CN101106935A - 包括由缆索连接的成对链节部件且容易组装的铰接机构 - Google Patents

Abstract

一种铰接机构，该铰接机构包括相互关联的多个链节部件(120)和接头部件(140)，并包括缆索(202)，该缆索可释放地固定在该链节部件上以形成连接的链节部件对，以使一对链接部件中的一个链节部件的运动会导致该对中的另一个链节部件进行相关运动。

Description

包括由缆索连接的成对链节部件且容易组装的铰接机构

相关申请的交叉参考

本申请要求2004年11月24日提交的US临时专利申请No.60/630912的优先权，该申请的内容结合在此以作参考。

技术领域

本发明涉及可容易地组装和拆卸的铰接机构和设备，以及组装这种铰接机构和设备的系统和部件。

背景技术

容易地远程控制、导向和/或操纵器械和工具的能力在许多工业和应用尤其是希望引导器械或工具进入其中不易于用手进行手动导向或否则会带来危险的空间的情况下是大家所关心的。这些可包括其中应用工具或器械的目标位置难以接近的情况例如某些外科手术，或者机器的制造或维修，甚至其中手动接近目标位置受限的商业和家庭使用。其它情况可包括例如其中工作环境对于用户是危险的例如暴露在危险化学物质下的工作空间的工业应用。还另外的情况可包括其中用户处于危险之中例如将工具或器械部署在危险或敌方位置的法律实施或军事应用。其它使用包括休闲、教育或娱乐应用，例如提供物体的远程操纵的玩具。

将外科手术作为说明性示例，手术例如内窥镜和腹腔镜检查，所述检查通常使用从身体外部的位置操纵位于身体内或朝向身体内的目标器官或组织。内窥镜检查术的示例包括乙状结肠镜检查、结肠镜检查、食管胃十二指肠镜检查和支气管镜检查。内窥镜的插入管通过被推进而前进并通过向后拉而缩回。管的尖端可通过扭动和大致向上/向下以及向左/向右运动而被引导。此有限的运动范围常常会使得难以转过锐角(例如在直肠乙状部结肠内)，从而导致患者不舒适并且增加损伤周围组织的危险。腹腔镜检查包括根据解剖标志放置套管针部分。端口的数量通常随预期的手术和用以获得令人满意的组织活动以及操作区域的暴露所要求的器械数量改变。尽管腹腔镜检查术有许多优点，例如术后疼痛较小、早期活动性好、术后粘连减少，但经常难以实现最佳的组织回缩以及通过常规腹腔镜端口的机动性。在一些情况下，这些缺点可能使手术时间增加或者使手术钉和缝合线的安放不精确。还已知将可操纵的导液管用于诊断和治疗。与内窥镜类似，这种导液管包括可在总体受限的运动范围内引导以通过患者的脉管系统的尖端。

已做出许多努力来设计可操纵性较高的内窥镜以及导液管，但它们的运动范围通常有限。例如，Sato的US 3557780、Ailinger等的US 5271381、Alotta等的US 5916146以及Sakai的US 6270453说明了具有可通过致动一组丝线而被弯曲的一个或多个柔性部分的内窥镜器械。这些丝线通过旋转小齿轮(Sato)、操纵旋钮(Ailinger等)、可转向的臂(Alotta等)或者通过滑轮机构(Sato)从器械的近端被致动。Boury等人的US 5916147公开了一种具有四个丝线的可转向导液管，所述丝线在导液管的壁内行进。每个丝线在导液管的不同部分终止。丝线的近端从套管针松弛地延伸出从而可被医生拉动。医生能够通过选择性地拉紧丝线来使导液管成形并从而操纵该导液管。

尽管上述每个设备都可被远程操纵，但是它们的运动范围通常有限。操纵机构的使用比较费力，例如在Boury等的导液管内，其中必须单独拉动每个线以形成导液管。此外，在例如使用旋钮和滑轮机构的内窥镜和可转向导液管的情况下，需要大量训练来熟练操纵设备通过患者的人体。

因此，具有用于可控地引导复杂几何结构的较高远程可操纵性的设备可使器械和工具更高效且精确地前进和布置。这种设备提供更直观和流畅的用户界面以实现这种提高的可操纵性也是有利的。这种设备可在大量行业中在引导、控制和/或操纵器械和工具方面得到广泛应用。这种设备本身可具有娱乐、休闲和教育价值。另外，这种设备由可手动组装的部件形成也是有利的，从而用户可随意地容易地形成具有变化尺寸和特性的设备。

发明内容

本发明满足这些以及其它需要，并提供了用于快速且容易地组装和/或拆卸铰接机构的系统和部件。在本发明的一种变型中，提供了一种具有两个或多个链节部件、两个或多个接头部件以及一组或多组可释放地固定在链节部件上的连接缆索的系统。所述连接缆索操作性地使一个链节部件与另一个链节部件相连以形成链节部件对。在一些变型中，链节和接头部件适于相互可释放地连接。接头部件设计成进行枢转或弯曲运动。链节部件包括用于接纳连接缆索并使连接缆索通过的通道。该系统可选地包括间隔部件和/或中心部件。间隔和/或中心部件可同样适于可释放地连接到该链节和接头部件，并还包括用于接纳连接缆索并使连接缆索通过的通道。部件之间的可释放连接可一但不是必需的一为干涉配合或搭扣配合连接。使用可释放连接的优点包括容易进行组装以及增大了沿组装好的机构传递扭矩的能力。

