對相關申請的交叉引用

本申請要求2015年1月9日提交的待決的美國臨時專利申請no.62/101647和2016年1月7日提出的美國非臨時專利申請no.14/990513的權益，兩個專利的全部公開內(nèi)容通過引用包含在本文中。

本發(fā)明總體上涉及用于力控制機器人的力/力矩傳感器組件。

背景技術：

醫(yī)師已發(fā)現(xiàn)輔助執(zhí)行手術過程的機器人系統(tǒng)是有用的。此類機器人系統(tǒng)可包括具有可移動臂和臂的端部處的端部操縱裝置的力控制機器人。手術工具一般附接到端部操縱裝置。該工具被設計為應用于手術部位。總體上，控制器調(diào)節(jié)臂的移動以高精度地將工具定位在手術部位。通過使用者在與機器人交互的位置處施加的直接感應力實現(xiàn)力控制機器人的最佳控制。這一般處于端部操縱裝置/機器人臂接合部處或端部操縱裝置本身的一部分處。

力/力矩傳感器是許多機器人系統(tǒng)的部件。力/力矩傳感器一般附接在臂的自由端部和工具之間。力/力矩傳感器監(jiān)測施加到工具的力和力矩。它們可以是作為工具壓迫組織的結果的施加到工具的力和力矩。它們還可以是使用者施加以確定工具的位置和/或定向的力和力矩。力/力矩傳感器輸出的信號由控制器接收?？刂破骼眠@些信號為工具確定目標位置。基于確定的目標位置，控制器啟動臂以推進臂使得工具被移動到目標位置。

為了確保所有施加到工具的力和力矩都被測量，一般做法是提供六分量力/力矩傳感器。此類型的力/力矩傳感器沿三個軸施加到工具的力和圍繞三個軸施加到工具的力矩。

已知力/力矩換能器是一種類型的六分量力/力矩傳感器。典型的力/力矩換能器包括一對傳感器部件，一個用于附接到機器人的臂，一個用于附接到端部操縱裝置。多個梁被柔性安裝在傳感器部件之間并且一個或多個應變計與每個梁關聯(lián)。每個應變計產(chǎn)生與該應變計相關聯(lián)的梁的撓曲成比例的電信號。來自應變計的輸出信號是輸入到得出被測量的力和力矩的算法的輸入變量。

上述力控制機器人的一個缺點是力/力矩傳感器除由使用者給出的力外還受到施予工具的所有其它力，這些力可在能夠超出力/力矩傳感器的運行范圍或甚至足夠高以至損壞力/力矩傳感器的范圍中。當力控制機器人的使用狀況是用于高沖擊過程，諸如在總髖關節(jié)成形術中沖擊髖臼杯的手動定位器時尤其如此。在這一應用中，使用者將機器人引導入正確的位置以保持使用傳統(tǒng)力控制的沖擊器并隨后用錘手動擊打工具，使力/力矩傳感器經(jīng)受沖擊力。因此，本領域存在提供用于力控制機器人的力/力矩傳感器以隔離力/力矩傳感器，使得沖擊力不被施予到力/力矩傳感器的需要。

技術實現(xiàn)要素：

由此，在一個實施例中，本發(fā)明提供用于力控制機器人的獨立力/力矩傳感器組件，包括用于操作性地附接到力控制機器人的臂的端部操縱裝置。端部操縱裝置具有適于使用者用手握持的握持部分。獨立力/力矩傳感器組件還包括用于在握持部分和機器人的臂之間布置的力/力矩傳感器。力/力矩傳感器具有用于附接到機器人的臂的高力端部操縱裝置接合部，操作性地附接到握持部分的低力端部操縱裝置接合部和布置在高力端部操縱裝置接合部和低力端部操縱裝置接合部之間的換能器，用于對施加到低力端部操縱裝置接合部的載荷作出反應，用于使用者控制的手術工具定位和產(chǎn)生相應的輸出信號，其中換能器繞過高載荷。

在另一實施例中，本發(fā)明提供用于力控制機器人的獨立力/力矩傳感器組件，該機器人包括用于操作性地附接到力控制機器人的臂的端部操縱裝置。端部操縱裝置具有適于使用者用手握持的握持部分和從握持部分延伸的軸部分。力/力矩傳感器具有用于附接到機器人的臂的高力端部操縱裝置接合部、附接到軸部分的低力端部操縱裝置接合部和布置在高力端部操縱裝置接合部和低力操縱裝置接合部之間的換能器，用于對施加到所述低力端部操縱裝置接合部的載荷作出反應，以產(chǎn)生相應的輸出信號。

