专利名称：动力信号控制的手动铰接装置及使用方法
动カ信号控制的手动铰接装置及使用方法本申请要求2010年I月26日提交的美国临时申请No. 61/298,317的优先权，此处以參引的方式将该申请的全部结合到本文中。背景本发明的领域本发明的方面涉及信号控制的手动铰接装置及其使用方法。本发明的ー个方面涉及一种用于在微创外科手术中使用的信号控制的手动铰接手术器械，其中，该器械中包括动カ系统。
背景技术：
在相关技术中已知腹腔镜外科学。然而，当前的腹腔镜外科器械典型地具有直的 本体，该直的本体相当难于使用。尽管这种现有的腹腔镜外科器械可执行入侵式外科手木，但是该器械在拐角周围通常是难于使用的并且另外难于到达就位。而且，相关技术的铰接腹腔镜外科器械典型地利用缆线和液压管线来操作器械的外科尖端。在减小了现有腹腔镜外科器械的尺寸时，同样典型地縮小了其中所使用的液压管线的尺寸。然而，当液压管线的尺寸缩小时，用手促使液压流体穿过液压管线变得更加难以实现。而且，如果外科医生正从远处或相对于患者于远程位置处控制体内的手术器械，则液压管线会是相对较长的，并且由此用手促使液体穿过液压管线会变得难以实现。由此，在延长的外科手术期间，和/或在外科医生相对于该器械和患者处于远程位置处的情况下，外科医生会经受手疲劳。
发明内容
尽管接下来对本发明的在示例性的执行方案中描述了外科手术的方面进行了讨论，但应当了解的是，根据本发明的变型的环境不限于外科手术，并且本发明的方面可用在多种其它的执行方案中。例如，本发明的方面可用于制造、建筑、装配线、危险材料的操作和处置、水下操纵、处理高温材料、或用户可远离正被操作的物体或当操作机械装置时可能经受疲劳的任何其它适合的环境中。本发明的方面通过提供用于移动手动铰接装置的动カ来辅助诸如外科医生或其它从业医生之类的用户操纵该装置，由此减小或消除用户提供移动该装置所需的所有力的需求。本发明的其它方面允许利用直径狭窄的液压管和其它功能元件。
在下文中将结合附图描述所公开的方面，提供附图以图示但不限制所公开的方面，其中，相同的附图标记指代相同的元件，其中图I是根据本发明的一方面的信号控制的手动铰接装置的示意图；图2是根据本发明的另一方面的压カ控制的手动铰接装置的示意图；图3是根据本发明的另一方面的机械控制的手动铰接装置的示意图4是可根据本发明的方面使用的液压系统的示意图；图5是与本发明的一方面一起使用的比例-积分-微分(PID)算法的示例图；图6是与本发明的另一方面一起使用的PID算法的示例图；图7是根据本发明的方面使用的操纵器的外形的立体图；图8是根据本发明的一方面使用的操纵器的外形的立体图；以及图9是根据本发明的方面使用的远程功能端的立体图；以及图10呈现了用于根据本发明的方面使用的多种硬件部件和其它特征的示例性系统框图。
具体实施方式
现在将于此參考附图更加充分地描述本发明的方面，在附图中将示出其变型。然而，本发明的方面可以以许多不同的形式来实现并且不应被视作限制于于此阐述的变型；而是，提供了变型，使得本公开在说明性的执行方案中将是详尽和完整的，并且本公开将其范围充分地传达给所属领域技术人员。除非另外进行说明，于此使用的所有技术术语和科学术语的含义与本发明的方面 所属的领域的普通技术人员通常理解的含义相同。于此提供的方法和示例仅是说明性的并且被确定为不是限制性的。现在转向图1，所图示的是根据本发明的方面的信号控制的手动铰接系统I的代表性视图。系统I包括输入装置102，该输入装置102接收ー个或更多个用户主输入以便指示次级部分122执行工作。系统I另外包括控制部分106，该控制部分106參与将用户主输入传递至次级部分122，并且结合由输入装置102接收的用户主输入另外提供动カ辅助以至少部分地驱动该次级部分122。系统I还可包括视频监控器134，该视频监控器134可操作地连接于摄像机136，以便提供正由功能端132执行的工作的图像。输入装置102可包括任何适合的装置或机构，这些适合的装置或机构构造成接收一个或更多个用户主输入并且将所有或某部分用户主输入或其表示传输至运行辅助部分和/或次级部分122。运行辅助部分可包括控制部分106。例如，在一方面中，输入装置102可具有一个或更多个输入机构以接收来自系统I的用户的手动的主输入或手指致动的主输入。在另一方面中，输入装置102可包括输入机构以接收来自用户的诸如脚动输入、臂动输入或体动输入等之类的其它输入。在其它方面中，输入装置102可包括输入机构以接收来自用户的声控输入或音频致动的输入或眼动输入。此外，输入装置102可包括一个或更多个机构和/或其它特征以将ー个或更多个接收到的主输入转换成主输出，例如与控制部分106和/或次级部分122相互作用的连接部分。照这样，输入装置102可以可操作的方式连接于控制部分106。