本申请要求于2017年12月29日提交的标题为“END EFFECTOR AND END EFFECTORDRIVE APPARATUS(末端执行器和末端执行器驱动设备)”的美国临时申请系列号62/612,220的权益,其全部内容通过引用结合于此。
附图说明
图1是处于关闭位置的现有技术末端执行器的侧视图,示出了没有围绕主体的四杆连杆机构;
图2是处于打开位置的现有技术末端执行器的侧视图,示出了没有围绕主体的四杆连杆机构;
图3是图1的处于关闭位置的包括其围绕主体的现有技术末端执行器的侧视图;
图4是包括围绕主体的处于打开位置的现有技术末端执行器的侧视图;
图5是本文的末端执行器的侧视图,示出了其内部连杆机构;
图6是图5的末端执行器的等轴测视图;
图7是图5的处于打开位置的末端执行器的等轴测视图;
图8是图5的末端执行器的侧视图;
图9是从图8的视图旋转90度的图5的末端执行器的侧视图;
图10是图5的末端执行器的致动器的第一侧的侧视图;
图11是图6的末端执行器的分解图,示出了其内部部件;
图12是用于在打开和关闭位置以及它们之间的位置之间致动图6的末端执行器的线的局部视图;
图13是具有本文的末端执行器的手术器械的侧视图,其中末端执行器处于关闭位置;
图14是具有本文的末端执行器的手术器械的侧视图,其中末端执行器处于打开位置;
图15是本文的手术器械的等轴测视图;
图16是与用于操作和移动手术器械的驱动壳体间隔开的手术器械的等轴测视图;
图17是容纳在图16的壳体中的可控驱动机构的局部等轴测视图;
图18是图15的手术器械的杠杆机构的等轴测视图;
图19是图15的手术器械的适配器联接器的截面图;
图20是与手术器械间隔开的壳体和可控驱动机构的等轴测视图;
图21是包括两个手术器械以及照明和摄像机部分的器械的端部的等轴测视图;
图22是包括两个手术器械以及照明和摄像机部分的替代器械的端部的等轴测视图;
图23是图22的替代器械的端部的侧视图,其中一对末端执行器从其端部向外地延伸;
图24是图22的替代器械的控制端部器械手柄的等轴测视图;
图25是由图22的替代器械提供的视图的示意图;
图26是附加替代器械构造的等轴测视图;
图27A和27B是由图26的替代器械提供的摄像机视图的示意图。
具体实施方式
末端执行器用于机器人手术过程,以在人类、哺乳动物或其他活体的体腔内执行手术过程。例如,通过将物理力从身体外部的位置传递到身体内末端执行器存在的位置,可以远离末端执行器的位置来致动末端执行器。
为了使这些手术过程的侵入性最小化,末端执行器本身必须具有小于一厘米的量级的最小直径,更典型地,小于5或6毫米的量级。在末端执行器用于手术过程,例如以获得组织样本、缝合开口使其关闭、抓取组织等的情况下,通常需要可相对的钳爪,该钳爪可打开以接合身体组织或手术器械,并且可关闭以接合和保持该器械或身体组织。另外,为了切割,可相对的钳爪可包括相对的多个刀片,或一个刀片和相对的磨削平面,刀片越过该磨削平面经过以与其一起切割身体组织。在每种情况下,在力从身体外部的位置传递到位于身体内的末端执行器的情况下,在相对的钳爪处产生的力必须足以抓取或切割组织或抓取另一物件。使相对的钳爪相对于彼此打开和关闭所需的力通常或者由从末端执行器延伸到身体外部的柔性管状构件的位置的线和位于末端执行器位置处或一体地位于末端执行器内的弹簧返回机构提供,或者由各自单独地可与末端执行器的一部分接合的一对线提供。另外,已知一种末端执行器,其可通过单根线操作,该单根线在末端执行器中的轴的圆周上经过。通过单独地向线的相对端中的一端或该对线中的一根线提供拉力,末端执行器可在打开、关闭或它们之间的中间位置之间致动。
在上述线移动范例中,末端执行器打开和关闭机构是如本文的图1和图2所示的四杆连杆机构。在该现有技术机构中,连杆机构10包括第一杆12、第二杆14、第三杆16和第四杆18。第一和第二杆12、14的第一端部在第一销20处枢转地连接,该第一销20延伸穿过第一和第二杆12、14的第一端部,但是允许第一和第二杆12、14的第一端部绕其旋转,并且因此允许第一和第二杆12、14的相对的第二端部绕其弓形地移动。第一杆12的第二端部通过第四销26枢转地连接到第四杆18的第一端部,该第四销26延伸穿过第一杆12的第二端部和第四杆18的第一端部,但是允许第一杆12的第二端部和第四杆18的第一端部绕其旋转,从而允许第一杆12的相对的第一端部和第四杆18的第二端部绕其弓形地移动。第二杆14的第二端部通过第二销22枢转地连接到第三杆16的第一端部,该第二销22延伸穿过第二杆14的第二端部和第三杆16的第一端部,但允许第二杆14的第二端部和第三杆16的第一端部绕其旋转,并因此允许第二杆14的相对的第一端部和第三杆18的第二端部绕其弓形地移动。第三和第四杆16、18的第二端部通过延伸穿过其的第三销24枢转地连接,使得第三和第四杆16、18的第二端部自由地绕其旋转,并且它们的第一端部能够绕其沿着圆弧移动。在图1和图2的连杆机构10中,第三和第四杆16、18的第二端部与工具延伸部28、30一体地形成,工具延伸部28、30这里被构造为夹具32的相对侧,该夹具在图1中示出为处于关闭位置,在图2中示出为处于打开位置。
现在参考图3和图4,将第一和第二杆12、14的第一端部联接在一起的销20从第一和第二杆12、14的相对侧向外延伸,并且进入末端执行器壳体34中的相对的槽36(仅示出一个)中。另外,联接第三和第四杆16、18的销24从第三和第四杆16、18的相对侧向外延伸,并且进入末端执行器壳体34中的大致圆形的开口38(仅示出一个)中。沿着槽36的较长方向的中心经过的纵向轴线40被构造成穿过大致圆形的开口38的中心42或接近中心42,大致圆形的开口38的尺寸被设计成基本上限制销24在槽36中径向地移动,但销24可以在槽36中旋转地移动。