在另一實施例中，本發(fā)明提供用于力控制機器人的獨立力/力矩傳感器組件，該機器人包括用于操作性地附接到力控制機器人的臂的端部操縱裝置。端部操縱裝置具有適于使用者用手握持的握持部分。力/力矩傳感器具有用于附接到機器人的臂的高力端部操縱裝置接合部和用于附接到握持部分的一個端部的低力端部操縱裝置接合部。握持部分隨低力端部操縱裝置接合部浮動。力/力矩傳感器還包括布置在高力端部操縱裝置接合部和低力端部操縱裝置接合部之間的換能器，用于對施加到低力端部操縱裝置接合部的載荷作出反應，以產(chǎn)生相應的輸出信號。

在另一實施例中，本發(fā)明提供用于力控制機器人的獨立力/力矩傳感器組件，該機器人包括用于操作性地附接到力控制機器人的臂的端部操縱裝置。端部操縱裝置具有適于使用者用手握持的握持部分和從握持部分延伸的軸部分。力/力矩傳感器具有：用于附接到機器人的臂的高力端部操縱裝置接合部；附接到軸部分的低力端部操縱裝置接合部；在低力端部操縱裝置接合部和高力端部操縱裝置接合部之間延伸的多個梁；和布置在高力端部操縱裝置接合部和低力端部操縱裝置接合部之間的換能器，用于對施加到低力端部操縱裝置接合部的載荷作出反應，以產(chǎn)生相應的輸出信號。

在閱讀隨后結合附圖作出的說明后，本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將容易理解，同樣被更好地了解。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的獨立力/力矩傳感器組件的一個實施例的透視圖，以與力控制機器人的運轉(zhuǎn)關系示出。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的獨立力/力矩傳感器組件的另一實施例的透視圖，以與力控制機器人的運轉(zhuǎn)關系示出。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的獨立力/力矩傳感器組件的另一實施例的透視圖，以與力控制機器人的運轉(zhuǎn)關系示出。

具體實施方式

參照附圖，尤其是圖1，以與機器人(總體標示為12)的運轉(zhuǎn)關系示出了根據(jù)本發(fā)明的獨立力矩/力傳感器組件10的一個實施例。在一個實施例中，機器人12是力控制類型的并包括從機器人12的主體(未顯示)延伸的機器人的臂14。機器人12還包括附接到機器人的臂14的端部的腕關節(jié)(總體標示為16)。在這一實施例中，腕關節(jié)16包括附接到機器人的臂14的支架18。支架18大體呈“u”形。腕關節(jié)16還包括樞轉(zhuǎn)地連接到支架18的凸緣20。凸緣20大體呈矩形，但可以是任何合適的形狀。凸緣20布置在支架18的開口中并樞轉(zhuǎn)地通過合適的機構，諸如銷(未顯示)連接到支架18。應理解，凸緣20相對于支架18樞轉(zhuǎn)或者旋轉(zhuǎn)。應理解，凸緣20受諸如編碼器、馬達和變速箱的致動器(未顯示)控制，該致動器附接到支架18，以使凸緣20樞轉(zhuǎn)。

在一個實施例中，機器人12進一步包括安裝到腕關節(jié)16的端部操縱裝置(總體在虛線中標示為22)。端部操縱裝置22包括工具保持件或?qū)蚣?4。導向件24包括軸向延伸的導向部分26。導向部分26大體上呈圓筒狀。導向部分26包括穿過其中軸向延伸的孔28以允許諸如擴孔器或沖擊器(i)的工具穿過其中延伸。導向件24還包括從導向部分26軸向延伸的支撐部分30。在一個實施例中，支撐部分30從導向部分26的上端延伸。導向件24進一步包括從支撐部分30延伸的用于附接到腕關節(jié)16的凸緣20的安裝部分32。安裝部分32可通過諸如緊固件(未顯示)的適當?shù)臉嫾惭b到凸緣20。導向件24是一體的、單一的和/或單件的以形成單一剛性主體。應當理解，導向件24被使用者(未顯示)用來在髖關節(jié)置換手術期間插入諸如擴孔器或沖擊器的工具。

如圖1所示，獨立力/力矩傳感器組件10包括用戶接合部(總體標記為34)可操作地與導向件24配合。在一個實施例中，用戶接合部34包括軸向延伸以允許使用者的手握持用戶接合部34的握持部分36。握持部分36大體上呈圓筒狀。握持部分36包括穿過其中軸向延伸以允許導向件24的導向部分穿過其中延伸的孔38。用戶接合部34還可包括從握持部分36徑向延伸的軸部分40。用戶接合部34是完整的、單一的和/或單件的以形成單一剛性主體。應當理解，握持部分36具有圍繞導向件24的導向部分26的百分之百的間隙。還應理解，用戶接合部34的形狀被設計為適于使用者用手握持。

