CN102470017B - 具有手动握持和舒适铰接的操纵器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的操纵器包括具有手柄(4)和控制按钮(4a-4d)的控制单元(1)，以及连接臂件(2)，该连接臂件在其近端(2a)处承载控制单元(1)并且在其远端(2b)处承载工作单元(3)。手柄(4)绕至少一根横向铰接轴线(4e)铰接，该横向铰接轴线本身位于沿手柄(4)的中间位置。由此获得特别符合人机工程学的操纵器，该操纵器易于学习使用并且将工具支承装置(5)的移动引起的应力与握持和移动操纵器本身引起的应力有效地分离。

Description

具有手动握持和舒适铰接的操纵器

技术领域

本发明涉及用于从手术区域外侧控制位于手术区域内侧的操纵器械的移动的操纵装置。

特别地，这些操纵装置用于在采用内窥镜的微创外科应用中安置和控制外科工具。

在这些应用中，需要能移动并控制外科工具以实现诸如组织的诸如缝合、打结、精细解剖之类的多样化手术。这些手术是精巧、严密的手术，其中要执行的移动很复杂。

本发明更具体地涉及便携式操纵装置，其中外科工具被安置在外科医生一手握持的操纵器的一端并且主要具有带近端和远端的连接臂件。连接臂件的近端包括控制单元，该控制单元具有适合由所述手握持的手柄并且包括至少一个控制部件，该控制部件适合由所述握持手柄的手的至少一根手指加载以致动该外科器械。

背景技术

从例如文献US6,077,286已知一种这样的便携式操纵装置，其中手柄是一杆件，该杆件设置有沿该杆件的全长延伸的杠杆，并且在其远端处被铰接，使得握持手柄的用户能在捱持操纵器的同时使杠杆朝开启位置和闭合位置枢转。

因此，杠杆构成安装在手柄上并且适合由握持手柄的手的至少一根手指加载的控制部件。

手柄安装在连接臂件的近端处，该连接臂件沿纵向臂件轴线延伸并且在其远端侧承载工作单元，该工作单元承载工具。该工具具有夹爪，通过杠杆的枢转来指挥该夹爪的开启和闭合。

上述文献提出通过提供在连接臂件的近端与手柄的远端之间绕横向轴线铰接的连接件来改善握持和操纵手柄的人机工程学，该连接件具有用于锁定手柄的角位置的装置。因此，在上述文献中，手柄的铰接部位于手柄的远端处并且用户借以握持手柄的握持区段完全处于相对于铰接部的近侧区域内。

在上述现有技术文献的装置中，对铰接杠杆加载必定引起手柄的同时加载，结果，通过杠杆的旋转而闭合或开启工具的移动与工具在连接臂件的端部处的定位之间存在不完善的分离(分解，découplage)。

此外，当手柄已枢转时，为了改善操作员舒适性，拉动或推动手柄以产生操纵器的轴向移动相对于连接臂件的轴线是偏心的，这必定产生趋于使操纵器倾斜的扭矩和不希望有的工具移动，操作员必须试图通过对手柄施加扭矩来纠正这种工具移动。

此外，在手柄的枢转位置，拉动手柄以产生操纵器的轴向移动必定产生不希望有的杠杆加载和因此不希望有的工具致动。

同时，目标是改善便携式操纵器的人机工程学，以使操纵器能被握持并且外科工具能在所有所需的移动中被加载而操作员不必将他们的手置于他们的腕部、肘部和肩关节的受限或不舒适的位置。

