用于在外科手术环境中促进器械的弯曲的方法、设备和系统的制作方法
【专利说明】用于在外科手术环境中促进器械的弯曲的方法、设备和系统
相关串请的交叉引用
[0001]本申请要求提交于2013年3月8日的美国临时申请号61/774，901 (代理案号41663-707.101)和提交于2014年3月7日的美国申请号14/201，610 (代理案号41663-707.201)的权益，以上文献的全部内容通过引用而并入于此。
发明背景
[0002]1.发明领域。本申请的领域涉及医疗装置。更具体而言，本发明的领域涉及用于进行外科手术的设备、系统和方法。
[0003]2.相关技术描述。机器人外科手术对于改善患者恢复时间以及允许精确控制医疗和外科手术应用器械具有众多益处。在机器人中，末端执行器是位于机械臂末端的、设计用于与环境相互作用的装置。该装置的确切性质取决于机器人的应用。例如，末端执行器的若干示例可以包括一套镊子、一把剪刀、激光器、相机、烧灼工具、针或者任何将会获益于能够被重新定位的其他器械端头。
[0004]如前文所讨论，源于串联式机械操纵器的末端执行器意指机器人的最后链节(或末端)。在这个端点处附接工具。在更广泛的意义上，可以将末端执行器视为机器人的与工作环境相互作用的部件。
[0005]许多铰接装置使用弯曲区段，该些弯曲区段包含许多用于创造出组装件的小运动部件。通常，由于单个组件难于加工，因此组装件很难被制造成更小的几何尺寸。
[0006]现有解决方案的另一挑战是容纳末端执行器的辅助组件，所述辅助组件可以包括拉线、电线、流体线路和光纤。这些组件在弯曲区段内的位置影响该弯曲区段的性能和稳定性。所有的梁都具有主体内的、当平直或弯曲时都将会保持相同长度的假想线，这条线称为结构的中性轴。中性轴区域不经受任何应变或应力。通常，落在这条线任一侧的材料将会经受应变并且将被延长或压缩。弯曲处的内侧将会压缩，而弯曲处的外侧将会延长。图1图示了该中性轴连同其与内侧和外侧弯曲表面的关系。
[0007]例如，如果将辅助组件放置在中性轴区域之外，如果其能够相对于弯曲区段浮动，则其将会滑入和滑出弯曲区段。否则，所述组件将会因施加的轴向力而拉紧或伸展。图2描绘了远离组件中性轴放置的组件的关系的图示。
[0008]弯曲区段的现有解决方案被创造用于由薄壁管制成的小型可铰接器械。例如，向管材中切割出复杂图案，以创造出产生优先弯曲方向的离隙。然而，如果要求较大的偏转，则将会需要移除许多管材料以允许这样的弯曲。因此，被除去了许多材料的薄壁管不可避免地会失去很多保持机械稳定的结构和能力。
[0009]因此，有利的是具有这样的方法和设备:其用于促进器械以较大程度的铰接(articulat1n)而弯曲，同时保持足够量的刚度以在末端执行器处提供稳定性，并同时确保制造的简易性。
【发明内容】
[0010]本文描述的实施方式针对用于以较大程度的铰接来弯曲器械而同时保持制造的简易性的方法、设备和系统。
[0011]在其他实施方式中，用于创造铰接节段(articulating segment)的方法和设备始于实心杆而非管道。首先，从所述杆的侧面移除材料从而使得其能够弯曲。在一个实施方式中，将会从所述杆的横截面移除材料以容纳致动线。
[0012]在其他实施方式中，所述横截面容纳与末端执行器有关的辅助组件。
[0013]一个实施方式提供了将所述辅助组件的路径放置为靠近所述弯曲区段的中性轴。因此，这减少了所述弯曲区段的铰接与所述辅助组件之间的相互作用。此外，导致了更加可预测的弯曲和末端执行器行为。作为示例而非限制，通过从所述横截面移除材料以容纳铰接拉线和辅助组件，允许对弯曲刚度及其在医疗操作期间所能够消解(resolve)的相反力的量加以操控。
[0014]在一个实施方式中，所述组件由后文所讨论的超塑性材料制成，所述超塑性材料诸如但不限于镍钛合金(Nitinol)以及其他类似的材料。所述结构的刚度通过横截面轮廓的设计而得到操控，以确保所述结构在整个运动的全范围内提供足够的稳定性。所述结构通过对该结构施加力矩而实现显著的弯曲，并且将会在从所述结构移除所述力矩时恢复到原始位置。
