Гибкая управляемая трубка

 

Изобретение относится к оптико-механическому машиностроению, в частности к приборам, которые служат для осмотра и терапии полых органов и полостей тела в медицине или для осмотра труднодоступных полых пространств в технике. Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения панорамного обзора исследуемой полости. Гибкая управляемая трубка содержит гибкую эластичную оболочку, внутри которой размещены последовательно соединенные звенья, содержащие кольцевой элемент и два симметрично расположенных по окружности шарнирных элемента, выполненных в виде роликов, первый и второй тросы управления, третий и четвертый тросы управления, причем в последующем звене оси шарнирных элементов попарно развернуты на 90^o по отношению к осям шарнирных элементов предыдущего звена, а тросы управления расположены внутри сквозных отверстий кольцевых и соответствующих шарнирных элементов. Сквозные отверстия кольцевых и шарнирных элементов имеют торообразную форму. Шарнирный элемент имеет кривизну поверхности, равную кривизне поверхности кольцевого элемента. Шарнирный элемент выполнен в виде полукольца, имеющего форму симметричного лепестка. В каждом звене шарнирные элементы выполнены в виде замкнутого кольца с боковыми поверхностями тороидальной формы, а в местах минимальной толщины выполнены дополнительные сквозные отверстия. На контактируемых поверхностях шарнирных и кольцевых элементах выполнены микровыступы. 6 з. п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к оптико-механическому машиностроению, в частности к приборам, которые служат для осмотра и терапии полых органов и полостей тела в медицине или для осмотра труднодоступных полых пространств в технике, а в эндоскопах они представляют собой ту часть прибора, изменением положения которой оператор (специалист) осуществляют полный осмотр исследуемой полости.

Известна гибкая управляемая трубка для эндоскопа (патент Великобритании N 1447901, кл. А 61 B 1/00, 1971), содержащая кольцевые звенья с выступами на одной стороне и впадинами на другой и тяги управления, пропущенные в отверстия звеньев, и охваченная эластичной защитной оболочкой.

Недостаток такой трубки ограниченная надежность при уменьшении ее диаметра, в результате чего при малейшем внеосевом усилии происходит выход звеньев из зацепления и поломка гибкой трубки.

Известна гибкая трубчатая конструкция эндоскопов (авт. св. СССР N 1329603, кл. А 61 B 1/00, 1985), содержащая опирающиеся друг на друга кольцевые элементы и выполненные в виде полых призматических или цилиндрических звеньев, одни ограничительные поверхности которых снабжены по меньшей мере двумя выступающими опорными зубьями, а другие по меньшей мере двумя подковообразными выступами, кольцевые элементы расположены так, что опорные зубья одного элемента входят в отверстия в подковообразном выступе другого элемента.

Недостатком данной управляемой трубки является сложность (трудоемкость) изготовления кольцевых элементов с точно сопрягаемыми поверхностями опорных зубьев и отверстий в подковообразном выступе.

Известна гибкая управляемая трубка (патент США N 3998216, кл. А 61 В 1/06, 1976), содержащая внутреннюю цилиндрическую гибкую оплетку, к внешней стороне которой примыкает гибкий остов, выполненный из набора колец, имеющих на одном торце выступ, а втором концентрирующую выемку, и тросы управления, проходящие внутри гибкой трубки в боковых просечках ленточной пружины, размещенной внутри полой цилиндрической оплетки.

Недостатком данной трубки является ограниченная надежность, обусловленная тем, что фиксация кольцевых элементов гибкого остова осуществляется на гибкой цилиндрической плетеной структуре, что не обеспечивает постоянства установки одного элемента относительно другого ввиду того, что тросы управления взаимодействуют с кольцами посредством оплетки. При изгибе трубки возможно нарушение зацепления остроконечного зуба кольца выемки и выход из строя цилиндра.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является гибкая управляемая трубка (авт. св. СССР N 1480806, кл. А 61 В 1/00, 1989), содержащая полые одинаковые шарнирно соединенные элементы, имеющие две продольные канавки для тросиков и четыре управляющих тросика, элементы имеют наружные лыски, параллельные плоскости, проходящей через оси симметрии канавок, с одного из торцов элементы ограничены вогнутой, а с другого - выпуклой цилиндрическими поверхностями, причем оси симметрии образующих вогнутой, выпуклой цилиндрических поверхностей и продольная ось трубки взаимно перпендикулярны, а соседние элементы повернуты друг относительно друга на 90^o вокруг продольной оси трубки.

