专利名称：用于外科手术器械的踏板开关控制器的制作方法
技术领域：
一种用于外科手术器械的踏板控制器，特别是一种用于眼科手术器械的踏板控制器。
背景技术：
用来控制外科手术器械的脚部操作设备是已知的，它的技术也有所记载。在治疗白内障过程中，用人造晶状体替换病变晶状体前，广泛应用晶状体乳化器械来进行晶状体的破碎和移除。这个器械要向晶状体施行优选强度的超声波能量，要将冲洗液体流引导到手术部位，还要用抽吸真空设备除去手术部位的碎片组织。因此，为了使外科医生的双手得到解放，通过踏板控制器产生控制信号传送给器械。踏板控制器包括用来产生正比和/或固定控制信号的独立装置，能响应脚部的动作，来确定所需的超声波功率等级，冲洗液体流的流量，并抽吸真空泵。
通常已有多种系统用来控制外科手术器械，特别是晶状体乳化器械。例如，一种方案采用踏板控制器来控制外科手术器械，其中操作者的脚部方位角的转动从菜单上选择一种功能。选择了功能以后，踏板回到中央位置并下压(或上升)产生所选择功能的控制信号。踏板旋转方位角的移动无法产生与位移成正比的控制信号，踏板也无法一边旋转一边下压。
在另一个方案中使用脚部启动控制器来提供控制信号，采用一个数字电子踏板控制器，它包括一个附加在踏板上的可旋转的轴。该轴包括一个轴编码器，可根据轴的旋转状态产生数字信号。轴位置编码器的输出信号输入控制卡，控制卡利用该信号控制医疗器械的不同功能。
还有另外一种系统采用踏板控制器，它有一旋转臂，旋转臂的表面上有三个间隔分布的导体。旋转臂在具有一些间隔分布电极对的区域上旋转；每对间隔分布的电极对应于一个不同的功能。因此，转动踏板可用来打开冲洗液体到晶状体乳化器械手持件内的冲洗通道，可施加真空到手持件中的抽吸通道，还可向手持件传送超声波能量。另一个例子中采用双位踏板控制单元，它包括一个底座，和一个踏板组合件，使用者可用足尖或足底来产生控制信号。双位的转换由踏板的转动来完成。此控制器能令使用者通过转动脚部产生与功能对应的控制信号，从而在两种不同的功能之间切换，控制信号可以通过踏板相对底座进行滑动，或者是压下踏板来产生。
脚部控制设备还被用来控制其他种类的器械。例如，一种脚部控制装置可用来产生变焦显微镜的控制信号。踏板的垂直运动能使图像对准焦距，而踏板的转动与位移成正比地改变放大率。此外，踏板可以在与方位角平面平行并与改变视野的垂直运动的方向垂直的平面内往复移动。
在晶状体乳化器械系统中，由系统产生的抽真空由踏板控制器调节，在操作器械的尖端提高或降低真空度，从零直至所需大小真空度。另外，踏板控制器也可以切换不同模式，破碎模式用来控制晶状体乳化组件和手持件，切割模式用来控制微型外科切割器械的操作。当选择开关设置在破碎模式且输液/真空组件的输液模式设置成自动方式时，压下踏板到第一位置，此时可听见咔哒声，开启流向手持件的输液。压下踏板到第二位置，此时可听见第二咔哒声，同时开启输液和抽吸功能。压下踏板到第三位置，同时启动输液，真空和晶状体乳化功能。
晶状体乳化过程中，外科医生注意力集中在眼内晶状体乳化探针在显微镜下的移动。该移动由医生通过高倍外科显微镜观察眼部来引导。一般而言，医生难以将视线离开显微镜去观看器械的面板了解器械在哪个模式工作，了解当前的功率强弱和真空度的大小。因此，尝试了多种方法来提供踏板控制器，可以提供某种形式的感官回馈给医生，使医生可以确定器械的模式和设置，同时视线也不用离开显微镜。
一种向医生提供反馈的尝试采用一种踏板控制器，能产生多种阻力，这些阻力是分阶段不同的，随踏板转动在各个预置点上位移阻力增加。故此，对每个不同操作的区域，踏板提供不同的触觉回馈。当踏板被下压时，采用这种反馈方式的踏板一般提供两个或以上的阻力区域。通常，这种类型的踏板提供阻力升高的多个区域，如第一区域可采用弹簧，第二个区域及以后各个区域采用另一个弹簧，此弹簧可以是弹力更大的弹簧也可以不是。然而，当即将进入下一阶段时，系统通常不会发出警示，因此，微小的压力改变作用于踏板后，可导致功能改变或晶状体乳化器的功率等级的改变，这些改变是不希望发生的。
脚部操作器械控制设备需要改进之处在于，可向操作者发出警示，脚部的上下或侧面方向上进一步动作会导致器械控制信号改变。这样的警示使操作者可自由在某些动作幅度内移动他的脚，无需担心信号的改变。当医生准备就绪，脚部移动到某一位置，此处的触觉反应会警示操作者进一步的脚部运动将改变器械控制信号。在踏板下压或上升时，这种触觉上的反应向操作者提供的警示应当是同等强度的。
发明内容
本发明提供了改进的系统和方法来控制外科手术器械，采用脚部操作控制器提供控制信号来启动或控制外科手术器械的不同功能。脚部操作控制器包括一个踏板，踏板的结构能实现与控制器底座垂直的运动，还有在与控制器底面大体平行的平面上的侧向移动。当踏板在垂直方向上下压时，一个制动机构提供接触信号能指示，当踏板接近垂直移动的某个位置时，将会启动一个不同的功能。
本发明的一个实施例中，踏板组合件设在底座上，该踏板组合件可以在垂直方向上上下移动。制动机构包括可松脱的凸轮和凸轮顶杆，它能向踏板的垂直运动施加阻力，故此当踏板被下压，到达转换区后踏板阻力减少，该转换区位于踏板垂直移动范围的不同控制部分之间。踏板进一步下压时越过转换区，阻力重新上升。踏板下压力量放松时，过程正好相反，使得踏板向上移动并向医生提供触觉上的反馈，即已经进入转换区，器械功能将发生改变。
在本发明的另一个实施例中，踏板控制器包括安装于底座的一个踏板组合件，还包括装有可滑动踏板盖的踏板，该踏板盖可相对于踏板底座水平地移动。可滑动踏板盖与信号发生器操作连接，信号发生器对踏板盖的水平移动做出反应，产生对外科手术器械的控制信号。控制信号可以是线性或比例性的。
