔ)的彎曲表面的接觸部分包括第一區(qū)域，其中第一彎曲表面的凸形表面與第二彎曲表面的凹形或扁平部分接觸；第二區(qū)域，其中第一和第二表面的凸形部分彼此接觸；以及第三區(qū)域，其中第一彎曲表面的凹形或扁平表面與第二彎曲表面的凸形部分接觸。與凹形表面的接觸可以改進(jìn)腕部關(guān)節(jié)支撐壓縮力的能力。圓盤(pán)520具有兩個(gè)凸起521 (其中之一在圖5B中可見(jiàn))，這些凸起在背側(cè)上并且沿著與凸起523和527相同的直徑定位。在所圖示的實(shí)施例中，凸起521具有與凸起523和527的彎曲表面相同的彎曲表面，并且因此與圖5A中的圓盤(pán)510上的凸起513和517的彎曲表面是互補(bǔ)的。使用具有的凸起513和517與圓盤(pán)520上的相應(yīng)凸起523和527相接觸的圓盤(pán)510以及具有的凸起513和517與圓盤(pán)520上的凸起521相接觸的圓盤(pán)510的相同復(fù)制品可以形成一種三構(gòu)件的腕部關(guān)節(jié)。這種三構(gòu)件的結(jié)構(gòu)將提供兩個(gè)關(guān)節(jié)，二者均圍繞同一方向軸線傾斜，并且該三構(gòu)件的腕部機(jī)構(gòu)可以比單一腕部關(guān)節(jié)提供更大的傾斜范圍。圓盤(pán)510還具有位于背側(cè)上的兩個(gè)凸起511 (其中之一在圖5A中可見(jiàn))，但是凸起 511沿著與凸起513和517所沿直徑相垂直的直徑定位。在所圖示的實(shí)施例中，凸起511具有與凸起513和517的彎曲表面相同的彎曲表面并且與圓盤(pán)520上的凸起523和527的彎曲表面互補(bǔ)。使用具有的凸起523和527與圓盤(pán)510上的相應(yīng)凸起513和517相接觸的構(gòu)件520以及具有的凸起523和527與圓盤(pán)510上的凸起511相接觸的構(gòu)件520的相同復(fù)制品可以形成一種三構(gòu)件的腕部關(guān)節(jié)。這種三構(gòu)件的腕部機(jī)構(gòu)作為U關(guān)節(jié)并且提供兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，一個(gè)對(duì)應(yīng)于圍繞凸起513和517的布置所限定的軸線的傾斜并且另一個(gè)對(duì)應(yīng)于圍繞凸起511的布置所限定的軸線的傾斜。圖6A示出了類似圓盤(pán)510的構(gòu)件610，其具有對(duì)于第一傾斜軸線布置的第一對(duì)擺線表面612和614，以及對(duì)于與第一傾斜軸線垂直的第二傾斜軸線布置的第二對(duì)擺線表面616和618。在圖示的實(shí)施例中，表面612、614、616和618各自是從外部外擺線曲線平滑過(guò)渡到內(nèi)部?jī)?nèi)擺線曲線的彎曲表面。在可替代的實(shí)施例中，表面612、614、616和618中的任意表面都可以是從外部?jī)?nèi)擺線曲線過(guò)渡到內(nèi)部外擺線曲線的彎曲表面、具有外擺線部分和內(nèi)擺線部分的階梯形/級(jí)形表面、外擺線表面或內(nèi)擺線表面。構(gòu)件610不同于圓盤(pán)510之處在于這些擺線表面不是在凸起上，而是被整合為大體鞍形形狀，這樣使得由擺線表面612、614、616和618所限定的兩個(gè)垂直的傾斜軸線可以在更緊湊的結(jié)構(gòu)或緊湊的萬(wàn)向關(guān)節(jié) (U關(guān)節(jié))中提供。理想地，這些垂直的傾斜軸線在同一平面內(nèi)交叉。交叉的傾斜軸線對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可能是有利的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)模型可以提供用于描述具有交叉軸線的復(fù)合關(guān)節(jié)的控制和移動(dòng)的正確解決方案。圖6B示出腕部機(jī)構(gòu)600，其包括圖6A中圖示類型的三個(gè)構(gòu)件610。構(gòu)件610具有的擺線表面與插入式構(gòu)件621和622或末端構(gòu)件630和633的互補(bǔ)的擺線表面相接合。