專利名稱：三維力和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制裝置，尤其涉及這樣的裝置，其響應(yīng)于輸入的三維力或轉(zhuǎn)矩，并能夠從中得到控制信號(hào)以控制諸如受計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)等的機(jī)器。但是，實(shí)施本發(fā)明的裝置也可以用于其它用途。
背景技術(shù)：
本發(fā)明人也是涉及三維力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置的領(lǐng)域中的一些發(fā)明的發(fā)明人，三維力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置是美國(guó)專利4,811,608；5,222,400；5,706,027和5,798,748的主題。
在該領(lǐng)域中更早先公開(kāi)的申請(qǐng)案是Heindl等人的美國(guó)專利4,589,810。
在識(shí)別這個(gè)另外的早先公開(kāi)材料中，本發(fā)明人不承認(rèn)這些其它申請(qǐng)案的任何一個(gè)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都必須是公知的或是在任何具體的國(guó)家是普通的公知常識(shí)。
本發(fā)明人的早先專利No.4,811,608公開(kāi)了一種六臂裝置，其中這些臂正交設(shè)置，并且使用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)在這些臂中對(duì)于關(guān)于三維中的任意軸線的力或轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)。
本發(fā)明人現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到，對(duì)于上述公開(kāi)的本發(fā)明人個(gè)人的現(xiàn)有技術(shù)和其它現(xiàn)有技術(shù)的新的和有用的替換將是非常有利的，且本發(fā)明涉及這些替換。

發(fā)明內(nèi)容
總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以被描述為一種控制器，其具有四個(gè)且僅有四個(gè)從適于支撐該裝置的主體部分延伸的臂，所述臂在三維中彼此隔開(kāi)，且該裝置具有六個(gè)或更多的約束度，每個(gè)臂的頂部與提供受限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接裝置接合，該連接裝置安裝到能夠在三維中施加力和/或轉(zhuǎn)矩的握持裝置上，該裝置包括響應(yīng)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)在四個(gè)臂的至少三個(gè)臂中的響應(yīng)，以提供表示通過(guò)該握持裝置施加的力和/或轉(zhuǎn)矩的輸出信號(hào)。
在一些實(shí)施例中，該裝置設(shè)置為通過(guò)該信號(hào)來(lái)控制一系統(tǒng)。
這些臂可以設(shè)置在四面體形的外殼(envelop)中，且可選擇地以大約109°的夾角對(duì)稱地幾乎彼此對(duì)稱地間隔開(kāi)。然而，小程度的不對(duì)稱有利于確保有一些機(jī)械預(yù)載，這解決了摩擦問(wèn)題從而提供了這樣一種裝置，其中基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)能夠快速地執(zhí)行相關(guān)計(jì)算而得出精確的輸出信號(hào)。
最有用的是，所述臂受到約束，從而該裝置具有八個(gè)約束度。
這可以通過(guò)每個(gè)臂的具有球元件的頂端來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述頂端可沿著與連接裝置相關(guān)聯(lián)的圓柱孔滑動(dòng)，且可在孔內(nèi)合理的界限內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，每一這種連接都具有沿著孔的軸線在移動(dòng)運(yùn)動(dòng)中接合的自由度，并具有受限的進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。因此，該球窩接頭沿著兩個(gè)方向被約束，這兩個(gè)方向限定了一個(gè)垂直于所述孔的軸線的平面，從而在每個(gè)接頭處總共有四個(gè)自由度和兩個(gè)約束。
可選擇地，用于監(jiān)測(cè)臂中響應(yīng)的傳感器圍繞圓形路徑設(shè)置在一平面中。所述傳感器可以有利地為基于光學(xué)的系統(tǒng)。