线44从其位于连杆机构10远侧的位置处的第一线端部46(这里,位于身体外部的位置,诸如当连杆机构10设置在身体内时位于身体外部的柔性管状构件的近端上的操纵装置处)延伸到位于其远离工具延伸部28、30的位置处的末端执行器壳体34中,沿着销20的一侧,越过销24,返回经过销20的第二侧,并且从末端执行器壳体34向外延伸到其位于连杆机构10所在的身体远侧的位置处的第二线端部48。为了将线44的动作传递到四杆连杆机构10,致动器夹具47夹紧在线44上,并且枢转地或松弛地连接到将第一杆12和第二杆12联接在一起的销20。
为了致动连杆机构10,这里为了在图1和图3的关闭位置与图2和图4的打开位置之间移动夹具32的工具延伸部28、30,通过拉动、推动或拉动并推动线44的相对端46、48使线44沿其长度方向在销24上移动以使夹具47朝向或远离销24移动。因为销24被固定而抵抗在纵向轴线40的方向上的移动,并且夹具47连接到销20,所以通过使线44沿线44的长度方向移动,销20在槽36中沿槽36的纵向轴线移动,并且该动作导致四杆连杆机构使夹具32的工具延伸部28、30在图1的关闭位置到图2的打开位置之间移动。在线的第二端部48上在远离连杆机构10的方向上拉动线导致夹具47在销24的方向上移动,从而在销24的方向上推动第一杆12和第二杆14,并且因此导致朝向销24推靠第三杆16和第四杆18。由于销24被固定而抵抗在槽36的纵向方向上移动,这使得第一杆12和第四杆18在第四销26处的连接以及第二杆14和第三杆16在第二销22处的连接从槽36的纵向轴线40向外地移动。由于第三杆16和第四杆18在第四销24处枢转地连接,在工具延伸部28、30的远端处发生与第三杆16和第四杆18的围绕销22、26的部分的动作相等且相反的动作。因此,拉动线44的端部48使得四杆连杆机构10将工具延伸部28、30致动到图2和图4的打开位置。在第一端部46处在远离末端执行器的方向上拉动线使得线夹具47远离销24移动,从而使得销22、26朝向槽36的纵向轴线40向内地移动并同时远离销24移动,因此,施加到工具延伸部28、30的相等且相反的动作使得工具延伸部28、30朝向图1和图3所示的关闭位置移动。
四杆连杆机构10的结构需要相对长且宽的壳体34,连杆机构10的操作元件,具体地为杆12至18、销20、24、槽36和开口38必须被固定在该壳体内。在使用中,末端执行器位于柔性管状构件或另一引入机构(线44在该柔性管状构件或该引入机构内延伸)的一个端部处,使得末端执行器壳体34安装到该柔性管状构件或另一引入机构的端部。末端执行器壳体34的长度50以及直接邻近末端执行器壳体34的柔性管状构件的柔性决定了圆弧的最小半径,当由外部驱动机构操作时,末端执行器壳体34的宽度52将通过该圆弧改变。与当工具处于图1和图3的关闭位置时出现的宽度Wc相比,末端执行器壳体34的宽度52由四杆连杆机构10的最大宽度Wo决定,当工具处于图2和图4所示的其最大打开位置时,该最大宽度Wo出现,其中末端执行器壳体34的外径或最大宽度大于该宽度Wo,因为末端执行器壳体34的一部分在四杆连杆机构10上延伸。末端执行器壳体34的宽度52因此限制了末端执行器能够被引入到其中的打开区域,以及主体中的开口的尺寸,该开口必须被打开以在该主体上引入具有连杆机构10的柔性管状构件。杆的长度决定了宽度Wo,也决定了工具延伸部28、30绕第三销24的最大打开角度。因此,对末端执行器壳体的尺寸的实际限制限制了工具延伸部28、30的打开角度。这些尺寸限制了四杆连杆机构10的功能和实用性。
在现有技术中,为了移动线44并因此使四杆连杆机构10能够移动,柔性管状构件的近端连接到适配器联接器252(例如参见图15),在该柔性管状构件的远端上安装有容纳四杆连杆机构10的末端执行器壳体34,该适配器联接器252可释放地连接到可控驱动机构,并且在该适配器联接器252中包括多个线磁体M(图19),每一个线磁体联接到线44的近端,该线44从柔性管状构件的远端延伸穿过柔性管状构件到达适配器联接器252。磁体M磁性地联接到磁极m’(图16),并由此被偏置成与磁极m’接触,磁极m’可以是磁体或包括铁磁材料的凸块,该磁体或凸块继而连接到从可控驱动构件延伸的控制线。为了实现四杆连杆机构10的移动,两个线端部46、48中的一个直接通过该磁性连杆机构在可控驱动机构的方向上被拉动,导致另一个线端部46或48被拉动而远离该可控驱动机构。在这种构造中,当可控驱动机构在连接到m’的线上拉动时,存在磁性构件M、m’变为分离的风险,因此,基于M和m’之间的磁性吸引的强度,对能够被施加以将磁体M朝向可控驱动机构拉动的力存在限制。
另外,在另一现有技术构造中,在线44的端部上的磁体M用钩机构替换,磁极m’也一样。在该构造中,可以施加更大的力以朝向可控驱动机构拉动线端部46、48,但是难以对准相应的钩,使得难以将线端部46、48连接到可控驱动机构,并且钩的物理尺寸限制了可以使用的适配器联接器的最小尺寸。
现在参考图5至图9,这里提供了一种末端执行器100,其能够使工具移动机构的总长度和宽度比图1至图4所示的现有技术的末端执行器的四杆连杆机构10的总长度和宽度显著减小,从而能够使末端执行器100更短且更薄或更细。末端执行器100通常包括第一侧致动器102、第二侧致动器104、联接环106、壳体108和连接到第一致动器102和第二侧致动器104中的一者的线110。与末端执行器壳体34一样,末端执行器100安装到柔性管状构件的远端,使得线110的相对端部114、116从柔性管状构件的位于身体外部的近端221向外延伸,以使得能够相对于末端执行器100对其操纵。