構(gòu)件621和622總體上與圖5B的構(gòu)件520相似，但每個(gè)構(gòu)件621或622上具有擺線表面的凸起從該構(gòu)件的圓周向內(nèi)偏置，從而允許構(gòu)件621和622在這些凸起外部的環(huán)形區(qū)域中具有用于腱的引導(dǎo)孔。每個(gè)末端構(gòu)件630或633的一側(cè)上具有與構(gòu)件621和622的凸起相同的凸起，并且其相反一側(cè)適于連接到器械(未示出)的主要導(dǎo)管或延長(zhǎng)構(gòu)件640上。構(gòu)件610的大小被設(shè)計(jì)為配合在腱的環(huán)內(nèi)并且與構(gòu)件621、622、630或633上的凸起相接合而不妨礙這些腱。主要導(dǎo)管或延長(zhǎng)構(gòu)件640可以直接或間接附連到控制腱651、652和653的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出)。腱651，延伸穿過(guò)主要導(dǎo)管640和末端構(gòu)件640而附連到構(gòu)件621，控制包括末端構(gòu)件640、鞍形構(gòu)件610和插入式構(gòu)件621的三構(gòu)件的腕部關(guān)節(jié)。這種三構(gòu)件的腕部關(guān)節(jié)提供兩個(gè)自由度用于使構(gòu)件621傾斜，該構(gòu)件可以使用至少三個(gè)腱651來(lái)致動(dòng)。三個(gè)腱652延伸穿過(guò)主要導(dǎo)管640、末端構(gòu)件630和構(gòu)件621而附連到構(gòu)件622，并且可以用來(lái)控制包括構(gòu)件621、610和622的三構(gòu)件的U關(guān)節(jié)。三個(gè)腱653延伸穿過(guò)主要導(dǎo)管640、末端構(gòu)件630、構(gòu)件621和構(gòu)件622而附連到末端構(gòu)件633，并且可以類似地控制包括構(gòu)件622、610和633的三構(gòu)件的U關(guān)節(jié)。因此腕部機(jī)構(gòu)600采用九個(gè)腱來(lái)控制三個(gè)U關(guān)節(jié)，這允許對(duì)腕部結(jié)構(gòu)600的形狀和末端構(gòu)件633的取向進(jìn)行復(fù)雜的操縱。圖6B示出了一種配置，其中腕部機(jī)構(gòu)600提供簡(jiǎn)單的90°彎曲。在一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)構(gòu)600的一部分(包括頂部的兩個(gè)鞍狀物610)形成2個(gè)自由度+/-90度的腕部。剩余的鞍狀物610是位于該延長(zhǎng)構(gòu)件640的任意側(cè)上的一對(duì)肘部關(guān)節(jié)中的頂部肘部關(guān)節(jié)的一部分。每個(gè)肘部具有+/-45度的運(yùn)動(dòng)范圍，并且當(dāng)該延長(zhǎng)構(gòu)件640是“榫關(guān)節(jié)(joggle joint)”的一部分時(shí),這兩個(gè)肘部被構(gòu)建為保持與主要導(dǎo)管平行，如在2007年6月13日提交的標(biāo)題為“具有平行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的手術(shù)器械(SurgicalInstrument with Parallel Motion Mechanism)”的美國(guó)專利申請(qǐng)US 2008/0065102 Al 中所描述的。這些具有擺線的構(gòu)件在機(jī)構(gòu)600中被用來(lái)產(chǎn)生完全的六自由度以便在x、y、z和滾動(dòng)、俯仰、偏轉(zhuǎn)上定位附接到末端633的工具。用于使腕部關(guān)節(jié)中的構(gòu)件傾斜的兩 個(gè)自由度可以使用具有載荷擺線表面的兩個(gè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，圖7示出一種包括兩個(gè)構(gòu)件或圓盤(pán)710和720的腕部關(guān)節(jié)700。圓盤(pán)710具有帶有擺線表面714的凸起712。