在本发明的又一个实施例中，踏板控制器包括一个足垫作为枢轴安装在踏板控制器的底座上，其一部分覆盖可滑动踏板盖。足垫可采用低摩擦材料制造，尽量减少足垫和踏板盖之间的摩擦。足垫顶部表面可用摩擦材料覆盖，当医生放置脚部在足垫上时，可以水平移动脚部，足垫就随医生的动作而移动。踏板盖包括右边和左边的阻力装置，例如，是弹簧支承的推板，装在可滑动踏板盖的右边和左边，足垫设在右边和左边两个阻力装置之间。足垫的宽度小于右边和左边阻力装置的距离，因此足垫在足垫的右边或左边边缘接触右边或左边的阻力装置之前，可以水平横穿一中性区。
在另一个实施例中，踏板包括具有一个插孔的足垫，插孔中可以有个杆延伸，它与信号发生器机械连通。在此实施例中，足垫可沿杆移动，而不与信号发生器接合，除非是足垫在一个方向上大幅移动，致使插孔的横向顶端与插杆咬合，向信号发生器传递在此方向上进一步移动的信息，从而形成了与此响应的控制信号。这样，本发明的不同实施例提供的足垫允许医生在选定距离内移动脚部而不与信号发生器接合，从而防止开关的启动或导致外科手术器械的功能转换。
在另外一个实施例中，足垫包括多个安装孔，可匹配于枢轴安装在控制器底面上的可转动踵板，从而允许足垫适应脚部的不同尺寸进行调节。
本发明的其他特征和优点将结合相应的附图进行详细描述，通过实施例的方式说明本发明的原理，可得到更加明确的说明。
图1是超声波外科手术器械的流程图，该设备的控制参数由可编程的控制器和脚部操作控制器确定；图2是本发明的外科手术器械的脚部操作控制器的等角透视图；图3是图2的踏板控制器顶部左视图，盖子被除去来显露踏板组合件的一个部分，该部分与一个制动机构相连，展示了踏板组合件的垂直位移；图4是一个较佳实施例的制动机构截面侧视图，有一个本发明的垂直位移踏板组合件；图5是图2的脚部操作控制器的左侧的右部顶视透视图，盖子被除去来显露踏板组合件的一个部分，展示了踏板组合件的垂直位移；图6是踏板组合件的一部分的透视图，显示了踏板和踏板支撑臂的底部；图7是踏板组合件的透视图，踏板盖子被除去；图8是足垫的顶视图；图9是足垫的底视图；图10是另一个实施例的足垫的顶视图，显示一个用来与杆配合的插孔，杆与信号发生器机械连通；图11显示移动一个现有技术的踏板，在往下垂直移动距离的过程中所需逐步增加的力；图12显示移动一个现有技术的踏板，当踏板在初始完全下压，在向上垂直移动的距离的过程中所需逐步减少的力；图13显示移动一个本发明的踏板，在上下垂直移动的距离的过程中所需施加的力。
具体实施例方式
本发明的踏板控制器形式多样，可用来控制多种外科手术器械。它特别适用于控制眼科手术设备，例如以下手术中采用的设备晶状体乳化，晶状体切割术，透热法。因此，讨论晶状体乳化设备中的功能控制单元，能够让踏板控制器使用便利，这是非常有意义的。如图1所示，一台晶状体乳化术器械100在流程图中显示。器械100具有控制单元101，由图1中虚线显示，它包括可提供真空源的变速蠕动泵102，脉动超声波能量源103，和基于微处理器的可编程计算机104，可编程计算机104提供控制输出给泵速控制器105和超声波功率等级控制器106。
一个真空传感器107向计算机104提供输入信号，确认蠕动泵102输入端的真空度。通过蠕动泵102的反向操作可进行适度排气。踏板110用来使医生能够控制冲洗液体流，抽吸率，超声波功率等级，如下所述。
控制单元101通过线路111提供超声波能量，到晶状体乳化术手持件112。冲洗液体源113通过线路114与手持件112液体连通，从手持件到眼部通过线路114’液体连通。液体源113中容纳的冲洗液体流通过手持件的流量借助重力驱动，通常由相对于手持件升高和降低液体源来进行调节，其开关由阀门118控制。冲洗液体和超声波能量由手持件112向病人眼部115施加。冲洗液体和破碎的晶状体组织的由眼部的抽吸通过安装在控制单元101内部的蠕动泵102，经过线路116和116’来进行。可编程计算机104通过测量前述真空传感器107的信号并控制蠕动泵102的流量，对输入线路116中的实际真空度作出响应。
当手持件抽吸线路116’封闭后，真空传感器107测到的真空度上升。计算机104优先包括由操作者为先传送到手持件然后到眼部的抽吸流量，真空度和超声波功率设定的范围。手持件抽吸线路116’封闭后，当真空传感器107测知的真空度达到一预先设定的程度，可编程计算机104就指令泵速控制器105改变蠕动泵102的速度，从而相应地改变抽吸流量。
当有抽吸物质堵塞抽吸线路时，蠕动泵102的速度可能上升或下降(或者超声波功率的等级改变)，或是重新确定抽吸线路的开放性，或是保持堵塞物质与手持件接触。当堵塞物质被破碎或其他方式除去后，真空传感器107记录了真空度的急速下降，导致可编程计算机104改变蠕动泵102的速度至未堵塞前的运作速度。可作为替换，或可另外附加地，冲洗液体源113可进一步提供回流液体供应给抽吸线路116’，通过控制阀119开关冲洗液体至抽吸线路116的流动。冲洗液体的反向流(回流)经过抽吸线路116和116’，以及手持件内的抽吸管道，用来清除所述堵塞物。
尽管这个设备的很多控制设定可通过预先操作的编程指令来完成，不同内部操作程序需要即时在一个或多个控制设定上进行调节。以超声波为介质的晶状体的乳化，以及从眼部抽吸是一个复杂的过程，需要所施力量的精密平衡。必须对这些力进行精准的术间控制，而通过本发明的可编程的踏板控制器可使控制变得容易。
现在参见图2，踏板控制器110具有底座200(图3和图4中可见)，一个左侧201，一个右侧202，盖子203覆盖底座200。一个踏板组合件300枢轴连接于底座200上。一个踵板205具有个轴，轴安装在踵板205的底面，踵板可旋转地安装于底座200上，安装时将轴安装在底座200的顶表面上形成的一个孔中，孔的位置邻近底座200的近端。足垫214有个近端部分，此近端部分有一系列的孔位于其中，其尺寸可容纳踵板205的轴。当轴完全插入该孔中，致使足垫214的近端可自由旋转于踵板205的轴的周围时，底板200上可容纳踵板205的轴的孔有一定深度，足够保持在底座200的顶面和踵板205的底面之间的距离。足垫214有一个远端215覆盖在踏板204上。
