具有抗扭曲链节配置的高度铰接的探针,形成该探针的方法和进行执行医学手术的方法

摘要

一种铰接探针包括：第一机构，该第一机构包括：第一链节，该第一链节包括第一纵轴、第一铰接表面和第一限动元件；以及第二链节，该第二链节包括第二纵轴、第二铰接表面和第二限动元件。铰接接合部包括第一铰接表面和第二铰接表面并且被构造和设置成允许第二链节相对于第一链节的两个自由度的铰接。运动抑制组件包括第一限动元件和第二限动元件，其中运动抑制组件被构造和设置成抑制第二链节相对于第一链节的第一纵轴绕第二纵轴转动。

说明书

本申请要求2011年9月13日提交的61/534,032号美国临时专利申 请的优先权，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请要求2011年12月21日提交的61/578,582号美国临时专利申 请的优先权，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请要求2012年6月7日提交的61/656,600号美国临时专利申请 的优先权，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请要求2012年8月9日提交的61/681,340号美国临时专利申请 的优先权，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2012年6月1日提交的PCT/US2012/040414号PCT申请相 关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2011年6月2日提交的61/492,578号美国临时专利申请相 关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2012年4月5日提交的PCT/US2012/032279号PCT申请相 关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2011年4月6日提交的61/472,344号美国临时专利申请相 关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2011年11月10日提交的PCT/US2011/060214号PCT申请 相关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2010年11月11日提交的61/412,733号美国临时专利申请 相关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2011年10月21日提交的PCT/US2011/057282号PCT申请 相关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2010年10月22日提交的61/406,032号美国临时专利申请 相关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2011年7月21日提交的PCT/US2011/044811号PCT申请 相关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2010年7月28日提交的61/368,257号美国临时专利申请 相关，其全部内容通过引用而结合在本文中。

本申请与2006年12月20日提交的11/630,279号美国专利申请相 关，该申请公开为2009/0171151号美国专利申请公开，其全部内容通 过引用而结合在本文中。

技术领域

本发明的实施例主要涉及机械领域，更具体地，涉及三维的、可 灵活的、可转向的机械装置，以及形成和控制该机械装置的方法。

背景技术

如今微创医学技术和手术正广泛采用，医学专业人员，例如外科 医生可以采用具有高度铰接多链节探针的蛇状机械系统，以便接触到 人体解剖的部分，否则该部分将难以接触到。采用这种机械系统，医 学专业人员可以利用微创手术代替开腔的外科手术。

上述类型的机械系统可以具有被称为工作通道的多个装置通道， 以用于在外科手术中引导各种外科和/或介入工具。通常包括一系列 可转向链节的常规的铰接探针经受扭曲，从链节到链节，这样将不利 地影响铰接探针的性能。

发明内容

本发明的实施例针对一种铰接的机械系统，机械系统用户界面， 用于控制机械系统的人类界面装置和控制机械系统的方法。

在这一方面中，铰接探针包括：第一机构，该第一机构包括：第 一链节，该第一链节包括第一纵轴，第一铰接表面和第一限动元件； 第二链节，该第二链节包括第二纵轴，第二铰接表面和第二限动元件； 铰接链节，其包括第一铰接表面和第二铰接表面并且被构造和设置成 允许第二链节相对于第一链节两个的自由度的铰接；和运动抑制组 件，其包括第一限动元件和第二限动元件，其中运动抑制组件被构造 和设置成抑制第二链节相对于第一链节的第一纵轴绕着第二纵轴转 动。

在一些实施例中，第一铰接表面包括凸出表面，其中第二铰接表 面包括凹陷表面。

在一些实施例中，凸出的第二铰接表面包括半球形表面。

在一些实施例中，凹陷的第二铰接表面包括半球形表面。

在一些实施例中，第一限动元件包括销，其中第二限动元件包括 狭槽，其中第一链节的销接合第二链节的狭槽。

在一些实施例中，凸出的第一铰接表面包括半球形表面，其中销 从半球形表面的赤道平面延伸。

在一些实施例中，第一限动元件包括第一和第二销，其中，第二 限动元件包括第一和第二对应的狭槽，其中在第二链节相对于第一链 节的铰接运动的范围上，第一和第二销的至少一个至少部分地与对应 的第一和第二狭槽的至少一个接合。

在一些实施例中，在第二链节相对于第一链节的零的铰接角度 上，第一和第二销与第一和第二对应的狭槽部分地接合。

在一些实施例中，第一和第二销相对于第一铰接表面关于第一纵 轴分隔成角度地分隔180度。

在一些实施例中，第一和第二狭槽关于第二铰接表面关于第二纵 轴分隔成角度地分隔180度。

在一些实施例中，第一限动元件包括一个销，其中第二限动元件 包括一个狭槽，并且在第二链节相对于第一链节的铰接运动的范围 上，销至少部分地与狭槽接合。

在一些实施例中，销位于第一铰接表面上，并且狭槽位于第二铰 接表面上。

在一些实施例中，狭槽位于第一铰接表面上，并且其中销位于第 二铰接表面上。

在一些实施例中，凸出的第一铰接表面包括半球形表面，其中， 销位于第一铰接表面上，在第一铰接表面的赤道和极点之间，其中狭 槽位于第二铰接表面上。

在一些实施例中，凸出的第一铰接表面包括半球形表面，其中， 狭槽位于半球形的第一铰接表面上，在第一铰接表面的赤道和极点之 间，其中销位于第二铰接表面上。

在一些实施例中，第一限动元件包括一个狭槽，其中第二限动元 件包括一个销，并且在第二链节相对于第一链节的铰接运动的范围 上，销至少部分地与狭槽接合。

在一些实施例中，凸出的第一铰接表面包括半球形表面，其中狭 槽位于半球形第一铰接表面并且在朝着第一链节的第一铰接表面的 极点的方向上从第一铰接表面的赤道延伸，其中销位于第二链节的第 二铰接表面的下方。

在一些实施例中，销位于第二链节上，在于第一连恶既不的半球 形第一铰接表面的赤道对齐的位置上，当第二链节在相对于第一链节 铰接角度为零的位置上。

在一些实施例中，第二链节进一步包括第三限动元件，其包括一 个狭槽，该狭槽相对于销分隔120度，第三限动元件包括第二限动组 件，该第二限动组件被构造和设置成抑制具有关于第三纵轴的匹配销 的第三链节相对于第二链节绕着第二纵轴转动。

在一些实施例中，第一限动元件包括至少一个肋条，其中第二限 动元件包括至少一个凹部，并且在第二链节相对于第一链节的铰接运 动的范围上，至少一个肋条至少部分地与至少一个凹部接合。

在一些实施例中，第一限动元件包括多个肋条，其中第二限动元 件包括多个对应的凹部，并且在第二链节相对于第一链节的铰接运动 的范围上，多个肋条的至少一个至少部分地与多个凹部的至少对应的 一个接合。

