Морфологическое исследование зажима для лапароскопических

Морфологическое исследование зажима для лапароскопических
операций
В.Н. Глазунов, Россия
Предисловие
В своё время мною была выполнена работа по совершенствованию зажима для
лапароскопических операций. Кратко задание было сформулировано следующим
образом.
Исходная ситуация
Имеется зажим для лапароскопических операций. У него нет явно выраженных
недостатков.
Цель
Надо как-то улучшить зажим. Желательно, чтобы найденные решения были
патентоспособными.
Ограничения
1. Принцип действия зажима изменять нельзя.
2. Все предлагаемые решения должны иметь методическое обоснование (т.е. надо
показать, как были получены решения).
Изучение задания показало, что в данном случае может быть эффективен только метод
морфологического анализа и синтеза. Однако и на этом пути имелось одно
существенное затруднение. Обычно в морфологическом методе ищут различные
комбинации функциональных узлов прототипа. Так как задание не допускало
изменения принципа действия зажима, то применение традиционного
морфологического метода не могло дать большого числа решений.
Поэтому для выполнения задания сначала пришлось дополнить
морфологический метод, включив в перечень исследуемых признаков
конструктивные отношения между функциональными узлами. Это позволило
получить решения в виде совокупности отличительных конструктивных признаков, т.е.
новых конструкций.
Результат применения модернизированного морфологического метода
иллюстрирует приведенный ниже отчет.
1. Цель морфологического исследования
Целью морфологического исследования является разработка нового зажима,
существенно (с точки зрения получения патента) отличающегося от прототипа и
имеющего при этом уровень качества не хуже, чем у прототипа.
2. Компоновочная схема и состав зажима
1 - эффектор; 2 - ось 1; 3 - распределитель; 4 - наружная трубка; 5 - толкатель; 6 ручка; 7 - токоподвод; 8 - рукоятка; 9 - рычаг; 10 - шарнир; 11 - регулятор
продольного люфта; 12 - ось 2; 1 3 - зона расположения фиксатора 1 (фиксатор
положения элементов эффектора; 14 - зона расположения фиксатора 2 (фиксатор
поворота эффектора); 15 - 1 - я торцевая поверхность рукоятки; 1 6 - 2 - я торцевая
поверхность рукоятки
Рис. 1 Компоновочная схема зажима.
3. Функции зажима
Зажим выполняет следующие функции:
 преобразует сжимающее движение руки во вращение концевых элементов
эффектора;
 фиксирует концевые элементы эффектора в определённом положении и (или)
определённое усилие на концевых элементах эффектора;
 фиксирует концевые элементы эффектора в определённом положении и (или)
определённое усилие на концевых элементах эффектора;
 обеспечивает подвод электрического потенциала от клеммы токоподвода к
эффектору при условии, что концевые элементы эффектора сжаты и зафиксированы;
 преобразует движение указательного пальца руки во вращение эффектора вокр уг
продольной оси трубки.
Примечание.
При определении функций зажима предполагалось, что указанные в них изменения
параметров эффектора приводят к требуемым изменениям тех объектов, на которые
воздействует зажим.
4. Функциональная схема зажима
Здесь:
стрелкой  обозначена цепочка преобразования движения большого пальца руки во
вращательное движение концевых элементов эффектора;
стрелкой --- обозначена цепочка преобразования движения указательного пальца руки
во вращение эффектора;
стрелкой -- обозначена электрическая цепь;
линия  показаны механические связи различной степени свободы.
Рис. 2. Функциональная схема зажима.
5. Морфологические признаки
Обычно морфологические признаки (признаки строения) того или иного устройства
можно разделить на две группы: признаки, относящиеся к функциональным узлам, и
признаки, относящиеся к связям между функциональными узлами (см. рис. 2).
В первом случае варьируются конструкция, состав, принцип действия (и т.п.)
функциональных узлов. Во втором - типы связей, взаимное расположение, число связей
между этими узлами, (и т.п.)