Недостатком известной гибкой управляемой трубки является ограниченная надежность.

Задача изобретения повышение надежности путем уменьшения усилий на тросы управления.

Задача решается тем, что в гибкой управляемой трубке, содержащей последовательно соединенные звенья из шарнирных элементов с отверстиями для четырех тросов управления, причем оси последующих шарнирных элементов развернуты на 90^o по отношению к осям предыдущих шарнирных элементов, дополнительно в трубке имеются расположенные между шарнирными элементами каждого звена кольцевые элементы, при этом боковая поверхность кольцевых элементов выполнена сопрягаемой с боковой поверхностью шарнирных элементов.

Кольцевой элемент дополнительно имеет кривизну поверхности равной кривизне поверхности шарнирных элементов.

Дополнительно в каждом звене шарнирный элемент выполнен в виде двух роликов, симметрично расположенных по окружности.

Дополнительно в каждом звене шарнирный элемент выполнен в виде двух полуколец, имеющих форму симметричного лепестка.

Дополнительно в каждом звене шарнирный элементы выполнен в виде замкнутого кольца с боковыми поверхностями тороидальной формы.

Дополнительно на сопрягаемых поверхностях шарнирных и кольцевых элементов выполнены микровыступы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в форме выполнения шарнирных элементов и сквозных отверстий в шарнирных и кольцевых элементах.

При выполнении шарнирных элементов предложенной формы обеспечивается перекатывание шарнирных и кольцевых элементов с заменой трения скольжения трением качения, т. е. обеспечивается качение шарнирных и кольцевых элементов по соприкасающимся поверхностям. Для дополнительного обеспечения режима качения выполняют микровыступы на соприкасающихся поверхностях шарнирных и кольцевых элементов.

Предлагаемое изобретение позволит уменьшить остаточный крутящий момент, уменьшить влияние внешней среды на коммуникации эндоскопа за счет уменьшения зазора между элементами. Замена трения скольжения трением качения уменьшает усилия на тросы управления и повышает надежность конструкции в целом.

На фиг. 1 изображена гибкая управляемая трубка; на фиг. 2 фронтальная проекция кольцевого элемента; на фиг. 3 горизонтальная проекция кольцевого элемента; на фиг. 4 и 5 соответственно фронтальные проекции кольцевых элементов; на фиг. 6 и 7 соответственно фронтальная и профильная проекции шарнирного элемента, выполненного в виде ролика; на фиг. 8 и 9 варианты технической реализации кольцевого и шарнирного элементов с тороидальными отверстиями; на фиг. 10 12 соответственно фронтальная, профильная и горизонтальная проекции второго варианта технического решения шарнирного элемента, выполненного в виде лепестка; на фиг. 13 и 14 соответственно вариант технической реализации шарнирного элемента в виде замкнутого кольца с боковыми поверхностями тороидальной формы и его аксонометрическая проекция с вырезом 1/4.

На фиг. 1 8 приняты обозначения: D, D₁ соответственно наружный и внутренний диаметры кольцевого элемента; L расстояние оси отверстия в кольцевом элементе от его центра симметрии; (X-X) ось симметрии гибкой управляемой трубки; d минимальное расстояние между кольцевыми элементами в гибкой управляемой трубке.

Гибкая управляемая трубка (фиг. 1) содержит опирающиеся (соприкасающиеся) звенья, каждое из которых выполнено из находящихся в зацеплении одного кольцевого элемента 1 с четырьмя сквозными отверстиями 2, оси которых расположены равномерно по окружности параллельно оси трубки (Х-Х) и примыкающих к кольцевому элементу 1 с одной его стороны двух шарнирных элементов (роликов) 3 и 4, расположенных симметрично относительно центра кольцевого элемента 1, в шарнирных элементах 3 и 4 выполнены сквозные отверстия 5, оси которых совпадают с осями соответствующих отверстий 2 кольцевых элементов 1, причем в последующем звене оси шарнирных элементов 3, 4 попарно развернуты на 90^o по отношению к осям шарнирных элементов 3, 4 предыдущего звена, а через отверстия 2, 5 пропущены тросы управления 6, которые закреплены в кольце 7 на дистальном конце трубки, пропущены через внутренние отверстия 2 кольцевых элементов 1, отверстия 5 шарнирных элементов 3, 4 и кольцо 8 на другом конце трубки, в кольце 8 закреплены торцы оплеток Боудена. Управляющие тросы 6 проходят через эти оплетки к тягам механизма управления (на фиг. 1 этот механизм не показан, а его техническая реализация может быть аналогична технической реализации механизму управления по авт. св. СССР N 871786, кл. А 61 В 1/00, 1981). Для защиты звеньев от воздействия окружающей среды они могут быть помещены при необходимости внутри эластичной оболочки 10.