在本发明的另一变型中，提供了一种由这些部件组装成的铰接机构。在另外的变型中，该系统或组装好的机构可包括提供缆索延长器，该缆索延长器允许形成定制长度的连接缆索。另外，提供各种装置以将连接缆索固定在相关联的链节部件对上。在一些变型中，这些(装置)包括附装在缆索本身上的缆索止挡。在其它变型中，可在链节部件自身上设置缆索锚固器。另外，在一些变型中，缆索可被单独或共同拉紧。任何或所有这些部件还可设有通道，该通道允许丝线、其它缆索、光纤和其它可连接到或用于控制工具、器械或设置在组装好的机构的端部或任何部分处的其它元件的元件通过。

附图说明

图1A是用中心部件、接头、链节和间隔部件以及连接缆索组装的根据本发明一个实施例的铰接机构的透视图；图1B是图1A的组装好的铰接机构的放大透视图；

图2是图1的组装好的铰接机构的中心部件的放大透视图；

图3A-3B是图1的组装好的铰接机构的链节部件的放大透视图；

图4A-4B是图1的组装好的铰接机构的接头部件的放大透视图；图4C和4D是图4A-4B的接头部件的各个部分的透视图；

图5A-5B是图1的组装好的铰接机构的另一接头部件的放大透视图；图5C是图5A-5B的接头部件的侧视图；

图6A-6B是图1的组装好的铰接机构的间隔部件的放大透视图；

图7A是图1的铰接机构的一个连接缆索的放大侧视图；图7B是与图7A的连接缆索一起使用的缆索止挡的透视图；

图8A是与图7A的连接缆索一起使用的缆索延长器的透视图；图8B是接头在一起的图8A的缆索延长器的透视图；

图9A是根据本发明另一实施例的连接缆索的放大侧视图；图9B是与图9A的连接缆索一起使用的缆索止挡的透视图；图9C是与图9A的连接缆索一起使用的缆索延长器的透视图；图9D是接头在一起的图9C的缆索延长器的透视图；

图10A和10B分别是根据本发明另一实施例的中心部件的透视图和侧视图；图10C是图10A的中心部件的一段的透视图；

图11A-11B是根据本发明另一实施例的链节部件的透视图；

图12A-12B是图11A-11B的链节部件的透视图，其示出连接缆索与链节部件的连接；

图13A-13C是根据本发明另一实施例的链节部件的透视图；

图14A是根据本发明另一实施例的链节部件的透视图；图14B和14C是图14A的链节部件的部分的透视图。

具体实施方式

用于组装根据本发明的铰接机构的基于部件的系统通常包括多种链节、接头、中心和间隔部件以及具有不同长度的连接缆索。链节部件和接头部件可链接在一起以形成各个链节-接头单元，该单元则可连接到其它的链节-接头单元、另外的接头部件、间隔部件或中心部件。显然，对于本领域技术人员存在用于在不同部件之间形成可释放连接的多种设计，包括相互干涉配合和搭扣配合连接。被中心部件隔开的链节-接头单元然后可通过至少一组缆索连接在一起以形成分离的单元对。或者，可将各个部件设计成以相对的方式相互紧靠，在此情况下缆索组本身将组装好的机构保持在一起。通过混合和匹配链节、接头、中心部件、间隔部件，可形成具有变化的(多种)长度、弯曲和刚性特性的铰接机构。部件或形成的铰接机构可并入其它结构或者与其它结构或其它结构的元件包括工具、器械或在例如休闲应用的情况下玩具、木偶、玩偶、塑像等一体地形成。

文中使用的术语“链节部件”是指铰接机构的分离部件。链节部件能可选地设计成与组装好的铰接机构的其它部件包括接头部件、间隔部件和中心部件可释放地互连。当被组装时，链节部件通常沿组装好的机构的纵向轴线对齐。链节部件通常但并不必须是柱形。链节部件通常还包括与链节部件的纵向轴线径向隔开的缆索通道。这些缆索通道构造成接纳缆索并使缆索通过，该缆索包括控制特定链节部件的移动的缆索以及穿过链节部件并控制另外的链节部件的缆索。给定缆索通道可设计成容纳单个缆索或多个缆索，并且可定位在变化的径向隔开的位置。链节部件还可具有另外的允许可连接到或用于控制设置在组装好的机构的端部或任何部分的工具、器械或其它元件的线、其它缆索、光纤或其它元件通过的通道。

文中使用的术语“接头部件”是指铰接机构的另一个分离的部件。接头部件类似地能可选地设计成与组装好的铰接机构的其它部件包括链节部件、其它接头部件、间隔部件和中心部件可释放地互连。接头部件也通常但并不必须是柱形。接头部件通常包括两个可相对移动的段。例如，这两段可枢转地相互联接以进行枢转运动，或者这两段可通过弯曲部分连接以便在这两段之间进行挠曲或弯曲运动。类似于链节部件，接头部件还可包含与链节部件的纵向轴线径向隔开的多个缆索通道。这些缆索通道构造成接纳缆索并使缆索通过，该缆索包括控制链节部件的移动的缆索。接头部件还具有允许可连接到或用于控制设置在组装好的机构的端部或任何部分的工具、器械或其它元件的线、其它缆索、光纤或其它元件通过的通道。

文中使用的术语“链节-接头单元”是指(直接或间接地)连接到接头部件的链节部件。在一些变型中，链节部件和接头部件可一体地形成为一个部件。在其它变型中，链节-接头单元可包括链节部件和接头部件之间的中间间隔部件。术语“活动的链节-接头单元”是指其中每个单元中的对应链节部件通过缆索组直接相互连接的一对链节-接头单元。

文中使用的术语“间隔部件”是指铰接机构中的又一分离部件。同样，间隔部件能可选地设计成与组装好的铰接机构的其它部件包括链节部件、其它接头部件、间隔部件和中心部件可释放地互连。它们也通常但并不必须是柱形。类似于链节部件，间隔部件通常但并不总是包含与链节部件的纵向轴线径向隔开的多个缆索通道。这些缆索通道构造成接纳控制位于组装好的机构上的其它位置处的链节部件的缆索并使该缆索通过。同样，间隔部件还具有允许可连接到或用于控制设置在组装好的机构的端部或任何部分的工具、器械或其它元件的线、其它缆索、光纤或其它元件通过的通道。在一些变型中，间隔部件和接头部件可以以与链节-接头单元类似的方式组合以形成间隔部件-接头单元。