文献US2008/0287862A1描述了一种操纵器，该操纵器包括：

-控制单元，该控制单元具有适合被握持在一只手中的手柄，并且具有用于将其固定在固定的支承装置上以便在该支承装置上滑动的固定和导向装置，

-至少一个控制部件，该控制部件安装在手柄上，并且适合通过握持手柄的手的至少一根手指加载，

-连接臂件，该连接臂件沿臂件纵向轴线延伸，具有控制单元安装在其中的近端，并且具有远端，

-工作单元，该工作单元安装在连接臂件的远端上，包括适合支承工具的工具支承装置，并且由所述至少一个控制部件致动，

-手柄沿手柄纵向轴线是长形的并且被调整以适应于握持在手的手掌中，该手的拇指与其它手指相对以在握持区段中包围其侧表面，

-手柄以至少一个绕横向于其手柄纵向轴线的第一铰接轴线的旋转自由度被铰接在控制单元中，

-手柄的第一铰接轴线位于沿手柄纵向轴线的中间位置，使得握持区段沿手柄的第一铰接轴线的任一侧延伸，

-与连接臂件的纵向轴线交叉的第一铰接轴线。

借助于手柄的第一铰接轴线的中间位置，并且借助于铰接轴线与连接臂件的纵向轴线交叉的事实，操作员在手柄的第一铰接轴线的任一侧上握持手柄，并且操纵器的轴向拉动或推动移动产生了基本上相对的手柄旋转扭矩，减小了在与第一铰接轴线垂直的平面内从操纵器侧向施加的任何不希望有的力。然而，发现在与第一铰接轴线不垂直的平面内保留有不希望有的力，使得定位和驱动工具的精度仍然不足。

此外，在上述文献中，手柄相对于控制单元的移动引起使远侧工具相对于连接臂件移动的致动器的加载。这导致在外科手术期间定位工具与指挥工具移动之间的未分离。为此，上述文献提供了将控制单元固定于固定的支承装置上。该操纵器不是便携式的。

发明内容

本发明所解决的问题是通过一种便携式的操纵器进一步提高工具移动的定位和驱动精度，避免了所有不希望有的移动，并且确保了在外科手术期间定位工具与指挥工具移动之间的良好分离。

同时，目标是通过单独操控手柄来促进操纵器绕连接臂件的纵向轴线的轴向旋转，从而限制操作员的腕部、肘部和肩的必要移动的幅度。

为了实现上述和其它目的，纵向手柄轴线也与连接臂件的纵向轴线交叉。

因此，旋转扭矩在围绕连接臂件的纵向轴线的所有方向上得到平衡。

此外，手柄被固定而不能相对于控制单元绕其纵向轴线轴向旋转，并且操纵器不具有与手柄相对于控制单元的移动以及工具支承装置和工具相对于连接臂件的移动直接或间接联接的联接装置。

手柄绕其纵向轴线的相对旋转的缺乏使得当手柄与连接臂基本上对齐时可以避免不可能或很难驱动操纵器轴向旋转。

手柄的相对移动与工具支承装置的相对移动之间不存在任何联接装置使得能实现保持工具就位与指挥工具的相对移动之间的良好分解/分离，并且使操作员的手不管操纵器的位置如何都能容易地握持手柄，并且可这消除人手的生理限制。

此外，通过与第一铰接轴线相对于手柄的纵向轴线的横向位置相结合，大幅减小了操作员的手臂使操纵器绕其纵向轴线枢转的必要的移动的幅度，特别是操纵器的偏离位置(图18)。

在说明书和权利要求书中，用语“交叉”一定不能在于一个点相遇的交叉直线的任何严格的数学意义上进行理解，而要在取得定位操纵器的不同移动之间的分解的充分技术效果的物理的、更近似的意义上进行理解。因此，如果相关的三根轴线，即第一铰接轴线、手柄纵向轴线和连接臂件的纵向轴线，全部与15mm直径球体交叉，则认为它们“交叉”。因此，杠杆臂件对于不同移动导致的不希望有的扭矩而言足够短而可以忽略不计。还理解交叉的轴线可在特定位置重合(即，被叠加)。

通过确保第一铰接轴线位于沿手柄的握持区段的平衡的中间位置来获得又一改进。这确保了当轴向拉动或推动时或者当使手柄绕第一轴线旋转时施加到手柄的旋转扭矩被正确地补偿，从而防止操纵器上的任何侧向加载并因此防止工具的任何不希望有的移动。

控制部件优选远离握持区段的支承区域设置在手柄上。换言之，控制部件被安置在手柄上使得它们由未用于握持操纵器的手的一部分加载。这进一步降低了定位工具的移动与致动工具的移动之间发生干扰的风险。