擺線表面714具有中央部分，該中央部分對(duì)應(yīng)于外擺線曲線圍繞中心線轉(zhuǎn)動(dòng)所掃過(guò)的表面。圓盤(pán)720具有帶有擺線表面724的凸起722，該擺線表面724與擺線表面714互補(bǔ)。具體而言，至少擺線表面724的中心部分對(duì)應(yīng)于內(nèi)擺線曲線在圍繞中心線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所掃過(guò)的表面，并且用來(lái)限定至少表面724的中央部分的內(nèi)擺線曲線與用來(lái)限定表面714的中央部分的外擺線曲線是互補(bǔ)的。更普遍地，為了容納更大的運(yùn)動(dòng)范圍，用來(lái)限定旋轉(zhuǎn)表面714和724的曲線可以包括內(nèi)擺線或外擺線的兩個(gè)部分之間的部分外擺線或內(nèi)擺線，其中所有這些擺線具有相同的中心和半徑參數(shù)R和r?；パa(bǔ)的擺線表面714和724并不限于沿一個(gè)方向滾動(dòng)而是提供用于構(gòu)件710相對(duì)于構(gòu)件720的傾斜的兩個(gè)自由度。因此可以使用三個(gè)腱730來(lái)控制構(gòu)件710相對(duì)于構(gòu)件720的俯仰和偏轉(zhuǎn)。以上描述的腕部關(guān)節(jié)可以使用擺線表面來(lái)支撐負(fù)荷、保持參照點(diǎn)之間的間隔并且確保齒輪式運(yùn)動(dòng)。然而，根據(jù)本發(fā)明的另外方面，具有載荷擺線表面的腕部關(guān)節(jié)也可以使用齒輪裝置來(lái)確保齒輪式運(yùn)動(dòng)并且改進(jìn)腕部關(guān)節(jié)對(duì)圍繞腕部滾動(dòng)軸的扭矩(滾動(dòng)扭矩)的抵抗力。圖8示出一種多關(guān)節(jié)的腕部機(jī)構(gòu)800，其采用齒輪裝置來(lái)在使用載荷擺線表面的每個(gè)關(guān)節(jié)中確保I: I的齒輪式運(yùn)動(dòng)。腕部機(jī)構(gòu)800包括(多個(gè))帶齒的末端構(gòu)件820、(多個(gè))帶槽構(gòu)件830、(多個(gè))帶齒的中間構(gòu)件840以及延伸段850。末端構(gòu)件820的一側(cè)的形狀被設(shè)計(jì)為固定連接到另一結(jié)構(gòu)，諸如延伸段850、主要導(dǎo)管(未示出)或工具(未示出，例如手術(shù)末端執(zhí)行器)。圖9A、9B、9C和9D更詳細(xì)地圖示帶齒的末端構(gòu)件820的實(shí)施例。具體而言，圖9A是帶齒的末端構(gòu)件820的側(cè)視圖，其示出齒輪齒822的輪廓。如圖9B的頂視圖中所示，末端構(gòu)件820具有位于構(gòu)件820的圓周上的相對(duì)的點(diǎn)處的兩個(gè)齒822。圖9B也示出凸起824，這些凸起824具有從齒822向內(nèi)定位并且與穿過(guò)構(gòu)件820的中心孔825相鄰的載荷擺線表面。穿過(guò)構(gòu)件820的(多個(gè))孔823提供對(duì)腱的引導(dǎo)。截面線C-C和D-D示出了圖9C和9D中圖示的構(gòu)件820的截面圖的相關(guān)取向。圖9C示出構(gòu)件820的截面，其圖示齒822和(多個(gè))凸起824是如何沿直徑或構(gòu)件820對(duì)齊的。擺線表面遵循中心點(diǎn)對(duì)齊的(多個(gè))部分?jǐn)[線并且對(duì)包括構(gòu)件820的腕部結(jié)構(gòu)限定傾斜軸線的方向。圖9D是示出截面，其提供凸起824的擺線表面的視圖。在所圖示的實(shí)施例中，多個(gè)凸起824上的這些擺線表面包括中央內(nèi)擺線表面，但可以替代地使用其他類型的擺線、階梯形或彎曲的表面。齒822并不承載關(guān)節(jié)上的壓縮負(fù)荷的重要部分，并且被用于確保相鄰圓盤(pán)的齒輪式運(yùn)動(dòng)并且抵抗?jié)L動(dòng)扭矩。齒822可以是擺線銷釘齒輪的一部分并且具有與圖2中所繪相似的擺線齒輪齒的形狀?？商娲?，齒822的形狀可以與漸開(kāi)線齒輪的齒相同，只要接合齒822的凹口是對(duì)應(yīng)形狀的。