在一些实施例中，凸出的第一铰接表面包括半球形表面，其中， 多个肋条关于半球形第一铰接表面的赤道区域分隔，关于第一纵轴具 有规律的角度间隔。

在一些实施例中，多个肋条包括关于第一链节的第一纵轴以180 度分隔的两个肋条。

在一些实施例中，多个凹部包括关于第二纵轴以180度分隔的两 个凹部。

在一些实施例中，多个肋条包括关于第一链节的第一纵轴以120 度分隔的三个肋条。

在一些实施例中，多个凹部包括关于第二纵轴以120度分隔的三 个凹部。

在一些实施例中，多个肋条包括关于第一链节的第一纵轴以90 度分隔的四个肋条。

在一些实施例中，多个凹部包括关于第二纵轴以90度分隔的四 个凹部。

在一些实施例中，多个肋条包括关于第一链节的第一纵轴以72 度分隔的五个肋条。

在一些实施例中，多个凹部包括关于第二纵轴72度分隔的五个 凹部。

在一些实施例中，多个肋条包括关于第一链节的第一纵轴以60 度分隔的六个肋条。

在一些实施例中，多个凹部包括关于第二纵轴以60度分隔的六 个凹部。

在一些实施例中，多个肋条包括关于第一链节的第一纵轴以 360/7度分隔的七个肋条。

在一些实施例中，多个凹部包括关于第二纵轴以360/7度分隔的 七个凹部。

在一些实施例中，多个肋条包括关于第一链节的第一纵轴以45 度分隔的八个肋条。

在一些实施例中，多个凹部包括关于第二纵轴以45度分隔的八 个凹部。

在一些实施例中，在相邻肋条之间的部分上的第一链节的外表面 是平面。

在一些实施例中，在相邻凹部之间的部分上的第二链节的内表面 是平面。

在一些实施例中，在相邻凹部之间的部分上的第二链节的内表面 是曲面。

在一些实施例中，第一铰接表面包括凸出表面，其中第二铰接表 面包括凹陷表面。

在一些实施例中，凸出的第一铰接表面包括半椭圆表面。

在一些实施例中，凹陷的第二铰接表面包括半椭圆表面。

在一些实施例中，第一链节的半椭圆的、凸出的第一铰接表面包 括第一限动元件，并且第二链节的半椭圆的、凹陷的第二铰接表面包 括第二限动元件。

在一些实施例中，第一铰接表面的半椭圆表面具有关于各自的第 一和第二纵轴的环形截面。

在一些实施例中，第一铰接表面的半椭圆表面具有主轴和副轴， 其中主轴的长度大于副轴的长度。

在一些实施例中，第二铰接表面的半椭圆表面具有主轴和副轴， 其中主轴的长度大于副轴的长度。

在一些实施例中，第一铰接表面包括凸出和凹陷区域，其中第二 铰接表面包括对应于第一铰接表面的凸出和凹陷区域的的凹陷和凸 出区域。

在一些实施例中，第一链节的第一铰接表面包括第一限动元件， 并且第二链节的第二铰接表面包括第二限动元件。

在一些实施例中，第一和第二链节的最外表面具有关于各自第一 和第二纵轴的环形截面。

在一些实施例中，第一和第二链节包括铰接探针的外链节。

在一些实施例中，第一和第二链节包括铰接探针的内链节。

在一些实施例中，第一限动元件包括第一磁体，其中第二限动元 件包括第二磁体，第一和第二磁体分别位于第一和第二链节上，从而 互相磁性接合。

在一些实施例中，第一和第二磁体具有相反的极性。

在一些实施例中，第一磁体包括多个第一磁体，其中第二磁体包 括多个第二磁体，多个第一和第二磁体定位成关于各自的第一和第二 链节的纵轴具有规律的角度间隔。

在一些实施例中，第一铰接表面包括凸出表面，其中第二铰接表 面具有凹陷表面。

在一些实施例中，凸出的第一铰接表面包括半球形表面。

在一些实施例中，凹陷的第二铰接表面包括半球形表面。

在一些实施例中，第一磁体位于第一铰接表面上；第二磁体位于 第二铰接表面上，其中，第一和第二磁体相对于彼此对齐，从而互相 磁接合。

在一些实施例中，第一和第二磁体具有相反的极性。

在一些实施例中，第一磁体的子集具有第一极性，第一磁体的剩 余子集具有与第一极性相反的第二极性。

在一些实施例中，所有第一磁体具有相同的第一极性，所有第二 磁体具有相同的第二极性。

在一些实施例中，第一磁体包括多个第一磁体，第二磁体包括多 个第二磁体，其中多个第一和第二磁体定位成关于各自的第一和第二 链节具有规律的角度间隔。

在一些实施例中，多个第一和第二磁体包括嵌入各自的第一和第 二铰接表面中的分散的磁体元件。

在一些实施例中，多个第一和第二磁体包括嵌入各自的第一和的 人铰接表面中的磁体条。

在一些实施例中，第一铰接表面包括凸出表面，其中第二铰接表 面包括凹陷表面。

在一些实施例中，第一限动元件包括销，第二限动元件包括狭槽， 第一链节的销接合第二链节的狭槽，第一链节的销与第二链节的狭槽 的侧壁连接，从而抑制第一链节相对于第二链节的转动。

在一些实施例中，第一机构包括铰接探针的外链节机构。

在一些实施例中，第一机构包括铰接探针的内链节机构。

在一些实施例中，限动组件限制第二链节关于纵轴转动1度。

在一些实施例中，铰接探针进一步包括经过第一链节和第二链节 的至少一个转向线缆开口该第一链节和第二链节在平行于各自的第 一和第二纵轴的方向上延伸。

在一些实施例中，铰接探针进一步包括对应于第一机构中的链节 的至少一个转向线缆可以选择性地被拉紧从而保持第一和第二链节 的第一和第二铰接表面物理接触并且可以选择性地被放松从而允许 第二链节相对于第一链节选择的移动。

在一些实施例中，至少一个转向线缆开口包括多个转向线缆开 口，其中至少一个转向线缆包括多个转向线缆。

在一些实施例中，铰接探针包括两个转向线缆开口和两个转向线 缆。

在一些实施例中，铰接探针包括三个转向线缆开口和三个转向线 缆。

在一些实施例中，铰接探针包括四个转向线缆开口和四个转向线 缆。

在一些实施例中，第一链节进一步包括第一铰接轴和第二铰接 轴，第一和第二铰接轴互相垂直并且垂直于第一链节的第一纵轴；第 二链节进一步包括第一铰接轴和第二铰接轴，第一和第二铰接轴互相 垂直并且垂直于第二链节的第二纵轴；第二链节相对于第一链节的两 个自由度的铰接包括第二链节关于第一链节的第一和第二铰接轴的 角度运动。

在另一方面中，铰接探针包括：多个外链节，每个外链节包括第 一纵轴和内表面，每个外链节的内表面具有沿着第一纵轴的方向上延 伸的至少一个第一凹陷区域；多个内链节，每个内链节包括第二纵轴 和外表面，每个内链节的外表面具有沿着第二纵轴的方向延伸的至少 一个第二凹陷区域；抗扭曲构件，其位于多个内链节和多个外链节的 第一凹陷区域和第二凹陷区域之间，以允许内链节相对于彼此两个自 由度铰接，允许外链节相对于彼此两个自由度铰接，限制内链节相对 于相邻的内链节转动并且限制外链节相对于相邻的外链节转动。

在一些实施例中，外链节的第一凹陷区域和内链节的第二凹陷区 域包括探针的工作通道。

在一些实施例中，抗扭曲构件包括管状构件。

在一些实施例中，抗扭曲构件从多个内链节和外链节的近端链节 至远端链节连续。

在一些实施例中，抗扭曲构件从多个内链节和外链节的近端链节 至远端链节分割成段。

在另一方面中，进行外科手术的方法包括：选择这里所述的铰接 探针；操作该铰接探针以将其放置于利用探针的至少一个工具中。

在另一方面中，进行外科手术的系统包括这里所述的铰接探针。

在另一个方面中，形成铰接探针的方法包括：提供一种第一机构， 该机构包括：形成包括第一纵轴、第一铰接表面和第一限动元件的第 一链节；形成包括第二纵轴、第二铰接表面和第二限动元件的第二链 节；形成铰接链节，其包括第一铰接表面和第二铰接表面并且被构造 和设置成允许第二链节相对于第一链节两个自由度的铰接；和形成包 括第一限动元件和第二限动元的运动抑制组件，其中该运动抑制组件 被构造和设置成抑制第二链节相对于第一链节的第一纵轴绕着第二 纵轴转动。

附图说明

参考附图，本发明的实施例的上述和其他的目的、特征和优点将 更加清楚，其中在不同的附图中利用相同的参考数字表示相同的原 件。在说明实施例的原则时，附图不需要被放大，强调，而是正常状 态。

图1A是根据本发明的实施例的用于进行医学手术的系统的铰接 探针的第一和第二外链节的侧视图。图1B是图1A的第一和第二外 链节的下部立体图。图1C是图1A的第一和第二外链节的剖面侧视 图。图1D是利用相对于第一链节铰接的第二链节说明的图1A的第 一和第二外链节的剖面侧视图。图1E是图1A的第一和第二外链节 的一个侧立体图。

