具有有源偏置的恒定力弹簧的制作方法

本申请涉及并且要求于2014年3月17日提交的题为“CONSTANT FORCE SPRING WITH ACTIVE BIAS”的美国临时申请No.61/954,452和于2014年6月30日提交的题为“CONSTANT FORCE SPRING WITH ACTIVE BIAS”的美国临时申请No.62/019,311的优先权，所述每个申请通过引用以其整体并入本文并为所有目的。

技术领域

本发明的实施例涉及恒定力弹簧领域的领域；并且更具体地涉及具有有源偏置(active bias)的恒定力弹簧，用于在可调高度处支撑外科手术器械。

背景技术：

微创医疗技术已经被用于减少在诊断或外科手术程序期间被损坏的外部组织的量，由此减少患者的康复时间、不适和有害的副作用。传统形式的微创手术包括内窥镜。内窥镜较常见的形式之一为腹腔镜，其是在腹腔内的微创检查或手术。在传统的腹腔镜手术中，患者的腹腔被吹入气体并且套管穿过患者腹部的肌肉组织中的小(大约为11/4cm)切口，以提供腹腔镜外科手术器械可以用封闭方式被穿过的入口。

这些腹腔镜外科手术器械通常包括用于观看外科手术视野的腹腔镜和限定末端执行器的工作工具。典型的外科手术末端执行器包括例如夹钳、抓紧器、剪刀、缝合器和持针器。除了例如每个工具的工作末端或末端执行器通过大约为30cm的伸长管与其手柄分开，这些工作工具与常规(开放(open))手术中使用的工具相似，以便允许操作者将末端执行器引入外科手术部位并且从患者体外控制该末端执行器相对于外科手术部位的移动。

为了提供对工作工具的改进的控制，使用遥控(teleoperated)致动器控制器械可以是可期望的。外科医生可以操作控制台上的控制来间接操纵与遥控致动器连接的器械。该器械与遥控制动器可拆卸地耦连，使得器械可以单独被消毒并且被选择用作要执行的外科手术程序需要的器械。在手术过程期间器械可以被改变。

使用遥控致动器械执行手术产生新的挑战。一个此类挑战是提供遥控马达机构，该马达机构支撑可以相对于患者被定位的遥控致动外科手术器械。这些机构相当沉重，可能重达12至24千克。这些机构必须被移动在患者上方并且被小心安置。因此需要平衡外科手术器械、相关的致动器和支撑结构，使得外科手术器械可以被安全地且容易地放置。由于不同的外科手术器械可能具有不同的重量，所以平衡变得更加困难。

将期望提供一种平衡外科手术器械、其相关致动器和支撑结构的方法，该方法对于不同重量的可变换外科手术器械是有效的。

技术实现要素：

一种补偿恒定力弹簧装置包括支架、由支架支撑可旋转的卷筒、以及缠绕在该卷筒上的恒定力弹簧。马达被固定到支架并且向卷筒提供补偿力。马达可以位于卷筒的内部体积中。控制模块可以耦连至马达以控制补偿力。位置传感器可以被耦连至控制模块。补偿力可以响应于来自位置传感器的信号。恒定力弹簧可以支撑负载并且平衡负载上的重力。当负载接近行程范围的端时，补偿力可以被调节。

本发明的其他特征和优点根据以下的附图和详细描述将变得清楚。

附图说明

参考以下描述和附图可以最佳地理解本发明，所述描述和附图以举例方式而非限制方式示出本发明的多个实施例。在附图中，其中类似的附图标记指示类似的元件。

图1是遥控手术系统的说明性患者侧部分100的图。

图2是用于与遥控致动器一起使用的外科手术器械的侧视图。

图3是用于外科手术器械的安装接头的侧视图。

图4是图3所示的安装接头被去除外壳的侧视图。

图5是图4所示的安装接头的一部分的透视图。

图6是恒定力弹簧组件的透视图。

图7是图6所示的恒定力弹簧组件的一部分的分解透视图。

图8是沿图6中线8--8所截取的恒定力弹簧组件的一部分的横截面图。

图9是具有安装接头的附加部件的恒定力弹簧组件的透视图。

具体实施方式

在下述描述中，阐述了许多具体细节。然而，应理解的是，可以在不具有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，没有对众所周知的电路、结构和技术进行详细描述以便不模糊对该描述的理解。