为了还增加手柄的移动能力，可另将手柄设置成以绕第二铰接轴线旋转的第二自由度铰接在控制单元中。

铰接轴线可有利地与臂件的纵向轴线交叉。

在第一实施例中，手柄在控制单元中枢转自如。

在第二实施例中，还可设置一装置，该装置用于锁定手柄以免绕铰接轴线旋转，从而在连接臂件在套管中引导不良或未在套管针内引导的情况下给操作员提供一些额外的握持操纵器的可能性。

不过可优选更简单的结构，其中手柄仅以一个绕第一铰接轴线的旋转自由度铰接。更容易学习使用这种结构来实现工具在手术腔内的正确定位并防止不希望有的移动。

这种情况下，第一铰接轴线相对于连接臂件的纵向轴线倾斜将是有利的：该倾斜定向更好地克服了当使操纵器绕连接臂件的纵向轴线旋转时人手的生理限制。

在另一实施例中，在手柄的铰接部与控制体之间设置有定位臂件，操作员可借助于该定位臂件修改和固定手柄的第一铰接轴线在控制单元中的相对空间和/或角位置。

该定位臂件可以是长5至30cm的半刚性杆件，可在比仅通过操纵器的重量产生的力和由操纵器处理的组织的阻力大的弯曲或扭转力下变形。因此，操作员可在可变形的臂件不变形的情况下握持操纵器并且可通过用双手更用力地加载而使臂件按照意愿变形。操作员因此可按照意愿将手柄的铰接轴线安置在任何空间内，以改善操纵并且提高操作员的肘部和/或肩部的舒适度。

或者，定位臂件可以是一杆件，该杆件在其近端处承载手柄的第一铰接轴线并且在其远端处通过可锁定的铰接部铰接在连接臂件或控制体上。

这种定位臂件的实际存在使得操作员能在宽的可能范围内修改和固定手柄相对于连接臂件和操纵器的其余部分的位置和定向。操作员因此可在实现手术姿势之前调整操纵器以使其具备更好地适合它们必须形成的姿势的形状，以便在不必将他们的手置于他们的腕部、肘部或肩关节的限制或不舒适的位置的情况下形成该姿势。可独立于手柄铰接部的存在或不存在而实现这种结果。