图2是根据本发明的实施例的用于进行医学手术的系统的铰接 探针的外链节的下部立体图。

图3A和3B是根据本发明的实施例的用于进行医学手术的系统 的铰接探针的第一和第二外链节的立体图。

图4是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系统的 铰接探针的第一和第二外链节的立体图。

图5A是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系统的 铰接探针的第一和第二外链节的侧视图。图5B是图5A的第一和第 二外链节中的一个的特写侧视图。图5C是图5B的链节的下部立体 图。

图6A是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系统的 铰接探针的第一和第二外链节的下部立体图。图6B是图6A的第一 和第二外链节中的一个的顶部立体图。图6C是图6B的链节的下部 立体图。

图7A是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系统的 铰接探针的第一和第二内链节的下部立体图。图7B是图7A的第一 和第二内链节中的一个的顶部立体图。

图8A-8C是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系 统的铰接探针的第一和第二外链节的俯视图。

图9是根据本发明的实施例的在其之间包括扭曲元件的内链节 和外链节的截面图。

图10A-10C是根据本发明的实施例的高度铰接探针装置的说明 图。

图11A-11B说明根据本发明的实施例的由高度铰接探针呈现的 各种构造。

图12A-12D说明根据本发明的实施例的外套管的链节的各种视 图。

图13A和13B分别说明根据本发明的实施例的内核体的链节的 端部和截面视图。

图14A和14B说明根据本发明的实施例的馈送机构的一个实例。

图15说明根据本发明的实施例的用于控制线缆张紧的装置。

图16说明根据本发明的实施例的用于控制外套管的线缆张紧的 装置。

图17说明根据本发明的实施例的用于控制内套管的线缆的张紧 的装置。

图18是说明根据本发明的实施例的控制的组件和这些组件之间 的信息流通的方块示意图。

具体实施方式

这里所用的术语目的在于说明特殊的实施例并且不是旨在限制 本发明的主旨。如这里所用，单数形成“一”，“一个”和“该”也包括复 数形式，除非上下文另外清楚地指出。应当进一步理解，当这里使用 术语“包含”(comprises)，“包含”(comprising)，“含有”(includes) 和/或“含有”(including)，表示存在所述的特征、整体、步骤、操作、 元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、 步骤、操作、元件、组件和/或者其组合。

应该理解，虽然术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述 各种限定、元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些限定、元件、 组件、区域、层和/或部分不应被这些术语所限制。这些术语只用于 区分一种限制、元件、组件、区域、层和/或部分与另一种限制、元 件、组件、区域、层和/或部分。因而，下面讨论的第一限定、元件、 组件、区域、层或者部分可以被称为第二限定、元件、组件、区域、 层或者部分，而不偏离本申请的教导。

进一步应该理解，当元件被称为“在......上”或者“连接”或者“联 接”到另一元件时，它可以直接在另一元件上或上方，或者连接或联 接到另一元件，或者可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直 接在......上”或者“直接连接”或者“直接联接”到另一元件，不存在中 间元件。用于描述元件之间关系的其他文字应该以类似地方式理解 (例如，“在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。 当一个元件在这里表述为在另一元件的“之上”时，它可以是在其他元 件之上或之下，并且或者直接联接到其他元件，或者可以存在中间元 件，或者这些元件可以被一空隙或者间隙隔开。存在许多类型的可转 向的多链节的高度铰接探针。全文通过参考而结合到本申请的Robert  Sturgeon的5,759,151号美国专利公开了一种用于进行探索性程序的 灵活的、可转向的装置。该装置包括至少一个心轴，每个心轴具有用 于选择性地致使心轴变硬并且沿着其长度具有柔性的加强部件。柔性 护套围绕心轴并且相对于心轴可轴向地可滑动地移动，从而护套依照 并且符合在坚硬状态下的心轴的形状，并且抑制心轴处于放松状态时 的进一步扭曲。可转向的远端顶部被设置在装置的远端上。远端顶部 的控制装置被安装在装置的近端上。机构被设置在装置的远端上，用 于选择性地启动和解除心轴的加强部件。仪器管道可以被安装在护套 上。全文通过引用而结合在本申请中的Howard Choset的11/630,279 号美国专利申请公开一种馈送机构，该馈送机构用于推进和缩回内核 体和外套管，以及选择性地将张力作用于控制转向所用的线缆并且引 起内核体或者外套管在坚硬状态和柔软状态下的过渡。

6,610,007号美国专利公开一种具有细长本体的可转向的内窥镜， 其具有可选择性地可转向的远端部分和自动控制的近端部分。内窥镜 本体被插入病人内并且选择性地可转向的远端部分用于在病人的体 内选择期望的路径。当内窥镜本体前进时，电子移动控制器操作自动 控制的近端部分，以显出选择性地可转向的远端部分的选择曲线。利 用可选择性地可转向的远端部分选择另一期望的路径，并且内窥镜本 体再次前进。当内窥镜本体进一步前进时，选择曲线沿着内窥镜本体 最近地蔓延，并且当内窥镜本体最近地取出时，则选择曲线沿着内窥 镜本体最远地蔓延。这样就会引起内窥镜本体中的蛇形运动，允许其 经过或者绕着体内的器官和在器官之间沿着期望的路径越过扭曲曲 线。

图10A-10C是根据本发明的实施例的高度铰接探针装置的说明 视图。根据图10A-10C所示的本实施例的高度铰接的机械探针10基 本包括两个同轴机构，外机构和内机构，每个机构能够观察作为可转 向机构。图10A-10C显示如何操作不同实施例的探针10。参考图10A， 内机构能够为称为第一机构，内核体或者内核体机构12。外机构能 够被称为第二机构，外套管或者外套管机构14。每个机构能够在坚 硬和柔软之间转换。在坚硬模式或者状态下，机构相对地不柔软，从 而不容易被再塑形。在柔软模式或者状态下，机构高度柔软，从而显 出其周围的形状或者能够被再塑形。应该注意，这里所用的术语“柔 软”不表示被动地假定依靠重力和其环境的形状的特殊结构，而在本 申请的“柔软”结构能够假定装置的操作者期望的位置和构造，因此可 以铰接和控制，而不是松弛和被动。

在一些实施例中，一个机构开始柔软，另一个开始坚硬。为了便 于理解，假定外套管14坚硬且内核体12柔软，如图10A的步骤1 所示。现在，内核体12通过馈送机构16被向前推，如下所述，其“头 部”或者远端被转向，如图10A的步骤2所示。现在，内核体12坚硬 并且外套管14柔软。然后外套管14被向前推动，直到到达内核体 12，或者共同延伸到内核体12，如图10A的步骤3所示。现在，外 套管14坚硬，内核体12柔软，程序重复。本方法的一个变形为使得 外套管14同样可转向。图10B说明这种装置的操作。在图10B中， 可以看出每个机构能够到达另一个并且向前前进一个链节。根据一个 实施例，外套管14可以被转向并且内核体12不行。图10C说明这种 装置的操作。

在医学应用中，一旦探针10到达期望的位置，操作者，特别是 外科医生，能够滑动一个以上的工具经过外套管14、内核体12的一 个以上的通道或者经过形成在外套管14和内核体12之间的通道，来 实施多种诊断和/或治疗程序。在一些实施例中，通道被称为工作通 道，其例如能够在形成在外链节的系统中的第一凹部和形成在内链节 的系统中的第二凹部之间延伸。在一些实施例中，内和外链节是图 1-9具体所述的类型。

除了诸如外科手术之外的医疗手术，探针10能够用在许多方面， 包括且不仅限于：引擎检查、修理或者翻新；槽检查和修理；侦查和 监控应用；炸弹解除；在紧密限制的空间中(例如潜水艇舱或者核武 器)检查或者修理；例如建立检查的结构检查；危险废弃物整治；生 物样品恢复，例如炭疽恢复；和这些的组合。可以清楚的看到，本公 开的装置具有各种应用，并且不应该限于任何特殊的应用。