输入装置102可包括例如操纵杆、跟踪球、旋钮、编码器、或操纵器、以及其它的输入装置。图7和8中图示了输入装置102的示例。应当了解到的是，运行辅助部分可直接地连接或经由控制部分106间接地连接于输入装置102。控制部分106可包括任何适合的系统，该适合的系统可运行以接收诸如电信号之类的用户主输入或其表示，并产生主输出，以例如与用户输入或其表示相结合部分地提供控制或其它功能，或者完全控制次级部分122的一个或更多个功能。在一方面中，控制部分106包括可操作地连接在控制器114与致动器110之间的马达108。控制器114接收来自输入装置102的所有或部分用户主输入，或其表示，并且作出响应，产生由马达108接收的驱动信号112。可选择地，如将在下文中更为详细地讨论的那样，控制器114可另外接收ー个或更多个反馈信号，该反馈信号也会影响驱动信号112的产生。响应驱动信号112，马达108驱动致动器110以产生主输出120，该主输出120由次级部分122作为次级输入接收，以全部或部分地控制联接于次级部分122的第二次级端的对应的功能端132。例如，主输出120可包括力、电信号、运动、或用于驱动次级部分122的任何适合的主输入。另外，主输出120可表不由输入装置102接收的ー个或更多个用户输入。在ー些方面中，例如，输出120可作为接收到的用户输入的函数而产生，其中，可以任何适合的方式调节该函数，以便调节用户产生ー个或更多个用户输入所需的カ或作用力的大小，从而由次级部分122和/或功能端132产生对应的反作用/次级输出。应当了解到的是，马达108可包括任何适合的装置，该适合的装置响应于诸如表示由输入装置102接收且发送至控制部分106的用户输入的电信号之类的电信号产生机械 运动或力。例如，马达108可包括螺线管、音圈马达、步进马达、和/或伺服马达、以及适用于响应电信号来产生机械运动和/或力的其它装置。在一种变型中，输入装置102和控制部分106可定位在患者身体的外部，例如，连接于手术室工作台并由该手术室工作台支承。在其它方面中，输入装置102和控制部分106中的一个或更多个可定位成远离次级部分122，例如定位在另一房间或位置中。例如，可将适当的有线的、无线的、和/或光纤联接器用于在输入装置102与控制部分106之间进行通信(于此还单独地或共同地可互換地称为“直接地或间接地联接”)。此外，控制部分106可以可操作的方式连接于次级部分122。次级部分122可包括任何适合的装置或机构，该适合的装置或机构构造成接收来自控制部分106的一个或更多个输入，例如用户输入或其表示，并以与原始的用户输入成比例或作为原始的用户输入的函数的方式产生对应的输出以控制功能端132。例如，在一方面中，次级部分122包括双作用闭环液压系统，该双作用闭环液压系统包括可操作地连接于次级致动器126的控制致动器124，该次级致动器126具有经由液压控制管线128和130通信的第一次级端和第二次级端。另外，功能端132可操作地连接于次级致动器126的第二次级端或远端。在该示例性执行方案中，闭环双作用液压回路是用于将カ传输至系统I的诸如次级部分122之类的远端的基本机械元件。例如，控制致动器124接收诸如所有或一部分用户输入或其表示之类的输入，并且经由液压控制管线128或130之一将该输入传输至次级致动器126的第一次级端，该次级致动器126的第一次级端产生了用于驱动次级部分122的功能端132的输出。在这些方面中，闭环双作用液压系统1000的功能与如美国专利No. 6，607, 475中所公开的功能类似，以參引的方式将该专利全部结合到本文中。在另一方面中，次级部分122和控制部分106可集成到单个系统中。功能端132将来自对应的次级部分112的次级输出作为输入接收，并且作出响应，执行作为由输入装置102接收的原始用户输入中一个或更多个的函数进行控制的ー些エ作。照这样，功能端132可包括构造成执行任何适合类型的工作的装置或机构中的任何一个或组合。在本发明的一方面中，功能端132可包括多种工具。例如，功能端132可包括手木工具、手术器械、剪刀、刀、螺丝刀、夹具、镊子、抽吸/沖洗装置、电气手术装置、或可视化装置、以及其它工具中的ー个或任何组合。