手柄与连接臂件之间存在这种定位臂件构成独立发明。

本发明有利地适用于其中第一指挥部件的致动指挥被容纳在控制体中、驱动工具支承装置倾斜移动的倾斜致动器的情形。

附图说明

本发明的其它目的、特征和优点将从以下参考附图对具体实施例的描述中显现，在附图中：

-图1是示出了位于用于外科手术的位置的本发明的一个实施例的操纵器的总示意图；

-图2、3和4是示出了握持图1的操纵器的手柄的手的透视图；

-图5和6是示出了本发明的第一实施例的操纵器手柄的铰接部的透视图；

-图7至10在透视图中示出了位于操纵器的轴向旋转期间的四个连续的位置的本发明的第二实施例的操纵器手柄铰接部；

-图11、12和13示出了本发明的第三实施例的操纵器手柄铰接部；

-图14在侧视图中示出了具有可变形的定位臂件和铰接手柄的操纵器；

-图15示出了具有可变形的定位臂件和固定的手柄的操纵器；

-图16示出了具有铰接的定位臂件和铰接的手柄的不同操纵器；

-图17示出了具有铰接的定位臂件和固定的手柄的操纵器；以及

-图18和19示出了具有定位臂件的操纵器的人机工程学效果。

具体实施方式

首先来看如图1的实施例所示的本发明的操纵器的总体结构。

在此实施例中，操纵器100包括控制单元1、连接臂件2和工作单元3，该连接臂件2沿连接臂件的纵向轴线I-I延伸。

控制单元1安装在连接臂件2的近端2a上，并且工作单元3安装在连接臂件2的远端2b上。

控制单元1包括适合由操作员的一只手握持的手柄4和容纳各种用于在工作单元3内产生合适的移动的驱动装置的控制体10。

控制单元1优选绕连接臂件的纵向轴线I-I平衡，即，其重心基本上集中在连接臂件的所述纵向轴线I-I上。

工作单元3包括适合支承工具6的工具支承装置5。附图举例示出了形式为具有两个分支6a和6b的夹钳的工具6。当然其它形式的工具也是可能的，例如简单的钩件。

手柄4包括至少一个控制部件。在所述的示例中，手柄4包括第一控制部件4a、第二控制部件4b、第三控制部件4c和夹钳控制部件4d。

如公知装置中那样，连接臂件2穿过套管针7，该套管针7提供与在患者的体壁9中产生的开口8的连接并进入该开口8。控制单元1保留在患者的身体外侧，而工作单元3穿透到患者身体内部而到达手术区域，在这里工具6必须执行由控制单元1进行控制的移动。

在图1中所示的实施例中，可由控制单元1致动工具支承装置5和工具6，以实现一种或多种移动。

例如，对手柄4的第一控制部件4a的加载指挥被收纳在控制体10中的倾斜致动器，该倾斜致动器本身驱动工具支承装置5绕横向倾斜轴线11倾斜移动12。因此，工具支承装置5和工具6可呈现它们定向在倾斜方向II上的倾斜。

对手柄4的第二控制部件4b的加载指挥被收纳在控制体10中的旋转致动器驱动工具支承装置5绕倾斜方向II旋转移动14。

对手柄4的第三控制部件4c的加载指挥被收纳在控制体10中的臂件旋转致动器产生定向移动16，藉此使倾斜方向II绕连接臂件2的纵向轴线I-I定向。

致动手柄4的夹钳控制部件4d控制夹钳致动器获得夹钳6的开启或闭合。

各致动器可以是电动机、液力或气动致动器或机械传动型致动器。可优选电动机式致动器，特别是由于其供电简单以及操作和控制的灵活性。

手柄4包括沿纵向手柄轴线IV-IV呈长形的本体并且绕第一铰接轴线4e铰接在控制单元1中。

现在来看图2至4。手柄4以与图1稍微不同的方式示出，但仍构成沿纵向手柄轴线IV-IV呈长形的手柄体。手200正常放置在手柄上，其中拇指位于与其它手指相对的一侧上，以在握持区段40中包围手柄的侧表面。在实践中，手柄4具有对于将手柄握持在一只手200的手掌中来说足够小的宽度LA(图3)，其中拇指201与其它手指202相对，以在握持区段40中包围手柄的侧表面。握持区段40的长度为大约10cm。

手柄4绕横向于其纵向手柄轴线IV-IV的第一铰接轴线4e铰接在控制单元1中。

图3和4示出了横向的第一铰接轴线4e沿手柄纵向轴线IV-IV的位置。

如可看见的那样，手柄4的第一铰接轴线4e位于沿手柄纵向轴线IV-IV的中间位置，使得握持区段40位于手柄4的第一铰接轴线4e的任一侧上。在图2至4中所示的实施例中，第一铰接轴线4e实际上位于沿手柄4的握持区段40的平衡的中间位置，即，第一铰接轴线4e基本上位于握持区段40的中间。

现在来看如图5和6中所示的手柄4在控制单元中的铰接的第一实施例。

这些图示出了臂件纵向轴线I-I、手柄纵向轴线IV-IV和第一铰接轴线4e。第一铰接轴线4e与连接臂件2的纵向轴线I-I交叉并且相对于连接臂件2的所述纵向轴线I-I倾斜。

类似地，手柄纵向轴线IV-IV与连接臂件2的纵向轴线I-I交叉。

在图7至10中所示的实施例中，第一铰接轴线4e基本上垂直于连接臂件2的纵向轴线I-I。

在图11至13中所示的实施例中，手柄4绕与连接臂件2的纵向轴线I-I垂直并且交叉的两根铰接轴线4e和4f铰接。

在图5至13的所有实施例中，控制单元1包括纵向近侧臂件20，该纵向近侧臂件20侧向背离连接臂件2的纵向轴线I-I并且在其近端20a处承载横向臂件21，手柄4铰接于该横向臂件21上。臂件20和21在手柄4周围限定自由空间22，该自由空间22提供了用于握持手柄的手的手指在手柄绕第一铰接轴线4e移动期间的自由通过。