内核体12和/或外套管14可转向并且内核体12和外套管14的 每一个能够坚硬和柔软，允许探针10在三维的任意位置上移动。探 针10能“记忆”其之前的结构，由此，探针10能够在三维体积中在任 意位置(例如，诸如人类病人的病人的身体内腔空间)移动。图 11A-11B说明通过探针10假定的各种结构的实例。

如图12A-12D和13A和13B所示，根据一个实施例，外套管14 和内核体12分别能够由同轴的圆筒、外链节22和内链节24组成， 虽然可以采用其他形状的链节，例如狗骨形结构(未显示)以及不同 轴类型的链节，例如脊骨形结构，和其他。在一些实施例中，链节 22、24的端部不是扁平的，而是一端26是“外的”或者凸出的外匹配 表面，另一端28是“内的”或者凹陷的内匹配表面。在一些实施例中， 内和外表面能够包括具有相似的曲率半径的半球形表面；但是，如这 里所述，本发明的实施例不限于此。链节22是“链状的”或者背对背 嵌套，从而一个链节的凹陷端部28与邻近的链节的凸出端部26匹配。 类似地，链节24是链状的，或者背对背嵌套。从动力学观点来，结 果是半球形结合。在目前的实施例中，每个链节能够转动，或者在邻 近的链节的头部上铰接，作为球形链节，其具有在任何方向上大约 10至20度的运动范围，虽然运动的其他范围是可能的并且可能有利 的。根据一个实施例，链节22具有延伸经过并且容纳的多个通道30， 或者线缆开口，在一些实施例中，多个控制线缆。另外，在一些实施 例中，线缆开口30能够被构造成容纳诸如细长工具的细长形装置。

在一些实施例中，外套管14和内核体12的头部(例如，远端链 节)可以利用例如彼此之间120°定位的三个线缆转向。如图12A-12D 所示，三个小的圆筒形通道30分别用于线缆经过。在图13A和13B 所示的实施例中，内链节24只有一个线缆，这种情况下只有一个孔 34经过其中心。

应该理解，虽然上述实施例利用诸如导电或者不导电线缆或者其 他柔性的细丝状结构，但是能够采用其他的部件操控柔软元件，例如 位于单一的链节之间的微型气动或者液压活塞或者其他机械链节，而 不会超出本发明的范围。

链节，和探针10事实上能够包括任何材料，包括塑料或者其他 磁性的磁共振成像的兼容材料。外套管14可以假定直径的宽范围， 典型地大于5mm。类似地，内核体12可以假定直径的宽范围，小于 外套管14的直径并且典型地大于3mm。外链节组件中的外链节的总 数量，或者内链节组件中的内链节的总数量能够在大范围内变化，但 是典型地大于10个内或者外链节。

可以注意到，内核体12和外套管14能够利用线缆或者其他柔性 的细丝结构制成坚硬或者柔软。在一些实施例中，外套管14包括系 在三个线缆上的一组链节22。三个线缆能够分隔120度，使得能够 在任意方向上转向套管。探针10的曲率半径取决于包括链节22的长 度以及匹配的链节22的端部之间的匹配尺寸的许多因素。当线缆被 朝着外套管14的后部拉动时，链节22被朝着彼此拉动。当拉力增大 时，邻近的链节22之间的摩擦力增大，直到整个外套管14变硬(例 如，进入坚硬模式)。当拉力增大时，外套管14变柔软。因而，线缆 以及它们的各自的张紧组件(例如，马达驱动滑轮)形成锁定装置。 张紧组件，以及用于控制张紧组件的电子设备形成用于控制线缆上的 张力的部件。当外套管14位于内核体12的前方的一个结合位置，并 且内核体12坚硬时，外套管14的远端链节能够通过拉动三个线缆中 的一个以上的线缆而定向。除了前进或者缩回线缆之外，能够监控或 者控制作为用每个线缆上的拉力的大小。通过以相同量拉动三个线 缆，外套管14变坚硬，而不改变其形状。

正如外套管14，内核体12由一组链节组成。根据一个实施例， 相对于外套管14，内核体12不会获得转向能力。在一些实施例中， 转向特征是可选择的，并且能够被采用，与内核体12相关。在一些 实施例中，内核体12能够在坚硬模式和柔软模式之间改变。因此， 在内核体12不需要被转向的实施例中，内核体12的链节可以系在一 个线缆上，这样减小探针10的直径。

如上所述，馈送机构16能够用于控制探针10。如图14A和14B 所示，一种类型的馈送机构16分别将探针10插入兴趣区域(病人的 食道，腹腔空间，心包腔或者其他内部空间)和从兴趣区域缩回。馈 送机构16具有两个可移动车。承载在第一固定盘43上的第一车42 推进和缩回外套管14，同时承载第二固定盘45上的第二车44推进 和缩回内核体12。每个车42、44和内核体12和外套管14的每一个 分别通过单独的现行驱动器46、48独立地驱动。线性致动器46、48 可以承载本领域技术人员熟知的用于位置控制的轴角编码器(未显 示)。其他地或者另外地，马达电流可以被监控从而确定用于控制位 置的线缆中的张力的值。可以利用一个以上的传感器，例如称重传感 器来监控线缆张力。可以包括许多定位或者其他传感器，从而提供相 对于线缆张力；车位置；探针方位和构造的信息和其他系统参数。典 型的传感器包括但不限于光学传感器；磁性传感器，例如霍尔效应传 感器；力和压力传感器，例如加速计、应变仪和机械开关；和这些的 组合。一个以上的传感器可以位于多个位置上，包括但不限于馈送机 构16，内核体12和外套管14。

车42、44中的每一个承载用于控制内核体12和外套管14的线 缆的所需的一个以上的马达。例如，如图15和图16所示，车42承 载马达50、51、52，该马达控制外套管14的线缆54、55、56上的 张力。如图17所示，第二车44具有用于控制内核体12的线缆59上 的张力的马达58。马达50、51、52和58中的每一个可以设置有用 于已知的位置控制的轴向编码器(未显示)。在内核体12可被转向的 实施例中，内核体12需要两个以上的马达(例如张紧两个以上线缆) 或者其他的线缆张紧机构。

图18是说明控制系统的一个实施例的组件和那些组件之间的信 息流通的方块示意图。馈送机构16通过总线转换模块64连接控制计 算机62。从馈送机构16流出的数据输入到模块64中以用于转换到 通信协议，诸如USB协议，然后输入到计算机62上的USB端口66。 进入到控制软件68数据可以包括马达电流数据，马达编码器数据和/ 或与馈送机构16中每一个线缆相关的线缆张力数据。其他地或者另 外地，进入到控制软件68的数据可以包括来自馈送机构16的一个或 多个传感器的数据，内核体或者外套管，例如这里所述的内核体12 或者外套管14。操纵杆数据(位置数据)可以从控制杆70接收。监 视器72可以响应来自安装在外套管14和/或内核体12的远端上照相 机的视频数据，用于提供关于探针10的远端位置的视觉反馈。控制 软件68可以输出输入到馈送机构16的马达电流限制指令和马达位置 指令。

在铰接探针的操作期间，外套管链节系统和内核体链节系统经受 扭曲，从链节到链节。例如，在探针的操作期间，在邻近的链节之间 能够发生固有量的扭曲。链节的扭曲能够在链节系统上累积。因而， 当从单独邻近的链节到链节的错位角度较小时，系统的远端链节相对 于近端链节的扭曲的总量能够很大。当系统中的链节的数量增大时， 累积扭曲的量也增大。这种扭曲能够不利地影响到铰接探针的性能。