在手术中，例如用户的手、臂和/或手指可通过移动输入装置102来引导系统I的运动。该输入运动可以是例如推、拉、旋转、向左移动、向右移动、向上移动、向下移动、弯曲、自转、抓握、倾斜、对角移动、或会是系统I移动所需的任何其它适合的方向或方向組合。输入装置102可包括适于将用户的运动转化成电信号的致动器。例如，输入装置102可包括传感器、编码器、能够围绕轴线旋转的控制手柄、和/或操纵器、以及能够将来自用户的运动转化成控制信号的其它输入装置。图7和8中图示了输入装置102的示例。现在转向图7，在输入装置102的一个示例性的变型中，根据本发明的方面，该装置22包括用干与用户相互作用的手柄211和触发器环212。用户可抓握住手柄211，并将ー个或更多个手指放置在触发器环212内和/或挤压触发器环212，以及在多个方向上移动手柄211。通过挤压触发器环212，和/或通过移动手柄211，用户可使电信号产生，该电信号又被传输至控制器114 (图1)，从而导致次级部分122中的移动(图I)(例如，伸展运动、旋转运动、弯曲运动、或工具动作)。用户可随后“打开”挤压的触发器环212，或沿另一方向(例如，相反的方向)移动手柄211，以便在次级部分122中产生另ー运动(例如，反向运动)。触发器环212可具有用于将手柄211的运动转化成电信号的一个或更多个致动器。该致动 器可包括例如传感器、加速计或编码器、以及其它致动器中的ー个或任何适合的组合。触发器环212可被确定尺寸成允许ー个或更多个手指的舒适的插入。还应当了解到的是，手柄211可具有一个或更多个触发器环212。现在转向图8，在输入装置102的另ー示例性的变型中，根据本发明的方面，该装置50的特征为用干与用户相互作用的抓握器把手组件1200和触发器1220。例如，用户可抓握住该抓握器把手组件1200并挤压该触发器1220。通过挤压触发器1220，和/或通过移动手柄1200，用户可使得电信号产生，该电信号又可被传输至控制器114 (图I)并导致次级部分122中的运动(图I)(例如，伸展运动、旋转运动、弯曲运动、或工具动作)。用户可随后“打开”挤压的触发器1220，或沿相反的方向移动手柄1200，例如以在次级部分122中产生反向运动。触发器1220可包括用于将把手组件1200的运动转化成电信号的一个或更多个致动器。致动器可包括例如传感器、加速计或编码器、以及其它致动器中的一个或任何适合的组合。在ー些方面中，输入装置可以可拆卸的方式固定于用户的臂，例如借助于可选择的夹具或吊帯。例如，这种可拆卸的固定可增强用户运动与接收到的用户输入之间的相关性，并提供改善了的用户舒适度且考虑到了改善的系统安全性。将会了解到的是，输入装置可采用许多其它适合的形式。例如，输入装置可夹持于手术床的侧部并设置有可由外科医生抓握和/或操纵的手柄或其它特征。在另ー变型中，输入装置可夹持于诸如桌子或手推车之类的不同于手术床的物体。在再ー变型中，输入装置可夹持于用户的臂或手。在又ー变型中，输入装置由用户保持，无需夹持于任何物件。再次參考图I，继续系统I的操作，控制器114接收来自输入装置102的带有用户的转化了的运动的信号。控制器114处理从输入装置102接收的信号并且又产生传输至马达108的驱动信号112，从而提供了对应于输入运动的输出运动。在一方面中，控制器114可利用比例-积分-微分(PID)算法来控制马达108的致动。例如，控制器114可利用如图5和6中所示的传统的PID算法，PID算法的输出是输入的不同分量的函数。任选地，在ー个方面中，处理装置104可操作地联接在输入装置102与控制部分106之间。处理装置104可包括例如计算机或其它处理装置、位置传感器、编码器、伺服控制器、或能够处理由用户输入的运动的任何其它装置。应当了解到的是，处理装置104可直接地或间接地联接于输入装置102和/或控制部分106。马达108将与从控制器114接收的驱动信号112相对应的力传输至致动器110。致动器110将从马达108接收的カ转化成沿与检测到的输入装置102的运动相对应的方向上的直线运动。接收到的输入的转化可与产成的输出正好成比例，或者输入与输出之间的关系可基于ー些其它的函数或变量。例如，在一方面中，如果用户将输入装置移动约7_，那么马达可使致动器移动约7_。在另一方面中，例如，致动器的移动量可大于或小于用户移动量。在任何情况下，例如，由马达108导致的致动器110的运动可经由轴140的近端将カ120提供至控制致动器124，从而使轴140在与输入装置102的运动方向相对应的方向上移动。控制致动器124可通过使流体移动穿过液压控制管线128、130而将カ120传输至次级致动器126的第一次级端。应当了解到的是，流体可以是已知的或以后被研发出的任 何使用的液压流体，该液压流体包括但是不限于水或盐水。在手术环境中，这种诸如盐水之类的流体的使用可有助于避免在例如泄漏的情况下对患者造成危险。在一方面中，次级致动器126例如经由诸如单作用的或双作用的液压管线之类的液压管线可操作地连接至控制致动器124的远端。在替代的一方面中，次级致动器126和控制致动器124可被分别可操作地连接于远侧功能端132和致动器110的近端的机械元件所代替。