Учитывая цель исследования, особенности эксплуатации зажима и уровень
патентозащищённости прототипа в качестве основного варьируемого признака будет
использоваться положение трёх функциональных узлов: шарнира, фиксатора 2 и
токоподвода. В качестве дополнительных признаков будут использоваться различные
конструктивные реализации других функциональных узлов: оси 1, распределителя,
толкателя, трубки и регулятора люфта. Фиксатор 1 будет рассматриваться как
отдельное устройство.
6. Морфологические таблицы
6.1. Таблицы основных признаков
6.1.1. Узлы зажима
Для построения морфологических таблиц преобразуем компоновочную схему зажима
(см. рис. 1). Разделим её на узлы, взаимное расположение которых постоянно, и на узлы,
расположение которых можно варьировать.
1 - эффектор; 2 – ось 1; 3 - распределитель; 4 - трубка; 5 - толкатель; 6 - ручка; 8 рукоятка; 9 - рычаг; 15 - 1 - я торцевая поверхность рукоятки; 16 - 2-я торцевая поверхность
рукоятки.
Рис. 3. Постоянно расположенные узлы зажима.
7 - токоподвод; 10 - шарнир; 14 - фиксатор2; 7а - клемма; 7b - контакт; 10а - 1 - я часть шарнира;
10b - 2-я часть шарнира;14а - 1 - я часть фиксатора; 14b - 2-я часть фиксатора.
Рис. 4. Узлы зажима, варьируемые по положению (показаны условно).
6.1.2. Ограничения на изменения положения токоподвода
1) Клемма 7а должна располагаться на верхней поверхности рукоятки или рычага, что
определяется удобством работы и удобством подключения электрокабеля.
2) Контакт 7b должен иметь непосредственный или опосредствованный контакт с
трубкой или с толкателем.
Варианты (Ai) расположения (совмещения) токоподвода с узлами зажима
Таблица 1.
Элементы
токоподвода
7а
А1
А2
Рукоятка
Рукоятка
Рукоятка
Рукоятка
Рычаг
Рычаг
Рычаг
7Ь
Трубка
Участок
толкате-
Шарнир
Фиксатор
Толкатель
Шарнир
Фиксатор
A3
А4
А5
А6
А7
Ограничения
теля внутри
рукоятки
-
-
Шарнир
делит
толкатель
на две
части на
том
участке,
который
проходит
через
рукоятку
Фиксатор
имеет
электрический
контакт с
толкателем и
расположен
внутри
рукоятки
Шарнир
расположен
внутри
рычага,
имеет
электрическ
ий контакт с
толкателем
-
Фиксатор
расположен
внутри
рычага и
имеет
электрически
й контакт с
толкателем
1
6.1.3. Ограничения на изменения положения шарнира
Шарнир входит в кинематическую цепь: рычаг - толкатель - распределитель - эффектор.
Поэтому 1 - я и 2-я часть шарнира должны иметь механическую связь с парой элементов,
образующих указанную выше цепь.
Варианты (Bi) расположения (совмещения) шарнира с узлами зажима
Таблица 2.
Элементы
шарнира
10 а
Толкатель
10 Ь
Рычаг
Ограничения
Несовместим
с вар. A3
B1
B2
B3
B4
B5
B6
1 - я часть
толкателя
2-я часть
толкателя
Толкатель
Распределитель
Контакт 7b
Контакт 7b
Распределите
ль
Эффектор
Участок
толкателя
внутри рычага
Несовместим
с вар. A6, A7
Несовместим
с вар. A3,
A4, A6, A7
Несовместим с
вар. A3, A4, A6,
A7
Несовместим с
вар. A1 – A4
Участок
толкателя
внутри
рукоятки
Несовместим
с вар. A1,
A5, A7
6.1.4. Ограничения на изменения положения фиксатора
Фиксатор 2 должен обеспечивать фиксацию ручки по отношению к рукоятке. Поэтому
части фиксатора должны иметь жесткую связь (непосредственную или
опосредствованную) с указанными узлами устройства.
Варианты (Ci) расположения (совмещения) фиксатора с узлами зажима
Таблица 3.