许多因素(包括转向线缆的外半径和转向线缆开口的内半径之间 的差)能够产生扭曲。同样，邻近的链节可能在手术前，或者手术期 间发生错位。链节相对于彼此的扭曲能够引起转向输入和转向输出不 一致。会产生用户与机械坐标系之间的错位。结果，操作者在特殊方 向开始转动，机械手必须在不同的方向上移动以弥补扭曲。另外，彼 此扭曲的链节的转向可能会被限制在一个范围。扭曲还能够引起邻近 的链节不经意间锁定在一起，并且转向线缆能够夹持在过度扭曲的链 节之间的间隔中。反过来，这样导致线缆捆绑，引起较高的转向力， 或者当处于操作的柔软模式时不完全的张力释放。扭曲可能产生的问 题还包括插入穿过链节系统的内部通道的仪器的捆绑，内部工具通道 的可能阻塞，以及系统中的电导管的磨损增大。扭曲还导致内外链节 之间的磨损和摩擦增大，引起邻近的链节捆绑，或者防止在手术期间 推进的能力。同样，扭曲能够导致探针端和目标解剖体之间的错位。

邻近的链节之间的扭曲能够严重到5度的偏移量。在链节系统中 的远端链节相对于近端链节的累积扭曲能够达到45度。这里所述的 实施例指向用于抑制或者放置第二邻近链节相对于第一链节的扭曲 量，同时允许链节铰接以用于转向的目的。

图1A是根据本发明的实施例的用于进行医学手术的系统的铰接 探针的第一和第二外链节的侧视图。图1B是图1A的第一和第二外 链节的下部立体图。图1C是图1A的第一和第二外链节的剖面侧视 图。图1D是利用相对于第一链节铰接的第二链节说明的图1A的第 一和第二外链节的剖面侧视图。图1E是图1A的第一和第二外链节 的一个侧立体图。

参考图1A，铰接探针的第一和第二外链节100a、100b(一般地 为100)的每一个构造和设置成具有纵轴102Za，102Zb，铰接链节(图 1C具体显示由铰接表面104和110形成的链节)和限动元件106。多 个外链节100互相嵌套并且堆叠。链节被构造成相互铰接并且通过转 向线缆109防止彼此分离，转向线缆109经过多个链节100的一个或 多个转向线缆开口108。本实例公开了三个转向线缆开口108和三个 线缆109显示(见图1B)；但是根据铰接探针的应用，可以采用较少 或者较多的转向线缆开口和转向线缆。

如图1C所示，铰接链节包括第一外链节100a的凸出的铰接表面 104a和第二外链节100b的凹陷的铰接表面110b。在转向线缆109的 控制下，凸出和凹陷表面在第二外链节100b相对于第一外链节100a 的铰接范围上相互接合。在至少一个转向线缆109上存在的张力，在 任何给定的时间，在铰接探针的近端和远端之间保持组件的各种链节 的铰接链节固定在位置上。

参考图1A-1C，第一和第二外链节100a、100b的各自的纵轴 102Za，102Zb基本对齐，或者相互之间成零度角。在该位置上，可 以认为第二外链节100b相对于第一外链节100a处于非铰接的位置。 但是，在图1D中，第二链节100b的第二纵轴102Zb相对于第一链 节100a的第一纵轴102Za成非零度角。在该位置上，第二外链节100b 能够考虑处于相对于第一外链节100a的铰接位置上。

图2是根据本发明的实施例的用于进行医学手术的系统的铰接 探针的外链节的下部立体图。在该视图中展示了外链节的第一和第二 铰接轴102X，102Y。第一和第二铰接轴102X，102Y互相垂直并且 垂直于外链节的纵轴102Z。在铰接的允许范围上，相对于第一外链 节100a的第一和第二铰接轴，允许邻近第一外链节100a的第二外链 节100b关于第一铰接轴102X在角度范围内铰接，如箭头103X所示， 并且允许绕着第二铰接轴102Y在角度范围内铰接，如箭头103Y所 示。以这种方式，在两个自由度上允许铰接。由于这里所述的各种原 因，第二外链节100b相对于邻近的第一外链节100a在箭头103Z所 示的方向上扭曲或者转动是不期望的。这里所述的本发明的实施例包 括用于限制、减轻或者抑制铰接探针组件的第二外链节相对于邻近的 第一外链节的转动或者扭曲，或者铰接探针组件的第二内链节相对于 邻近的第一内链节的转动或者扭曲的各种类型的任何运动抑制组件。

参考图1A，第一和第二外链节100a，100b的每一个包括限动元 件，销106(图1E的立体图可视)，该销与邻近的链节的对应的狭槽 112协同地操作，从而提供适用于限制第二链节100b相对于第一链 节100a运动的限动组件106，112。特别地，运动抑制组件106、112 适于限制第二链节100b关于其纵轴102Zb相对于第一链节100a的纵 轴102Za的转动。

同时，操作运动抑制组件106、112以限定第一链节100a相对于 第二链节100b的转动。以这种方式，可以说，运动抑制组件106、 112能够限制第一链节100a和第二链节100b相对于彼此转动。

在一些实施例中，销106从外链节100的凸出的铰接表面104的 下部分沿着向外的方向延伸。在凸出的铰接表面104是半球形的实施 例中，销106能够位于，或者沿着半球形表面104的赤道。在一些实 施例中，销106可以具有环形的横截面，以允许在铰接时邻近链节的 狭槽112枢轴转动。在另外的实施例中，销106能够具有除了环形以 外的横截面形状。

在一些实施例中，狭槽112能够形成在从链节100的下部分延伸 的销延伸部或者片114。狭槽112的宽度W可以容纳销106的宽度(参 见图1B)。在一些实施例中，能够允许销106沿着狭槽112在狭槽延 伸的方向上自由地滑动，同时限制狭槽112的侧壁之间的销106的间 隔或者间隙。狭槽112能够具有长度L，该长度足以允许销106在邻 近的链节100a、100b的期望的铰接范围之间滑动。狭槽112的顶部 分是圆形的从而与圆形的，对应的销106连接。

在一些实施例中，如图1C所示，每个链节100包括两个销106 和用于与邻近的链节的销匹配的两个销狭槽112。但是，根据具体应 用，每个链节能够包括一个销106，或者两个以上的销，或者一个狭 槽112，或者一个以上狭槽112。在图1C所示的实施例中，第一链节 100a与第二链节100b对齐，从而它们各自的纵轴102Za、102Zb对 齐。在这种非铰接状态下。第一和第二销106至少部分地与邻近的第 二链节100b的各自的第一和第二狭槽112接合。在该位置上，随着 第一和第二销106与各自的适配狭槽112接合，防止或者限制了第二 链节100b相对于第一链节100a的纵轴102Za关于其纵轴102Zb转动 或者扭曲。特别地，采用作用于第二链节100b的任意该扭曲力矩， 第二链节的狭槽112的侧壁抵接第一链节100a的销106，从而防止第 一链节100b绕着其纵轴102Zb转动。同时，销106和狭槽112的相 互作用不会阻碍或者限制第二链节100b相对于第一链节100a的铰 接，例如，第二链节100b关于第一链节100a的第一和第二铰接轴 102x、102y的铰接(见图2)。第二链节100b相对于第一链节100a 的自由铰接得到维持，同时减轻或者防止第二链节相对于第一链节的 不期望的铰接。

参考图1D，一旦第二链节100b相对于第一链节100a进一步铰 接，则在本实施例中，其中一个销106-1与其对应的狭槽112-1分离， 同时另一个销106-2更深地接合在其对应的狭槽112-2。类似地，在 铰接位置上，与第一链节100a的对应的销106-2相互作用的第二链 节100b的狭槽112-2的侧壁防止第二链节100b相对于第一链节100a 关于其纵轴102Zb扭曲。同时，第二链节100b相对于第一链节100a 的自由铰接得到维持。

参考图1A-1E，链节100a、100b的每一个包括下部分126和上 部分128。在一些实施例中，下部分126包括凹陷的铰接表面110， 上部分128包括结合从而形成铰接链节的凸出的铰接表面104。肩状 物120能够设置在下部分126和上部分128的外表面的界面上。操作 第一链节100a的肩状物120和第二链节100b的下表面121，从而限 制第二链节100b相对于第一链节100a的铰接量。例如，能够将铰接 限制到对应于第二链节100b的下表面121物理抵接第一链节100a的 肩状物120的位置的角度。