壳体108被构造成分别将第一侧致动器102和第二侧致动器104的枢轴销端部122、124以及联接环106接收在壳体108中,并且为此包括基部126以及第一立柱128和第二立柱130,第一立柱128和第二立柱130从该基部延伸以在第一立柱128和第二立柱130形成槽132(例如见图6)。这里,基部126和立柱128、130是一体地形成的,并且例如由诸如不锈钢之类的单块生物相容金属机加工而成,或者通过诸如三维打印之类的增材工艺由生物相容材料形成。每个立柱128、130中包括一对销开口134、136,其中相对的立柱128、130中的销开口134的中心线横跨槽132共线地对准,并且相对的立柱128、130中的销开口136的中心线横跨槽132共线地对准。第一枢轴销138从销开口134延伸并被支撑在销开口134中,并且延伸到第一侧致动器102的枢轴销端部122中的开口或孔121(见图11)中。第一枢轴销138的尺寸被设计成与销开口134的内壁干涉地接合,以防止第一枢轴销138在销开口134中旋转,而第一侧致动器102中的孔121略大于第一枢轴销138的圆周,以允许第一侧致动器102在第一枢轴销138上自由地移动。或者,第一侧致动器102中的孔121可以略小于第一枢轴销138的圆周,并且销开口134在圆周上略大于第一枢轴销138,以允许第一枢轴销138在销开口134中旋转并且允许第一侧致动器102相对于销开口134沿圆弧移动。第二枢轴销140从销开口136延伸并被支撑在销开口136中,并且延伸到第二侧致动器104的枢轴销端部124中的开口或孔121中。第二枢轴销140的尺寸被设计成与销开口136的内壁干涉地接合以防止第二枢轴销140旋转,而穿过第二侧致动器104的孔121略大于第二枢轴销140的圆周,以允许第二侧致动器104在第二枢轴销140上自由地移动。或者,第二侧致动器104中的孔121可以略小于第二枢轴销140的圆周,并且销开口136在圆周上略大于第二枢轴销140,以允许第二枢轴销140在销开口136中旋转并且允许第二侧致动器104相对于销开口136沿圆弧移动。
联接环106设置在第一侧致动器102和第二侧致动器104的位于槽132内的枢轴销端部122、124之间,并且在其相对端处通过第一销144和第二销146连接到第一侧致动器102和第二侧致动器104的枢轴销端部122、124中的不同枢轴销端部。第一销144在枢轴销138与第一侧致动器102的连接和末端执行器的中心线150之间的位置处从联接环106的第一端部延伸到第一侧致动器102的枢轴销端部122中,并且第二销146在枢轴销140与第二侧致动器104的连接和末端执行器100的中心线150之间的位置处从联接环106的第二端部延伸到第二侧致动器104的枢轴销端部124中。在槽132内,在联接环106的侧面与第一侧致动器102和第二侧致动器104的枢轴销端部122、124的相邻面对表面之间保持存在微小间隙,使得它们可以以彼此具有最小干涉的方式相对于彼此以相对滑动动作移动。
第一侧致动器102和第二侧致动器104中的每一者分别包括工具部分152、154,这里,每个工具部分152、154构成一对夹紧钳爪的一半,该对夹紧钳爪连接到第一致动器102和第二侧致动器104中的每一者的相应的枢轴销端部122、124。第一致动器122和第二致动器124在这里包括形成枢轴销端部122和工具部分152以及枢轴销端部124和工具部分154的连续材料片,并且第一致动器122和第二致动器124例如均由诸如不锈钢之类的单块生物相容金属机加工而成,或者通过诸如三维打印之类的增材工艺由生物相容材料形成。如图11所示,每个端部工具部分152、154由间隔开的侧壁160、162、端壁168、基壁172和前夹紧面158界定,这里,该侧壁160、162大致平行于彼此,该端壁168横跨其远端延伸并在其相对端处终止于侧壁160、162,该基壁172大致平行于端壁168延伸并在其相对端处终止于侧壁160、162,该前夹紧面158由侧壁160、162、端壁168和基壁172界定。在工具部分152、154的与夹紧面158相反的一侧,侧壁160、162沿着拱形轮廓向后延伸,以在每个工具部分152、154的邻近基壁172的后端174处相遇,并且大致平坦的倒角176从端壁168在朝向基壁172并远离夹紧面158的方向上延伸,并且在到达基壁172之前终止于侧壁160、162。枢轴销端部122、124从基壁172大致平行于夹紧面158的中心线178延伸,并从该中心线178向侧壁160的方向偏移。由于这种偏移,当安装在壳体108的槽132中时,枢轴销端部122、124的面对联接环的壁156面对彼此的距离略大于联接环106,使得联接环106可位于壁156之间,并且联接环106的侧面相对于工具部分152、154的面对联接环的壁156的前述相对滑动动作不受限制。
这里,末端执行器100被构造成使得第一致动器102和第二致动器104均具有相同的形状和尺寸,使得它们基本上相同、可互换,并且当组装到末端执行器的壳体108中时,它们显示出横跨中心线150彼此镜像对称,区别在于,第一侧致动器102包括沿着如图10和图11所示的其枢轴销端部122的面对联接环106的壁156的附加的线固定凹部155,并且在其中用于接收销的开口的位置可以不同。这里,线固定凹部155被设置为在两个凸起部157、159之间形成的线槽,所述凸起部157、159在枢轴销端部102上的、与该枢轴销端部102和工具部分152的融合部位远侧地间隔开并且位于在末端执行器100的工具部分152、154的致动期间联接环106必须移动的位置之外的位置处从枢轴销端部102的面对联接环106的壁向外延伸,如将在本文中进一步描述的。