在所圖示的實(shí)施例中僅僅一個(gè)齒是必須的，因?yàn)殛P(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍是+/-45度，但是可以替代地使用更大的齒輪部分來(lái)確保這些構(gòu)件的齒輪式運(yùn)動(dòng)。圖10A、10B、10C和IOD示出帶槽構(gòu)件830的實(shí)施例的細(xì)節(jié)，該構(gòu)件被設(shè)計(jì)成接合末端構(gòu)件820從而形成腕部關(guān)節(jié)。圖IOA是帶槽構(gòu)件830的側(cè)視圖。構(gòu)件830的底表面具有多個(gè)凸起832，這些凸起832具有的擺線表面與末端構(gòu)件820上的凸起824的擺線表面互補(bǔ)。圖IOD不出，在所圖不的實(shí)施例中(多個(gè))底部凸起835具有中央外擺線部分。凸起834的擺線表面遵循中心對(duì)齊的(多個(gè))部分?jǐn)[線并且對(duì)于用接觸到底部凸起834的構(gòu)件所產(chǎn)生的腕部關(guān)節(jié)限定第一傾斜軸線。構(gòu)件830還包括朝構(gòu)件830的底部開(kāi)放并且被定位且成形為與構(gòu)件820上的齒822接合的(多個(gè))凹口或槽842。(可替代地，構(gòu)件830可以包括與構(gòu)件820中的凹口相接合的齒。)圖IOB中所示的每個(gè)構(gòu)件830的頂面還包括(多個(gè))槽836和凸起838。圖IOA和IOC所示的凸起838具有帶有中央內(nèi)擺線部分的擺線表面，在所圖示的實(shí)施例中與構(gòu)件820的凸起824相同。然而，(多個(gè))凸起838的擺線表面是中心對(duì)齊的(多個(gè))部分?jǐn)[線，從而限定了與底部凸起834所限定的第一傾斜軸線垂直的第二傾斜軸線。因此，構(gòu)件830可以用作U關(guān)節(jié)中的中心構(gòu)件。圖IOB還示出構(gòu)件830包括用于器械中的中央內(nèi)腔的中心孔835以及用于多個(gè)腱的(多個(gè))引導(dǎo)孔833。圖11A、11B、11C和IID示出帶齒的中間構(gòu)件840的實(shí)施例的細(xì)節(jié)。每個(gè)帶齒的中間構(gòu)件840具有頂面和底面，二者均與末端構(gòu)件820的頂面基本上相同。圖IlA示出構(gòu)件
側(cè)視圖并且圖示說(shuō)明頂部齒842和底部齒846的輪廓,它們與齒822 —樣被設(shè)計(jì)形狀和定位以接合帶槽構(gòu)件830中的槽832或834。(可替代地，構(gòu)件830可以包括與構(gòu)件840中的凹口相接合的齒。)圖IlB是構(gòu)件840的頂視圖，示出齒842、引導(dǎo)孔843、凸起844以及中心孔845的相對(duì)位置。構(gòu)件840的底面具有齒846和凸起848相對(duì)于引導(dǎo)孔843和中心孔845的類似布置。如圖IlC中所示，凸起844和齒842在與齒846和凸起848相同的構(gòu)件840直徑上對(duì)齊。凸起844和848具有的擺線表面被對(duì)齊從而對(duì)于傾斜軸線限定相同的方向。然而，如圖IlD中可見(jiàn)，在所圖示的實(shí)施例中，凸起844的這些擺線表面具有內(nèi)擺線中心部分，而凸起848具有互補(bǔ)的外擺線中心部分。圖8的多關(guān)節(jié)的腕部機(jī)構(gòu)800圖示說(shuō)明在腱?？康耐蟛繖C(jī)構(gòu)中使用構(gòu)件820、830和840的一種配置。在腕部機(jī)構(gòu)800的左邊開(kāi)始，可以使用末端構(gòu)件820作為底座用于附接醫(yī)療器械中的工具。末端構(gòu)件820具有(多個(gè))齒822和(多個(gè))凸起824，這些齒和凸起接合帶槽構(gòu)件830的(多個(gè))底部槽832和(多個(gè))底部凸起834。帶槽構(gòu)件830具有(多個(gè))頂部槽836和(多個(gè))凸起838，這些槽和凸起接合中間的帶齒構(gòu)件840的(多個(gè))底部齒846和(多個(gè))底部凸起。由于頂部槽836和凸起838在構(gòu)件830內(nèi)相對(duì)于底部槽832和凸起834的90°轉(zhuǎn)動(dòng)，前三個(gè)構(gòu)件820、830和840形成U關(guān)節(jié)。