继续参考图1A-1E，在一些实施例中，凹部122在下部分的肩状 物120中形成。凹部122能够形成的形状可以容纳销延伸部或者片 114。以这种方式，片114的狭槽112能够结合其对应销106，同时维 持链节100a、100b的外轮廓，从而其的外周长不会增大。在一些实 施例中，片114和对应的凹部122能够被构造和设置成它们不会限制 第二链节100b相对于第一链节100a的铰接。换句话说，在铰接的最 大程度上，第一链节100a的肩状物120与邻近的链节100b的下表面 121接触，同时维持片114和对应凹部122之间的间隙。在另一些实 施例中，片114和对应凹部122可以被构造为使得片114的表面和凹 部122提供铰接限制功能，同时维持邻近的链节100a、100b的肩状 物120和对应的下表面121之间的间隙。

继续参考图1A-1E，在一些实施例中，链节100a、100b包括具 有多个铰接内链节和多个铰接外链节的铰接探针的外链节。在一些实 施例中，凹部124设置在外链节的内部区域和内链节的对应的外部区 域之间的界面中。凹部124对应于铰接探针的工作通道从而允许从铰 接探针的近端将功能性元件运送到其远端，如这里所述。

在一些实施例中，例如在图1A-1E所述的实施例中，第一外链节 100a的凸出的铰接表面104a包括半球形凸出表面，第二外链节100b 的凹陷的铰接表面110包括半球形凹陷表面。在一些实施例中，第一 外链节100a的凸出的铰接表面104a的半径能够与第二外链节100b 的凹陷的铰接表面110b的半径相同。在一些实施例中，第一外链节 100a的凸出的铰接表面104a的半径能够大于第二外链节100b的凹陷 的铰接表面110b的半径。在一些实施例中，第一外链节100a的凸出 的铰接表面104a的半径能够小于第二外链节100b的凹陷的铰接表面 110b的半径。

在一些实施例中，例如在图1A-1E所示的实施例中，第一外链节 100a的凸出的铰接表面104a包括半球形凸出表面，并第二外链节 100b的凹陷的铰接表面100b包括半锥形凹陷表面。这种构造的优点 在于引起的铰接链节的接触区域对应于环形区域。结果，引起的界面 不可能捆绑，由于接触区域减小。同样，凸出和凹陷的铰接表面的匹 配特性更容易被控制，由于界面不容易受到制造程序参数，例如质地， 材料，摩擦等，变化的影响。引起的界面允许链节中的较大的变化公 差，这样会降低制造成本。

在一个实例中，假定半球形凸出的铰接表面，球形的直径变化会 影响到凸出和凹陷表面之间的表面接触量。这样导致操作力变化，邻 近的链节之间的压缩量和铰接表面的捆绑量的变化。假定半锥形凹陷 的铰接表面，由于制造或者使用所引起的凸出表面的变化不会影响凸 出和凹陷的铰接表面之间的接触角度和接触位置。凸出表面的尺寸变 化可以影响半锥形表面与凸出表面接合程度，尽管存在变化，但是由 于几何形状，接触角度是相同的。

半锥形表面的角度能够变化，从而容纳权衡引起的铰接探针的可 转向性和有效载荷。半锥形表面的角度控制凸出的、半球形铰接表面 和凹陷的、半锥形表面之间的接触点。通常，当接触点下降到圆锥的 较宽区域时，界面的强度，以及铰接探针的强度因而得到提高。当接 触点上升到圆锥的较窄区域时，铰接探针的可转向性得到提高。

在一些实施例中，半锥形表面的角度能够是包括大约23度或者 46度。当考虑到外链节的几何形状、材料强度和材料摩擦性能的总 和因素，这个角度是适合的。角度的范围经过试验，表示23度的圆 锥的压缩试验提供最优压缩，换句话说，最小量的压缩，由于凹陷的 锥形表面与凸出的球形匹配表面接触，同时，提供了在坚硬状态下锁 定能力的最优摩擦，如摩擦/操作试验结果所记录的。更倾斜的角度， 例如14度角，导致外链节在压缩状态下粘附或者捆绑彼此，同时在 更平缓的角度，例如，大于23度角，导致在坚硬状态下锁定减弱。 但是，由于几何形状、摩擦和材料强度的不同组合，所以小于23度 或者大于23度的圆锥角度可以是满足需要的。

在这里所述的实施例中，外链节100的系统采用彼此间隔120度 的操作线缆。转向线缆可选择地被拉紧以将链节的铰接表面保持在坚 硬位置上并且可选择地释放以使得链节在柔软位置上选择性地运动。 可以采用其他数量的转向线缆，例如，两个，四个，或者更多，它们 能够以规律的角度或者不同的角度分离。

图3A是根据本发明的其他实施例用于进行医学手术的系统的铰 接探针的第一和第二外链节的立体图。

参考图3A，在这个实施例中，运动抑制组件包括位于链节100a、 100d的凸出的铰接表面304的外部分上的一个以上的狭槽312。运动 抑制组件进一步包括一个以上的对应的销306，在本实例中两个相对 的销位于片314上，该片314被构造成接合邻近的链节100c、100d 的对应的狭槽312。

在一些实施例中，链节100a、100d的凸出的铰接表面304是半 球形的。在这种配置中，邻近的第二链节100d的销306定位成当邻 近的链节处于零度的铰接角度时，并且因此它们各自的纵轴对齐时， 邻近的第二链节100d的销306与第一链节100c的半球形凸出的铰接 表面304的赤道对齐。狭槽312能够在子午线或者经线的方向上，沿 着半球形凸出的铰接表面304的外表面，从表面304的赤道延伸到表 面304的极点。在一些实施例中，狭槽312的长度L能够延伸越过表 面304的赤道，从而容纳邻近的第二链节100d相对于第一链节100c 的铰接。在一些实施例中，在最大铰接角度上，第二链节100d的下 表面321抵接第一链节100c的肩状物320，从而限制铰接。形成在 肩状物320中的凹部322将片314容纳在该位置上，而不会妨碍第二 链节100d相对于第一链节100c的自由铰接。另外，片314和对应的 凹部322能够被构造成提供限制铰接功能。

在本实施例中，采用作用于第二链节100d的任意这种扭曲力矩， 第一链节100c的狭槽312的侧壁抵接第二链节100d的销306，从而 防止第二链节100d相对于第一链节100c绕着其纵轴转动。同时，销 306和狭槽312的相互作用不会阻碍或者限制第二链节100d相对于 第一链节100c的铰接，例如，第二链节100d关于第一链节100c的 第一和第二铰接轴102x、102y的铰接(见图2)。第二链节100d相 对于第一链节100c的自由铰接得到维持，同时减轻或者防止第二链 节100d相对于第一链节100c的不期望的铰接。

在一些实施例中，两个销306和狭槽312能够定位在每个链节 100c、100d上，在相对180度的位置上，如图3A所示。

参考图3B，在其他的实施例中，销306和狭槽312能够定位在 每个链节100d’,100d”,100d”’上。在实施例中，每个链节100d’,100d”, 100d”’的销306和狭槽312能够关于链节100d’,100d”,100d”’的外周 定位在相互分隔120度的角度距离的位置上。在组装中，每个各自的 链节100d’,100d”,100d”’能够通过每个链节相对于邻近的链节转动 120度而位于各自的位置上，同时链节从铰接探针的近端延续到远端。 由于销306和对应的狭槽112在整个铰接范围上保持接合，所以一个 销306和狭槽312的接合足以减轻或者防止链节100d”相对于邻近的 链节，例如100d’,100d”’进行不期望的扭曲。

图4是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系统的 铰接探针的第一和第二外链节的立体图。

参考图4，在该实施例中，运动抑制组件包括位于链节400a、400b 的凸出的铰接表面404的外部分上的一个或多个销406。运动抑制组 件进一步包括一个或更多的对应的狭槽406，该狭槽406位于凹陷的 铰接表面410a内并且被构造成接合邻近的链节400a、400b的对应的 销406。在图4所示的实施例中，采用一个销406和一个对应的狭槽 412。