该机械元件可包括例如连杆机构、凸轮、ー个或一系列万向接头、推拉导线或缆线、缆线/滑轮系统、缆线变速换档系统、推拉式链条、推拉式旋转链、导向螺杆、推拉式柔性吊带、柔性钢带、或这些机械元件的任何适合的组合(例如，一系列万向接头和推拉式链条)、以及其它机械元件。在一方面中，功能端132的运动可与设置于输入装置102的输入成比例或作为设置于输入装置102的输入的函数而产生。例如，如果用户使输入装置移动4_，控制器可将用户的输入按比例缩减，使得功能端移动2_。应当了解到的是，可由输入装置102、控制器114、和/或次级部分122成比例地改变该输入，并且该输入不会被线性地传输。功能端132可以可操作的方式连接至次级致动器126的第二次级端或远端。次级致动器126致动功能端132在力120的方向上的运动。由此，功能端132沿与运动方向对应的方向移动。例如，如果外科医生推动、拉动、旋转、抓握、傾斜、向左移动、向右移动、向上移动、向下移动、弯曲手腕或手指、或使输入装置102自转，那么次级气缸126可基于功能端132的独特结构及其连接以与用户输入的一些功能类似的方式移动功能端132。现在转向图9，所图示的是根据本发明的方面的一种能够操作用于执行开闭操作的功能端132的示例。在ー个方面中，功能端132可包括端部执行器810和叉形部724。控制叉形部724可以是能够操作以相对于彼此移动的并且可用于工作。例如，控制叉形部724可用于保持、抓握、或切削、以及其它类型的工作。在一方面中，叉形部724可以可操作的方式连接至次级致动器126(图I)和端部执行器810。当将端部执行器810连接至叉形部724时，叉形部724可围绕第一轴线旋转，并且端部执行器810可围绕第二轴线旋转，第一轴线和第二轴线是基本上沿同一线的，例如是同心的。当移动时，叉形部724又可控制端部执行器810的开关运动。如所提及的那样，尽管所图示的端部执行器810是夹持装置，但是可将其它工具安装在叉形部724上。例如，端部执行器810可包括手术器械、剪子、刀、螺丝刀、夹具、镊子、抽吸/冲洗装置、电气手术装置、或可视化装置、以及可安装在叉形部724上的其它工具中的ー个或任何组合。再次參考图I，在一方面中，反馈装置116a设置在控制部分106内并且可操作地联接在致动器110与控制器114之间。反馈装置116a可追踪致动器110的运动，例如，从而将致动器110的位置信息转化成被传输至控制器114的电信号。应当了解到的是，反馈装置116a可包括能够指示位置的任何适合的传感器，例如，数字编码器。控制器114可将从反馈装置116a接收的信号与从处理装置104接收的信号进行对比，例如，一旦致动器110的移动量与输入装置102的移动量相同，或者处于输入装置102的移动量的某ー范围内，就阻止致动器110的进ー步的运动。例如，如果用户使输入装置移动7_，则当反馈装置检测到马达已经使致动器移动7_时，控制器就可阻止致动器的进ー步的运动。由此，例如，反馈装置116a可阻止致动器110移动超过界限和/或失去控制。如上所提及的那样，视频监控器134可向用户提供正由功能端132执行的运动和工作的可视化反馈。如果用户在视觉上认识到功能端132未移动整个距离输入，例如，则用户可通过进一歩移动输入装置102来校正功能端132的位置。凭借经验，用户能够从致动 器侧处的反馈装置116a 了解到功能端侧处的结果将会是什么。由此，用户能够校正功能端132的运动偏差。在其它方面中，系统I可包括系统设置程序，以将控制器校准成处于特定的公差内，从而将用户主输入转化成给定的次级部分122中或转化成功能端132处的次级输出，该特定的公差可由系统I中使用的部件指定。应当了解到的是，反馈装置116a还可处于控制部分106的外侧，例如，如由反馈装置116b所图示的那样，可在致动器110与次级部分122之间可操作地联接至控制器114。此外，应当了解到的是，例如，如由反馈装置116c所图示的那样，反馈装置116a可作为选择在功能端132与控制器114之间可操作地联接至控制器114。应当了解到的是，系统I可具有多个子系统，例如，用于产生不同的运动的图I的部件组la、Ib和lc。子系统la、Ib和Ic可包括例如输入装置102、控制部分106、次级部分122和功能端132的任何适合的组合。在图示的示例中，单个输入装置102联接至控制部分106、次级部分122和功能端132的至少两个単独的组合，从而使得用户能够在两个功能端132处产生至少两个不同的功能。単独的系统可作为接收适当的用户输入的结果而被致动，例如，作为按压定位在输入装置上的致动器或使输入装置在所需的方向上移动的结果而被致动。例如，可为下列运动中的每个设置单独的子系统推、拉、旋转、向左移动、向右移动、向上移动、向下移动、弯曲、自转、对角移动、以及其它运动。应当了解到的是，包括在系统I中的用于控制功能端的移动方向的系统的数量可取决于用户希望功能端执行的运动范围及该功能端的结构。