文中使用的术语“中心部件”是指铰接机构的另一可选部件。类似于其它部件，中心部件也可选地设计成与组装好的铰接机构的其它部件包括链节部件、接头部件和间隔部件可释放地互连。当被组装时，中心部件可限定未铰接状态下的组装好的机构的纵向轴线。中间部件可用于隔离链节-接头单元对中的链节部件对，并且更通常地隔离或分隔开组装好的机构的近端和远端。中心部件可具有变化的长度，从而可根据要求改变组装好的机构的近端和远端之间的距离。中心部件还可具有变化的刚性，例如中心部件可比较硬，或者例如在并入例如内窥镜的柔性轴时可具有一定的柔性。中心部件通常但并不必须为柱形。中心部件还提供用于控制缆索的通道。通常，类似于其它部件，中心部件将包括与接纳缆索的部件的纵向轴线径向隔开的多个缆索通道。如其它部件的情况一样，中心部件可并入或与其它结构或其它结构的元件成一体地形成。例如，在玩具的情况下，中心部件可与玩具体部、形成例如各种附加物例如玩具的头部和尾部的部件的其它组合成一体地形成。

文中使用的术语“缆索组”是指操作性地连接一对链节或链节-接头单元的一个或多个缆索的集合或装置。

文中使用的术语“器械”和“工具”可互换并且是指通常被用户操纵以实现特定目的的设备。在本发明的另外的方面中，工具或器械可连接到用于各种应用的组装好的铰接机构并从该机构的一端延伸出。通常，任何这种应用包括希望将器械或工具导向到其中不易于用手进行手动导向或者否则就会带来危险的工作空间内的情况。在外科应用的情况下，外科或诊断工具的示例包括但不局限于内窥镜、光源、套管针、多普勒流量计、麦克风、探针、牵开器、解剖器、手术钉、夹持器、抓钳、剪刀或切割器，以及切除或烧灼元件。对于其它应用，同样可想到多种工具或器械，包括但不局限于例如抓持器、驱动器、动力工具、焊接器、磁体、光学透镜和观察器、电气工具、音频/视频工具、激光器、光源、监控器等。这种其它应用包括但不局限于工业应用，例如将工具、探针、传感器导向到例如收缩的空间内，或者工具的远程精确操纵例如机械的组装或维修。还包括其中工具或器械的应用的目标位置难以接近的商业和家用情况。其它情况可包括例如其中工作环境对于用户是危险的例如暴露在危险化学物质下的工作空间的工业应用。再有的情况可包括其中用户处于危险之中例如将工具或器械部署在危险或敌方位置的法律实施或军事应用。再有的使用包括其中希望对复杂的几何结构进行简单的远程操纵的应用。这些应用包括休闲、教育或娱乐中的应用，例如玩具或游戏-例如木偶、玩偶、塑像等的远程操纵或集成。工具或器械的类型、连接到组装好的铰接机构上的方法和位置，以及应用和使用包括但不局限于申请人的未决美国申请No.10/444769、No.10/928479、No.10/9489111和No.10/997372内所述的那些，这些申请全文结合在此以作参考。

转到图1A-1B，铰接机构100由许多独立的部件组装成，所述部件包括中心部件110、链节部件120、接头部件140和160以及间隔部件180组装成。链节部件、接头部件和间隔部件定位在中心部件的两侧，以形成被该中心部件分隔开的第一(或近端)区段和第二(或远端)区段。成对的链节部件通过缆索组202、204和206连接，其中每对链节部件中的构件定位在中心部件100的两侧，从而该对中的一个链节部件的运动会导致该对中另一个链节部件进行相应的运动。由于接头部件能够进行枢转运动因此这种运动是可能的。每个链节部件(直接或间接地)连接到至少一个接头部件以形成链节-接头单元。能够操纵链节部件对使得机构可容易地形成复杂的三维构型和几何形状，如下文将详细说明以及美国申请No.10/444769内总体上说明的，该申请全文结合在此以作参考。

如图2更清楚地看到的，中心部件110整体为柱形且具有两相对端部113和115，每个端部具有从该端部延伸出的多个管状突出部116。如下文将说明的，这些突出部构造成与其它部件即链节部件、接头部件或间隔部件实现搭扣配合连接。缆索通道118与该中心部件的中心轴线隔开一定的径向距离并延伸通过该部件，并且在每个端部113和115处开口。这些缆索通道允许将链节部件连接在组装好的机构的近端和远端区段上的缆索组通过。如图所示，通道118是完全封装的，但本领域技术人员应当理解，其它通道设计也将有效地起作用。在此设计中，组装好的机构的近端和远端将进行相互倒向的运动。或者，中心部件可以是空心的，并且缆索穿过任何端部处的入口并按一定路线通过中心部件的空心内部。这允许缆索在通过中心部件时扭动，从而使组装好机构的近端和远端发生其它相对的互逆(互补，reciprocal)运动。例如，180度的扭动会产生镜像的运动。根据组装好的机构的近端和远端区段之间的预期距离，可设置具有变化的长度的中心部件。或者，中心部件可包括具有预定扭曲度以实现预期的交互运动的缆索通道。中心部件通常向系统提供柔性。通过设置不同长度的中心部件，得到的组装好的机构的对应的接头部件、链节部件和/或间隔部件可相互间隔更远或更近。在中心部件和接头部件、链节部件和/或间隔部件可释放地相互连接的情况下，中心部件还使该机构易于组装，因为中心部件可以是随后部件的连接的起始点。但是应理解，只要两个链节-接头部件彼此相对地组装在一起，可在无中心部件的情况下组装铰接机构。