參考圖1，獨立力/力矩傳感器組件10包括力/力矩傳感器，總體在虛線中標示為42。如圖所示，提供力/力矩傳感器42以對施加到用戶接合部34的載荷作出反應。載荷包括當使用者期望確定導向件24的位置和/或定向時由使用者施加到用戶接合部34的力和力矩。應當理解，基于由力/力矩傳感器42測得的力和力矩，機器人控制器(未顯示)確定機器人的臂14和腕關節(jié)16的位置，并由此確定導向件24的位置。

如圖1所示，力/力矩傳感器42作用在機器人的臂14和用戶接合部34之間。力/力矩傳感器42包括高力端部操縱裝置接合部44、換能器45和低力端部操縱裝置接合部48。接合部44和48支撐力/力矩傳感器42，以便于機器人的臂14和用戶接合部34之間的操作。高力端部操縱裝置接合部44既可以是導向件24的一部分，也可以是端部操縱裝置22的一部分。低力端部操縱裝置接合部48可以是用戶接合部34的一部分。應當理解，力/力矩傳感器42是六軸力換能器類型的。還應理解，高力端部操縱裝置接合部44可被連接到導向件24的安裝部分32或與安裝部分32成一體。

如圖1所示，高力端部操縱裝置接合部44是通過諸如緊固件(未顯示)的適當?shù)臋C構安裝到機器人12的凸緣20的板。低力端部操縱裝置接合部48被安裝到用戶接合部34或與用戶接合部34成一體。換能器45被布置在接合部44和48之間。

換能器45包括第一傳感器部件46，諸如被諸如緊固件(未顯示)的合適的機構固定到高力端部操縱裝置接合部44的第一傳感器板。換能器44還包括第二傳感器部件47，諸如被諸如緊固件(未顯示)的合適的機構固定到低力端部操縱裝置接合部48的第二傳感器板。多個梁(未顯示)在第一傳感器部件46和第二傳感器部件47之間柔性安裝。一個或多個應變計(未顯示)與每個梁關聯(lián)。每個應變計產(chǎn)生與該應變計關聯(lián)的梁的撓曲成比例的電信號。換能器45可以是硅應變計型的。此類換能器45可從apex,northcarolina的atiindustrialautomation商購。換能器45通過電纜連接到力/力矩控制器(未顯示)或其他機器人控制器。

應當理解，高力端部操縱裝置接合部44被機械附接到機器人的臂14，當任何力和/或力矩施加于導向件24時，繞過力/力矩傳感器42的換能器45。還應理解低力端部操縱裝置接合部48機械地附接到用于微動控制的力/力矩傳感器42。應當理解第一傳感器部件46可一體化布置到高力端部操縱裝置接合部44中且第二端部傳感器部件47可一體化布置到低力端部操縱裝置接合部中。應當進一步理解，力/力矩傳感器42可被一體化布置到機器人12而非端部操縱裝置22中。

此外，獨立力/力矩傳感器組件10可包括置于導向件24上以測量其它力的第二力/力矩傳感器(未顯示)，并加上第一力/力矩傳感器42的手部力，以計算總力。以同樣的方式，第二力/力矩傳感器可直接置于凸緣20的端部以測量總力并能夠通過從總力中減去第一力/力矩傳感器42的手部力計算工具力。

獨立力/力矩傳感器10被認為當載荷施加到用戶接合部34時處于載荷狀態(tài)。當載荷(例如，力和/或力矩)施加到獨立力/力矩傳感器組件10時，接合部44和48可在六種類型的相互相對位移中接合。其中三種運動是沿x軸(穿過接合部44和48的任意水平軸)、沿y軸(穿過接合部44和48的任意垂直軸)和沿z軸(穿過在圖1的平面內(nèi)外延伸的接合部44和48的中心的任意軸)的平移。低力端部操縱裝置接合部48也可在圍繞以上定義的每一個軸的至少一些運動中接合。典型地，作為力和力矩施加到獨立力/力矩傳感器組件10的結果，低力端部操縱裝置接合部48在多個此類運動中接合。

在一種應用中，使用者(未顯示)可穿過導向件24的導向部分26的孔28布置擴孔器(未顯示)，用于使患者(未顯示)的臀窩(未顯示)的骨骼(未顯示)外擴，以用于髖臼杯狀植入物(未顯示)。一旦完成，使用者可將髖臼杯狀植入物置于臀窩中。使用者隨后可穿過導向件24的導向部分26的孔28布置諸如沖擊器(i)的工具并以錘(未顯示)打擊沖擊器(i)。使用者隨后可以震動模式利用機器人12以將髖臼杯狀植入物設置就位。當用錘打擊沖擊器(i)時，可將高力施予到導向件24。這些力借助于高力端部操縱器接合部44施加，這些力也可由于導向部分26和握持部分36之間的間隙而繞過換能器45。