现在转向图2，所图示的是与诸如机械真空压カ系统之类的压カ辅助系统一起使用的示例性手动铰接装置2的代表性视图，该压力辅助系统用于将接收到的用户输入于ー个或更多个功能端220处转化成输出或工作。当移动功能端时，施加附加的力，该附加的力例如可补偿摩擦力或运动的其它阻力，从而使功能端的运动更为容易。此外，由于用户正机械地操作该系统，因此，用户可接收针对正由功能端执行的工作的触觉反馈。在一方面中，装置2包括输入装置202、作为控制部分的双作用隔膜212、阀218、和次级部分222。输入装置202可以可操作的方式连接至隔膜212的近侧214。阀218可经由管线220a可操作地连接至双作用隔膜212的近侧214，并且经由管线220b可操作地连接至双作用隔膜212的远侧216。次级部分222可操作地连接至双作用隔膜212的远侧216。应当了解到的是，次级部分222可具有与图I中所讨论的双作用闭环液压系统类似的功能和部件。在一方面中，当用户使输入装置诸如在如图2中所示的向 左和向右之类的向前或向后移动时，阀218致动。由此，当用户使输入装置202向前(例如，在图2中向左)移动时，可操作的连接移动阀218。阀218的致动控制经由管线210移动到阀中并经由管 线204移出阀的加压流体。在ー个方面中，例如，阀218可以与用户的位移成比例的方式电カ地控制加压流体穿过阀的运动。阀218由此将压カ经由管线220a施加至双作用隔膜212的近侧214。来自阀218的压カ使得双作用隔膜212移动，从而将流体推动穿过次级部分222，并由此“帮助”用户(例如，外科医生)使功能端232向前移动。阀218和隔膜212由此充当用户运动的放大器。此外，如果用户将输入装置202拉回(例如，在图2中向右移动)，阀218经由管线220b使得双作用隔膜212上的拉カ反向，从而帮助使得功能端232向后(例如，在图2中向右)移动。由此，当阀218致动时，可以与用户的移位成比例的方式将流体推动穿过次级部分222，从而使功能端232沿前向方向或向后移动。可选择地，在ー个方面中，控制装置可以可操作的方式连接在输入装置202与阀218之间。控制装置可包括例如计算机或其它处理装置、位置传感器、编码器、伺服控制器、和/或能够处理由用户输入的运动的任何其它适合的装置。应当了解到的是，控制装置可直接地或间接地连接至输入装置102和/或阀418。现在转向图3，所图示的是示例性的装置3的代表性视图，该示例性的装置3具有与上述图2的装置2的功能类似的功能，但是将机械系统用作控制部分以将接收的用户输入于ー个或更多个功能端320处转化成输出或工作。在一方面中，装置3包括输入装置302、作为控制部分的一部分的阀310和次级致动器318。输入装置302可操作地连接至阀310。阀310可操作地连接至次级致动器318。次级致动器318可操作地连接至一个或更多个功能端320。在一方面中，例如，当用户向前或向后移动输入装置302时，阀310致动。由此，当用户使输入装置302向前移动时，可操作的连接使阀310移动。阀310的致动控制流体经由液压控制管线312、314从流体存储器308至次级致动器318的流动。次级致动器318的运动又产生由功能端320执行的工作。装置3可进ー步包括诸如泵系统、或罐储气体、以及其它压カ源之类的压力源，该压カ源用于作为控制系统的一部分来为阀310的致动提供动力。泵系统可包括例如马达304，该马达304可操作地连接至泵306和流体存储器308。在一方面中，马达304驱动泵306，并且作为响应，泵306将流体从存储器308泵送至阀310。由于马达为阀的致动提供动力，因此，在该变型中当用户移动输入装置时可不接收触觉反馈。现在參考图4，所图示的是装置4的代表性视图，该装置4具有与如上參照图I的系统I所述的功能类似的功能，但是将液压系统用作控制部分，以将接收的用户输入于ー个或更多个功能端420处转化成输出或工作。与上述内容类似，装置4包括输入装置402、作为控制系统的一部分的控制器404和次级部分414。控制器404从输入装置402接收用户输入并且基于接收的用户输入控制次级部分414的运动。次级部分414可包括例如可操作地连接在一个或更多个阀412与一个或更多个功能端420之间的次级致动器418。