在一些实施例中，链节400a、400b的凸出的铰接表面404是半 球形。在这种配置中，每个链节的销406能够位于凸出的铰接表面 404上，在半球形的凸出的铰接表面404的赤道的上方的位置上，并 且在表面404的赤道和极点之间。

狭槽412能够在子午线或者经线的方向上，沿着半球形凹陷的铰 接表面410a的内表面，从表面410a的赤道延伸到表面410a的极点。 在一些实施例中，狭槽412的长度L能够容纳邻近的第二链节400b 相对于第一链节400a的铰接。在一些实施例中，在最大铰接角度上， 第二链节400b的下表面421抵接第一链节400a的肩状物420，从而 限制铰接。

在本实施例中，当有任何该扭曲力矩作用于第二链节400b上时， 第二链节400b的狭槽410的侧壁抵接第一链节400a的销406，从而 防止第二链节400b相对于第一链节400a绕着其纵轴转动。同时，销 406和狭槽412的相互作用不会妨碍或者限制第二链节400b相对于 第一链节400a的铰接，例如，第二链节400b关于第一链节400a的 第一和第二铰接轴102x、102y的铰接(见图2)。第二链节400b相 对于第一链节400a的自由铰接得到维持，同时减轻或者防止第二链 节400b相对于第一链节400a的不期望的扭曲。

图5A是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系统的 铰接探针的第一和第二外链节的侧视图。图5B是图5A的第一和第 二外链节中的一个的特写侧视图。图5C是图5B的链节的下部立体 图。

参考图5A-5C，在一些实施例中，运动抑制组件包括一些凸轮或 者肋条150，其关于链节100e、100f的凸出的铰接表面104的外周彼 此分隔。在一些实施例中，凸出的铰接表面104是半球形的并且多个 凸轮150关于凸出的铰接表面104的赤道区域分隔。在其他的实施例 中，凸轮150能够位于凸出的铰接表面的赤道区域和极点区域之间。 凸轮150能够通过平坦的外链节表面152彼此链节；但是，根据具体 应用，链节表面另外地能够扭曲或者倾斜。运动抑制组件进一步包括 多个凹部154，其关于凹陷的铰接表面110的下部分的内表面彼此分 隔。凹部154类似地通过内链节表面156彼此链节，根据具体应用， 链节表面能够扭曲或者倾斜。第一邻近链节100e的凸轮150和外连 接表面152定位成与第二邻近链节100f的凹部154和内链节表面156 对应。以这种方式，在第二链节100f相对于第一链节100e的铰接的 整个范围上，多个凹部154和/或平坦的内链节表面156的至少一个 保持与邻近的链节的对应的凸轮150和/或外链节表面152接合。在 一些实施例中，在第二链节100f处于相对于第一链节100e零度的铰 接角度的位置上，至少所有凸轮150的顶部分和外链节表面152能够 位于接合至少所有凹部154的底部分和内链节表面156的位置上。另 一方面，在通过第二链节100f的下表面121和第一链节100e的肩状 物120的接触限制的扭曲铰接的位置上，诸如在图5A所示的实例中， 最左侧的凸轮150和对应的凹部154扭曲接合，中心凸轮150和凹部 154部分地接合并且左右侧的凸轮150和凹部154不接合。

在本实施例中，采用作用于第二链节100f的任意该扭曲力矩， 凹部154的内壁和第二链节100f的内链节表面156抵接第一链节100e 的凸轮150和外链节表面152，从而防止第二链节100f绕着其纵轴转 动。同时，凹部和凸轮154、150和内外链节表面156、152的相互作 用不会阻碍或者限制第二链节100f相对于第一链节100e的铰接，例 如，第二链节100f关于第一链节100e的第一和第二铰接轴102x、102y 的铰接(见图2)。第二链节100f相对于第一链节100e的自由铰接得 到维持，同时减轻或者防止不期望的铰接。

在图5A-5C的实施例中，六个凸轮150和对应的凹部154被描 述为关于链节均匀地分布在匹配的六角形中。在许多实施例中，能够 采用任何数量的凸轮150和凹部154。例如，两个至八个，或者更多 的凸轮150能够采用，两个至八个，或者更多的凹部154能够被采用， 凸轮150的数量与凹部154的数量可以相同，或者不同。凸轮和/或 凹部能够关于链节以角度间隔均匀地分布或者能够不均匀地分布。根 据具体应用，外链节表面152能够是平坦的，或者扭曲的或者倾斜的。 类似地，根据具体应用，内链节表面156能够是平坦的，或者扭曲的 或者倾斜的。

图6A是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系统的 铰接探针的第一和第二外链节的下部立体图。图6B是图6A的第一 和第二外链节中的一个的顶部立体图。图6C是图6B的链节的下部 立体图。

参考图6A-6C，在一些实施例中，限动组件包括在第一链节100g 的上部分128上的凸出的第一铰接表面604和在邻近第一链节100g 的第二链节100h的下部分中的凹陷的第二铰接表面610。

在一些实施例中，凸出的第一铰接表面604是半椭圆形的。在一 些实施例中，凹陷的第二铰接表面610是半椭圆形的。在一些实施例 中，半椭圆型表面在第一和第二铰接轴102x、102y的平面中具有主 轴Amajor和副轴Aminor(见图2)。参考图6B和6C，对于凸出的第 一铰接表面604和凹陷的第二铰接表面610，主轴Amajor的长度大 于副轴Aminor的长度。

邻近的链节的对应的凸出和凹陷的半椭圆形铰接表面604、610 的相互作用允许第二链节100h相对于第一链节100g自由铰接。例如 通过将第二链节100h的下表面121相对于第一链节100g的肩状物 120定位，可以限制铰接，如许多其他实施例以及这里所述。

在本实施例中，采用作用于第二链节100h的任意该扭曲力矩， 邻近的链节的匹配的半椭圆形的表面604、610的细长形状放置第二 链节100h相对于第一链节100g的纵轴602Zh绕着其纵轴602Zg转 动。同时半椭圆型表面604、610的相互作用不会阻碍或者限制第二 链节100h相对于第一链节100g的铰接，例如，第二链节100h关于 第一链节100g的第一和第二铰接轴102x、102y的铰接(见图2)。 第二链节100h相对于第一链节100g的自由铰接得到维持，同时减轻 或者防止第二链节相对于第一链节的不期望的铰接。

图7A是根据本发明的另一实施例的用于进行医学手术的系统的 铰接探针的第一和第二内链节的下部立体图。图7B是图7A的第一 和第二内链节中的一个的顶部立体图

参考图7A-7B，在一些实施例中，运动抑制组件包括在第一链节 700i的上表面上的第一铰接表面704和在邻近第一链节700i的第二 链节700j的下表面上的第二铰接表面710。

在图7A和7B的本实例中，第一和第二链节700i，700j包括铰 接探针的内链节。第一和第二内链节700i，700j被构造成定位在外链 节的配置中的纵向开口内。

在一些实施例中，第一和第二链节700i，700j(一般为700)包 括中心线缆开口732，该中心线缆开口732在链节700的纵向方向上 沿着各自的纵轴702Zi，702Zj经过链节700。线缆开口732被构造成 接收用于铰接探针的内机构的操作线缆。在一些实施例中，第一和第 二链节的最外表面部分734处于圆圈中。在一些实施例中，凹部724 能够被设置为容纳铰接探针的通道，该通道形成在外链节的内部区域 和内链节的外部区域之间，如这里所述。在存在三个工作通道凹部 724时，链节的主要形状为具有围绕线缆开口732的三个凸轮区域 736a-c。

在一些实施例中，第一铰接表面704包括凸出部件和凹陷部件。 例如，参考图7B，第一铰接表面704在第一和第二凸轮736a、736b 之间的表面704上在点G和H之间具有凸出轮廓。同时，在第一和 第二凸轮736a、736b之间，在第三凸轮736c和鞍状区域738之间的 表面704上，第一铰接表面704在点E和F之间具有凹陷轮廓。