现在参考图11,壳体108还包括一对线引导件180、182,该对线引导件180、182从壳体108的面对槽的壁184、186朝向彼此延伸,以在远离基部126的横跨槽132的位置处封闭面对槽的壁184、186之间的间隙。每个线引导件180、182关于平行于面对槽的壁184、186沿着槽132的中心延伸的假想平面镜像对称,并且线引导件180沿着面对槽的壁184在销开口134的方向上偏移,而线引导件182沿着面对槽的壁186在销开口136的方向上偏移。每个线引导件180、182包括在槽132上延伸的上壁188,该上壁188终止于成型壁192,该成型壁192从上壁188向槽的方向延伸并在相对的面对槽的壁184或186的方向上弯曲,并且线支承表面190从成型壁延伸到在槽132中形成相应线引导件180、182的内部末端的内部端壁198。在每个线引导件180、182中,从槽侧壁184、186到从其延伸的线引导件180或182的端壁198的距离大于槽侧壁184、186之间的间距的一半,并且从槽侧壁184、186到从其延伸的线引导件180或182的上壁188的上端的距离小于槽侧壁184、186之间的间距的一半。因此,在其面对的壁184、186的槽侧面之间横跨槽132的方向上在线引导件180、182的上壁188之间的所产生的间距或间隙略大于线110的直径。因此,上壁188、成型壁192和线支承壁190一起形成沟槽状凹部191,以在线110移动以打开和关闭末端执行器100的工具端部时引导线110。每个线引导件180、182还包括侧壁194,一个线引导件180或182的每个侧壁194与另一个线引导件180或182的侧壁194面向相反的方向,使得面对的壁184或186的槽的相邻部分和另一个线引导件180、182的端壁198形成大致矩形的凹部200。端壁198和面对的槽侧壁184、186之间的凹部200的宽度略大于枢轴销端部122、124的宽度202。另外,由每个大致平坦的侧壁194形成的平面彼此对准并且共面或几乎彼此对准并且共面。枢轴销端部122、124上的延伸壁206形成为夹紧面158的大致共面的延伸部。结果,侧壁194形成限制壁以限制夹紧面158朝向彼此的移动。另外,第一致动器102和第二致动器104的基壁172被构造成与沟槽状凹部191协作以形成在所有侧上将线110的一部分约束在槽状凹部191中的通道或管道。当第一致动器102和第二致动器104处于图5、图6和图8的关闭位置时,第一致动器102和第二致动器104的基壁172直接位于沟槽状凹部191上。当第一致动器102和第二致动器104处于图7的完全打开位置时,第一致动器102和第二致动器104的基壁172与沟槽状凹部191间隔开,并与末端执行器100的中心线150等距。
参照图10和图12,这里的线110包括形成在其上的凸块208,凸块208提供线100的较大直径部分。相应地,线固定凹部155包括放大的宽度区域208a,该放大的宽度区域208a具有横跨放大的宽度区域208a彼此面对的大致圆形的棘爪210。线110上的凸块208的体积大于线固定凹部155的设置在棘爪210之间的部分的体积,因此通过在棘爪210的位置处将凸块208按压入线固定凹部155的放大的宽度区域208a的体积中,线110可以被固定而抵抗相对于线固定凹部155的移动。或者,线110可包括两个凸块,这两个凸块彼此间隔开线固定凹部155的长度,由此凸块位于线固定凹部的任一侧,或者线110可包括单个凸块,这单个凸块被拉入线固定凹部中并通过摩擦保持在其中。另外,代替穿过线固定凹部155的单个线,两个不同的线端部可以固定在线固定凹部155的不同位置处,例如通过在端部处提供凸块并且将它们定位在相同或不同的凹部210内,或者通过在第一致动器102和第二致动器104中的每一个上提供线固定凹部155,并且在将每个线端部连接到线固定凹部155中的相应的一个之前使每个线端部在线引导件180、182上穿过。
参照图5,为了操作末端执行器100,如本文先前所述,拉动线110的第一端部114远离末端执行器100同时或者允许线的第二端部116朝向末端执行器100移动,或者以与第一端部114被拉动远离末端执行器100相同的速率主动地朝向末端执行器100释放它,末端执行器的工具部分152、154将彼此远离地从图5、图6和图8的位置移动到图7的位置,并且通过将拉动和释放线端部114、116的动作相反地进行,末端执行器的工具部分152、154将朝向彼此地从图7的位置到达图5、图6和图8的位置。在末端执行器100中,工具部分152、154的这种动作通过使用联接环106来实现,并且因此,结合有联接环的末端执行器100的壳体108的长度212比图4所示的现有技术的末端执行器壳体34的长度50短,并且结合有联接环的末端执行器100的壳体108的宽度214小于图3所示的现有技术的末端执行器壳体34的宽度52。
枢轴销端部122、124中的开口216、218分别相对于在其中接收第一枢轴销138或第二枢轴销140的开口或孔121定位,以确保线110的端部114、116的上述动作导致工具部分152、154的打开和关闭,如上所述。结果,在如图5所示的工具部分152、154的关闭位置,延伸穿过联接环106并穿过从联接环106的相反侧延伸的第一销144和第二销146的中心线的延伸部的假想线相对于末端执行器100的中心线150形成锐角α,并且第一销144和第二销146中的每一者的圆周的中心位于中心线150的相反侧上。在如图7所示的工具部分152、154的位置,第一销144和第二销146中的每一者再次位于中心线150的相反侧上,并且还与该中心线间隔开。然而,第一枢轴销138相对于联接环106的第一销144的位置和第二枢轴销140相对于联接环106的第一销144的位置是固定的。因此,第一销端部122绕第一枢轴销138的旋转动作导致第二销端部124绕第二枢轴销140的相等且相反的旋转动作。通过将待连接到枢轴销端部122、124中的一者(这里是枢轴销端部122)的线固定,在拉动线110的端部114时,线110上的凸块208在线引导件180、182的方向上拉动线固定凹部155,并因此拉动枢轴销端部122的距第一工具部分的夹紧面158最远的端部。该动作通过联接环106的第一销144传递到联接环106的第二销146,并进入枢轴销端部124,使枢轴销端部124绕第二枢轴销140旋转,从而使得枢轴销端部124远离夹紧面158的端部同样地在线引导件180、182的方向上移动,导致夹紧面158通过相等的弓形移动远离彼此移动。将线110的拉动反向以拉动其第二端部116同样导致夹紧面158的相等且相反的动作。