Кольцевой элемент 1 (фиг. 2 и 3) может быть выполнен в виде тора. В кольцевом элементе 1 выполнены четыре сквозных отверстия 2, оси которых параллельны оси трубки Х-Х. Отверстия 2 расположены симметрично (равномерно) по окружности диаметром L параллельно оси трубки Х-Х (фиг. 1 и 3).

В общем случае сечение кольцевого элемента 1 может быть не только окружность, как показано на фиг. 1, но и эллипс (фиг. 4) или в виде прямоугольника (квадрата) с полуокружностями на противоположных сторонах (фиг. 5).

Шарнирный элемент 3 (4), выполненный в виде ролика (фиг. 6 и 7) представляет собой прямой круговой цилиндр, на боковой поверхности которого выполнена выемка, имеющая форму боковой поверхности кольцевого элемента 1, сопрягаемая с боковой поверхностью ролика.

Таким образом, если боковая поверхность кольцевого элемента имеет шаровую форму (фиг. 2 и 5), то выемка шарнирного элемента (ролика) 3 (4) в плане имеет форму полуокружности. Если боковая поверхность кольцевого элемента 1 эллипс (фиг. 4), то выемка шарнирного элемента (ролика) 3 (4) в плане имеет форму полуэллипса.

В ролике 3 (4) перпендикулярно его вертикальной оси (оси цилиндра) в плоскости симметрии выполнено сквозное отверстие 5. Длина d отверстия 5 определяет минимальное расстояние между кольцевыми элементами 1 в гибкой трубке (фиг. 7).

Для уменьшения силы трения между кольцевыми элементами и шарнирными элементами (роликами) при изгибах трубки ролики 3 (4) выполняют в виде части боковой поверхности прямого цилиндра, толщина которого соответствует величине (D-D₁/2 (фиг. 2), а диаметр внешнему диаметру кольцевого элемента D. Таким образом, шарнирные элементы (ролики) 3 (4) имеют кривизну поверхности, равную кривизне поверхности кольцевого элемента 1.

Для повышения долговечности тросов управления 6 путем уменьшения силы трения при изгибах трубки в кольцевом элементе 1 (фиг. 8) и в шарнирном элементе 3 (4) соответствующие отверстия 2 и 5 выполнены тороидальной формы.

Недостатком шарнирного элемента (ролика) 3 (4), изображенного на фиг. 6 и 7, является то, что при изгибе трубки появляется большой зазор между соседними кольцевыми элементами 1 при их перемещении друг относительно друга. Для уменьшения площади зазора предлагается техническое решение шарнирного элемента 3 (4), проекции геометрической формы которого приведены на фиг. 10 13, а аксонометрическая проекция кольца на фиг. 14. Шарнирный элемент 3 (4) (фиг. 10 12) выполнен в виде полукольца, имеющего форму симметричного лепестка, на боковой поверхности которого выполнена выемка, обеспечивающая сопряжение (контактирование) поверхностей кольца и ролика.

Данный лепесток имеет развертку, аналогичную развертке шарового сегмента.

На фиг. 13 приведено техническое решение шарнирного элемента в виде кольца с боковыми поверхностями тороидальной формы. В кольце выполнены четыре отверстия 5, симметрично расположены по окружности, совпадающей с окружностью расположения отверстий 2 на кольцевом элементе 1. Фактически, техническая реализация шарнирного элемента, приведенная на фиг. 13, представляет собой соединенные тонкими гранями шарнирные элементы 3 и 4 в каждом звене гибкой трубки.

Для исключения остаточного вращающего момента при изгибах трубки на сопрягаемых поверхностях кольца и шарнирного элемента выполнены микровыступы (например, травлением насечкой), позволяющие исключить (или уменьшить) проскальзывание данных сопрягаемых (контактируемых) поверхностей друг относительно друга.

В исходном состоянии все тросы управления 6 равномерно натянуты. При этом оси симметрии кольцевых элементов 1 параллельны оси Х-Х трубки.

Гибкая управляемая трубка (фиг. 1) работает следующим образом.