在一方面中，控制器404可操作地联接在输入装置402与一个或更多个阀412之间。控制器404从输入装置402接收用户输入并且将位置输入传输至阀412。输入装置402可类似于在上述示例中所描述的输入装置，该输入装置包括例如编码器、能够围绕轴线旋转的控制手柄、和/或操纵器、以及其它输入装置。响应于从控制器404接收的位置输入，阀412调节流体经由液压控制管线428和430从流体存储器410至次级致动器418的流动。应当了解到的是，控制器404可直接地或间接地联接至输入装置402和阀412。装置4可进ー步包括作为控制部分的一部分、为阀412的运动提供动カ的泵部分。该泵部分可包括例如可操作地连接至泵406的马达408和流体存储器410，泵406和流体存储器410中的每个可以是控制部分的一部分。在一方面中，马达408驱动泵406，并且响应于泵406的操作将流体从存储器410泵送至阀412。由于马达为阀的致动提供动力，因此，在本变型中用户可在移动输入装置时不接收触觉反馈。应当了解到的是，存储器410可包括能够保持液压流体的任何适合的装置。此外，泵406可包括诸如同步马达步进驱动泵之类的任何适合的泵。压カ传感器可设置在存储器和/或泵的出口上并且用于控制泵以维持正被供应至阀412的所需的流体压力。其它方面 可包括压カ致动开关，以控制泵并由此调节系统压力。根据需要，存储器410还可包括例如适合的过滤器、流量限制器、和过压释放阀。应当了解到的是，例如，单个存储器410可用以向一个或更多个阀412提供加压的液压流体。作为选择，可为每个阀412设置单独的存储器。其它方面可包括例如由加压气体加压的静态加压流体容器。阀412可通过控制液压流体所流动穿过的液压控制管线428、430并且通过控制穿过管线的液体流动压カ和速率进行操作。反馈装置416可以可操作的方式设置在次级致动器418与控制器404之间。反馈装置416可定位在例如次级部分414内并且操作以检测次级致动器418的位置，并且将该信息传递至控制器404。控制器404又可接收次级致动器418所用的位置信息，并且验证次级致动器418已经移动了对应于用户输入的适当的距离。如果次级致动器418未移动该适当的距离，那么控制器404可向阀412传输另一位置输入。在另一方面中，用户可利用视频监控器422，该视频监控器422可操作地连接至摄像机424，用于提供次级致动器418所用的位置信息的视觉反馈。例如，如果功能端420未移动适当的距离，则用户可向输入装置422提供附加的输入，以校正功能端420的运动。在上述方面的任一方面中，可利用任何适合的液压流体。流体可包括已灭菌的蒸馏水；然而，还可使用盐溶液、全氟烃碳氢化合物液体、或任何其它生理相容性的流体。“生理相容性的流体”可包括如下流体该流体一旦暴露于组织或器官，不在患者体内产生诸如皮疹或免疫反应之类的任何无法忍受的反应，并且有此并不不利地妨碍其所暴露的组织或器官的正常生理功能。此外，生理相容性的流体可理想地保留在患者的体内或与组织或器官相接触而无需为了患者的安全或健康而移除该流体。本发明的一个变型可包括用于外科医生或其它用户用以控制多个传感元件和/或用于产生不同运动的电气元件或其它可控元件的结构元件。例如，为了推动、拉动、旋转、向左移动、向右移动、向上移动、向下移动、弯曲、自转、对角移动、以及其它操作者提供単独的系统。可以例如响应于外科医生的适当的手部运动来致动单独的系统。可利用硬件、软件、或其组合来实施本发明的方面，并且可在一个或更多个计算机系统或其它处理系统中实施本发明的方面。在一种变型中，本发明的方面涉及能够实行于此所述的功能的一个或更多个计算机系统。图10中示出了这种计算机系统1000的示例。计算机系统1000包括诸如处理器1004之类的ー个或更多个处理器。处理器1004连接至通信基础结构1006 (例如，通信总线、交叉杆、或网络)。于此关于该示例性的计算机系统描述了多个软件方面。在阅读本说明书之后，对于相关领域的技术人员来说，如何利用其它计算机系统和/或体系构造来实施本发明的方面将是明白的。计算机系统1000可包括显示器对接装置1002，该显示器对接装置1002转递来自通信基础结构1006 (或来自未示出的帧缓存器)的图形、文字、和其它数据，以显示在显示単元1030上。计算机系统1000还可包括主存储器1008，优选地为随机存取存储器(RAM)，并且还可包括辅助存储器1010。该辅助存储器1010可包括例如硬盘驱动器1012和/或可移动的存储器驱动器1014，该存储器驱动器1014表现为软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移动的存储器驱动器1014以周知的方式从可移动的存储单元1018读取和/或 写入该可移动的存储单元1018。可移动的存储单元1018表现为软盘、磁带、光盘等，其由可移动的存储器驱动器1014读取并被写入到可移动的存储器驱动器1014。如将了解到的那样，可移动的存储单元1018可包括其中存储有计算机软件和/或数据的计算机可用的存储介质。在替代的变型中，辅助存储器1010可包括用于允许将计算机程序或其它指令加载到计算机系统1000中的其它类似的装置。