在以下描述中，对多幅附图进行参考，这些附图示出本发明的多个实施例。应理解的是，可以使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下对机械组成、结构、电气和操作进行改变。以下详细描述不应以限制的含义来理解，并且本发明的实施例的范围仅由发布专利的权利要求书来限定。

本文使用的术语仅为描述具体实施例的目的，并不意在限制本发明。空间上相关术语，例如“下面”、“之下”、“下部”、“之上”、“上部”等在此为容易描述而使用，以如图中所示地描述一个元件或特征件相对于(多个)另外元件或(多个)特征件的关系。可以理解，空间上相关术语意在包含除了附图中所示的取向以外装置在使用或操作中的不同的取向。例如，如果附图中的设备被翻转，则描述为在其他元件或特征件“之下”或“下面”的元件将被取向成在所述其他元件或特征件的“之上”。因此，示例性术语“之下”可以包含之上和之下取向二者。可以按其他方式取向设备(例如，旋转90度或处于其他取向)并且本文使用的空间相关描述符相应地被解释。

本文使用的单数形式“一个”、“一”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另外指出。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他功能、步骤、操作、元件、部件和/或其组。

图1是根据本发明的实施例的遥控外科手术系统的说明性患者侧(patient-side)部分100的图。患者侧部分100包括支撑组件110和在每个支撑组件末端的一个或多个外科手术器械操纵器112。这些支撑组件可选地包括一个或多个无动力的、可锁紧的安装接头，所述接头被用于参照手术患者定位(多个)外科手术器械操纵器112。如上所述，该患者侧部分100搁置在地板上。在其他实施例中，该患者侧部分可以被安装到墙、天花板、还支撑患者身体122的操作台126或其他手术室装配。进一步地，尽管患者侧部分100被示出包含四个操作器112，但是更多或更少的操作器112可以被使用。更进一步地，如所示，患者侧部分100可以包括单个组件，或者患者侧部分可以包括两个或多个独立组件，每个以多种可能的方式可选地被安装。

每个外科手术器械操纵器112支撑一个或多个外科手术器械120，所述外科手术器械120在患者体122内的手术部位操作。每个操纵器112可以以多种形式被提供，这些形式允许相关联的外科手术器械利用一个或多个机械自由度移动(例如，全部六个笛卡尔(Cartesian)自由度、五个或更少笛卡尔自由度等)。通常，机械或控制约束限制每个操纵器112在相对患者保持静止的器械上围绕运动中心移动其相关联的外科手术器械，并且该运动中心通常位于器械进入体内的位置处。

术语“外科手术器械”在此用于描述被配置成被插入患者体内并且被用于进行手术或诊断程序的医疗装置。外科手术器械通常包括与一个或多个手术任务相关联的末端执行器，例如钳子、针驱动器、大剪刀、双极烧灼器、组织稳定器或牵开器、施夹器、吻合装置、成像装置(例如，内窥镜或超声探头)等。与本发明的实施例一起使用的一些外科手术器械进一步提供用于末端执行器的铰接支撑件(有时被称为“腕件”)，使得末端执行器的位置和取向可以利用相对于器械轴的一个或多个机械自由度来操纵。进一步，许多手术末端执行器包括功能机械自由度，例如开启或关闭的夹爪或沿路径平移的刀具。外科手术器械还可以包括可以是永久的或可以是可被外科手术系统更新的存储(例如，在器械内部的半导体存储器上)信息。因此，该系统可以在器械与一个或多个系统部件之间提供单向或双向信息通信。

功能遥控手术系统通常包括视觉系统部分(未示出)，该视觉系统部分使操作者能够从患者体122外观察手术部位。视觉系统通常包括具有视频图像捕获功能128(“摄像机器械”)的外科手术器械和用于显示捕获图像的一个或多个视频显示器。在一些外科手术系统配置中，摄像机器械128包括在患者体122外将图像从摄像机器械128的远端传递至一个或多个成像传感器(例如，CCD或CMOS传感器)的光学器件。可替代地，(多个)成像传感器可以被置于摄像机器械128的远端，并且由(多个)成像传感器产生的信号可以沿着导线或无线地被传送，用于处理并在视频显示器上显示。说明性视频显示器是由加利福尼亚州桑尼维尔市的直观外科手术公司商品化的外科手术系统中在外科医生的控制台上的立体显示器。