图3A-3B更详细地示出链节部件120。链节部件120的体部122大致为柱形并包括从体部122沿径向向外延伸的轮缘部分124。轮缘部分124包括用于接纳缆索组的延伸通过该轮缘部分的缆索通道128。如图所示，通道128也是完全封装的。同样，本领域技术人员应理解，只要能以一定路线将缆索保持在通道内，其它通道设计也可有效地起作用。另外，尽管如图所示缆索通道128位于轮缘部分124内，但是应理解，缆索通道可位于远离链节部件纵向轴线的任何径向位置，并且这种轮缘部分不是必需的。类似于中心部件110的突出部116，管状突出部126从链节部件的端部123延伸出。相对端部125包括成一体的空心管132和134，并且内部管132套在外部管134内。管状突出部126以及管132和134定向和构造成使得一个链节部件的管状突出部可被接纳在管132和134之间的空间内，从而与管132和134搭扣配合。此互锁管系统类似于用于例如互锁塑料块的系统中的互锁管系统，所述互锁塑料块例如市场上的商标为LEGO(Billund，Denmark)的塑料块。在接头和间隔部件140、160和180上同样设有具有类似尺寸的管状突出部和空心管，从而任何这样的部件都可与链节部件120连接或相互连接。中心部件110也具有类似尺寸的管状突出部，并且可同样以类似方式连接到链节部件120、接头部件140和160或间隔部件180。

图4A-4D更详细地示出接头部件140。接头部件140由铰连在一起的两部分142(图4C)和144(图4D)形成。如图所示，铰链销158使从部分142延伸出的托架157连接到从部分144延伸出的臂159，从而这些部分可围绕延伸通过该销的轴线彼此相对地枢转。或者，在托架或臂上可成一体地形成凸起部，该凸起部可被接纳在臂或托架上设置的对应的接收孔内，并且此设置同样可形成铰接关系。类似于链节部件120和中心部件110上的突出部，管状突出部146从部分142的端部143延伸出。类似于链节部件120，部分144包括空心管152和154，并且内部管152套在外部管154内。可见，外部管154形成部分144的周缘，而内部管152从横跨部分144的横杆156延伸。如前文所述的链节部件120，接头部件140可以以类似方式连接到另一类似的接头部件140或160或者链节部件110、间隔部件120和中心部件180。

图5A-5C更详细地示出接头部件160。接头部件160类似地由通过球窝接头连接的两个部分162和164形成，并且球178从部分162延伸出并接头在部分164的窝176内。球窝接头允许这两个部分沿任何方向彼此相对地枢转。管状突出部166(类似于链节部件、接头部件和中心部件110、120和140上的突出部)从部分162延伸出。部分164包括空心管172和174，并且内部管174套在外部管172内(类似于链节部件120和接头部件140的那些管)。外部管172形成部分164的周缘(类似于接头部件140)。如前文所述的链节部件和接头部件120和140，接头部件160可以以前文所述的方式连接到另一类似的接头部件160或140或者链节部件110、间隔部件120和中心部件180。

还可设想另外的接头部件，其包括但不局限于依赖于部分之间的柔性铰链的接头部件，例如申请人的未决美国申请No.10/948911中所述的接头部件，该申请全文结合在此以作参考。依赖于通过柔性铰链连接的两个部分的接头部件将围绕弯曲件弯曲或挠曲而不是枢转。本领域技术人员还应理解，现有技术已知的多种接头或接头系统可应用于本发明。

图6A-6B更详细地示出间隔部件180。间隔部件180的体部182大致为柱形，其中缆索通道188定位在距部件的中心轴线的一定径向距离处并且朝每一端183和185开口。管状突出部186从间隔部件的端部183延伸出(类似于中心部件110、链节部件120和接头部件140和160)。相对端185包括空心管192和194，并且内部管192套在外部管194内(类似于链节部件120和接头部件140、160)。

图7A-7B示出可用于连接链节部件的缆索组的缆索的替代实施例。图7A示出其两端具有较窄的颈部201和203以及端帽205和207的缆索202。比链节部件上的缆索通道宽的缆索止挡208包括槽209，并构造成搭扣配合在颈部201和203上。回到图1A-1B，可理解缆索如何连接链节部件对。缆索202、204和206具有变化的长度，并连接位于中心部件110两侧的链节部件120的分离对。每组缆索旋拧通过一个或多个链节部件120以及中心部件的缆索通道。给定缆索定位成连接一对链节部件，从而缆索的颈部201从缆索通道延伸出(沿远离中心部件的方向)。缆索止挡208然后在缆索的颈部上搭扣就位。缆索止挡208可进一步旋转，从而槽209被定向成从链节部件朝向外以避免止挡的不经意的掉落。

在图1A的组装好的机构中，每对连接的链节部件与位于中心部件110两侧的分离的部件子组件相关联，从而形成子组件对101和102、103和104、105和106。每个子组件包括建立链节-接头单元的至少一个链节部件120和至少一个接头部件140或160。子组件对的至少一对链节部件通过缆索组连接。这些子组件的链节部件和接头部件可直接相互连接，或例如通过设置一个或多个中间间隔部件而间接相互连接。链节部件、接头部件和可选的间隔部件的多种组合可形成子组件对。如图1A可见并在图1B内更清楚地看到的，子组件102由球窝接头部件160、间隔部件180和链节部件120形成。子组件104由两个连续的铰链接头部件140和链节部件120形成。子组件106由设有中间间隔部件180的两个铰链接头部件140和链节部件120形成。任何一对子组件的运动都由其对应的缆索组控制，并且与任何其它子组件对相独立。在一些变型中，例如，缆索组可包括相互隔开120度的三个缆索，但可使用其它的缆索数量和间隔构型。