Элементы
фиксатора
14 а
Рычаг
Рычаг
Рукоятка
14 Ь
Шарнир
Участок
толкателя
внутри
рычага
Толкатель
Ограничения
Несовместим
с вар. B2 –
B4, B6, A4
Несовместим
с вар. B2 –
B4, B6, A4
Несовместим
с вар. B3, B4,
A7
C1
C2
C3
C4
C5
C6
1-я торцевая
поверхность
рукоятки
Торцевая
поверхность
трубки
2-я торцевая
поверхность
рукоятки
Торцевая
поверхность
трубки
Рукоятка
Несовместим с
вар. A7
Несовместим с
вар. A4, A7
Несовместим с
вар. A7
Внешняя
поверхность
трубки,
находящаяся
в рукоятке
Продолжение таблицы 3
C7
C8
Толкатель
Распределитель
Внутренняя
поверхность
трубки
Внутренняя
поверхность
трубки
C9
1-я часть
шарнира (10a)
2-я часть
шарнира (10b)
C11
C12
Контакт (7b)
C10
Контакт (7b)
Контакт (7b)
Контакт (7b)
C13
Шарнир (одна из
частей шарнира)
Участок
толкателя
внутри
Участок
толкателя
внутри
Участок
толкателя
внутри
Несовместим
с вар. A4, A7,
B1, B5, B6
Несовместим с
вар. A4, A7, B1,
B5, B6
См.
ограничения на
расположение
шарнира
(Табл. 2)
См.
ограничения на
расположение
толкателя
(Табл.1 и 2)
рычага
Несовместим
с вар. A1 –
A4
рукоятки
рукоятки
Несовместим
с вар. A1, A5
– A7
Несовместим с
вар. A5 – A7,
B6
6.2. Таблицы дополнительных признаков
Предварительный анализ показал, что из всех дополнительных признаков целесообразно
рассматривать только те, что связаны с осью 1 и распределителем, т.к. выбор остальных
дополнительных признаков определяется выбором исходных основных признаков.
В данном отчёте привидятся окончательные результаты морфологического
исследования указанных выше узлов зажима, причём только та их часть, которая в
наибольшей степени соответствует конечной цели - получение патентоспособных
решений.
Ось 1.
Функция оси 1 - фиксация элементов эффектора относительно трубки с возможностью
их вращения вокруг одной оси.
Вариант D1. Согласно прототипу.
Вариант D2
Ось, отличающаяся тем, что она состоит из трёх частей: первая часть представляет собой
выступ на внешней поверхности 1 -г о элемента эффектора; вторая часть - выступ на
внутренней поверхности 1 - г о элемента эффектора; третья часть - выступ на внешней
поверхности 2-го элемента эффектора, причём выступы имеют цилиндрическую или (и)
сферическую форму и расположены вдоль одной геометрической оси.
Здесь и ниже: 1 - наконечник трубки; 2 - 1 - й элемент эффектора; 3 - 2-й элемент
эффектора;   - направление движения частей наконечника трубки в процессе сборки
узла.
Рис. 5.
Вариант DЗ
Ось, отличающаяся тем, что она состоит из трёх частей: первая и третья часть
представляет собой выступы на внутренней поверхности наконечника трубки, а вторая
(центральная) часть - выступ на внутренней поверхности 1-го элемента эффектора,
причём выступы имеют цилиндрическую и (или) сферическую форму и расположены
вдоль одной геометрической оси.
Рис. 6.
Вариант D4
Ось, отличающаяся тем, что она представляет собой части наконечника трубки,
проходящих через канал, образованный элементами эффектора, находящихся в
сомкнутом положении.
Здесь: 1 и 2 - 1-й и 2-й элемент эффектора; 3 - часть наконечника трубки.
Рис. 7.
Распределитель
Функции распределителя - преобразование силы, действующей вдоль оси трубки во вращающий
момент, действующий на ближние концы элементов эффектора.
Вариант Е1. Согласно прототипу.
Вариант Е2
Распределитель, отличающийся тем, что он выполнен в виде гибких тяг,
перемещающихся в канале, диаметр которого несколько больше диаметра тяг.
Здесь: 1, 2 - 1 - й и 2-й элементы эффектора; 3 - направляющая; 4 - тяги
Рис. 8.