接合在槽832和836中的齒822和846對(duì)趨向于扭絞該U關(guān)節(jié)的扭矩產(chǎn)生抵抗。穿過(guò)構(gòu)件820和830的三個(gè)腱(未示出)可以附連到構(gòu)件840并且控制在構(gòu)件840相對(duì)于構(gòu)件820傾斜過(guò)程中的兩個(gè)自由度。具體而言，當(dāng)這些腱以凈扭矩圍繞帶槽構(gòu)件830的頂部凸起838所限定的傾斜軸線推動(dòng)構(gòu)件840時(shí)，構(gòu)件840的底部齒846接合構(gòu)件838的頂部槽836，從而致使構(gòu)件840和830以I: I的齒輪比進(jìn)行齒輪式運(yùn)動(dòng)，以便圍繞該傾斜軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)這些腱以凈扭矩圍繞該帶槽構(gòu)件830的底部凸起834所限定的傾斜軸線來(lái)推動(dòng)構(gòu)件840時(shí)，齒846和凸起848與槽836和凸起838的互鎖作用防止了響應(yīng)于該凈扭矩的相對(duì)移動(dòng)，這樣使得構(gòu)件840和830響應(yīng)于所施加的扭矩而作為一個(gè)單元進(jìn)行移動(dòng)。構(gòu)件830的槽832接合構(gòu)件820的齒822，從而致使構(gòu)件840和830相對(duì)于構(gòu)件820以I: I的齒輪比進(jìn)行齒輪式運(yùn)動(dòng)，以便圍繞多個(gè)凸起834所限定的傾斜軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。類似地在腕部結(jié)構(gòu)800中在延伸段850的左邊提供三個(gè)U關(guān)節(jié)。這些U關(guān)節(jié)中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)于夾在構(gòu)件820或840之間的構(gòu)件830。延伸段850耦連到末端構(gòu)件820，以便響應(yīng)于末端構(gòu)件820的角移動(dòng)范圍而提供較大空間范圍的運(yùn)動(dòng)。由兩個(gè)末端構(gòu)件820之間的帶槽構(gòu)件830構(gòu)成的最終的U關(guān)節(jié)可以在使用延伸段850實(shí)現(xiàn)的大運(yùn)動(dòng)范圍的終點(diǎn)處提供另外的角度和位置控制。圖8還示出了(多個(gè))引導(dǎo)件855，其引導(dǎo)(多個(gè))腱穿過(guò)延伸段850，以便控制最終的U關(guān)節(jié)或附接到該最終的末端構(gòu)件820的工具。包括較大的齒822的結(jié)構(gòu)(諸如機(jī)構(gòu)800)的優(yōu)點(diǎn)是能夠支持較大的滾動(dòng)扭矩。彎曲的擺線表面(諸如用于圖6的機(jī)構(gòu)600中的表面)可以經(jīng)受住在使用具有約5_直徑的器械進(jìn)行的光手術(shù)任務(wù)(諸如激光切割或抽吸沖洗)過(guò)程中所遇到的扭矩。然而，具有施加更大抓握力的工具的手術(shù)任務(wù)趨向于產(chǎn)生更高的扭矩，這些扭矩可以更好地由機(jī)構(gòu)800中的齒822支撐，特別是在約5mm或更小的小器械直徑時(shí)。使用載荷擺線表面(如在圖6中)而無(wú)齒輪結(jié)構(gòu)(如在圖8中)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)是，消除這些齒允許更大的區(qū)域用于載荷表面，從而允許緊湊的關(guān)節(jié)來(lái)支撐更大的負(fù)荷。如以上說(shuō)明的本發(fā)明的實(shí)施例提供超過(guò)許多現(xiàn)有腕部機(jī)構(gòu)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，凹形表面可以提供小的接觸應(yīng)力，這允許在運(yùn)動(dòng)鏈中有更多關(guān)節(jié)或允許對(duì)于更剛性的關(guān)節(jié)有 更高負(fù)荷。