功能遥控外科手术系统将进一步包括用于控制当器械在患者体内时外科手术器械120的移动的控制系统部分(未示出)。控制系统部分可以位于外科手术系统中的单个位置，或者它可以分布在系统中的两个或多个位置处(例如，控制系统部分部件可以在系统的患者侧部分100、专用系统控制台或者单独的设备架中)。遥控主/从控制可以用多种方式实现，取决于期望的控制程度、受控外科手术组件的尺寸以及其他因素。在一些实施例中，控制系统部分包括一个或多个手动操作的输入装置，例如操纵杆、外骨骼手套、有动力且重力补偿的操纵器等。这些输入装置控制遥控马达，所述马达进而控制外科手术器械的移动。

由遥控马达产生的力经由传动机构传递，所述传动机构将来自遥控马达的力传送至外科手术器械120。在一些远程外科手术实施例中，控制(多个)操纵器的输入装置可以被设置在远离患者或在患者所在的房间的内部或外部。然后，来自输入装置的输入信号被传送至控制系统部分。熟悉远程操纵、远程操作和临场感外科(telepresence surgery)的人将知晓此类系统及其部件，诸如由直观外科手术公司商品化的da外科手术系统、最初由Computer Motion公司制造的外科手术系统以及此类系统的各种说明性的部件。

如图所示，外科手术器械120和可选的进入引导件124(例如，患者腹部中的套管)二者可移除地耦连至操纵器112的远端，其中外科手术器械120被插入通过进入引导件124。操纵器112中的遥控致动器移动作为整体的外科手术器械112。操纵器112进一步包括器械托架(carriage)130。外科手术器械120可拆卸地连接至托架130。容纳在托架130内的遥控致动器提供多个控制器运动，外科手术器械120将所述多个控制器运动转化成在外科手术器械上的末端执行器的各种移动。因此，托架130中的遥控致动器仅移动外科手术器械120的一个或多个部件而非器械整体。控制器械整体或器械的部件的输入是这样的，即由外科医生向控制系统部分提供的输入(“主”命令)由外科手术器械转化成对应的动作(“从”响应)。

图2是该外科手术器械120的说明性实施例的侧视图，该外科手术器械包括远侧部分250和通过伸长管210耦连的近侧控制机构240。外科手术器械120的远侧部分250可以提供多种末端执行器中的任何末端执行器，例如所示的钳子254、针驱动器、烧灼装置、切割工具、成像装置(例如，腹腔镜或超声探头)、或包括两个或多个各种工具和成像装置的组合的组合装置。在示出的实施例中，末端执行器254通过“腕件”252耦连至伸长管210，该“腕件”252允许末端执行器的取向相对于器械管210被操纵。

再次参照图1，外科手术器械120、其相关致动器130和支撑结构可以由可延伸支撑件110竖直地支撑。

图3是可延伸支撑件110的侧视图。竖直柱300从外壳垂下。臂304由竖直柱300的下端306支撑。臂进而支撑外科手术操纵器和其相关联的遥控致动器。外科手术器械可以耦连至外科手术操纵器并且进而由臂304和竖直柱300支撑。

图4为图3所示的可延伸支撑件110从外壳移除盖302的侧视图。竖直柱300的上端410耦连至滑动组件例如导轨408和托架406组件，该滑动组件允许竖直柱上下移动以调节在患者上方的外科手术操纵器的高度。

图5是图4所示的可延伸支撑件的外壳部分的透视图。一些部件已经被移除以便允许导轨408和托架406组件更清楚地被看见。

再次参照图4，恒定力弹簧400在恒定力弹簧的下端402处耦连至竖直柱300。恒定力弹簧400围绕卷筒(drum)404被卷起，所述卷筒由可延伸支撑组件110的上端支撑。恒定力弹簧抵消作用在竖直柱300和其支撑的包括外科手术器械的结构上的重力。