显然，手柄4的枢转能力使得在限制用户的手的腕关节的回转的位置手柄能够被握持，同时给操纵器提供对应于工具6的所需位置的不同定向。

对控制部件4a-4d的操纵使得能够在不影响手柄4对操纵器的握持的情况下致动工具支承装置5和工具6，从而确保操纵器的握持与工具6和工具支承装置7的致动之间的良好分离。

图7至10示出了本发明的铰接和平衡的手柄的有利效果，即在拇指和相对的手指不离开手柄的情况下仅通过操作员握持手柄4的手所施加的旋转扭矩来指挥操纵器的轴向旋转R。由于控制单元1绕臂件纵向轴线I-I平衡，所以轴向旋转R是规则的并且仅通过操控手柄4来精确地控制，操作员的手借助手柄同时握持操纵器。

手柄4为了实现轴向旋转R而相对于控制单元1的移动并不影响工具6和/或工具支承装置5相对于连接臂件2的相对位置。

在所有已描述的实施例中，还可设置用于锁定手柄4以免绕铰接轴线4e旋转的装置。该锁定可通过本领域的技术人员公知的任何装置实现，例如通过绕铰接轴线4e的夹持装置。

接下来参见图14，该图示出了其中定位臂件30设置在手柄4的铰接部4e与控制体10之间的操纵器。

在此实施例中，定位臂件30是长5至30cm的半刚性杆件，可通过大于由操纵器100的重量产生的力和由操纵器100处理的组织的阻力的弯曲或扭转力变形。

在实践中，对于具有大约0.5kg的质量的操纵器，设置了可通过从10至50N的力变形且然后保持其形状的半刚性杆件。因此，用户可在不使臂件30变形的情况下通过手柄4握持操纵器100。

借助于定位臂件30通过较高的力变形的能力，用户可调整臂件以便使其具有能实现在所有期望位置例如偏移位置握持手柄4的形状。这在操纵器100必须远离操作员的身体偏移的某些操作条件下减少了操作员的腕部、肘部和肩部的疲劳。

可利用液压、气动或机械力(包括摩擦)来实现定位臂件30的变形和形状锁定。举例而言，可变形的定位臂件30可以是具有彼此铰接的多个节段的多重铰接杆件，每个铰接部通过可具有分度装置(indexation)的摩擦部件来制动。

图16示出了一变型，其中定位臂件30是通过设置有制动或分度装置的具有横向轴线的铰接部31铰接于控制体10或连接臂件2上的刚性杆件。例如，该铰接部包括至少两个波形垫圈，该波形垫圈通过弹簧装置彼此轴向压靠，且其波纹趋于互相接合。手柄4在定位臂件30的端部处绕第一铰接轴线4e铰接。

第一独立发明可在于如以上关于图14所述的半刚性杆件型定位臂件的用途，该定位臂件提供了较大的对手柄相对于操纵器的其余部分的定位和定向进行修改的能力。手柄4铰接于定位臂件30的端部上。

图15示出了另一种可能性，其中手柄4被固定于半刚性杆型定位臂件30的端部上，该半刚性杆型定位臂件30将手柄4连接到控制体10和连接臂件2，该连接臂件2的远端承载工具支承装置5和工具6。

第二独立发明可在于如上文参考图16所述的铰接于连接臂件的端部上的半刚性杆型定位臂件的用途。这种情况下，人机工程学考虑使得有必要设置至少一个控制部件，该控制部件安装在手柄上并且指挥致动器，该致动器通过相对于连接臂件2的纵向轴线的倾斜移动来驱动工具支承装置5。