Вариант ЕЗ
Распределитель, отличающийся тем, что он выполнен в виде коромысло-рычажного
механизма.
Рис. 9.
7. Варианты конструкции
7.1. Варианты прототипа
Согласно проведённому морфологическому анализу признаки прототипа (по патентам
№ 5.176.702, 5.174.300, 5.293.878) определяются вариантами Al Bl C13 и А1 Bl C5.
Словесная интерпретация данного варианта
Зажим, отличающийся тем, что клемма токоподвода расположена на рукоятке, а контакт
прижат к участку трубки, находящегося в канале рукоятки; 1 -й элемент фиксатора
совмещён с контактом, а 2-й элемент - с внешней поверхностью трубки ( 1 - й элемент
фиксатора совмещён с торцевой поверхностью ручки, а 2-й элемент - со 2-й торцевой
поверхностью рукоятки).
Здесь в скобках указан 2-й вариант исполнения фиксатора.
7.2. Классификация решений, найденных при морфологическом анализе прототипа
1. Расположить шарнир на толкателе (группа вариантов А~ В2 С~).
Рис. 10.
Здесь и ниже значком ~ обозначены некоторые варианты указанного класса признаков.
Например, А~ это один из вариантов расположения токоподвода (см. табл. 1).
Нумерация на рисунках данного раздела совпадает с нумерацией рис. 4.
2. Совместить 1-ю часть шарнира с конечными элементами эффектора, а 2-ю часть с
распределителем (группа вариантов А~ В4 С~)
а) Эффектор выполнен по схеме "обратных ножниц".
Рис. 11.
б) Эффектор выполнен по схеме "прямых ножниц" (подвариант 1):
Рис. 12.
в) Эффектор выполнен по схеме "прямых ножниц" (подвариант 2):
Рис. 13.
3. Заменить ось 1 на упор. ( вариант А~ В~ С~ D3).
Рис. 14.
4. Совместите 1 - ю часть шарнира с распределителем, а 2-ю часть - с толкателем (группа вариантов
(А ~ ВЗ C~).
Рис. 15.
5. Заменить шарнирный распределитель на тяги, проходящие через канал, диаметр
которого больше диаметра тяг (вариант А~ В - С ~Е2).
Рис. 16.
6. Расположить клемму на рычаге, так, чтобы контакт был прижат к одной из частей
шарнира-фиксатора (вариант А6 В5 С10 илиА7 В5 С10).
а) Клемма расположена перпендикулярно оси толкателя.
Клемма (увеличено)
Здесь и ниже: 17 - втулка; 18 - регулятор люфта. Величина регулировки люфта
несколько
меньше величины "а".
Рис. 17.
б) 2-й участок клеммы перпендикулярен поверхности фиксации
Рис. 18.
Величина регулировки люфта равна ~ L cos , где L - максимальная величина перемещения
регулятора 18 (см. рис 17), , - см. рис. 18.
Примечание.
В решении 6 функции шарнирного соединения (шарнира 10), осевой фиксации, подвода
электрического потенциала и регулятора продольного люфта выполняют элементы: 7b,
10а (14а) и 1 8 .
Все решения, найденные при анализе прототипа, укладываются в предложенную
классификацию, что подтверждает её правильность и позволяет перейти к поиску
других вариантов конструкции зажима.
7.3. Синтез вариантов конструкций
Для определения всех вариантов конструкции зажима необходимо найти все
непротиворечивые комбинации основных признаков. Процедура поиска комбинаций
проведена в два этапа:
 определение непротиворечивых комбинаций признаков А и В;
 определение непротиворечивых комбинаций признаков (АВ) и С.
Непротиворечивые комбинации признаков А и В
Bi \ Ai
B1
B2
B3
B4
B5
B6
A1
–
–
A2
–
A3
–
A4
–
–
–
–
–
–
A5
–
A6
Таблица 4.
A7
–
–
–
–
–
–
–
–
Здесь знаком " – " отмечены противоречивые комбинации признаков А и В. Из таблицы
4 следует, что имеется 23 непротиворечивых комбинации признаков А и В.
Непротиворечивые комбинации признаков (АВ) и С
Таблица 5.