另外，所公開(kāi)的實(shí)施例可以在可能比銷釘型關(guān)節(jié)有可能做到的更緊湊的結(jié)構(gòu)中以固定的間隔實(shí)現(xiàn)齒輪式運(yùn)動(dòng)，從而允許更多空間用于腕部中的內(nèi)腔。關(guān)節(jié)的緊湊性質(zhì)允許在適用于手術(shù)機(jī)器人的空間中進(jìn)行交叉軸(U關(guān)節(jié))類型的設(shè)計(jì)。這也可以降低工具的總長(zhǎng)度和/或增大器械的運(yùn)動(dòng)范圍。這種U關(guān)節(jié)布置還產(chǎn)生對(duì)稱的工作空間，這可以是控制系統(tǒng)和外科醫(yī)生培訓(xùn)方面中的優(yōu)點(diǎn)。將這些曲線混合在一起(從ID到0D)產(chǎn)生了一種抵抗(由于成角度的接觸而產(chǎn)生的)滑脫和平移的關(guān)節(jié)。而且，這些特征的緊湊的尺寸允許背靠背地使用多組關(guān)節(jié)以抵抗滑脫和平移。使用混合的或未混合的擺線表面構(gòu)成的U關(guān)節(jié)可以帶有交叉的傾斜軸線(用于緊湊結(jié)構(gòu))或帶有堆疊的結(jié)構(gòu)(為更大的中央內(nèi)腔提供更大區(qū)域)。圖12示出了能夠使用包含例如上述腕部機(jī)構(gòu)的醫(yī)療器械的機(jī)器人控制系統(tǒng)1200的例子。系統(tǒng)1200 (可以是例如從直觀外科手術(shù)公司(Intuitive Surgical, Inc.)購(gòu)買(mǎi)的da Vinci 手術(shù)系統(tǒng))包括多個(gè)醫(yī)療器械1210，每個(gè)都安裝在機(jī)器人操縱臂1230上的對(duì)接端口 1220上。器械1210可以是可互換的，從而使得安裝在對(duì)接端口 1220上的器械1210可以被選擇用于特定的醫(yī)療程序或在醫(yī)療程序過(guò)程中改變以便提供所需要的臨床功能。每個(gè)器械1210 —般包括末端執(zhí)行器1212、主要導(dǎo)管1214和后端機(jī)構(gòu)1216。器械1210的末端執(zhí)行器1212包括工具，如鑷子或抓鉗、針驅(qū)動(dòng)器、解剖刀、燒灼器或剪刀，并且機(jī)械腕部機(jī)構(gòu)可以被結(jié)合到末端執(zhí)行器1212中以操縱這些工具?？商娲兀鲜鐾蟛繖C(jī)構(gòu)可以用于主要導(dǎo)管1214中。在使用中，可以將一個(gè)或更多個(gè)末端執(zhí)行器1212和主要導(dǎo)管1214的遠(yuǎn)側(cè)部分插入穿過(guò)一個(gè)或更多個(gè)小切口或天然孔口以便將末端執(zhí)行器1212定位在病人體內(nèi)的工作部位。對(duì)接端口 1220 —般包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其對(duì)于操縱多個(gè)從后端機(jī)構(gòu)1216延伸穿過(guò)主要導(dǎo)管1214并且連接到腕部機(jī)構(gòu)和器械1210中的工具的腱提供機(jī)械動(dòng)力。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1250執(zhí)行按照需要控制這些驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軟件，以便按照使用系統(tǒng)1200執(zhí)行醫(yī)療程序的外科醫(yī)生或其他醫(yī)務(wù)人員的指示操縱器械1210。雖然已經(jīng)參照具體的實(shí)施例描述本發(fā)明，但這種描述僅是本發(fā)明的應(yīng)用的示例并且不應(yīng)被視為限制。對(duì)所披露的實(shí)施例的特征的不同改編和組合都落入如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種器械腕部，其包括 具有第一擺線表面的第一構(gòu)件； 具有與所述第一擺線表面相接觸的第二擺線表面的第二構(gòu)件，其中通過(guò)所述第一和第ニ擺線表面的接觸而產(chǎn)生所述第一和第二構(gòu)件上的壓縮カ；和 腱，所述腱被連接以用于對(duì)所述第一和第二構(gòu)件之一施加力，其中所述第一和第二構(gòu)件被布置為響應(yīng)于通過(guò)所述腱施加的カ而進(jìn)行齒輪式運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求I所述的腕部，其中所述第一和第二擺線表面之一在所述第一和第二表面接觸之處是凹形的。