由于球窝接头部件160可沿任何方向枢转，所以包括球窝接头部件160的子组件例如子组件101和102可进行三自由度运动，即上下运动、左右运动和旋转或“滚动”运动。可通过将两个(或更多)铰接的接头部件140组合成一个子组件例如子组件103、104、105和106来实现类似的运动。为了实现最大的运动自由度，至少一个铰接的接头部件140垂直于至少一个其它铰接的接头部件140，如在子组件103、104、105和106内。通过使用一组至少三个缆索来连接一对这样的子组件，该子组件可独立于任何其它子组件对地以三自由度操纵或移动。在其中可接受的移动自由度更有限的应用中，铰接的接头部件不需要垂直。在这种应用中，可利用其中两个或多个铰接的接头部件140定向为相互平行或者相互偏离0-90度的构型。或者可使用单个铰接的接头部件140，以便提供单运动自由度。

对于图1A的组装好的铰接机构，固定在给定对的近端子组件上的缆索直接通过中心部件110延伸以连接到与该对相应的远端子组件。更具体地，如已经提到的，近端和远端子组件的至少一对链节部件通过缆索组连接。近端子组件内的活动链节或链节-接头单元的运动通过远端子组件的活动链节或链节-接头单元使得远端子组件进行反向的交互运动。在中心部件的其它变型中，如前所述，缆索可在通过中心部件的同时扭动或转动180度，从而在远端镜像交互运动。本发明的组装好的铰接机构可构造成包括扭动0-360度之间任何度数的缆索以提供360度范围的交互运动。本领域技术人员可知，包括例如中心部件的机构部件可修改适应这种扭动，该修改例如为以允许缆索在通过部件时扭转的管状方式构造部件。

在图1A-1B的组装好的机构中，存在每对子组件的部件的一对一或对称的对应。这并不总是必需的，并且可存在希望子组件对具有部件的不对称设置的应用。例如，可向子组件对中的一个子组件添加额外的间隔部件，这是使机构的近端和/或远端具有额外的长度所希望。另外，在组装好的机构的一端包含额外的(或更大相对数的)间隔部件则可允许对应的另一端的移动或运动成比例地缩放。例如，在近端包含额外的间隔部件(或较大相对数的间隔部件)将需要用户在近端进行过大的运动以在远端实现预期的运动。这在其中需要精细、细致地受控运动的情况下，例如其中存在用户不具有在缺少这种远端移动或运动的成比例缩放时执行希望的过程所必需的灵巧性的情况下，是有利的。或者，可在远端设置额外的间隔部件(或较大相对数的间隔部件)，在此情况下远端的运动程度将成比例地大于近端，这也是特定应用所希望的。除上述内容外，运动或动作的成比例缩放还可通过增加或减少在近端或远端的链接或间隔部件的缆索通道图案半径来实现，如例如申请人的未决美国申请No.10/948911和No.10/928479内所述的，这些申请全文结合在此以作参考。也可通过改变链节-接头单元内的缆索通道的构型来调节缆索偏压—即提供中性的、正的或负的缆索偏压，如美国申请No.10/948911和No.10/928479内所述的，该申请全文结合在此以作参考。

尽管图1A-1B的组装好的铰接机构已示出为具有一定数量的部件和子组件，但是这仅是为了说明部件和子组件的相互关系。根据诸如预期的使用和组装好的铰接机构的期望长度的因素，可使用任意数量的部件和子组件。此外，尽管文中举例说明了链节部件、接头部件、间隔部件和中心部件的一些实施例，但是本发明的部件、系统和组装好的机构并不受此限制。例如，链节部件和接头部件可具有多种已知链接系统和如美国申请No.10/444769、No.10/928479、No.10/948911和No.10/997372内所述的链接系统的枢转或弯曲特征和特性，所述申请全文结合在此以作参考。此外，任何或所有部件还可设有允许可连接到或包括进控制工具或其它设置在机构的一端或另一端的元件的丝线、其它缆索、光纤等通过的通道，例如美国申请No.10/444769、No.10/928479、No.10/948911和No.10/997372所述的。此外，尽管在此分别说明了链接部件、接头部件、间隔部件和中心部件，但是应理解，一个或多个这种部件的各种特征可共同形成在一个部件内。例如，可一体形成链节-接头单元或间隔-接头单元。

如图1A所示，可提供具有变化的长度的不同缆索即缆索202、204和206以组装希望的铰接机构。另外，可提供如图8A-8B内所示的缆索延长器210以延长给定缆索202、204和206的长度，从而使缆索具有变化的总长度。设置缆索延长器可在组装具有变化尺寸的铰接机构时提供更大的灵活性，该变化的尺寸大于并超过基于预定长度的有限缆索组形成的铰接机构。缆索延长器210的直径与缆索202、204和206相同，并且在一个端部具有类似的颈部211和端盖215。另一个端部包括构造成接纳和保持缆索202、204和206或另一缆索延长器210的颈部和端盖的槽213和切口217。缆索止挡208类似地搭扣在颈部211上以将缆索延长器210固定在组装好的机构内的链节部件上。作为预防措施，缆索止挡可旋转，从而槽209被定向远离链节部件以进一步避免止挡的不经意的掉落。