恒定力弹簧可以被构造为弹簧钢的卷带，使得当弹簧与被延伸相反而被卷起时，弹簧在较低应力状态下是松弛的。当弹簧展开时，回复力主要来自接近松弛弹簧卷的带的部分。具体地，该力来自从圆形被过渡为平坦的区域。没有力来自完全展开或仍然卷在卷筒上的部分。因为该区域的几何形状随着弹簧展开保持几乎恒定，所以产生的力是几乎恒定的。自缩回钢卷尺是恒定力弹簧的示例。尽管恒定力弹簧400提供了几乎恒定的平衡力以支撑竖直柱300和附连的结构，但是将期望提供比可以单独利用恒定力弹簧所实现的平衡力更恒定的并且可以补偿不同支撑重量的平衡力。

图6是图4所示的恒定力弹簧400的透视图。支架600、602、604由可延伸支撑组件110的上端支撑。支架可旋转地支撑恒定力弹簧400围绕其卷起的卷筒404。恒定力弹簧400可以通过当恒定力弹簧尝试完全卷起至小于卷筒直径的放松直径时在卷筒表面与恒定力弹簧之间产生的摩擦力被固定到卷筒。

图7是图5所示的恒定力弹簧组件的卷筒部分的分解视图。包括轴向支撑件700的板被固定到支架的一侧604，所述轴向支撑件从可延伸支撑组件110的上端支撑卷筒404。轴向支撑件700可以提供可旋转地支撑卷筒404的轴承。恒定力弹簧组件包括马达710，该马达可以为无刷直流(DC)马达，其具有定子702和转子706，该转子706提供使卷筒404旋转的有源(active)旋转力。由马达提供的力被转化成作用在竖直柱300上的线性力。由马达提供的扭矩被转化成跨越(across)恒定力弹簧的作用在竖直柱300上的线性力。由马达提供的扭矩可以增加到由恒定力弹簧400提供的平衡力或从恒定力弹簧400提供的平衡力减去。

马达包括固定到支撑卷筒404的支架的第二侧602的定子702。轴承708可以由马达定子的部分704支撑以向卷筒404提供可旋转支撑。马达进一步包括转子706，该转子被固定到卷筒404。

图8是沿图6所示的剖面线8--8所截取的恒定力弹簧组件的卷筒部分的横截面图。在该图中可以看出，支架600、602、604和马达定子702一起被固定为一个子组件。支架和马达为固定在一起作为第二子组件的旋转卷筒404和马达转子706提供地面参照。

由支架604上的轴向支撑件700支撑的第一轴承800支撑卷筒404的封闭端。向卷筒404提供封闭端可以增加卷筒强度，使得当恒定力弹簧在与马达装配前卷起到卷筒时，卷筒可以支撑恒定力弹簧400的轧制力。由马达定子702上的肩形件704支撑的第二轴承708支撑卷筒404的开口端。因此卷筒404和马达转子706由轴承708、800支撑，所述轴承进而由接地支架600、602、604和马达定子702支撑。因此，马达710位于卷筒404的内部体积712中。在其他实施方案中，可以使用其他布置以相对于支架和马达定子可旋转地支撑卷筒和马达转子。

在其他实施例中，马达可以被设置在除支撑恒定力弹簧的卷筒的内部体积之外的位置中。例如，马达的转子可以通过直接耦连至同轴卷筒的轴被延伸。可替代地，转轴和马达可以不是同轴的并且马达转子可以通过诸如带、齿轮和/或链条和链轮驱动等机械传动装置被耦连至卷筒。将已被识别为电机转子的部件固定至支架并且将卷筒耦连至已被识别为电机定子的部件也是可能的。在此配置中，马达的外部部分(part)和耦连的卷筒围绕马达的内部部分旋转。

将认识到，恒定力弹簧可以由平带替代并且马达可以提供力以平衡作用在竖直柱300和其支撑的包括外科手术器械的结构上的重力。但是，这将要求相当大的马达和大量的电流量来支撑可能重达12至24千克的机构。通过提供恒定力弹簧作为在机动化卷筒与负载之间的耦连，恒定力弹簧提供支撑负载所需的大多数力。马达提供校正负载可变性和由恒定力弹簧提供的力的不规则性的偏置力。

在一个实施例中，恒定力弹簧被设置大小以提供比支撑最重负载所需的力稍微多的力。因此，恒定力弹簧将总是提起负载。马达被用于提供可控的向下的力，该力作用以抵抗由恒定力弹簧提供的力，从而为竖直柱和其支撑的结构提供“中性浮力(neutral buoyancy)”。