盖子203具有远端和近端，对应于底座200的近端和远端。盖子203也有个右侧240和左侧245。有个脚趾夹250安装在盖子203近端，在右侧240和左侧245之间。脚趾夹250的安装形成一个空间，该空间在脚趾夹250的底表面和底座200所在的表面之间，致使鞋子的足尖可以配入该空间中，允许操作者用脚来升高踏板控制器110的近端，由此提供一个杠杆作用使底面200能在表面周围移动，来根据操作者的需要调整踏板控制器的位置。为了方便移动踏板控制器110，用低摩擦材料255，例如特氟隆(杜邦公司产品)，尼龙或其他合适的材料设在底座200的底表面上。优先的是，这种低摩擦材料255仅设在底座200的较远部分，这样当底座200位于表面上基本水平的位置时，脚部操作控制区110能相应平稳，踏板操作时倾向于停留在原位。低摩擦材料255也可以用其他方式替换，如轮子，滚子等类似结构，只要用脚尖夹250举起踏板控制器的近端时，能够提供移动上的便利。
踏板控制器110还包括六个脚部启动开关206-211。其中三个开关206，207和208设在控制器110的左侧201上，脚部可以够得着。另外三个脚部可够得着的开关209，210和211设在踏板控制器110的右侧202。第七个脚尖启动的非线性开关212设在连接于盖子203的轭213上。每个开关202-212可以编程并可以由医生根据个人喜好选择，以开/关(非线性)方式启动特定的预先编程好的控制设定。另外，踏板组合件300的水平位移可用来线性或非线性方式地选择并控制一个具体的控制参数；控制参数的选择取决于医生预先编程的指令。踵板205允许操作者移动她或他的脚到侧边上，启动脚部启动开关206-211，而无需水平移动踏板，因此方便了对脚部启动开关206-211的选择。
踏板组合件300的移动提供线性或非线性的位移比例信号输出，响应垂直，水平或方位角方向上的动作。如前所述，脚开关的位置所控制的可变参数依赖于控制单元101上的具体开关设定的选择，控制单元101则由手术医生编程。例如，当控制单元101编程来在晶状体乳化术模式下操作时，当踏板组合件300被压下时，踏板垂直位移的信号输出可依序控制眼部的冲洗液体流给眼部，由眼部的液体抽吸流量，最后是施加到手持件上的超声波功率。
图3是踏板控制器110的左部透视图，盖子203已被除去，显示了踏板组合件和制动组合件301之间的结构关系。踏板组合件300上的踏板204的下压可操作许多个依序功能。因此，需要医生能够辨认，在哪个点上进一步下压踏板会启动新的功能，和/或进一步放松会停止该功能。仪器设备和人们执行各自的职责的嘈杂的环境中，一个听觉上的信号，例如咔哒声可能被听到，也可能听不到，因此医生可能无法听到足够的反馈来确定哪个功能被执行或是停止了。
为了向医生警示即将启动新的功能，踏板组合件300连接于制动组合件301，提供给医生精确的上升信息，该信息是关于踏板204的垂直位移的。踏板组合件300包括踏板204，平行踏板支撑臂305和305’，(支撑臂305’未在图3和图4中示出)支撑臂305刚性连接于旋转安装的轴302。轴302则连接于制动臂303，制动臂303是制动组合件301的一部分。当踏板204下压时，轴302转动，因此压下制动臂303的远端304。图4是本发明的制动组合件301的侧面截面图，其中有更加详尽的细节显示。
制动臂301包括一个踏板归位主弹簧401，安装于底座200上。弹簧401设于底座和制动臂303之间，使制动臂303往向上的方向偏心。一个凸轮支座402滑动安装在轨道403上，轨道刚性安装于底座200上。通过支架归位弹簧404，凸轮支座402被朝制动臂303的远端304驱动。一个凸轮随动件405旋转连接于制动臂303的远端304，当制动臂303响应轴302的转动压下或上升时，凸轮随动件顶着凸轮支座402移动。当踏板204(未在图4中示出)下压时，轴302的转动对凸轮随动件405施加一个向下的力。当凸轮随动件响应踏板204上的脚部压力，在向下的轨道上移动时，支座归位弹簧404被压缩，凸轮随动件与一系列的制动件作用，其中两个制动件如406和407所示。虽然仅显示了两个制动件，显然本领域的技术人员会知道制动件可不止两个，用来按需要控制不同的所需功能。
每个制动结构提供机械阻力的改变，该机械阻力阻碍踏板组合件300上的踏板204的下压动作。例如，当医生下压踏板204，阻力的改变警示医生，进一步的踏板的移动将导致术间器械功能的转换。阻力的进一步的改变也可由凸轮随动件405和制动件间的相互作用来产生，从而显示从脚部控制器发出的某个具体操作信号的改变。制动臂301在以下情况有相似的作用当踏板204从下压位置升起，提供操作者阻力信号，显示继续移动脚动开关将导致术间器械功能转换；脚部控制器发出的具体操作信号发生了改变。
凸轮支座402的一个部分在踏板204的垂直移动中全程与凸轮随动件405机械接触，凸轮随动件405安装于制动臂303的远端304，凸轮支座的该部分具有一个曲线边缘，构成了一个凸轮剖面408。凸轮剖面408通过凸轮剖面选择器409可以除去，凸轮剖面选择器409通过剖面选择轴410和轴安装架411可旋转地安装于底座200上。凸轮剖面选择器409有个装置可用来脱除连接于制动臂303远端的凸轮随动件405，使其与凸轮支座402的凸轮剖面408脱离接触。当凸轮剖面选择器409通过凸轮剖面选择开关412(如图3所示)手动顺时针旋转90度时，第二个凸轮剖面400迫使凸轮支座上的第二凸轮从动件413后移，直到第二凸轮从动件413大致咬合制动件414，并在返回位置上锁紧凸轮支座402(即支座归位弹簧404压缩)，由此使凸轮从动件405从压迫凸轮支座402的凸轮剖面408边缘的状态松脱。当凸轮剖面选择器409启动，而凸轮从动件405从凸轮剖面408松脱后，将踏板压下或使其上升在踏板可允许垂直移动范围内提供了一个平滑连续的触觉。