3.如權(quán)利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線表面具有遵循外擺線曲線的部分，該外擺線曲線的部分接觸所述第二擺線表面的遵循內(nèi)擺線曲線的部分。
4.如權(quán)利要求3所述的腕部，其中所述第一構(gòu)件進(jìn)一歩包括第三擺線表面，該第三擺線表面具有遵循內(nèi)擺線曲線的部分，并且所述第二構(gòu)件包括第四擺線表面，該第四擺線表面與該第三擺線表面相接觸并且遵循外擺線曲線。
5.如權(quán)利要求4所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四擺線表面被布置為使得該第一和第二擺線表面響應(yīng)于施加到所述第一和第二構(gòu)件之一的力而相對(duì)于齒輪式運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)的趨勢(shì)被所述第三和第四擺線表面響應(yīng)于所述カ而相對(duì)于齒輪式運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)的相反趨勢(shì)所平衡。
6.如權(quán)利要求4所述的腕部，其中所述第一和第三擺線表面位于沿著所述第一構(gòu)件的直徑并且在該直徑的中心的同側(cè)上。
7.如權(quán)利要求4所述的腕部，其中所述第一和第三擺線表面位于沿著該第一構(gòu)件的直徑并且在該直徑的中心的相反兩側(cè)上。
8.如權(quán)利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線表面從第一外擺線的一部分平滑地過(guò)渡至第一內(nèi)擺線的一部分。
9.如權(quán)利要求8所述的腕部，其中所述第二擺線表面從第二內(nèi)擺線的一部分平滑地過(guò)渡至第二外擺線的一部分。
10.如權(quán)利要求9所述的腕部，其中 在所述第一外擺線與所述第二內(nèi)擺線接觸的位置，所述第一和第二構(gòu)件具有響應(yīng)于在所述第一和第二構(gòu)件之一上施加的力而相對(duì)于齒輪式運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)的第一趨勢(shì)； 在所述第一內(nèi)擺線與所述第二外擺線接觸的位置，所述第一和第二構(gòu)件具有響應(yīng)于所述カ而相對(duì)于所述齒輪式運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)的第二趨勢(shì)；和 所述第二趨勢(shì)與所述第一趨勢(shì)相反。
11.如權(quán)利要求8所述的腕部，其中所述第一構(gòu)件進(jìn)一歩包括第三擺線表面，所述第三擺線表面從外擺線的一部分平滑地過(guò)渡至內(nèi)擺線的一部分，其中所述第一和第三表面位于沿著該第一構(gòu)件的直徑并且是在該直徑的中心的相反兩側(cè)上。
12.如權(quán)利要求I所述的腕部，其中 所述第一構(gòu)件進(jìn)一歩包括第一齒輪結(jié)構(gòu)； 所述第二構(gòu)件進(jìn)一歩包括第二齒輪結(jié)構(gòu)；并且 當(dāng)所述第一表面與所述第二表面接觸時(shí)，所述第一齒輪結(jié)構(gòu)與所述第二齒輪結(jié)構(gòu)嚙合并且提供所述第一構(gòu)件與第二構(gòu)件1:1的旋轉(zhuǎn)比率。
13.如權(quán)利要求12所述的腕部，其中 所述第一齒輪結(jié)構(gòu)包括齒；并且 所述第二齒輪結(jié)構(gòu)包括在所述第二構(gòu)件中的槽。
14.如權(quán)利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線表面包括遵循外擺線表面的第一部分和遵循內(nèi)擺線的第二部分。