图9是具有示出的附加部件的图6所示的恒定力弹簧400的透视图。如之前所讨论的，竖直柱可以由导轨408和托架406组件支撑。制动器可以被提供以将竖直柱保持在固定位置，使得当竖直柱的位置不被改变时不需要动力(power)。制动器可以是以下形式：在固定位置夹紧恒定力弹簧的延伸部分的制动器、阻止卷筒旋转的制动器，或阻止竖直柱移动的制动器，诸如示出的利用磁性制动蹄(brake shoe)906磁性地抓紧电枢(armature)904的磁性制动器。

马达包括主传感器912，该主传感器是为马达提供绝对旋转位置的旋转传感器。主传感器的一个部分被安装在马达转子上。主传感器的另一个部分被安装到例如马达定子的机械接地(ground)。主传感器被耦连至控制模块914，该控制模块914向马达提供控制电流以提供来自马达的期望的运动和扭矩。主传感器被用于马达换向(commutation)和轴速率控制。

次传感器900、902可以被设置以向控制模块914提供竖直柱位置的数据。次传感器900、902可以被安装到支撑竖直柱的托架和机械接地诸如支撑托架在其上滑动的静止轨道408的框架。次传感器900、902提供绝对的线性位置。

次传感器900、902提供主传感器912的备份。可以比较来自两个传感器的读数以确认由次传感器900、902感测的竖直柱正在基于由主传感器912感测的马达的旋转而预期地移动。

次绝对位置传感器900、902可以被用于周期性地校准用于补偿由恒定力弹簧400提供的力的不规则性和用于补偿由于延长使用而导致的弹簧疲劳所需要的力。校准例程将次传感器900、902与马达和主马达传感器912结合使用。因为恒定力弹簧400的有效半径是放松(pay out)多少的函数，主传感器与次传感器之间的比率是可变的。在校准中考虑这种可变比率。通常偶尔将需要此类校准。

由竖直柱支撑的器械可以设置有机器可读识别，该机器可读识别使控制模块914能够确定通过器械添加至竖直柱的重量。机器可读识别可以直接地或参照器械信息数据库提供针对器械类型的大体上的重量或者针对单独的器械提供具体重量。控制模块914能够调整提供到马达的电流以提供来自马达的期望的力，从而补偿安装的外科手术器械的重量。

导轨408和托架406组件包括阻止托架从导轨脱出的机械限位器。机械限位器可以包括橡胶缓冲器908，该橡胶缓冲器仅使用可能为1至1.5mm的少量材料变形而限定托架动作。机械限位器也可以包括弹簧限位器910，该弹簧限位器在提供更大的屈服(yield)量(可能为3至3.5mm)的同时限制托架运动。将理解的是，即使是弹簧限位器910也可以在某种程度上突然地使托架停止。

可期望的是，在手术台126活动期间在托架406的运动范围的端处提供某种低顺应性移动。如果托架406位于其运动范围的端处，手术台406运动可以是不可能的。如果在手术台126运动期间托架406到达机械限位器908、910处，移动手术台的能力进一步被消除。弹簧柱塞(plunger)910可以被允许使托架406脱离机械限位器908、910的限制以将托架停靠在允许托架在两个方向上进行低顺应性移动的位置处。可期望的是提供使托架保持在固定位置的机械制动器。当弹簧柱塞910被按下时，可以通过阻止制动器应用的软件控制来应用制动器。因此，软件系统使弹簧柱塞910在应用制动器之前将托架406从机械限位器908、910中脱离。

控制模块914可以使用马达抵抗朝向行程范围的端的移动并且将托架置于距限位器较大距离处以避免托架突然停止移动。控制软件实施的限位器可以逐步增加将托架组件移动越过托架行程范围的端所需要的力，可能最终超过托架行程的12至20mm。由马达提供的用于抵抗运动通过托架行程范围的端而增加的力可以非线性地被施加以利用期望的减速轮廓使托架停止。软件实施的限位器可以提供从范围开始处的零力逐渐增加的力，这利用机械限位器可能很难实施。

尽管某些示例性实施例已被描述并且在附图中被示出，但是将理解的是，此类实施例仅是说明性的而非对广义本发明的限定，并且本发明不限于示出并描述的特定构造和设置，因为对于本领域技术人员而言，各种其他的修改可以出现。因此，该描述被视为说明性的而非限制性的。