这种装置可包括例如可移动的存储单元1022和对接装置1020。这种示例可包括程序盒式存储器和盒式对接装置(例如在视频游戏装置中所见的盒式对接装置)、可移动的存储芯片(例如可擦除、可编程的只读存储器(EPR0M)，或可编程的只读存储器(PROM))和相关的插ロ、以及其它可移动的存储单元1022和对接装置1020，它们允许将软件和数据从可移动的存储单元1022传递至计算机系统1000。计算机系统1000还可包括通信对接装置1024。通信对接装置1024允许将软件和数据在计算机系统1000与外部装置之间进行传递。通信对接装置1024的示例可包括调制解调器、网络对接装置(例如以太网卡)、通信端ロ、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等。经由通信对接装置1024传递的软件和数据可以呈信号1028的形式，该信号1028可以是电子信号、电磁信号、光信号或能够被通信对接装置1024接收的其它信号。这些信号1028经由通信路径(例如，频道)1026提供至通信对接装置1024。该路径1026携帯信号1028并可利用导线或缆线、光导纤维、电话线、蜂窝链路、无线电频率(RF)链路和/或其它通信频道来实施。在本文献中，术语“计算机程序介质”和“计算机可用介质”用于通常指示诸如可移动的存储驱动器1080、安装在硬盘驱动器中的硬盘1070、和信号1028之类的介质。这些计算机程序产品为计算机系统1000提供软件。本发明的方面涉及这种计算机程序产品。计算机程序(也称为计算机控制逻辑)存储在主存储器1008和/或辅助存储器1010中。还经由通信对接装置1024接收计算机程序。这种计算机程序当被执行时使得计算机系统1000能够执行根据本发明的方面的多个特征，如于此所讨论的那样。特别地，计算机程序当被执行时使得处理器1010能够执行根据本发明的方面的多个功能。因此，这种计算机程序表现为计算机系统1000的控制器。在利用软件实施本发明的方面的变型中，软件可存储在计算机程序产品中并且利用可移动的存储驱动器1014、硬盘驱动器1012、或通信对接装置1020加载到计算机系统1000中。控制逻辑(软件)当被处理器1004执行时致使处理器1004来如于此所述的那样执行本发明的功能。在另一变型中，主要在例如利用诸如专用集成电路(ASICs)之类的硬件部件的硬件中实施本发明的方面。对于相关领域中的技术人员来说，实施硬件状态机来执行于此所述的功能将是明白的。在另一变型中，利用硬件和软件的组合来实施本发明的方面。
尽管已经参考关于手术器械的多种示例描述了本发明的方面，但将这种装置和系统与任何适合的机械应用结合或与它们一起使用都在本发明的范围和精神内。此外，尽管已经参照外科医生描述了本发明的方面，但是根据这种装置和系统所使用的环境，多个特征可与另一用户一起使用。由此，应当理解的是，在不偏离本发明的精神的情况下，可对其作出多个且不同的改进。
权利要求
1.一种铰接装置，包括 输入装置，所述输入装置能够接收输入并产生主输出； 次级致动器，所述次级致动器联接于所述输入装置，所述次级致动器能够操作从所述输入装置接收所述主输出并且产生对应的次级输出，其中，所述次级致动器包括第一次级端和第二次级端，所述第一次级端联接于所述输入装置； 功能端，所述功能端联接于所述第二 次级端，其中，所述功能端执行所述次级输出；以及 操作辅助部分，所述操作辅助部分能够利用所述输入装置操作并且用以辅助将由所述次级致动器接收的所述主输出转化成由所述功能端执行的所述对应的次级输出。
2.根据权利要求I所述的铰接装置，其中，所述操作辅助部分包括 可操作地连接于所述输入装置和所述第一次级端的阀。
3.根据权利要求2所述的铰接装置，其中，所述操作辅助部分进ー步包括 具有近侧和远侧的隔膜，其中，所述隔膜的所述近侧和所述远侧经由至少ー个流体管线联接于所述阀。
4.根据权利要求3所述的铰接装置，其中，所述阀的致动将压力经由所述至少ー个流体管线中的一个施加至所述隔膜的所述近侧与所述远侧中的ー个上。
5.根据权利要求I所述的铰接装置，其中，由所述功能端执行的所述次级输出与所述主输入成比例。
6.根据权利要求3所述的铰接装置，进ー步包括 控制装置，所述控制装置能够处理所述输入装置的操作，其中，所述控制装置可操作地连接于所述输入装置和所述阀。
7.根据权利要求2所述的铰接装置，进ー步包括 压カ源，所述压カ源可操作地连接于所述阀和流体存储器，其中，所述压カ源的操作经由液压管线对连通所述输入装置和所述阀的液压流体加压。
8.根据权利要求7所述的铰接装置，其中，所述输入装置和所述阀经由所述液压管线连通。
9.根据权利要求7所述的铰接装置，其中，所述压カ源包括泵。