Здесь значком "П" отмечены варианты, содержащие признаки прототипа; значком "1"
– далее рассматриваемые варианты; значком "Н " – "нетехнологичные" варианты.
Из таблицы 5 следует, что найдено 72 варианта патентоспособных конструкций зажима.
Исходя из цели морфологического исследования в первую очередь следует
рассматривать те варианты, которые в наибольшей степени отличаются от прототипа и
других известных устройств.
По признаку А – это варианты вида Ai В~ С~ , где i= 5, 6, 7.
По признаку В – это варианты вида А~ Bi C~ , где i= 3,...,6.
По признаку С – это варианты вида А~ В~ G , где i= 1 , 2 , 7,...,12.
Предварительный анализ возможности конструктивной реализации найденных
признаков показал.
1. Все конструкции вида А~ В4 С ~ имеют существенный недостаток незначительный угол раскрытия элементов эффектора.
2. Конструкции вида А~ В~ C1 и А~ В~ С2 сложны в изготовлении. Это объясняется
тем что признаки Cl и С2 предполагают использование внутренней полости рычага
в качестве одного из элементов фиксатора (в таблице 5 эти варианты отмечены
значком "Н" ).В результате эта полость должна иметь форму отличную от
цилиндрической, следовательно её нельзя получить с помощью сверления или
фрезерования.
С учётом сказанного можно выделить 13 вариантов, которые целесообразно
рассмотреть в первую очередь. В таблице 5 они отмечены значком " 1 " .
Далее приводится словесная интерпретация выбранной комбинации признаков и одна из
возможных конструктивных реализаций этой комбинации.
Вариант А5 В3 С7
Зажим отличающийся тем, что клемма токоподвода расположена на рычаге и
имеет электрический контакт с толкателем; первый элемент шарнира присоединён к
удалённому концу толкателя, а второй элемент шарнира совмещён с распределителем,
первый элемент фиксатора расположен на толкателе, а второй элемент фиксатора
совмещён с внутренней поверхностью трубки.
1 - эффектор; 2 - ось 1; 3 (10) - распределитель ( шарнир ); 4 - трубка; 5 - толкатель; 6 ручка; 7а - клемма; 7b - контакт; 8 - рукоятка; 9 - рычаг; 14а - первый элемент
фиксатора; 14b - второй элемент фиксатора.
Рис. 19.
Пояснение к рисунку 19.
1. Первый элемент фиксатора выполнен из эластичного материала с низким
коэффициентом трения.
2. Элемент 3 (10) имеет форму шара.
3. Контакт 7b обеспечивает жёсткую фиксацию толкателя в полости рычага, что
позволяет регулировать люфт в цепи рычаг-эффектор.
Зажим отличающийся тем, что клемма токоподвода расположена на рычаге и имеет
электрический контакт с толкателем; первый элемент шарнира присоединён к
удалённому концу толкателя, а второй элемент шарнира совмещён с распределителем;
первый элемент фиксатора расположен на распределителе, второй элемент фиксатора
совмещён с внутренней поверхностью трубки.
1 - эффектор; 2. - ось 1; 3 - распределитель; 4 - трубка; 5 - толкатель; 10а - первый
элемент шарнира; 10b - второй элемент шарнира (обойма); 14а - первый элемент
фиксатора; 14b - второй элемент фиксатора.
Рис. 20.
Пояснение к рисунку 20.
1. На рисунке показано только то, что отличает данную конструкцию от предыдущей.
2. Первый элемент фиксатора 14а выполнен из эластичного материала с низким
коэффициентом трения.
Вариант А5 В3 С9
Так как минимальный диаметр трубки у зажима этого типа порядка 5 мм , то
разработать узел, совмещающий в себе функции шарнира и фиксатор, габарит которого
менее 5 мм крайне сложно. По этому данный вариант конструкции не рассматривался.
Вариант А5 В3 С10
Данный вариант конструктивно совпадает с вариантом А5 В3 С8.
Варианты (A5. Аб. А7) В5 (C9, C10,C11)
Указанные 9 вариантов имеют близкую конструктивную реализацию, в которой
функции шарнира, фиксатора и токоподвода совмещены в одном узле.