如图5所示，按照本发明，改进的踏板组合件300包括一个踏板203与制动组合件301的组合。制动组合件301包括一个线性电位计501刚性安装于底座200上。电位计501与电导滑动刷502相互作用，该电导滑动刷502连接于制动臂303。当踏板204下压，刷502移动，对制动臂303的复位作出响应，向外科手术器械提供位移比例的控制信号。
简而言之，本发明的踏板控制器110，能使医生控制外科手术器械，它包括支承于地板上的控制器底座，它具有低表面和上表面。控制器110包括，踏板组合件300，该踏板组合件包括安装于轴302的踏板204，轴302转动安装于控制器底座200的上表面上。一个制动组合件301安装于控制底座的上表面上，对轴302的转动作出响应。当轴处于预先设定的转动位置，制动组合件能产生所需的对轴转动的阻力的变化。踏板控制器优选还包括一个控制信号发生器，例如，一个线性电位计501或轴位置编码器，由控制信号发生器产生的控制信号具有可测量的相关可变性质，例如电阻或电压。可变性质的值包括控制信号，随轴的转动而变化。根据医生在踏板上的移动，轴就转动，产生控制信号传送给器械，来控制其操作。
本发明的制动组合件提供的触觉不同于现有技术的踏板控制器的地方在图11-13中表示。如图11和12所示，当现有技术的踏板下压(图11)时，作用于踏板引起踏板往下位移的力逐步上升，如图11所示。当在踏板上的用力放松，使图11的踏板上升回到完全垂直的状态，如图12所示，施加于踏板的力逐步减少，其方式与图11的力—位移曲线基本上反向对应。显然，图11和图12的例子是简单的现有技术的踏板控制器，仅做示意之用。现有技术的踏板控制器展示的踏板力位移特征是，当踏板下压时，其中力—踏板位移曲线的斜率是正的，如图11所示，当向上移动时是负的，如图12所示。具体的是，当踏板初始下压越过“关”位置CS0，通过转换区TZ0，位移到对应第一控制信号CS1的区域时，第一控制信号就作用于外科手术器械。当踏板经过第二转换区TZ1，踏板就进入第二区域CS2，此时第二控制信号发生并作用于外科手术器械。控制信号强度可以是恒定的，或也可以具有与踏板位置成比例的值。
图13显示本发明的踏板下压时可变化的阻力。如线950所示，当医生开始施加向下压力在踏板上，当踏板穿过控制信号区CS0’时，下压阻力增加，在穿过区域CS0’的点上，制动机构提供的阻力会变成水平，向医生显示控制功能的改变或是正达到转换区。根据踏板控制的外科手术器械是如何编程的，踏板进一步的下压可提供器械的某个其他功能的线性或比例性控制。
不同于图11和图12所示的现有技术的脚部操作控制器的力—位移曲线，本发明的踏板进一步下压后，令踏板接近转换区TZ1’。当踏板下压使其进入转换区TZ1’，制动机构使得对踏板继续下压的阻力减少，由此向医生提供一个触觉信号，告知踏板已经下压到足以进入转换区了。踏板继续下压穿过转换区后，制动机构会增加继续下压的阻力，表示将进入下一个控制区。由于每个后续的控制信号区域例如控制区域CS2’和CS3’之前都设有转换区，这样医生就可以从继续下压阻力的减少得到触觉反馈，从而获悉已经从一个控制区退出，而由阻力的增大，可以获悉踏板继续下压将使其进入另一个控制区，将启动器械的不同功能。
简而言之，本发明的制动机构提供的阻力，描述如下进一步下压踏板所需的力与踏板位移的关系，如图13的线950所示，当踏板离开控制信号区域如CS0’进入转换区如TZ1’时该力下降，达到最小值后，当进入下一个控制信号区域如CS1’时又上升。当踏板穿过控制信号区域进入邻近转换区如TZ2’时仍会继续上升。
如图13的线980所示，从完全下压的位置开始，当踏板上的力松开，当踏板离开控制信号区域CS3’，并分别穿过CS2’，CS1’和CS0’时， 医生可感受到相似的感觉。例如，当医生减少踏板上向下的力，当踏板离开控制区域CS3’，进入转换区域TZ3’时，控制机构使下压阻力下降。应当注意，当保持踏板在静止位置上的所需力急速下降时，阻力的减少可被医生察觉。当医生继续放松踏板上向下的力，踏板继续上升，制动机构施加的力也上升，向医生表明踏板正接近另一个控制区域，在本实施例中，是控制区域CS2’。向下力的继续减少将使踏板继续上升，导致进入转换区TZ2’，这种情况由阻力急速下降来表明，而接下来的阻力上升表示接近和进入控制区域CS1’。进一步放松踏板，穿过转换区TZ1’进入控制区CS0’，可感知到类似的阻力变化。
当踏板穿过其运动范围，特别是向上方向的运动时，本发明的踏板控制器的操作者此时能感知到的触觉感觉，比起现有技术控制器的操作者能感知的触觉感觉，可以提供更多的信息。本发明的踏板制动组合件，能使不管是踏板位置向上还是向下移动时，产生不断增加的触觉感觉，这是技术上的进步。
回到本发明的踏板组合件300，踏板组合件的踏板204部分如图6的底视透视图和图7的顶视透视图所示。踏板204包括一个踏板底座601刚性连接于其水平端部的支撑臂305和305′。一个滑动器机构700刚性连接于踏板底座601，线性电位计702也是如此。线性电位计702有一个滑动安装的刷子(图中未示)，设置在其内部。电位计致动器703连接于该刷子，故此致动器703的轴运动可使电位计内的刷子重新定复位，改变电位计的输出信号。一个轴心方向上可压缩的风箱704覆盖该刷子，避免刷子702被颗粒，液体等污染。踏板盖710，包括左侧板705和右侧板706，刚性连接于滑动器机构700，并通过杆715连接到电位计致动器704。