图9A-9D示出可类似地用于组装根据本发明的机构的缆索、缆索延长器和缆索止挡系统的替代实施例。缆索222示出为以螺纹端221和223终止。缆索止挡208对应地在其内部具有螺纹，并与端部221和223螺纹接头以将缆索固定在链节部件上。缆索延长器230可用于延长缆索222的长度。缆索延长器230具有一个螺纹端231，并且另一端具有内螺纹孔233，该内螺纹孔接纳缆索232的螺纹端221或223或另一缆索延长器230的螺纹端231(如图9D所示)。缆索222用作起动器缆索，该缆索可沿任何方向延长。当此系统的缆索用于在组装好的机构内连接链节部件时，可通过旋松或旋紧螺纹连接在缆索上的缆索止挡228来调节任何给定连接缆索的总有效张力，从而增加或减小给定缆索内的张紧或松弛度，这有助于例如适应部件的变化的公差。在另外的实施例中，缆索或缆索延长器可直接螺纹连接到具有对应内螺纹孔的机构部件内。另外的连接缆索延长器和缆索以及缆索和缆索止挡的方法对于本领域的技术人员是显而易见的。例如，缆索止挡可具有传统缆索固定头或球状固定头的头部形状，缆索上的凹口或球珠接头该头部以将缆索连接到链节或其它部件。在其它情况中，可通过将缆索粘合或胶合在缆索止挡或链节或其它部件上或缆索通道本身内而将缆索固定到缆索止挡或链节或其它部件。在此情况中，可断开粘合或切断缆索来释放和拆卸所形成的机构。在所有情况中，缆索止挡可附装到或一体形成到链节或其它部件上。

为了提供最大程度的灵活性，可将给定系统的链节部件、接头部件和间隔部件的尺寸形成为单一的长度标准，并且对应的最初的起动器缆索和缆索延长器将相对于部件标准成比例地设定尺寸。中心部件的大小可形成为多个链节、接头和间隔标准。在这种系统中，可存在多种部件构型，并且对于每种构型，可组装合适长度的缆索以连接链节部件对。

图10A-10C示出构造成调节组装好的机构的所有缆索的张力的根据本发明的中心部件的另一实施例。中心部件310包括第一和第二区段312和314。区段312包括左旋螺纹段317，而区段314包括右旋螺纹段319。这些螺纹段螺纹连接到中心螺母320上。类似于中心部件110的部分，区段312和314还包括分别从该区段312和314的端部313和315延伸出的管状突出部316，从而中心部件310可同样与链节部件120、接头部件140、160和间隔部件180接头。可类似地设置缆索通道318以用于接纳连接缆索并使之通过。当结合进组装好的机构时，螺母320相对于区段312和314的旋转使得区段平移以增加或减小部件310的长度，从而总体上增加或减小连接的缆索组的张力。区段312和314还可构造成例如通过螺纹区段的相对端上的对应凸起部和凹穴接头面来阻止彼此相对旋转。这种构型将避免在螺母320旋转时向组装好的缆索上施加不适当的扭力。

中心部件通常为系统提供柔性。通过设置不同长度的中心部件，得到的组装好的机构可具有它们相应的分隔更远或更靠近的接头部件对、链节部件对和/或间隔部件对。中心部件还使得在中心部件和接头部件、链节部件和/或间隔部件可释放地相互连接的情况下得到的机构更容易组装，因为中心部件可以是随后的部件的连接起始点。但是应理解，只要至少两个铰链接头部件彼此相对地组装，则可在无中心部件的情况下组装铰接机构。

图11A-11B示出根据本发明的链节部件的另一实施例。链节部件420在一些方面与链节部件120相同。类似于链节部件120，链节部件420同样包括体部422，该体部422大致为柱形并且具有从该体部422沿径向向外延伸的轮缘部分424。轮缘部分424包括延伸通过轮缘部分以用于接纳缆索组的缆索通道428。链节部件420具有六角形凸起部426而不是互锁的管状系统，该凸起部从端部423延伸出并构造成被接纳在另一链节部件420的相对端425的凹腔432内。可在中心部件、接头部件和间隔部件上设置类似的六角形凸起部和凹腔，从而部件可相容以便组装在一起。还可使用其它几何形状的凸起部和凹腔样式。在这种系统中，在组装时通过连接缆索提供的张力可保持部件相互接触。或者，例如通过将凸起部构造成具有稍大的尺寸并且在凹腔壁设置应力解除切口来使部件容易地转变成可释放地相互连接。这将在部件之间形成搭扣配合连接。链节部件420还包括从体部422径向延伸出的由叉齿436和438形成的缆索锚固器。叉齿436和438定位成围住缆索通道，从而从缆索通道出现的缆索可被压在叉齿之间并将缆索固定在链节部件上。叉齿包括倒角437、439以帮助在叉齿之间引导缆索。图12A-12B尤其详细地示出缆索402如何被旋拧通过通道428并然后压配合在叉齿436和438之间以将缆索固定在链节部件上。从而，缆索的拉紧或松弛可被单独控制。还可提供另外的沿其它指向的叉齿以实现另外的保护。链节部件420可设计成具有用于固定三个分离的缆索的三组叉齿，但是对于本领域技术人员显而易见的，可设想多种不同设置的叉齿和对应的缆索通道。还可见，凹腔432构造成接纳具有相对于第一链节部件420旋转不同角度的六角形凸起部的另一部件。这使得在组装好的机构中链节部件相互对齐，从而给定链节部件上的一组叉齿可固定缆索，而相同组件内的其它链节部件定位成使得固定的缆索通过不与叉齿相关联的通道。