现在参考图13和图14,末端执行器100示出为位于手术器械220的一部分中,其中末端执行器100安装到柔性管状构件222的第一开口端部224,线44从其远离柔性管状构件222的、远离末端执行器100的端部226的第一线端部46开始在柔性管状构件222的内部延伸,通过该第一开口端部224穿过末端执行器100(在该末端执行器处,线沿着第一侧致动器102的枢轴销端部122的面对联接环106的壁156连接到线固定凹部155(图10至图12)),然后穿过柔性管状构件222的中空内部返回到第二线端部48。通过在第一端部46上拉动线而使其远离末端执行器100,同时将线端部48向柔性管状构件222内部释放或允许其向柔性管状构件222内部移动,末端执行器朝向并最终移动到图13的关闭位置。通过在第二端部48上拉动线而使其远离末端执行器100,同时在第一端部46上将线向柔性管状构件222内部释放或允许其向柔性管状构件222内部移动,末端执行器朝向并最终移动到图14的打开位置。柔性管状构件222通常是中空、可弯曲和可转向的管或内腔,因此其可在机器人手术***中使用,以将末端执行器100引导到身体内的期望位置,从而允许末端执行器100将相邻的身体组织分开、抓取物体或执行另一操作。同样,末端执行器100的工具部分152、154可被构造为一对刀片或切割元件,或者切割元件和磨削部分,切割元件越过磨削部分的侧面经过以切下身体组织。末端执行器100的线44的拉动和释放用于打开和关闭刀片或刀片-磨削部分组合,以操作末端执行器100。
现在参照图15和图16,示出了被构造成可释放地安装在可控驱动机构250(图17)上的手术器械220。在此,手术器械220包括:柔性管状构件222,柔性管状构件222具有安装到其远端的末端执行器100;以及连接到柔性管状构件222的近端221的适配器联接器252。如本文将描述的,适配器联接器252通过定位在从可控驱动机构250延伸出的凸起部251上而可释放地可连接到可控驱动机构250,并且在其中包括多个线致动构件,这些线致动构件在可控驱动机构250的控制下可相对于适配器联接器252选择性地移动。柔性管状构件222被构造成在其端部上包括一个或多个自由度的可控地弯曲的联接器296,联接器296以弯曲移动方式进行的移动以及对末端执行器100的操作的控制使用在柔性管状构件222的远端223和柔性管状构件222的近端221之间延伸的线297来实现,可弯曲联接器296和位于其远端处的执行器100位于该远端223处,线297的端部即线端部298a、298b(例如,具有图5至图11的线端部46和48)在该近端221处可接近。用于控制和定位末端执行器100或可弯曲联接器296的每根线297可以包括线297,线297具有在柔性管状构件220的近端221处可接近的相对的线端部298a、298b。这里,使用了十根线,这十根线具有从柔性管状构件222的近端221向外延伸的十个线端部298,其中五对线端部298a、298b中的每一对都连接到可弯曲联接器298、末端执行器100或另一柔性管状构件远端部件的相同部分,使得相对于柔性管状构件222的远端221拉动一对线端部298a、298b中的一个线端部导致另一线端部298a、298b相对于柔性管状构件222的远端223的相等且相反的动作。在图15中,总共存在十个线端部298,其包括五个端部298a和五个端部298b,并且每个线端部298a通过末端执行器100或在柔性管状构件222的远端223处的可弯曲联接器联接到相同线297的另一线端部298b。每根线297(这里是五根线297)穿过可弯曲联接器296、末端执行器100中的一者或两者,并返回到柔性管状构件222的近端221,或者每根线297仅在近端221和末端执行器100或可弯曲联接器296之间延伸,但是一对这样的线连接到末端执行器和可弯曲联接器的元件中的每一者,使得它们成对地相关联。相对于柔性管状构件222的近端221选择性地拉动线端部298a、298b导致可弯曲联接器296或末端执行器100发生动作,使得在柔性管状构件222的近端221处可接近的相关联的或连接的线端部298a、298b可用于致动末端执行器100或可弯曲联接器296。
图17示出了可控驱动机构250,其中为了清楚理解,其外壳被移除,并且其中仅示出了一个导螺杆机构254。为了使各个线端部298(例如联接至本文先前所述的末端执行器100的线297的线端部46、48)从柔性管状构件222的近端221向内和向外移动,每个线端部298a、298b(包括线端部46、48)单独地联接至专用于其的导螺杆机构254并位于壳体256中,其中每个导螺杆机构254包括导螺杆壳体258、马达260、在其上构造有外螺纹(未示出)的螺纹轴262以及连接支架268,该导螺杆壳体物理地连接至该壳体256并通过该壳体256而防止旋转和轴向移动,该连接支架268具有:具有内螺纹的第一连接器部分270,螺纹轴262延伸到该内螺纹中;从在远离马达260的方向上从连接支架268向远侧延伸的延伸构件272;以及在延伸构件272的位于马达260远侧的端部处的第二连接器部分274。连接支架268由于螺纹轴262的旋转动作而赋予其的动作而在螺纹轴262的轴向方向上自由移动,但通过经由卡爪266而旋转地固定到壳体256而防止旋转,该卡爪266被接收在从壳体256的外表面向内延伸的凹槽267中且可相对于该凹槽267轴向地滑动。在此,十个导螺杆机构254设置在可控驱动机构250上,绕壳体256彼此均匀地周向地间隔开,每个导螺杆机构254具有卡爪266和与其唯一地相关联的凹槽267。第二连接器部分274从导螺杆壳体258延伸到驱动机构250的凸起部251中的孔278中(见图16)。