图7显示踏板204，其中踏板盖710已被除去来展示踏板的各种功能元件。踏板204包括一个两件式球轴承滑动器机构700。滑动器机构700的下面的固定部分(图7未示)从下方刚性安装于底座601。滑动安装的上部分709沿着滑动器机构700的两个球轴承边缘被下部分锁紧，并能在下部分上来回可逆滑动。通过连接装置711，踏板盖710刚性安装于滑动器机构700的上部分709。左右侧推板705和706分别通过螺丝712，712′，和713，713刚性连接于踏板盖710。螺丝712和712′各自插入踏板盖710上的孔714和714′中。
踏板盖定心导向器708和708′刚性连接于踏板盖710的底面，其连接分别通过四个螺丝716，716′和717，717′。一个踏板盖定心弹簧706与弹簧盖707和707′设在底座601里面的一个凹腔的内部，并且当踏板盖连接于踏板时可被锁紧。杆715刚性连接于踏板盖710的底面，当踏板盖710处于踏板组合件204上方时，杆715就插入在电位计刷子驱动组合件的头部的一个孔，该驱动组合件由部件703和704集合构成，从而提供踏板盖710和线性电位计702的刷之间的连接。线性电位计702的部分，不包括刷子组合件，通过例如胶剂的连接方法刚性安装于底座601。电位计的刷子组合件703和704包括一个柱塞轴(被风箱704遮蔽)伸展进入电位计702的机身。
当踏板盖710相对于底座601来回水平移动时，杆715驱使电位计刷子组合件的柱塞轴进出电位计702的机身。如此来产生可变的电气输出信号，传送到控制单元101用来控制器械。
当踏板盖710移动到底座601的右边，踏板盖定心导向器708顶着弹簧盖707推动，并向底座凹口718的右缘压缩弹簧706，底座凹口718中有弹簧706，弹簧盖707和707′。当驱使踏板盖向右的力松弛后，弹簧706反弹使踏板盖710重新定心。当踏板盖移动到底座601的左边，踏板盖定心导向器708′顶着弹簧盖707′推动并向底座凹口718的左缘压缩弹簧706，底座凹口718中有弹簧和弹簧盖。当驱使脚动开关踏板盖向左的力松弛后，弹簧706反弹使脚动开关踏板盖重新相对底座601定心。
足垫214 (如图2，8和9所示)设在操作者脚部和踏板盖710之间，其表面尺寸设计成可接纳操作者的脚底。足垫的近端800可被控制器110的踵板205旋转锁紧，锁紧时通过三个圆周形切口801，802或803的其中一个切口，切口的选择取决于操作者的脚部尺寸。足垫上表面的一部分804，如图8所示，包括一个粗糙表面能与操作者脚底紧密接触。足垫214的远端215在踏板盖710的顶部来回滑动。足垫的左右边缘805和806旋转时分别顶着踏板的侧推板705和706推动。足垫214的最大宽度小于侧推板705和706之间的间隔。足垫214有一个低摩擦表面901在其下表面上如图9所示，使足垫在两个侧推板间的踏板盖上可做出基本上无阻力的移动。故此，操作者可以从中心设置的中间位置来使足垫顺时针或逆时针转动，阻力很少，直到足垫的边缘接触侧板705或706的其中一个侧板并接触妨碍其进一步转动的阻力障碍物。如果操作者脚转动过程中，足垫边缘和侧板之间产生上述接触，操作者能够感觉到机械阻力的变化，可当即得到警示，即操作者脚部继续用力将会导致电位计控制信号的改变。在操作者感觉到阻力以前使足垫转动而不影响控制信号的这个能力，使操作者可轻微移动脚部，而不会改变踏板控制的功能，操作者就可以在历时长久的程序中寻找到舒适的位置而不会影响程序。
当踏板盖710定心好后(即，足垫的边缘都没有使踏板盖位移，弹簧706也未被压缩)，电位计的输出控制信号是最大输出值的50％。因此，当踏板盖移动电位计刷子到其右或左界限时，电位计的输出控制信号将在最大值的0％和100％之间变动。电位计的控制信号输出可由触发器电路或微处理器装置解释为一个通断命令或线性输出信号，线性输出信号的强度正比于电位计机身内刷子的位置。这个微处理器可以编程设置在靠近电位计的踏板控制器上，例如，设置在其右踏板悬臂上。触发器线路或微处理器输出可通过适当的导体例如电缆传通到控制单元101上，用来控制操作功能。
总而言之，除了踏板的垂直位移方面的上述优点外，本发明的踏板控制器还使操作者可以通过其脚部在水平方向上的转动来控制器械，脚部由滑动的踏板盖支承，在优选实施例中，踏板盖的水平边缘设有弹簧支承的左侧和右侧推板。左侧和右侧推板彼此间隔的距离，称为第一距离，它是足垫的最大宽度。踏板包括一个控制信号发生设备如线性电位计，该控制信号发生设备产生可测量的控制信号，其强度响应和/或正比于踏板盖在基本上与控制器底座平行的平面上的水平移动。
足垫设在操作者′的脚部和踏板盖之间，优选是适当材质如塑料制成的具有一定长度的平板，其一个远端具有最大宽度，近端由踵板旋转锁接，踵板设在控制器底座上。
足垫的形状和尺寸能容纳操作者的脚底安放在上面。足垫远端的最大宽度，覆盖着踏板盖的一部分，使得足垫的最大宽度位于左右两个推板之间，其中足垫的最大宽度小于两个推板间的距离。足垫能自由转动于两个推板间的踏板盖的区域内。这个特征使操作者能通过转动阻力的改变探测到，何时继续转动足垫会导致控制信号的改变。足垫在左右推板之间的踏板区进行顺时针和逆时针旋转的阻力小于足垫的左右边缘分别与推板左右侧接触时逆时针或顺时针旋转的阻力。