图17示出了另一种可能性，其中手柄4固定于铰接的刚性杆件型定位臂件30的端部上，并且工具支承装置5的定向12的移动由手柄4的控制部件4a中的一个控制。

在其它方面，图14至17的这些装置可采用前文参考图1所述的装置。

图18和19示出了在操纵器在偏心位置的操纵的情况下存在定位臂件30的人机工程学效果：参看图18，握持现有技术操纵器100a的操作员300的右臂301的偏移和令人疲倦的位置，并且参见图19，握持具有本发明的定位臂件30的操纵器100的操作员300的右臂301的自然闭合和舒适的位置。

本发明并不限于已明确描述的实施例，而是包括被包含在以下权利要求的范围内的本发明的多样化的变型和一般化。

Claims (9)

1.一种用于从手术区域外侧控制位于手术区域内侧的操纵器械的移动的操纵器，包括：

-控制单元(1)，所述控制单元具有适合被握持在一只手中的手柄(4)，

-至少一个控制部件(4a-4d)，所述控制部件安装在所述手柄(4)上，并且适合通过握持所述手柄(4)的手的至少一根手指加载，

-连接臂件(2)，所述连接臂件沿臂件纵向轴线(I-I)延伸，具有所述控制单元(1)安装在其中的近端(2a)，并且具有远端(2b)，

-工作单元(3)，所述工作单元安装在所述连接臂件(2)的远端(2b)上，包括适合支承工具(6)的工具支承装置(5)，并且由所述至少一个控制部件(4a-4d)致动，

-所述手柄(4)沿手柄纵向轴线(IV-IV)是长形的并且被调整以适应于握持在手(200)的手掌中，所述手的拇指(201)与其它手指(202)相对以在握持区段(40)包围所述手柄的侧表面，

-所述手柄(4)以至少一个绕横向于其手柄纵向轴线(IV-IV)的第一铰接轴线(4e)的旋转自由度被铰接在所述控制单元(1)中，

-所述手柄(4)的所述第一铰接轴线(4e)位于沿所述手柄纵向轴线(IV-IV)的中间位置，使得所述握持区段(40)沿所述手柄(4)的所述第一铰接轴线(4e)的任一侧延伸，

-所述第一铰接轴线(4e)与所述连接臂件(2)的纵向轴线(I-I)交叉，

-所述手柄纵向轴线(IV-IV)与所述连接臂件(2)的纵向轴线(I-I)交叉，

-所述手柄(4)被固定以免相对于所述控制单元(1)绕其纵向轴线(IV-IV)轴向旋转，

其特征在于：

-所述操纵器在所述手柄(4)相对于所述控制单元(1)的移动与所述工具支承装置(5)和所述工具(6)相对于所述连接臂件(2)的移动之间不具有直接或间接联接装置，

-所述工具支承装置(5)和所述工具(6)相对于所述连接臂件(2)的相对移动(12、14、16)由收纳在所述控制单元(1)的控制体(10)中的致动器产生并且由所述至少一个控制部件(4a-4d)控制。

2.根据权利要求1所述的操纵器，其特征在于，所述第一铰接轴线(4e)位于沿所述手柄(4)的所述握持区段(40)的平衡的中间位置。

3.根据权利要求1所述的操纵器，其特征在于，所述手柄(4)还以绕第二铰接轴线(4f)的第二旋转自由度被铰接在所述控制单元(1)中。

4.根据权利要求3所述的操纵器，其特征在于，所述铰接轴线(4e，4f)与所述臂件(2)的纵向轴线(I-I)交叉。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的操纵器，其特征在于，所述操纵器还包括用于锁定所述手柄(4)以免绕所述第一和/或第二铰接轴线(4e，4f)旋转的装置。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的操纵器，其特征在于，第一控制部件(4a)的致动指挥被收纳在控制体(10)中的倾斜致动器驱动所述工具支承装置(5)倾斜移动(12)。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的操纵器，其特征在于，所述手柄仅以一个绕所述第一铰接轴线(4e)的旋转自由度被铰接。

8.根据权利要求7所述的操纵器，其特征在于，所述第一铰接轴线(4e)相对于所述连接臂件(2)的纵向轴线(I-I)倾斜。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的操纵器，其特征在于，所述控制单元(1)的重心基本上集中在所述臂件纵向轴线(I-I)上。