1 - эффектор; 2 - ось 1 (выполнена по варианту D2 ); 3 - распределитель ( выполнен по
варианту Е2 ); 4 - толстостенная пластмассовая трубка; 5 - толкатель в виде проволочных
тяг; 6 - ручка; 7а - клемма; 7b - контакт; 8 - рукоятка; 9 - рычаг; 10а ( 14а ) - первый
элемент шарнира ( фиксатора ); 18 - регулятор люфта; 19 - упругий элемент- 20 направляющая трубка; b - ход рычага ( около 3 мм )
Рис. 21.
8. Выбор лучших вариантов конструкций
В результате проведения первого этапа синтеза найдено три варианта конструкции
зажима, несодержащие запатентованные признаки прототипа, (см. рис. 19,
20 и 21) .
Третий вариант существенно отличается от первых двух. При данном уровне
конструкторской и технологической проработки, при сравнении столь различных
вариантов велика вероятность принятия ошибочного решения, поэтому третий вариант
включён в список "лучших" конструкций.
Первый и второй варианты конструктивно близки, что и позволяет их сравнивать уже на
этом этапе разработки.
Круг показателей, по которым можно вести сравнение, - ограничен. Это число
элементов и сложность изготовления элементов первого и второго варианта.
Далее приводится список несовпадающих элементов первого и второго варианта.
Первый вариант: упругий элемент; участок толкателя прямоугольной формы.
Второй вариант: упругий элемент, обойма, состоящая из двух половинок сложной
формы.
По выбранным показателям первый вариант лучше второго.
Далее приводится подробное (с учётом дополнительных признаков) описание двух,
оставшихся вариантов конструкции.
Вариант А5 В3 С7 Д~ Е3
Зажим отличающийся тем, что клемма токоподвода расположена на рычаге, имеет
электрический контакт с толкателем и обеспечивает его фиксацию относительно рычага;
первый элемент шарнира, имеющий форму шара присоединён к удалённому концу
толкателя, а второй элемент шарнира выполнен в виде петлевых законцовок тяг,
которые охватывают шар; первый элемент фиксатора расположен на толкателе, имеет
неровности на поверхности в виде выступов и впадин и сделан из эластичного материала
с низким коэффициентом трения, а второй элемент фиксатора выполнен в виде
неровностей на внутренней поверхности трубки; регулировка люфта осуществляется с
помощью подвижного контакта за счёт жёсткой фиксации толкателя в полости рычага в
положении, когда элементы эффектора сомкнуты (см. рис. 19).
Вариант ( А5, Аб, А7) В5 ( С9, С10, С11 ), D2, Е2
Зажим отличающийся тем, что клемма токоподвода расположена на рычаге через
электропроводный упругий элемент и контакт электрически связаны с первым
элементом шарнира, который посредством электропроводных тяг соединён с
эффектором; второй элемент шарнира образуют контакт токоподвода и внутренняя
поверхность полости рычага, где расположен первый элемент шарнира; внешняя
поверхность первого элемента шарнира имеет неровности в виде выступов и впадин, что
обеспечивает фиксацию эффектора при его повороте вокруг продольной оси трубки;
регулировка люфта в цепи рычаг - эффектор осуществляется с помощью подвижной
втулки, которая располагается между клеммой и первым элементом шарнира. (см.
рис.21).
Заключение
Проведено морфологическое исследование зажима для лапороскопических операций.
Найдено 72 варианта патентоспособных конструкций зажима. В данном отчёте
проанализировано 13 вариантов, вероятность патентной защиты которых наибольшая.
Среди рассмотренных вариантов выявлено две качественно отличных конструкции
наименьшей сложности.
Для завершения работ по этой теме предлагается:
1. Провести проверку на патентную чистоту найденных вариантов конструкции зажима.
2. В случае отрицательных результатов проверки на патентную чистоту, рассмотреть
оставшиеся варианты патентоспособных конструкций зажима.
3. В случае положительного результата – провести более тщательную
конструкторскую и технологическую проработку с оценкой себестоимости
относительно прототипа.