图13A-13C示出根据本发明的链节部件的另一实施例。链节部件520包括体部522，该体部同样大致为柱形并具有从体部522沿径向向外延伸出的轮缘部分524。轮缘部分524包括延伸通过该轮缘部分以用于接纳缆索组的缆索通道528。Y形凸起部526从端部523延伸出，并构造成被接纳在第二链节部件520的相对端525的凹腔532内。同样，可在相应的中心部件、接头部件和间隔部件上设置类似的Y形凸起部和相应的凹腔。还应理解，凹腔将接纳相对于链节部件的Y形凸起部的方向旋转不同角度的Y形凸起部。Y形凸起部和相应的凹腔可构造成可释放地连接或仅是靠接。链节部件520还包括由导向托架536形成的缆索锚固器，该导向托架从体部522径向延伸出并限定被托架536和体部522的外壁围绕的导向通道538。导向托架536定位成围住缆索通道528，从而从缆索通道露出的缆索将被接纳通过导向通道538。位于导向通道538内的突尖537从体部522的外壁以远离缆索通道528的成角度的方向延伸出。突尖537偏转以允许缆索沿远离缆索通道528的方向通过导向通道538，但是接头这种缆索并阻止缆索沿反方向移动。链节部件520示出用于固定三个分离的缆索的三个托架536，但同样对于本领域技术人员显而易见的，可设想托架和相应缆索通道的多种不同设置。在组装好的机构中，给定链节部件上的托架导向器可固定缆索，而相同组件内的其它链节部件可定位成使得被固定的缆索通过不与托架导向器相关联的通道。为了拆卸使用这种链节部件的机构，可简单地将突尖压低以释放缆索。本领域技术人员应理解，存在许多其它的将缆索快速固定在链节部件上以及从其上释放的方法，包括例如在接纳并固定缆索的链节部件上设置一个或多个枢转夹板或凸轮夹板。其它的将缆索固定在链节部件上的方法包括设置类似的具有定位螺钉的导架，该定位螺钉可被旋拧通过托架以将缆索压在部件上。

图14A-14C内所示的链节部件620类似于链节部件520，但由两个分离的部分形成，这允许更方便地相对于希望的缆索通道定位导架并且使得易于制造。链节部件620包括体部622和从体部沿径向向外延伸的轮缘部分624，该轮缘部分具有延伸通过轮缘部分以用于接纳缆索组的缆索通道628。体部622还包括围绕体部622的周缘设置的一连串纵向延伸的凹槽631。环634套在体部622上，并包括在环的内部延伸且配合凹槽633的舌片635。舌片-凹槽配合相对于体部622将环锁定就位。在环634的外部存在由类似于导架536的导架636形成的缆索锚固器。每个导架限定用于接纳缆索的导向通道638，并包括位于导向通道638内且从环634的外壁延伸出的突尖637。环634装在体部622上，从而突尖位于远离缆索通道628的成角度方向上，且以与上述方式相同的方式操作以保持通过导向通道的缆索。除导架636外，环634也可包括叉齿、夹板或现有技术已知的任何其它快速连接方法。

如前文提到的，本发明的部件可容易地组装以形成具有多种长度和特征的定制铰接机构。此外，通过实现连接缆索的可释放连接，这种机构可被快速和容易地组装和拆卸。对于设计成可释放地相互链接的部件，首先使部件相互连接成希望的构型，然后将每个链节部件的相关联缆索旋拧通过连接的部件并紧靠每对的链节部件固定以操作地连接该链节部件对。或者，当部件设计成仅相互靠接或相互配合时，可较容易地将缆索或缆索组简单地固定在端部链节部件上，然后将另外的部件串接在缆索上，在添加新的链节部件时添加新缆索或缆索组。一旦所有的部件都串接在缆索上，则还可以以上述各种方式相对于链节部件固定和拉紧缆索。设置与部件成一体地形成的用于可释放地固定和拉紧缆索的缆索锚固器可进一步帮助容易地组装。

可释放地相互连接的部件具有能够从这些部件沿组装好的机构传递转矩的优点。还可使用其它传递转矩的方法，如例如图11-14中所示的包括凸起部和相应凹腔的部件，成滑动配合设置的相互紧靠的部件可传递转矩。其它方法包括修改链节以使其包括转矩传递部件，例如美国申请No.10/948911和No.10/997372内所述的部件，这些申请全文结合在此以作参考。

与上述考虑一致，链节部件、接头部件、间隔部件和中心部件还可为用途规定的任何尺寸和形状。对于外科应用，链节的尺寸和形状通常依赖于诸如患者年龄、所关心区域的解剖、预期应用和医生偏好的因素。该部件通常但并不必须为柱形，并且如前文提到的，中心部件、链节部件和间隔部件可包括用于连接链节部件对的缆索的通道。部件还可具有另外的用于另外的缆索、丝线、光纤或与结合组装好的机构使用的预期工具或器械相关联的其它类似元件通过的通道。缆索通道的直径或宽度在非圆形通道的情况下通常稍大于缆索的直径，从而形成滑动配合。根据应用场合，部件的直径通常为约0.5mm到约15mm。对于内窥镜/腹腔镜应用，代表性直径对于小型内窥镜/腹腔镜器械可为约2mm到约3mm，对于中等尺寸的内窥镜/腹腔镜器械可为约5mm到约7mm，而对于大型内窥镜/腹腔镜器械可为约10mm到约15mm。对于导液管应用场合，直径可为约1mm到约5mm。部件的总长度通常可根据部件之间希望的弯曲半径改变。工业、军事、消费、教育、娱乐或玩具应用希望较大的尺寸。

各个部件可由现有技术已知的且可根据应用改变的多种材料形成。为易于制造，可使用可注射成型的聚合物，包括例如聚乙烯或其共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯或其共聚物、尼龙、聚硅氧烷、聚氨酯、含氟聚合物、聚乙烯(乙烯基氯)和它们的组合，或者现有技术已知的其它合适材料。

对于外科应用，如果希望有助于组装好的铰接机构前进则可在部件上设置光滑的涂层。光滑涂层可包括亲水聚合物例如聚乙烯吡咯烷酮、含氟聚合物例如四氟乙烯或聚硅氧烷。一个或多个部件上可包含不透射线的标记以在射线照相成像时指示组装好的铰接机构的位置。通常，可通过荧光检查来检测该标记。