С помощью механизма управления перемещают один из тросов управления 6 (например, 6.1 (фиг. 1) на величину Δ.. Это перемещение вызовет смещение нечетных кольцевых элементов 1, что обеспечивает изгиб трубки в направлении натяжения троса 6.1. Для изгиба трубки в противоположном направлении перемещают трос 6.2 этой пары. Аналогичным образом, при перемещении пары тросов управления 6.3 и 6.4 трубка изгибается в плоскости, перпендикулярной плоскости изгиба при перемещении пары тросов 6.1 и 6.2.

Комбинируя перемещения управляющих тросов 6, осуществляют панорамный обзор исследуемой полости, то есть дистальный конец трубки описывает в пространстве окружность.

Для уменьшения (или исключения) остаточного вращающего момента необходимо исключить проскальзывание между кольцевыми и шарнирными элементами. Для исключения проскальзывания на контактируемых поверхностях кольцевых 1 и шарнирных элементов 3(4) наносят микровыступы, обеспечивающие перекатывание кольцевого и шарнирного элемента относительно друг друга при натяжении тросов управления 6 без проскальзывания.

Для уменьшения силы трения между тросами управления 6 и внутренними поверхностями отверстий 2, 5 кольцевых 1 и шарнирных элементов 3 (4), при натяжении тросов управления 6 отверстия 2, 5 делают (выполняют) тороидальной формы (фиг. 8 и 9). Выполнение отверстий тороидальной формы уменьшает силу трения и, тем самым, уменьшает вероятность обрыва тросов управления 6 при эксплуатации эндоскопа, то есть увеличивается надежность эксплуатации. При одинаковой надежности эксплуатации выполнение отверстий тороидальной формы позволяет уменьшить диаметр тросов управления и, тем самым, уменьшить внешний диаметр эндоскопа, что расширяет сферу его применения.

Использование шарнирных элементов 3 (4), выполненных в виде роликов (фиг. 6, 7 и 9), приводит к тому, что при изгибе трубки между кольцевыми элементами 1 образуется большой зазор, что увеличивает степень воздействия окружающей внешней среды на коммуникации эндоскопа. При этом между коммуникациями эндоскопа и внешней средой находится только эластичная оболочка 10 (фиг. 1). Для уменьшения зазора между кольцевыми элементами 1 при изгибе трубки предлагается использовать шарнирные элементы в виде полукольца, имеющего форму симметричного лепестка (фиг. 10 13). Уменьшение зазора между кольцевыми элементами при изгибе трубки уменьшает степень влияния среды на коммуникации эндоскопа, тем самым увеличивая эксплуатационную надежность эндоскопа.

В результате применения предлагаемой гибкой управляемой трубки: повышается надежность работы эндоскопа с гибкой управляемой трубкой предложенной конструкции за счет того, что в трубке гибкие связи (тросы управления) находятся в зоне прохождения ответственных ненадежных коммуникаций (световодов). При этом отличаются условия работы световодов (отсутствует трение световодов с гибкими связями) и увеличивается внутреннее полезное сечение трубки; расширяются функциональные возможности за счет обеспечения панорамного обзора исследуемой поверхности; упрощается технология изготовления элементов трубки и их сборки; исключается остаточный вращающий момент; уменьшается зазор между кольцами при изгибе трубки, что позволяет снизить влияние внешней среды на коммуникации эндоскопа и, соответственно, повысить эксплуатационную надежность.

Формула изобретения

1. Гибкая управляемая трубка, содержащая последовательно соединенные звенья из шарнирных элементов с отверстиями для четырех тросов управления, причем оси последующих шарнирных элементов развернуты на 90^o по отношению к осям предыдущих шарнирных элементов, отличающаяся тем, что трубка имеет расположенные между шарнирными элементами каждого звена кольцевые элементы с отверстиями под тросы управления, при этом боковая поверхность кольцевых элементов выполнена сопрягаемой с боковой поверхностью шарнирных элементов.

2. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой элемент имеет кривизну поверхности, равную кривизне поверхности шарнирных элементов.

3. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что в каждом звене шарнирный элемент выполнен в виде двух роликов, симметрично расположенных по окружности.

4. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что в каждом звене шарнирный элемент выполнен в виде двух полуколец, имеющих форму симметричного лепестка.

5. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что в каждом звене шарнирный элемент выполнен в виде замкнутого кольца с боковыми поверхностями тороидальной формы.

6. Трубка по пп. 1 5, отличающаяся тем, что на сопрягаемых поверхностях шарнирных и кольцевых элементов выполнены микровыступы.

7. Трубка по пп. 1 6, отличающаяся тем, что отверстия кольцевых и шарнирных элементов имеют тороидальную форму.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14