在另一个实施例中，如图10所示，一个踏板组合件915包括一个足垫920，该足垫具有位于其远端的插孔925，足垫920位于操作者的脚部和踏板盖930中间，与输出信号发生器(图中未示)机械连通。一个连接于踏板盖930的杆向外伸展通过插孔925。插孔有右面和左面的水平端部940，945。插孔的长度即插孔的右面和左面水平端部940，945之间的距离，有一个中性区，在其中足垫可以移动而不会产生右面和左面水平端部与杆935的咬合。这种结构使足垫在杆的一个选定距离内移动，而不将踏板移动的信号传输给杆935以及踏板盖930和输出信号发生器，这样就允许足垫920能作水平或方位角的稍许移动而不会启动或改变踏板控制的器械功能。另外地，踏板盖930也可以除去，杆935可与输出信号发生器机械连通。
尽管描述和图示的是本发明的一些具体实施例，显然在不背离本发明的精神和范围的情况下可作出不同的改进。因此，除了下面所附的权利要求外，本发明并不受到限制。
权利要求
1.一种踏板控制器，可供操作者控制一种器械，它包括可支承在地面上的控制器底座，它有一个下表面，一个上表面，构成了一个第一平面和左右两侧；一个踏板组合件，它具有一个固定在一个轴上的踏板，该轴可旋转地安装在该控制器底座的所述上表面上；一个制动组合件，安装于所述控制器底座上，所述制动组合件对该轴的旋转作出响应，并且提供了对该轴转动时的阻力产生可触觉感知的变化的途径，该阻力是当该轴转动通过预先设定的位置时产生的。
2.根据权利要求1所述的踏板控制器，它还包括一个控制信号发生装置，所述控制信号具有一个与其相关的可测量的变量参数，该变量参数的值，响应于该轴的转动发生改变，该控制信号的值传递给器械。
3.根据权利要求2所述的踏板控制器，其中该控制信号发生装置是一个电位计。
4.根据权利要求2所述的踏板控制器，其中该控制信号发生装置是一个轴位置光学编码器。
5.根据权利要求1所述的踏板控制器，其中该制动组合件包括一个制动底面，一个制动臂，它有一近端固定于该轴，还有一远端与该近端相对，制动臂随该轴旋转，一个弹簧设在枢轴安装的制动臂和该底座之间，一个凸轮支座滑动安装于该底座上，并与该制动臂操作上咬合，能对该轴的转动产生不同的阻力。
6.根据权利要求5所述的踏板控制器，其中该制动组合件还包括一个凸轮支座松脱装置，可以将该制动臂与凸轮支座可逆地松脱。
7.一种踏板控制器，可供操作者控制器械，包括一个踏板组合件，设有踏板，该踏板可由静止位置水平或垂直移动；一个输出信号发生器，可信息连通于踏板，该输出信号发生器提供器械控制信号，其值对应于所述踏板的位移。
8.根据权利要求7所述的踏板控制器，其中该踏板可以该静止位置为中心作水平位移，该脚动开关踏板的位移在邻近该静止位置的一部分距离内不会改变控制信号。
9.一种踏板控制器，可供操作者控制器械，它包括可支承在地面上的控制器底座，它有一个下表面，一个上表面，构成了一个第一平面和左右两侧；一个踏板组合件设在该底座的所述上表面上，该踏板组合件包括一个踏板，具有踏板底座，和一个踏板盖活动安装在踏板上面；一个控制信号发生器，操作上连接于踏板盖，该控制信号发生器产生可测量的控制信号，其强度对应于该踏板盖的水平移动，该水平移动是踏板相对于踏板底座在基本上位于该第一平面上的水平移动。
10.根据权利要求9所述的踏板控制器，踏板盖还包括安装在滑动式踏板的水平边缘上的左右两个阻力装置，该左右两个阻力装置之间以第一距离互相间隔。
11.根据权利要求10所述的踏板控制器，它还包括一个足垫，具有一定长度和一个远端，远端的最大宽度小于该第一距离，还有一个近端，近端可转动地连接于该控制器底座，该足垫的远端覆盖着踏板盖的一部分，该远端的最大宽度延伸在左右两个阻力装置之间。
12.根据权利要求10所述的踏板控制器，它还包括一个足垫，具有一定长度，一个近端和一个远端，近端可转动地连接于该控制器底座，远端覆盖着踏板盖一部分，该远端的最大宽度位于左右两个阻力装置之间并可在其间移动。
13.根据权利要求11所述的踏板控制器，其中该足垫在所述左右两个阻力装置之间基本上水平移动时的阻力小于当足垫的左或右边缘与左或右阻力装置分别接触时，足垫进行基本上水平移动的阻力。
14.根据权利要求10所述的踏板控制器，其中所述两个阻力装置是弹簧支承的推板。
15.根据权利要求9所述的踏板控制器，它还包括一个可转动安装在该控制器底部上的踵板。
16.一种脚部操作控制器，可由操作者用它来控制外部手术器械，其方式是对一个踏板施力使其移动一定垂直距离，该垂直距离分为至少两段，其间有个过渡区，所述每段对应于器械许多个控制设置中的一个，移动该脚踏通过至少一段时，在该段的一部分所需的力减少，而在该段的余下部分则增大。
17.一种脚部操作控制器，可由操作者用它来控制外部手术器械，其方式是使一个踏板移动，此时改变施加于该踏板的力使其移动一段距离，该距离分为一段段的，其间有过渡区，所述每段对应于器械许多控制信号中的一个，所述踏板移动与所述至少一段同长度的距离所需对其施加的力，在该段的一部分上先减少，然后在该段的另一部分上增大。
18.根据权利要求17所述的踏板控制器，其中所施加力上的所述减小比当踏板处于毗邻至少一个不连续段的过渡区时所施加的力至少小15％。
19.根据权利要求17所述的踏板控制器，其中所施加力上的所述减小比当踏板处于毗邻至少一个不连续段的过渡区时所施加的力至少小30％。
20.根据权利要求17所述的踏板控制器，其中当该踏板的位置处于不连续的段内时，当踏板接近毗邻该连续段的一个过渡区时施加在踏板上的力增加。
21.根据权利要求20所述的踏板控制器，其中当该不连续段内有一个位置，在此位置施加在踏板上的力是最小值时，与踏板处于毗邻于该不连续段的一个过渡区时相比，施加在踏板上的力比所述最小值大15％。
22.根据权利要求20所述的踏板控制器，其中当该不连续段内有一个位置，在此位置施加在踏板上的力是最小值时，与踏板处于毗邻于该不连续段的一个过渡区时相比，施加在踏板上的力比所述最小值大30％。
23.根据权利要求17所述的踏板控制器，还包括一个制动组合件，与踏板机械连通信号，该制动组合件可改变使踏板移动与一个不连续段同长度的距离所需力的大小。