在此,为了克服现有技术的磁性联接或钩连接范例的缺点,对本发明的适配器联接器252进行修改,使得不是将每个线端部298直接磁性地联接到安装在第二连接器部分274上的专用磁体并且使用第二连接器部分274的拉动动作以在从柔性管状构件222的近端221向外的方向上拉动线端部,而是如图19所示,将线端部298(包括线端部46、48)均连接到杠杆组件286的第一端部284,并且由于与杠杆组件286相关联的第二连接器部分274中的一个在朝向或远离柔性管状构件222的近端221的方向上的移动而使杠杆组件286的另一个第二端部288可朝向或远离柔性管状构件222的近端221移动,从而使得第二连接器部分274朝向柔性管状构件222的近端221的运动导致拉动与该第二连接器部分274相关联的线端部46、48而使其远离柔性管状构件222的近端221。为了实现这种杠杆动作,将支点290设置在从适配器联接器252的面对近端的表面253延伸的支点立柱292上,该支点立柱292的端部通过铰链销294连接到杠杆组件286上的位于其相对的第一端部284和第二端部288中间的位置。通过利用导螺杆的动作使第二连接器部分274通过杠杆组件286推动杠杆的一个端部而允许将线端部298(这里是线端部46和48)拉动而远离柔性管状构件222的近端221,消除了使用钩进行连接的情况下的公差匹配问题以及在磁性联接中拉动第一磁体使其远离第二磁体以实现线端部298运动的问题,因为第二连接器部分274从适配器向内的移动,即,在柔性管状构件222的远端的方向上的移动,现在导致线端部298通过杠杆组件286的第一端部284产生拉动动作。因此,消除了磁体与线端部上的磁体或凸块之间的用以拉动线端部从而影响末端执行器操作或柔性管状构件222的远端操作的磁性联接将被拉开的风险,并且可传递到线端部298的力以及拉动线端部298的力的变化率不是通过拉动连接到另一磁体或凸块的磁体来实现的,而是通过推动杠杆来实现线端部的拉动实现的。
再次参照图15,适配器联接器252被构造为大致圆柱形的构件,包括附接部分300,该附接部分被构造成可释放地安装到可控驱动机构250的凸起部251,并且该附接部分包括前端面302,形成第二连接器部分272的多个柱塞304能够相对于该前端面可滑动地延伸出或缩回(参见图19,其中左侧的柱塞304延伸出,右侧的柱塞304缩回),这些柱塞在数量上等于从柔性管状构件222的近端221延伸的线端部298的数量,并且每个柱塞通过第二端部铰链销306连接到多个杠杆组件286中的一个的第二端部288。
如图18所示,多个杠杆组件286中的每一个包括基板310,该基板310具有一对相对的主表面和相对的小壁314、316,铰链销开口312延伸穿过该主表面,该小壁包括延伸到其中的臂孔。第一臂318从壁314延伸以终止于第一杠杆端部284,其中线开口321在第一臂318的端部稍微向内的位置延伸穿过第一臂318。第一臂318从壁314与该壁314大致垂直地延伸出,并且其中心线延伸穿过铰链销开口312的中心。第一臂318从壁314中的相应开口开始压配合或螺纹连接到壁314中的该相应开口中。第二臂320从相对的壁316大致垂直地延伸出,并且压配合或螺纹连接到壁316中的相应开口中。第二臂320的纵向轴线在远离适配器联接器252的方向上与第一臂318的纵向轴线偏移,并且第二臂320的远端终止于扩大的大致直圆柱形的衬套322,枢轴销开口324延伸穿过该衬套。
现在参照图15和图19,适配器联接器252由两个互连(例如通过螺纹紧固件互连)的大致直圆柱体构造成,这两个直圆柱体在此为基部326和设置有联接端面282的盖328。基部326包括主要部分330,该主要部分330具有后端面332和前端面334,盖328被接收在前端面334上,并且周向薄壁套圈336部分地设置在主要部分330和盖328之间,并且包括多个锁定卡爪(未示出)。埋头孔338在主要部分330的后端面332大致中心处向该后端面332的内部延伸。多个第一孔340从基部的前端面334延伸穿过基部到基部的后端面332,第一孔的中心沿着以适配器联接器252的中心线344为中心的第一圆周定位,并且圆环柱形衬套347定位在孔340中。第一孔340沿第一圆周彼此等角度地间隔开。
盖328包括面对近端的表面253、在表面253的相反侧上的后表面345、设置在套圈336内部的周向壁350、以及中心在圆周342上并且沿着第一圆周彼此等角度地间隔开的多个第二孔。第一孔和第二孔具有相同的直径,并且沿着圆周342成角度地对准,使得由此形成连续的衬套孔352,圆环柱形衬套347设置在该衬套孔内。多个支点立柱292从面对近端的表面253延伸,并终止于具有开口的支点290,该开口延伸穿过该支点,延伸穿过铰链销开口312的枢轴销285进一步延伸穿过该开口,以将杠杆臂连接到支点立柱292。多个支点立柱292绕以适配器联接器252的中心为中心的圆周彼此以弓形的方式相等地间隔开,该圆周具有小于第一直径的第二直径。每个支点立柱292的中心沿着从适配器的中心线344延伸到衬套孔352中的一个的中心向内的位置的半径定位。
线端部298在朝向适配器联接器252的前端面302的方向上的移动由杠杆组件286的第二端部288远离前端面302的移动引起。为了实现该动作,并以可控制的方式执行该动作,杠杆组件286的每个第二端部288连接到专用于其的柱塞304,该柱塞连接到专用于其的衬套356并在衬套孔352中在圆环柱形衬套347内滑动地往复,其中衬套356的后侧358包括驱动凹部360,该驱动凹部360在后侧358中延伸并终止于其中的大致圆形的基壁361,位于延伸构件的远离马达260(图17)的端部处的第二连接器部分274延伸到该驱动凹部360中。衬套356包括从其外圆周向内延伸的凹部308,并且通过套圈336的旋转,套圈336上的锁定卡爪可选择性地致动,以向周向凹部308的内部延伸,从而限制衬套356在衬套孔352内的行程。这里,柱塞304是大致U形的构件,该构件具有:连接到衬套356的上表面的中心的基部362,其中销364延伸穿过该基部并压配合或螺纹连接到衬套356的上表面中为此设置的孔中;以及一对臂366、368(图15),它们从基部362的相对端在远离衬套356的方向上延伸。从与衬套356间隔开的臂366、368的端部向内定位有一对对准的开口,使得第二端部铰链销306延伸穿过臂366中的开口、第二臂衬套322中的第二枢轴销开口324以及臂368中的开口,以允许杠杆组件286绕铰链销306摆动。柱塞和适配器可以由金属例如铝或钢、工程聚合物或其组合构造成。衬套356和柱塞304也可以构造为工程聚合物或金属例如铝的单件构件。