15.如權(quán)利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線表面包括遵循外擺線和內(nèi)擺線中一個(gè)的中央部分以及遵循外擺線和內(nèi)擺線中另ー個(gè)的兩個(gè)外部部分。
16.如權(quán)利要求I所述的腕部，其中所述第一擺線包含形狀被設(shè)計(jì)為圍繞該腕部的中心軸線旋轉(zhuǎn)的外擺線的中央部分。
17.如權(quán)利要求16所述的腕部，其中所述第二擺線表面具有形狀被設(shè)計(jì)為圍繞該腕部的中心軸線旋轉(zhuǎn)的內(nèi)擺線的中央部分。
18.如權(quán)利要求I所述的腕部,其中 所述第一擺線表面是從所述第一構(gòu)件的本體延伸的突出部的表面；并且 所述第二擺線表面是從所述第二構(gòu)件的本體延伸的突出部的表面。
19.如權(quán)利要求I所述的腕部，其中所述第二構(gòu)件包括第三擺線表面，該第三擺線表面位于所述第二構(gòu)件與所述第二擺線表面相反的ー側(cè)，并且所述腕部進(jìn)ー步包括第三構(gòu)件，所述第三構(gòu)件具有與所述第三擺線表面相接觸的第四擺線表面。
20.如權(quán)利要求19所述的腕部，其中 所述第一與第二擺線表面的接觸限制所述第一構(gòu)件相對(duì)于所述第二構(gòu)件圍繞第一傾斜軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)；并且 所述第三與第四擺線表面的接觸限制所述第三構(gòu)件相對(duì)于所述第二構(gòu)件圍繞所述第一傾斜軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。
21.如權(quán)利要求19所述的腕部，其中 所述第一與第二擺線表面的接觸限制所述第一構(gòu)件相對(duì)于所述第二構(gòu)件圍繞第一傾斜軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)；并且 所述第三與第四擺線表面的接觸限制所述第三構(gòu)件相對(duì)于所述第二構(gòu)件圍繞第二傾斜軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，所述第二傾斜軸線與所述第一傾斜軸線垂直。
22.如權(quán)利要求19所述的腕部，其中所述第二構(gòu)件是鞍形的。
23.如權(quán)利要求22所述的腕部，其中所述第二和第三擺線表面被定位在所述第二構(gòu)件上，從而在相同平面內(nèi)與所述腕部的運(yùn)動(dòng)軸線交叉。
24.如權(quán)利要求19所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四擺線表面中的每ー個(gè)包括混合的擺線表面。
25.如權(quán)利要求19所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四擺線表面中的每ー個(gè)包括階梯形擺線表面。
26.如權(quán)利要求19所述的腕部，其中所述第一、第二、第三和第四擺線表面中的每ー個(gè)使得與所述腕部的傾斜軸線平行的平面與該擺線表面沿一條直線相交。
全文摘要
一種器械腕部使用(多個(gè))構(gòu)件，該構(gòu)件具有外擺線表面和內(nèi)擺線表面，用于承載負(fù)荷并且以與在彼此之上滾動(dòng)的圓相同的方式保持多個(gè)參照點(diǎn)的間隔。這些擺線表面可以是均勻的、階梯形或混合的，并且可以布置成確保構(gòu)件的齒輪式運(yùn)動(dòng)而不添加另外的齒輪結(jié)構(gòu)。內(nèi)擺線表面提供凹形接觸，這改進(jìn)了在負(fù)荷下的耐變形性。該腕部機(jī)構(gòu)是腱?？康?，這保持構(gòu)件相接觸，并且可以任選地將齒輪結(jié)構(gòu)整合到構(gòu)件中以確保齒輪式運(yùn)動(dòng)并支持滾動(dòng)扭矩。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102665592SQ201080058496
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者M·R·威廉斯 申請(qǐng)人:直觀外科手術(shù)操作公司