24.根据权利要求23所述的踏板控制器，其中该制动组合件包括弹簧承载的凸轮和凸轮辊。
25.根据权利要求23所述的踏板控制器，还包括凸轮松脱装置，用于将该制动组合件与踏板的机械连接松脱。
26.根据权利要求17所述的踏板控制器，其中该外科手术器械是一个白内障外科手术器械。
27.一种踏板控制器，可供操作者发出控制信号来控制外科手术器械，包括一个踏板，可在垂直方向和水平方向上增加和减少对踏板施加的力，使其可在垂直方向和水平方向上移动；一个控制信号发生器，它与踏板操作上连通，对应于踏板在垂直方向和水平方向上的移动能产生控制信号来控制外科手术器械。
28.根据权利要求27所述的踏板控制器，其中该踏板可在水平方向上移动一段水平距离，该水平距离的一部分为一中间区域，在此中间区域中施加在水平方向上最小而基本恒定的力使该踏板在该中间区域内移动，该踏板的在中间区域的移动不会改变该控制信号。
29.根据权利要求28所述的踏板控制器，其中该中间区域的边界有个阻力障碍能限制该踏板从中间区域向中间区域外的该水平距离部分作水平移动。
30.根据权利要求29所述的踏板控制器，其中该踏板从中间区域向中间区域外的该水平距离的一部分水平移动提供一个控制信号用来控制外科手术器械的功能。
31.根据权利要求29所述的踏板控制器，其中用来移动踏板越过该阻力障碍所需的力比该最小且基本恒定的力大至少15％。
32.一种踏板控制器，它包括可支承在地面上的控制器底座，它有一个下表面，一个上表面，构成了一个第一平面和左右两侧；一个踏板组合件，它具有一个固定在一轴上的踏板，该轴可旋转地安装在该控制器底座的所述上表面；一个制动组合件，安装于所述控制器底座上，所述制动组合件对该轴的旋转作出响应，并且提供了对该轴转动时的阻力产生可触觉感知的变化的途径，该阻力是当该轴横转过预先设定的转位时产生的，此制动组合件具有一个制动底座，一个制动臂，具有一个近端固定于该轴，一个远端在该近端对面，制动臂的转动对应于该轴的转动，一弹簧，位于该枢轴安装的制动臂和该底座之间；一个凸轮支座滑动安装于该底面上，可啮合于该制动臂提供对该轴转动的不同阻力。
33.根据权利要求32所述的踏板控制器，其中该制动组合件还包括一个凸轮支座松脱装置，可将制动臂与该凸轮支座可逆地松脱。
34.一种踏板控制器，可供操作者控制器械，它包括可支承在地面上的控制器底座，它有一个下表面，一个上表面，构成了一个第一平面和左右两侧；一个踏板组合件，它具有一个固定在一轴上的踏板，该轴可旋转地安装在该控制器底座的所述上表面；一个制动组合件，安装于所述控制器底座上，所述制动组合件对该轴的旋转作出响应，并且提供了对该轴转动时的阻力产生可触觉感知的变化的途径，该阻力是当该轴横转过预先设定的的转位时产生的，此制动组合件具有一个制动底座，一个制动臂，具有一个近端固定于该轴，一个远端在该近端对面，制动臂的转动对应于该轴的转动，一弹簧，位于该枢轴安装的制动臂和该底座之间；一个凸轮支座滑动安装于该底面上，可啮合于该制动臂提供对该轴转动的不同阻力。一个与所述轴操作上连通的控制信号发生装置，所述控制信号具有一个与其相关的可测量的变量参数，该变量参数的值响应于该轴的转动发生改变，该控制信号的值传递给器械。
35.根据权利要求34所述的踏板控制器，其中该控制信号发生器是电位计。
36.根据权利要求34所述的踏板控制器，其中该控制信号发生器是轴位置光学编码器。
37.根据权利要求34所述的踏板控制器，其中该制动组合件还包括凸轮支架松脱装置，可用于将制动臂与凸轮支架可逆地松脱。
38.一种踏板控制器，可供操作者控制器械，它包括可支承在地面上的控制器底座，它有一个下表面，一个上表面，构成了一个第一平面和左右侧；一个踏板组合件，安装于该底座的所述上表面上，该踏板组合件包括一个踏板底座，安装于该底座的所述上表面上，一个控制信号发生器，安装于该踏板底座上，左右两个阻力装置，机械信息连通于控制信号发生器，左右两个阻力装置被隔开一段距离，形成一个中间区域，与操作者脚部的水平移动啮合，该中间区域能使操作者的脚部在通过该中间区域时不向控制信号发生器发送操作者足部移动的信号，当操作者脚部的移动配合于左右两个阻力装置时，控制信号发生器产生可测量的控制信号，其强度对应于操作者脚部相对于踏板底座的移动。
39.根据权利要求38所述的踏板控制器，其中该制动组合件还包括一个踏板盖滑动安装于踏板底座上，并连接于控制信号发生器；其中左右两个阻力装置安装于踏板盖的侧面边缘上。
40.根据权利要求38所述的踏板控制器，它还包括一个具有一定长度的足垫，它有一个远端，远端的最大宽度小于所述中性区，还有一个近端，该近端可转动地连接于该控制器底座，该足垫的远端覆盖着踏板盖的一部分，该远端的最大宽度在左右两个阻力装置之间。
41.根据权利要求39所述的踏板控制器，还包括一个具有一定长度的足垫，它有一个近端和一个远端，近端可转动地连接于该控制器底座，远端覆盖着踏板盖的一部分，该远端的最大宽度在左右两个阻力装置之间并可在其间移动。
42.根据权利要求40所述的踏板控制器，其中对足垫在左右两个阻力装置之间的基本水平移动的阻力小于当足垫的左右边缘分别接触该左右两个阻力装置时对足垫基本水平移动的阻力。
43.根据权利要求39所述的踏板控制器，其中该左右两个阻力装置都包括弹簧支承的推板。
44.根据权利要求38所述的踏板控制器，该左右两个阻力装置包括形成于足垫的远端中一个插孔右边和左边的水平两端，该足垫还有一近端可转动地安装于该底座的该上表面上，足垫通过杆机械连接于信号发生装置，该杆与控制信号发生器机械信息连通，该杆延伸于插孔中，因此足垫可自由地绕杆水平移动而又不啮合于杆，直至插孔的右或左水平两端与杆啮合为止，从而向控制信号发生装置传送同方向上的进一步水平移动。