10.根据权利要求2所述的铰接装置，进ー步包括 控制器，所述控制器能够控制所述输入装置的操作，其中，所述控制器与所述输入装置和所述阀可操作地联接。
11.根据权利要求10所述的铰接装置，其中，所述阀经由液压管线调节流向所述第一次级端的液压流体的流动。
12.根据权利要求11所述的铰接装置，进ー步包括 压カ传感器，所述压カ传感器设置在所述压カ源与所述存储器中的至少ー个上，其中，所述压カ源基于由所述压カ传感器感测的压カ运行以维持流体压力。
13.根据权利要求10所述的铰接装置，进ー步包括 反馈装置，所述反馈装置可操作地联接于所述次级致动器和所述控制器，其中，所述反馈装置检测所述次级致动器的位置。
14.根据权利要求13所述的铰接装置，其中，所述控制器基于经由所述反馈装置检测的阀致动器的位置将位置输入提供至所述阀致动器。
15.根据权利要求I所述的铰接装置，进ー步包括 摄像机，所述摄像机用于提供所述阀致动器的位置的视觉反馈。
16.根据权利要求I所述的铰接装置，其中，所述输入装置包括 手柄；和 触发器环。
17.根据权利要求16所述的铰接装置，其中，所述触发器环包括 至少ー个转化致动器，所述转化致动器将所述手柄的运动转化成电信号。
18.根据权利要求I所述的铰接装置，其中，所述输入装置包括 抓握器把手组件和触发器。
19.根据权利要求18所述的铰接装置，其中，所述触发器包括 至少ー个转化致动器，所述转化致动器将所述手柄的运动转化成电信号。
20.根据权利要求I所述的铰接装置，其中，所述功能端包括 端部执行器；和 多个叉形部，其中，所述多个叉形部的运动通过所述次级致动器和所述端部执行器的操作产生。
21.根据权利要求20所述的铰接装置，其中，所述多个叉形部能够围绕第一轴线旋转，并且所述端部执行器能够围绕第二轴线旋转。
22.根据权利要求I所述的铰接装置，进ー步包括 马达； 控制器； 控制致动器；以及 反馈装置； 其中，所述马达和所述反馈装置各自与所述控制致动器和所述控制器可操作地连接。
23.根据权利要求22所述的铰接装置，其中，所述控制器接收来自所述输入装置的输入信号和来自所述反馈装置的反馈信号，并且产生由所述马达接收的驱动信号，并且所述马达基于接收的所述驱动信号驱动所述控制致动器。
24.根据权利要求23所述的铰接装置，所述控制致动器产生由所述次级致动器接收的控制输出。
25.根据权利要求24所述的铰接装置，其中，由所述次级致动器接收的所述控制输出控制所述功能端。
26.根据权利要求24所述的铰接装置，其中，所述控制器构造成用以利用比例-积分-微分(PID)算法来控制所述马达的致动。
27.根据权利要求22所述的铰接装置，其中，所述控制器进ー步包括 处理装置，所述处理装置可操作地联接于所述输入装置； 其中，所述处理装置基于所述输入装置的运动产生处理器信号。
28.根据权利要求27所述的铰接装置，其中，所述处理装置从由计算机、位置传感器、编码器、和伺服控制器构成的组中选择。
29.根据权利要求22所述的铰接装置，其中，所述次级致动器连接于所述控制致动器的远端。
30.根据权利要求27所述的铰接装置，其中，所述反馈信号基于所述控制致动器的运动产生。
31.根据权利要求30所述的铰接装置，其中，所述控制器将所述反馈信号与所述处理器信号进行对比，并且当所述反馈信号和所述处理器信号指示所述控制致动器的运动超出了预定范围时阻止所述控制致动器的运动。
32.—种操作铰接装置的方法，包括 使输入装置运动； 将来自所述输入装置的主输入传输至次级致动器，所述次级致动器包括第一次级端和第二次级端，其中，所述次级致动器联接于所述输入装置； 将所述主输入经由操作辅助部分转化成主输出；以及 将所述主输出经由所述操作辅助部分传输至联接于所述第二次级端的功能端，其中，所述功能端执行所述主输出。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述操作辅助部分联接于所述第一次级端，并且联接于所述输入装置。
全文摘要
一种铰接装置，该铰接装置通过提供用于移动该装置的动力来辅助诸如外科医生或其它从业医生之类的用户操纵手动铰接装置，由此降低或消除用户提供移动该装置所需的所有力的需求。该铰接装置包括输入装置，该输入装置接收一个或更多个用户输入，以引导次级部分来执行工作。该铰接装置进一步包括控制部分，该控制部分辅助将用户输入传输至次级部分，并且结合由输入装置接收的用户输入另外提供动力辅助以便至少部分地驱动该次级部分。
文档编号F15B13/02GK102791216SQ201180006980
公开日2012年11月21日 申请日期2011年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者马克·道尔 申请人:康尔福盛2200有限公司