线44的第一线端部46和第二线端部48(图13)从柔性管状构件222的远端延伸,并且每个线端部298a、298b(在此为线端部46、48)固定在不同杠杆组件286的第一臂318中的线开口321中,在此为易于理解,固定到第一臂318a、318b。在图19中,第二线端部48已经通过第一臂318a的移动被拉动而远离柔性管状构件222的近端221,导致第一线端部46被拉向柔性管状构件222的近端221,这是因为线端部46、48是同一线44的相对端部,并且大致在线端部46、48之间的中间,线44在末端执行器100的第一侧致动器102的线固定凹部155处固定地连接到末端执行器100的第一侧致动器102(图10)。在杠杆组件286和线端部46、48的这些位置,末端执行器100处于图14的打开位置。该位置是由于导螺杆装置中的一个从适配器联接器252的后端面332向适配器联接器252内侧推动柱塞304a中的一个而提供的,以使柱塞304a移动,从而推动杠杆臂的第二臂320a使其远离适配器联接器252,由此使第一臂318a的端部朝向适配器联接器252的前端面302移动,并且由此拉动第二线端部48使之远离柔性管状构件222的近端221。这导致第一线端部46被拉向柔性管状构件222的近端221,导致附接到该线端部46的杠杆组件286的杠杆臂在支点290上绕铰链销294枢转,导致其第二臂320b上的衬套322在适配器联接器252的前端面302的方向上推动附接到第二臂320b的柱塞304b的端部,从而在朝向适配器联接器252的后侧332的方向上推动柱塞304b,使得柱塞304b的后侧将向后侧332外延伸。通过主动地推动附接到与第一线端部46附接的杠杆组件286的第一臂318b的柱塞304b使上述过程相反进行,导致第一线端部46被拉动远离柔性管状构件222的近端221,从而使末端执行器100的钳爪朝向其在图13中的位置移动或移动到该位置,并且朝向柔性管状构件222的近端221拉动第二线端部48,由此通过附接到该第二线端部48的杠杆组件286,将附接到该杠杆组件的柱塞304a的端部朝向适配器联接器252的前端面302推动,并且因此将附装至柱塞304a的衬套356向适配器联接器252的内侧推动,使得柱塞304a的后端向后壁332外侧延伸。
在此,导螺杆机构254(图17)专用于提供推力以在远离适配器联接器252的前端面302的方向上移动杠杆组件286的第二臂320,并且该力被传递到线,这里是传递到线44,以使没有被第二臂320在朝向适配器联接器252的前端面302的方向上拉动的线端部46或48在远离适配器联接器252的前端面302的方向上移动,并且因此使柱塞304和连接到柱塞304的衬套356在朝向适配器联接器252的前端面302的方向上移动或向该前端面302的内侧移动。
使用线44和线端部46、48的移动为例,通过连接支架268连接到轴262以使其线性移动的第二连接器部分274(图17)定位成与连接到柱塞304的衬套356b的驱动凹部360的圆形基壁361接触,该柱塞连接到杠杆286的第二臂,该杠杆286通过其第二臂320b连接到线端部48(见图19)。同时,通过连接支架连接到不同轴以用于其线性移动的第二连接器部分274a定位成与连接到柱塞304的衬套356a的驱动凹部360的圆形基壁361接触或几乎接触,该柱塞连接到杠杆286的第二臂,该杠杆通过其第二臂320a连接到线端部46。为了引起线端部46、48移动,马达254通过连接支架268连接到第二连接器部分274a,以使其在朝向马达254的方向上移动,并且不同的马达254通过连接支架268连接到第二连接器部分274b,以使其在远离马达254的方向上移动,并且第二连接器部分274a、274b相对于适配器联接器252的前端面302的移动的速度是相同的,但是方向相反。因为在第二连接器部分274a、274b和套筒356a、356b之间没有“硬”连接,所以套筒356a在马达254的方向上的移动完全由在柔性管状构件222的近端221的方向上拉动线端部46引起,这是由于线端部48被拉动远离柔性管状构件222的近端221。因为线端部48远离柔性管状构件222的近端221的移动是由另一马达254通过杠杆组件286在线端部48上引起的线性移动的函数,并且马达254和第二连接器部分274a以相同的速度在相反的方向上移动,由于所有杠杆、衬套和柱塞的构造都是相同的,所以衬套356a将在与衬套356b相反的方向上移动,但是以相同的速度,并且当第二连接器部分274a朝向马达254缩回时,衬套356a的圆形基壁361将以与第二连接器部分朝向马达254a缩回相同的速度跟随第二连接器部分274a。在反转马达旋转方向时,将发生相同的作用,但是相反。因此,消除了将第二连接器部分274和衬套356物理地联接的需要,导致将适配器定位在可控驱动构件250的凸起部251上,而不需要它们之间的复杂对准。而且,因为线端部46、48的动作通过推动衬套356a、356b以引起线端部46或48和因此线44的相对移动来实现,所以在使用期间不存在导螺杆动作与线44分离的风险。