45.一种脚部操作控制器，可使操作者用来控制一个器械，它包括可支承在地面上的控制器底座，它有一个下表面，一个上表面，构成了一个第一平面和左右两侧；一个踏板组合件，安装于该底座的所述上表面上，该踏板组合件包括一个踏板底座枢轴安装于该底座的所述上表面上，该枢轴安装使踏板底座能相对于该底座的所述上表面作水平移动；一个控制信号发生装置安装于该踏板底座上，左右两个阻力装置，机械信息连通于控制信号发生器，左右两个阻力装置被隔开一段距离，形成一个中间区域，与操作者脚部的水平移动啮合，该中间区域能使操作者的脚部在通过该中间区域时不向控制信号发生器发送操作者足部移动的信号，当操作者脚部的移动配合于左右两个阻力装置时，控制信号发生器产生可测量的控制信号，其强度对应于操作者脚部相对于踏板底座的移动。
46.根据权利要求45所述的踏板控制器，其中踏板底座与一个轴机械连通，该轴可转动地安装于该控制器底座的所述上表面，该踏板组合件还包括一个制动组合件，安装于所述控制器底座上，所述制动组合件对该轴的旋转作出响应，并且提供了对该轴转动时的阻力产生可触觉感知的变化的途径，该阻力是当该轴横转过预先设定的的转位时产生的，此制动组合件具有一个制动底座，一个制动臂，具有一个近端固定于该轴，一个远端在该近端对面，制动臂的转动对应于该轴的转动，一弹簧，位于该枢轴安装的制动臂和该底座之间；一个凸轮支座滑动安装于该底面上，可啮合于该制动臂提供对该轴转动的不同阻力。一个次级控制信号发生器与该轴操作上连通，能产生一个次级控制信号，该次级控制信号具有相关的可测量的变量参数，该变量参数的值，对应于该轴的转动，该控制信号的值传递到要被控制的器械。
47.一种脚部操作控制器，可供操作者控制一个器械，它包括可支承在地面上的控制器底座，它有一个下表面，一个上表面，构成了一个第一平面和左右两侧；一个踏板组合件，安装于该底座的所述上表面上，该踏板组合件包括一个踏板底座枢轴安装于该底座的所述上表面上，该枢轴安装能让踏板底座相对于该底座的所述上表面作水平移动，一个控制信号发生装置安装于该踏板底座上，左右两个阻力装置，于控制信号发生器机械信息传递，左右两个阻力装置被分开一段距离，形成中间区域，与操作者脚部地水平移动配合，中间区域使操作者的脚部在通过其间时不向控制信号发生器发送信号，控制信号发生器产生可测量的控制信号，其强度对应于操作者脚部相对于踏板底座的移动，一个制动组合件，安装于所述控制器底座，所述制动组合件对该轴的旋转做出反应，并且提供了对该轴转动的阻力产生可触觉感知的变化的途径，该阻力是当该轴横转过预先设定的转位时产生的；
48.根据权利要求47所述的踏板控制器，其中该制动组合件包括一个制动底座；一个制动臂，具有一个固定于该轴的近端和与该近端的对面的远端，制动臂对应于该轴的转动而转动，一个弹簧安装在该枢轴安装的制动臂和该底座之间，一个凸轮支座，滑动安装于该底座上，且可与该制动臂啮合对轴转动提供不同的阻力；一个次级控制信号发生器与该轴操作上连通，能产生一个次级控制信号，该次级控制信号具有相关的可测量的变量参数，该变量参数的值，对应于该轴的转动，其中该控制信号的值传递给要控制的器械。
49.一种向踏板操作者提供触觉反馈的方法，当踏板向下位移用来控制器械一个或多个的功能，此时向操作者发出信号，显示将要执行器械的一个选定功能，它包括当踏板下压选定的垂直距离时，提供一个一级触觉感知阻力，当踏板进一步下压一个选定的垂直距离时，提供一个二级触觉感知阻力小于一级触觉感知阻力。
50.根据权利要求49所述的方法，其中的二级触觉感知阻力提供给选定的第二垂直距离，所述方法还包括提供一种当踏板经过选定的第二垂直距离进一步下压，该三级触觉感知阻力大于二级触觉感知阻力。
51.一种提供触觉反馈给脚踏操作者的方法，该方法应用于当踏板在垂直方向上移动来控制器械，向操作者发出警告将执行器械的一个选定的功能，该方法包括当踏板移动超过一个第一垂直距离，提供一个一级触觉感知阻力；当踏板移动超过一个第二垂直距离，提供一个二级触觉感知阻力，该二级触觉感知阻力小于一级触觉感知阻力；当踏板移动超过一个第三垂直距离，提供一个三级触觉感知阻力，该三级触觉感知阻力大于二级触觉感知阻力。
52.根据权利要求7所述的踏板控制器，其中踏板组合件安装于控制器底座，它还包括一个转动安装于控制底座上的踵板，可使踵板与踏板组合件共同作用，从而操作者脚部的水平移动不会使踏板发生位移。
53.根据权利要求27所述的踏板控制器，其中踏板组合件安装于控制器底座，它还包括一个转动安装于控制底座上的踵板，可使踵板与踏板组合件共同作用，从而操作者脚部的水平移动不会使踏板发生位移。
54.根据权利要求38所述的踏板控制器，其中踏板组合件安装于控制器底座，它还包括一个转动安装于控制底座上的踵板，可使踵板与踏板组合件共同作用，从而操作者脚部的水平移动不会使踏板发生位移。
全文摘要
一种脚部操作控制器， 用于外科手术器械，它具有一个主踏板组合件，当其水平或垂直移动时，提供正比的或线性的控制信号。一个具有可转动的踵板的足垫使操作者的脚部和踏板间的摩擦力减少到最低点。一个位于踏板的左边和右边控制位置之间的中性区使操作者可以自由移动他的脚部而不会改变控制设置。踏板的垂直位移由多个机械制动件的上下移动来显示。制动件的阻力的改变向在踏板垂直位置上作动作的操作者发出警告，进一步的垂直位移将使器械的控制信号对应于踏板的新的位置发生改变，因此，能够向操作者提供感官反馈，表示脚踏移动带来功能模式的改变。
文档编号G05G1/44GK1604757SQ02822125
公开日2005年4月6日 申请日期2002年9月5日 优先权日2001年9月7日
发明者迈克尔R·汉森, 理查德G·托拉克森, B·J·小巴韦克 申请人:菲科尔公司