[0015]这样的致动将会只需要在端头处的一个拉线，该拉线需要被牵拉以生成力矩以及被放松以解除所述力矩。
[0016]在备选实施方式中，所述组件由超塑性材料制成，但所述横截面通过在内部轮廓上合并所述离隙而允许不同的内部轮廓，所述装置适合于使用线EDM(Electric DischargeMachining，放电加工)工艺来制造，而不必首先创造出隙孔。
【附图说明】
[0017]图1是有助于描述中性轴的视图；
[0018]图2是有助于描述中性轴的视图；
[0019]图3描绘了根据本发明的第一实施方式的用于弯曲挠性件的设备；
[0020]图4是图3的截面侧视图；
[0021]图5是根据有限兀分析(FEA)的图3的建模表不的视图；
[0022]图6是描绘图3中所绘的第一实施方式的铰接位置的视图；
[0023]图7是根据本发明的一个实施方式的组装件的等距视图，其中作为主题的挠性件合并到末端执行器中；
[0024]图8描绘了根据本发明的第二实施方式的用于弯曲挠性件的设备；
[0025]图9是图8的截面侧视图；以及
[0026]图10是描绘图9的弯曲行为的截面侧视图。
【具体实施方式】
[0027]尽管下文公开了某些优选实施方式和示例，但发明主题超出具体公开的实施方式而包含其他备选实施方式和/或用途，以及其修改和等同物。因而，本文所附权利要求的范围并不限于下文所述的任何【具体实施方式】。例如，在本文公开的任何方法或工艺中，所述方法或工艺的动作或操作可以按任何合适的顺序执行，而不必限于所公开的任何具体顺序。以可能有助于理解某些实施方式的方式，可以将各种操作描述为多个依次进行的分立操作；然而描述的次序不应当解释为暗示这些操作是依赖于该次序的。此外，本文描述的结构、系统和/或装置可以体现为集成的组件或分离的组件。
[0028]出于对比各个实施方式的目的，描述了这些实施方式的某些方面和优点。所有此等方面或优点不必全都由任何【具体实施方式】所实现。因此，举例而言，各个实施方式可以按实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来实施，而不必实现可能亦如本文所教导或建议的其他方面或优点。
[0029]本文描述的实施方式针对用于微创外科手术器械的远端弯曲区段的设备，其具有较大程度的铰接并且提供足够的硬度以消解在远程外科手术操作期间所需要的力。其他实施方式提供了使用该远端弯曲区段的方法以其制造方法。
[0030]一个实施方式提供了将辅助组件的路径放置为靠近弯曲区段的中性轴。因此，这减少了弯曲区段的铰接与辅助组件之间的相互作用。此外，本发明的实施方式提供了更加可预测的弯曲和末端执行器行为。作为示例而非限制，通过从横截面移除材料而容纳铰接拉线和辅助组件，因此，可以操控弯曲刚度以获得期望的特性。
[0031 ] 在一个实施方式中，所述组件由超塑性材料制成。在一个实施方式中，所述材料是镍钛合金，并且在室温和/或体温下具有超弹性相。另外，其他实施方式包括使用任何超弹性合金。在又一实施方式中，调节惯性矩，使得所述结构通过在该结构上生成力矩而实现显著的弯曲，并且当移除所述力矩时恢复到原始位置。这样的致动将会只需要在端头处的一个拉线，该拉线需要被牵拉以生成力矩以及被放松以解除所述力矩。
[0032]在备选实施方式中，所述组件由超塑性材料制成，但所述横截面通过在内部轮廓上合并离隙(relief)而允许不同的内部轮廓，所述装置适合于使用线EDM(ElectricDischarge Machining，放电加工)工艺来制造，而不必首先创造出隙孔(clearance hole)。
[0033]参考图3A，图中描绘了根据本发明的实施方式的完成的弯曲区段300。图3B是贯穿弯曲区段300的轴线的纵向截面，图3C示出了弯曲区段300沿着图3B的线C的轴向截面，而图3D示出了弯曲区段300沿着图3B的线D的轴向截面。
[0034]参考图3B，沿着杆的顶部、优选