再次参照图15,适配器联接器252包括将柔性管状构件222的近端221连接到该联接器252的结构。这里,多个立柱370从适配器联接器252的前端面302向外延伸,并且在它们的突出端处连接到桥板372,该桥板具有在适配器联接器252的前端面302上大致居中的位置处连接到桥板的柔性管状构件222的联接器374。线298a、298b从杠杆组件延伸,并穿过联接器374的内孔,进入连接到该联接器374的柔性管状构件222的近端221。
再次参照图13和图14,与具有相同可操作能力的图1和图2的现有技术四杆连杆末端执行器壳体34相比,本文的末端执行器100具有较小长度的主体和较小直径或宽度。因此,本文的末端执行器100能够实现工具部分152、154的远端的更精确定位和处于关闭位置的末端执行器100将进入的较小直径的开口。同样,线端部298(46或48)与线性致动器的连接范例通过线端部298连接的部分与导螺杆连接的部分之间的推力来实现,用于在线端部上实现拉动动作以使其远离柔性管状构件222的近端221移动,并且因此发生通过导螺杆连接的部分直接拉动线端部298(46或48),从而导致线端部298与用于线端部298的驱动机构的更可靠的连接。
现在参照图20,通过壳体256在另一主壳体(未示出)中在x方向410上的移动,可控驱动机构250以及因此手术器械220可在“x”方向410上移动。通过旋转与可控驱动机构250连接并由驱动马达408的旋转而驱动的环形齿轮400,可控驱动机构250也可绕中心线344旋转。这允许手术器械100和管状构件222在相反的弓形方向402、404上旋转地可控旋转。主壳体也可以绕轴线412可控地旋转,使得其中的壳体256将绕轴线412在轨道圆弧上移动。
参见图21,示出了器械420的端部,其中,外护套422包围两个柔性管状构件222以及照明和摄像机仪器426,它们中的每一个可从其中具有开口430的帽424延伸,管状构件222以及照明和摄像机仪器426可选择性地延伸穿过该开口。在图21中,柔性管状构件222的远端从帽424向外延伸,因此其可弯曲联接器296定位在外护套422的外部,并且照明和摄像机仪器426的端部同样从帽424向外延伸,因此从护套422向外延伸。
如果可控驱动机构250在方向402、404上绕中心线344旋转,则柔性管状构件222的远端同样在帽424处在方向402、404上旋转。如果末端执行器100如图20所示定位,它将同样在方向402、404上绕其自身的中心线428(图21)旋转。然而,由于可弯曲联接器296可通过选择性地拉动线端部298而弯曲,因此末端执行器100的中心线428和柔性管状构件222的远端的中心线可在两个可弯曲联接器296中的一个弯曲时以单个角度可控地彼此偏移,或者在柔性管状构件222的端部上的两个可弯曲联接器296弯曲时以复合双角度可控地彼此偏移。另外,护套422以及因此其中的柔性管状构件222和照明和摄像机仪器426可以沿着方向434前进或缩回,并且绕轴线410(图20)旋转,并且因此在方向430、432上旋转。另外,柔性管状构件222以及因此附接到该柔性管状构件222的末端执行器100可通过其所联接的壳体256在方向410上的独立x轴线移动而在方向436上独立地移动。在此,操作者可以将护套422的帽436端部定位在身体内腔中的期望位置,然后通过照明和摄像机仪器观察末端执行器100的端部的位置。因为每个可弯曲联接器296可在彼此正交的两个方向上独立地弯曲,并且柔性管状构件22可绕轴线344旋转,所以末端执行器可定位在身体内腔内的多个定向中。
参考图22,示出了器械420的替代构造的端部,在此为器械440,其中,外护套442包围两个柔性管状构件222(图23)以及照明和摄像机仪器446,它们中的每一个可从悬臂帽444延伸,悬臂帽444中具有:开口450,管状构件222可选择性地延伸穿过该开口;开口452,照明和摄像机仪器446的摄像机454的镜头端部位于开口452内;以及一对照明开口456,照明和摄像机仪器446的照明装置,例如发光二极管或光导458的端部位于该一对照明开口456内。
与图21的帽424相比,帽444包括延伸部分460,该延伸部分460比帽444具开口(如图23所示,位于管状构件222的远端上的末端执行器100和可弯曲联接器296可从这些开口选择性地延伸)的部分从外护套442的远端452延伸得更远。
图24示出了用于与柔性管状构件222一起使用的器械手柄462的构造。这里,手柄462包括两个引入端口464,柔性管状构件222的远端被引入到该引入端口464中以延伸到外护套的远端452。一对转盘466、468是用户可控制的,以在2个自由度上移动外护套的远端452,从而将外护套442的远端452定向在期望的方向上。
通过将摄像机延伸到帽444的位置(末端执行器从该位置出现)的前面,摄像机446更靠近患者的手术部位,并且同时可以采用广角摄像机,例如具有120度的视场的摄像机用来诊断目的,如图25所示,因为该同一摄像机446的透镜向前移动到延伸部分460的端部,该同一摄像机446提供了手术部位和末端执行器100的近距离可视化,以使外科医生或其其他操作者能够更好地观察和控制末端执行器100。
参照图26,示出了器械420的附加替代构造的端部,在此为器械470,其中,外护套472包围两个柔性管状构件和可弯曲联接器296和末端执行器100以及照明和摄像机仪器仪器476。如在前述装置中,末端执行器100和可弯曲联接器可选择性地延伸穿过由此设置在端帽474中的开口。这里,与本文图22至图25的构造相比,照明和摄像机仪器478包括两个摄像机480、482,并且穿过端帽474设置通过开口暴露的两个照明元件,例如发光二极管或光导490。这里,摄像机480是广视角摄像机,例如具有120度的视场,而摄像机482具有小于90度的量级的较窄视角。
结果,如图27A所示,在诊断使用或手术阶段,广角摄像机可以用于扫描身体内部位置,然后,如图27B所示,在使用末端执行器100在部位处执行手术过程时使用更小角度视场。