缆索直径可根据应用改变。通常对于外科应用，缆索直径可在约0.15mm到约3mm的范围内。对于导液管应用，代表性直径可在约0.15mm到约0.75mm的范围内。对于内窥镜/腹腔镜应用，代表性直径可在约0.5mm到约3mm的范围内。

缆索柔性例如可通过缆索材料的类型和织法或通过物理或化学处理来改变。通常，可根据铰接机构的预期应用的要求来改变缆索硬度或柔性。缆索可以是由以下材料制成的单股或多股丝线，所述材料包括但不局限于生物适应性材料例如镍钛合金、不锈钢或任何其合金、超弹性合金、碳纤维、聚合物例如聚乙烯(乙烯基氯)、聚氧化乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和其它聚酯、聚烯烃、聚丙烯以及它们的共聚物，尼龙，丝和它们的组合，或者现有技术已知的其它合适材料。

组装好的铰接机构的自然构型通常为直线。如果在组装好的铰接机构的远端希望保持一定的弯曲或其它复杂构型，则可根据例如申请人的未决美国申请No.10/444769、No.10/928479和No.10/948911内所述的方式将机构“锁定”就位，这些申请全文结合在此以作参考。

Claims (30)

1.一种用于组装铰接机构的系统，该系统包括：

两个或多个链节部件以及两个或多个接头部件，每个链节部件还包括用于接纳一个或多个缆索的通道，每个接头部件还能够进行枢转或弯曲运动；

一个或多个缆索，该缆索适于被接纳通过链节部件的通道且可释放地固定在链节部件上，以便操作性地使一个链节部件与另一个链节部件相连接以形成链节部件对。

2.根据权利要求1的系统，其特征在于，链接部件和接头部件适于可释放地相互连接。

3.根据权利要求1的系统，其特征在于，该系统还包括中心部件。

4.根据权利要求3的系统，其特征在于，链节部件、接头部件和中心部件适于可释放地相互连接。

5.根据权利要求1的系统，其特征在于，该系统还包括一个或多个间隔部件。

6.根据权利要求5的系统，其特征在于，链节部件、接头部件和间隔部件适于可释放地相互连接。

7.根据权利要求3的系统，其特征在于，中心部件构造成沿其长度膨胀或收缩。

8.根据权利要求7的系统，其特征在于，中心部件还包括第一区段和第二区段以及中心螺母，该第一和第二区段具有带螺纹的部分，该中心螺母具有与所述带螺纹的部分接合的对应带螺纹部分。

9.根据权利要求1的系统，其特征在于，该系统还包括能可释放地固定在缆索的端部上的一个或多个缆索止挡。

10.根据权利要求1的系统，其特征在于，缆索还包括能彼此连接以得到具有变化的长度的缆索的多个缆索节段。

11.根据权利要求1的系统，其特征在于，链节部件还包括构造成接纳和可释放地固定缆索的缆索锚固器。

12.根据权利要求11的系统，其特征在于，缆索锚固器适于通过压配合固定缆索。

13.根据权利要求11的系统，其特征在于，缆索锚固器构造成允许缆索沿一个方向通过而限制缆索沿相反方向运动。

14.一种铰接机构，该铰接机构包括：

两个或多个链节部件以及两个或多个接头部件，每个链节部件包括用于接纳一个或多个缆索的通道，每个接头部件还能进行枢转或弯曲运动，其中每个链节和接头部件相互关联以形成链节-接头单元；

一个或多个缆索，该缆索可释放地固定在一个链节-接头单元的链节部件以及另一链节-接头单元的链节部件上以形成连接的链节部件对，从而该链节部件对中的一个链节部件的运动可导致该对中的另一个链节部件进行相关运动。

15.根据权利要求14的铰接机构，其特征在于，该铰接机构还包括设置在至少两个链节-接头单元之间的中心部件。

16.根据权利要求15的铰接机构，其特征在于，链节、接头和中心部件可释放地连接在一起。

17.根据权利要求14的铰接机构，其特征在于，该铰接机构还包括一个或多个间隔部件。

18.根据权利要求17的铰接机构，其特征在于，间隔部件、链节部件和接头部件可释放地连接在一起。

19.根据权利要求15的铰接机构，其特征在于，该中心部件构造成沿其长度膨胀或收缩。

20.根据权利要求19的铰接机构，其特征在于，该中心部件还包括第一区段和第二区段以及中心螺母，该第一和第二区段具有带螺纹的部分，该中心螺母具有与所述带螺纹的部分接合的对应带螺纹部分。

21.根据权利要求14的铰接机构，其特征在于，该铰接机构还包括可释放地固定在缆索的端部上的一个或多个缆索止挡。

22.根据权利要求14的铰接机构，其特征在于，缆索还包括连接在一起的多个缆索节段。

23.根据权利要求14的铰接机构，其特征在于，链节部件还包括可释放地固定一个或多个缆索的缆索锚固器。

24.根据权利要求23的铰接机构，其特征在于，缆索锚固器适于通过压配合固定一个或多个缆索。

25.根据权利要求23的铰接机构，其特征在于，缆索锚固器允许缆索沿一个方向运动而限制缆索沿相反方向运动。

26.根据权利要求23的铰接机构，其特征在于，缆索锚固器带有螺纹以便接纳具有对应螺纹的缆索。

27.一种用于结合进铰接机构的链节部件，该链节部件包括构造成可释放地固定缆索的缆索锚固器。

28.根据权利要求27的链节部件，其特征在于，缆索锚固器构造成通过压配合可释放地固定缆索。

29.根据权利要求27的链节部件，其特征在于，缆索锚固器允许缆索沿一个方向运动而限制缆索沿相反方向运动。

30.根据权利要求27的链节部件，其特征在于，缆索锚固器带有螺纹以便接纳具有对应螺纹的缆索。

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