參考圖2，顯示根據(jù)本發(fā)明的獨立力/力矩傳感器組件10的另一實施例。獨立力/力矩傳感器組件10的相似部分具有增大了100的相似的參考編號。在這一實施例中，獨立力/力矩傳感器組件110包括一體化布置到用戶接合部134中的力/力矩傳感器142。端部操縱裝置122包括具有帶有孔128、支撐部分130和安裝部分132的導向部分126的導向件124。用戶接合部134包括圍繞導向件124的導向部分126布置的握持部分136。在導向部分126和握持部分136之間存在100％的間隙。力/力矩傳感器142包括高力端部操縱裝置接合部144、換能器145和低力端部操縱裝置接合部148。在這一實施例中，導向件124是安裝到凸緣20的高力端部操縱裝置接合部144的一部分，低力端部操縱裝置接合部148處在握持部分136的端部。換能器145大體上呈環(huán)狀并具有穿過其中延伸以允許導向件124的導向部分126穿過其中延伸的孔150。換能器145包括：第一傳感器部件146，諸如被合適的機構固定到導向部分126的第一傳感器板；和第二傳感器部件147，諸如被合適的機構固定到握持部分136的第二傳感器板。多個梁(未顯示)柔性安裝在第一傳感器部件146和第二傳感器部件147之間。一個或多個應變計(未顯示)與每個梁關聯(lián)。每個應變計產(chǎn)生與該應變計相關聯(lián)的梁的撓曲成比例的電信號。力/力矩傳感器142的低力端部操縱裝置接合部148圍繞導向件124的導向部分126布置。換能器145通過電纜連接到力/力矩控制器(未顯示)或機器人控制器。應當理解，高力端部操縱裝置接合部144機械附接到機器人的臂14，當任何力和/或力矩施加到導向件124時，繞過力/力矩傳感器142的換能器145。應當理解，當被連接到力/力矩傳感器142的換能器145時，握持部分136圍繞導向部分126浮動。

應當理解，高力端部操縱裝置接合部144被機械附接到機器人的臂14。還應理解，低力端部操縱裝置接合部148被機械固定到握持部分136并通過換能器145連接到用于微動控制的高力端部操縱裝置接合部144。應進一步理解，獨立力/力矩傳感器組件110的操作類似于獨立力/力矩傳感器組件10。

參照圖3，顯示根據(jù)本發(fā)明的獨立力/力矩傳感器組件10的另一實施例。獨立力/力矩傳感器組件10的相似部分具有增大200的相似的參考編號。在這一實施例中，獨立力/力矩傳感器組件210包括跨接力/力矩傳感器242的用戶接合部234。在一個實施例中，用戶接合部234包括軸向延伸以允許使用者的手握持用戶接合部234的握持部分236。握持部分236大體上呈圓筒狀。握持部分236包括穿過其中軸向延伸的用于接收諸如擴孔器或沖擊器(i)的孔238。用戶接合部234還可包括從握持部分236徑向延伸的軸部分240。用戶接合部234是整體的、單一的和/或單件的以形成單一剛性主體。應當理解，在這一實施例中，端部操縱裝置232可以只是用戶接合部234或是用戶接合部234和力/力矩傳感器242的組合。

如圖3所示，力/力矩傳感器242包括高力端部操縱裝置接合部244、換能器245和低力端部操縱裝置接合部248。低力端部操縱裝置接合部248具有附件，諸如用于高力用途的跨接敏感換能器245但仍允許力/力矩信號產(chǎn)生的柔性梁252，該柔性梁增大獨立力/力矩傳感器組件210的過載容量。梁252大體上呈矩形，但可以是任何合適的形狀。梁252沿圓周圍繞低力端部操縱裝置接合部248布置并具有由諸如焊接到低力端部操縱裝置接合部248的合適的機構連接的一個端部。

梁252具有與高力端部操縱裝置接合部244隔開預定的距離的另一端部。梁252可加工或布置成當施加較大的載荷時與高力端部操縱裝置接合部244接觸以防止換能器245的過載。梁252可被校準使得梁252接觸處于預定的載荷的高力端部操縱裝置接合部244。由此，當較大的載荷，諸如預定的載荷施加到用戶接合部232時，梁252可用作止動裝置以接觸高力端部操縱裝置接合部244。在一個實施例中，應變計246可布置在梁252上。由此，即使在梁252以較低的靈敏度/分辨率接觸高力端部操縱裝置接合部244的情況下，力和/力矩測量可繼續(xù)進行。應當進一步理解，獨立力/力矩傳感器組件210的操作類似于獨立力/力矩傳感器組件10。

本發(fā)明已以圖示的方式描述。將理解，已使用的術語意在具有描述詞的性質(zhì)而非限制詞的性質(zhì)。根據(jù)上述指導，本發(fā)明的許多調(diào)整和變體是可能的。因此，本發(fā)明可以不同于具體描述的方式實踐。