类似地，如图7A所示，第二铰接表面710包括与邻近链节的第 一铰接表面704的那些凸出部件和凹陷部件对应的凹陷部件和凸出 部件。特别地，第二铰接表面710在第一和第二凸轮736a、736b之 间的表面710上在点C和D之间具有凹陷轮廓。同时，第二铰接表 面710在第一和第二凸轮736a、736b，在第三凸轮736c和鞍状区域 738之间的表面710上在点A和B之间具有凸出的轮廓。

相应地，第一铰接表面704的凸出部件匹配或者连接邻近的链节 的第二铰接表面710的凹陷部件。类似地，第一铰接表面704的凹陷 部件匹配或者连接邻近的链节的第二铰接表面710的凸出部件。

邻近的链节的第一和第二铰接表面704，710的邻近的链节的第 一和第二铰接表面704，710的对饮的凸出和凹陷部件的相互作用允 许第二链节700j相对于第一链节700i自由的铰接。例如，在第二铰 接表面的点C和D之间的凹陷部件与邻近的第一铰接表面上的对应 的部件的相互作用允许在第一平面上的自由铰接；同时在第二铰接表 面的点A和C之间的凸出部件与邻近的第一铰接表面上的对应的部 件的相互作用允许在第二平面上的自由铰接。

在本实施例中，采用作用于第二链节700j的任意扭曲力矩，第 一和第二铰接表面704，710的相对的凸出和凹陷部件防止第二链节 700j相对于第一链节700i的纵轴702Zi绕着其纵轴702Zj转动，或者 限制或减轻这种转动。同时，相对的凸出和凹陷部件的相互作用不会 阻碍或者限制第二链节700j相对于第一链节700i的铰接，例如，第 二链节700j关于第一链节700i的第一和第二铰接轴702x，702y的铰 接。第二链节700j相对于第一链节700i的自由铰接得到维持，同时 减轻或者防止第二链节相对于第一链节的不期望的扭曲。

包括相对的和匹配的凸出和凹陷部件的本实施例的发明性方面 不仅应用到铰接探针的内链节700，而且能应用到外链节100。

图8A-8C是根据本发明的其他实施例用于进行医学手术的系统 的铰接探针的第一和第二外链节的俯视图。

参考图8A的实施例，第一磁体802k设置在关于第一链节800k 的肩状物120。第一磁体802k可被设置在关于肩部120的常规角度 间隔。在本实施例中，阐明了90度间隔。类似地，第二磁体802l定 位成绕着第二链节800l的下表面121从而与第一链节的相对应。在 一些实施例中，位于第一链节800k的肩状物120上的第一磁体802k 的端部具有第一极性，例如南极(S)，位于第二链节8001的下表面 121上的第二磁体802l的端部具有第二极性，例如北极(N)。在其 他的实施例中，能够选择匹配对第一和第二磁体802k，802l，从而具 有相反的极性，给定的链节的所有磁体的极性不需要具有相同的取 向。

参考图8B的实施例，第一磁体802m设置在关于第一链节800m 的凸出的第一铰接表面804。第一磁体802m可被设置在关于第一铰 接表面804的常规角度间隔。在本实施例中，阐明了90度间隔。类 似地，第二磁体802n定位成绕着第二链节800n的凹陷的第二铰接表 面810从而与第一链节800m的相对应。在一些实施例中，位于第一 链节800m上的第一磁体802m的端部具有第一极性，例如南极(S)， 位于第二链节800n上的第二磁体802n的端部具有第二极性，例如北 极(N)。在其他的实施例中，能够选择匹配对第一和第二磁体802m， 802n，从而具有相反的极性，给定的链节的所有磁体的极性不需要具 有相同的取向。

参考图8C的实施例，第一磁体条802p定位成圆周地绕着第一 链节800p的凸出的第一铰接表面804。第一磁体条802p能够定位成 绕着第一铰接表面804的规律的角度间隔中。在本示例实施例中，阐 明了处于180度间隔的两个条。类似地，第二磁体条802q绕着第二 链节800q的凹陷的第二铰接表面810，并且其指向与第一链节800p 的相对应。在一些实例中，位于第一链节800p的第一磁体条802p具 有第一极性，例如南极(S)，位于第二链节800q的第二磁体条802q 具有第二极性，例如北极(N)。在其他的实施例中，可选择配对的 第一和第二磁体802p、802q，从而具有相反的极性，给定的链节的 所有磁体的极性不需要具有相同的取向。

在一些实施例中，第一和第二磁体定位成在第二链节相对于第一 链节的铰接角度的范围上互相磁性接合。邻近的链节的磁体之间的磁 性接合允许第二链节相对于第一链节铰接。例如通过相对于第一链节 的下表面121相对于第二链节的肩状物120的定位，能够限制铰接， 如这里和许多其他实施例所述。

在图8A-8C的实施例中，采用作用于第二链节的任意该扭曲力 矩，邻近的链节的磁体相互作用防止第二链节相对于第一链节的纵轴 绕着其纵轴转动，或者限制或者减轻这种转动。同时，磁性相互作用 不会阻碍或者限制第二链节相对于第一链节的铰接。第二链节相对于 第一链节的自由铰接得到维持，同时减轻或者防止第二链节相对于第 一链节的不期望的扭曲。能够在这里所述的任何的其他实施例中采用 图8A-8C的实施例，从而进一步约束或者限制链节的扭曲。

在本示例实施例中，磁体被说明为施加到铰接探头的外链节，然 而，本发明该概念的原则同样等同地适用于内链节。

图9是根据本发明的实施例的在其之间包括扭曲元件的内链节 和外链节的截面图。

参考图9，铰接探针包括具有中心开口的外链节100r的组件。内 链节700s的组件定位成经过内链节的中心开口。如这里所述，多个 外链节100r在其内侧壁上具有凹部124并且多个内链节700s在其外 侧壁上具有凹部724。同时，相对的凹部124、724形成用于铰接探 针的工作通道，用于这里所述的目的以及其他目的。

抗扭曲构件942位于至少一个工作通道125中。在一些实施例中， 抗扭曲构件包括中空或者实心的横截面的管状构件。在其他实施例 中，抗扭曲构件942包括允许邻近的内链节的铰接和邻近的外链节的 铰接的柔性材料。同时，管可在经受邻近的链节之间的扭曲运动时展 示强度或者硬度。在一些实施例中，抗扭曲构件942能够被构造成沿 着铰接探针的工作通道125的全部长度或者近似全部长度从近端至 远端延伸。在一些实施例中，抗扭曲构件942能够被分割成段，从而 延伸通过工作通道125的部分。在一些实施例中，抗扭曲构件942能 够被粘附到内链节700s的凹部724或者外链节100r的凹部124。在 一些实施例中，抗扭曲构件942能够被粘附到内链节700s的凹部724 和外链节100r的凹部124。

在一些实施例中，管状抗扭曲构件942能够被固定在其近端和远 端上。抗扭曲构件942的扭转硬度决定防止扭曲的程度。

在图9的本实施例中，采用作用于邻近第一链节的第二链节的任 意该扭曲力矩，抗扭曲构件的存在防止第二链节相对于第一链节的纵 轴绕着其纵轴转动。同时，抗扭曲构件不会阻碍或者限制，或者最小 程度地阻碍或者限制第二链节相对于第一链节的铰接。第二链节相对 于第一链节的自由铰接得到维持，同时减轻或者防止不期望的扭曲。 能够在这里所述的任何的其他实施例中采用图9的实施例，从而进一 步约束或者限制链节的扭曲。

如这里所述，本发明的系统和方法，防止或，减轻或者限制高度 铰接的机械系统中的链节的系统中的链节的扭转或者扭曲。该系统和 方法能够应用到机械系统的内链节机构和外链节机构。在一些实施例 中，第二链节相对于第一链节的转动限制到1度转动。根据构造，同 样可以采用其他的转动限制量，本发明的发明不限于此。

虽然参考示意性实施例特别地显示和说明了本发明的概念，但是 所属领域的技术人员应该理解，在不背离所附权利要求书所说明和限 定的本发明的主旨和范围内，可以进行各种形式和细节修改。