該光學(xué)系統(tǒng)可以非常精確地檢測(cè)臂中響應(yīng)于所施加的力或轉(zhuǎn)矩的極小的偏轉(zhuǎn)。
另一個(gè)實(shí)施例是這樣的，其中六個(gè)傳感器設(shè)置成陣列，從而獲得對(duì)于四個(gè)臂的每一個(gè)的X-Y坐標(biāo)方向的位移而給出八個(gè)讀數(shù)，可解析這些讀數(shù)以給出所需的輸出信號(hào)。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例包括多個(gè)光學(xué)傳感器作為響應(yīng)檢測(cè)裝置的組成部件。這些光學(xué)傳感器是同心的并設(shè)在相同平面上。
六個(gè)傳感器可選擇地圍繞四個(gè)臂中的三個(gè)成對(duì)設(shè)置。
本發(fā)明及其上述實(shí)施例可以有益地設(shè)置為一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組件，無(wú)論是被結(jié)合作為外設(shè)或作為集成子系統(tǒng)。
作為技術(shù)背景，將給出可以進(jìn)一步介紹本發(fā)明或其某些實(shí)施例的原理介紹，但本申請(qǐng)不受該介紹的完整性或正確性的限制。以下還將介紹優(yōu)選實(shí)施例的進(jìn)一步特征。
兩個(gè)主體之間的約束關(guān)系可以通過(guò)將排除了具有特殊幾何對(duì)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)之外的兩個(gè)主體之間的一個(gè)或多個(gè)接頭的約束相加來(lái)確定。優(yōu)選的約束裝置將具有正好六個(gè)約束度。優(yōu)選的約束設(shè)計(jì)需要高的接頭公差，以避免由于接頭間隙產(chǎn)生聲響(rattle)或避免由于干涉導(dǎo)致接頭的過(guò)度摩擦。實(shí)際上，微小的干涉會(huì)造成產(chǎn)品不可用，因此優(yōu)選的約束設(shè)計(jì)寧可由于在接頭中的間隙而產(chǎn)生小量聲響。還希望通過(guò)接頭的一些摩擦而提供小量的阻尼。
當(dāng)設(shè)計(jì)具有可移動(dòng)握持件的控制裝置時(shí)，如在純粹基于彈簧的設(shè)計(jì)的情況下，有利地發(fā)現(xiàn)到，在釋放握持件時(shí)，阻尼避免了振動(dòng)問(wèn)題并避免了對(duì)重量非常輕的握持件的需求。當(dāng)釋放握持時(shí)，優(yōu)選的約束設(shè)計(jì)的摩擦只取決于握持件的重量和材料的摩擦性質(zhì)，并因此在通常的設(shè)計(jì)中是不可調(diào)節(jié)的。
過(guò)約束設(shè)計(jì)可以通過(guò)稍微偏移接頭的任何一側(cè)而容易地預(yù)加載?？蛇x擇地，只使用少量的過(guò)約束來(lái)避免公差問(wèn)題。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例為由于八個(gè)約束度而被略微的過(guò)約束。這使得管形伸出的臂相對(duì)于諸如圓柱孔的連接裝置稍微偏移，從而當(dāng)該裝置靜止時(shí)產(chǎn)生很小的預(yù)載。
設(shè)計(jì)的耐久性受到接頭磨損特性的嚴(yán)重影響。在具有點(diǎn)接觸的優(yōu)選約束設(shè)計(jì)中，小量磨損增加了接頭的斜面，導(dǎo)致裝置的聲響增加。本優(yōu)選實(shí)施例具有線接觸接頭，該接頭比點(diǎn)接觸接頭的磨損慢得多。結(jié)合小量預(yù)載，該裝置不會(huì)形成斜面。
該優(yōu)選實(shí)施例具有中心體和模制為單個(gè)單元的臂，以形成四臂、通常為星形的主體(在本說(shuō)明書中為了方便將其稱為“四星體”)，以剛性地安裝主體的臂并減小成本。需要復(fù)雜工具以模制中心星形部件，且通過(guò)該工具的三個(gè)部分來(lái)形成每個(gè)臂。該優(yōu)選實(shí)施例具有球形頂端，其與外球(或形成握持件的殼體)中的孔接合。該模具具有三條分型線。為了避免任何毛邊影響該孔中球接頭(ball-in-hole joint)的操作，可選擇地通過(guò)一圓柱形表面沿著分型線修整(cut back)理想的球面，因此該毛邊不會(huì)接觸與外球相關(guān)聯(lián)的圓柱形孔的表面。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)有用于安裝四星體的內(nèi)球結(jié)構(gòu)，并且該內(nèi)球結(jié)構(gòu)包括下部和上部。在內(nèi)球中設(shè)置四個(gè)孔，用于外球的帶圓柱形孔的延伸部穿過(guò)并與四星體的臂接合。這些孔還限制了所述延伸部的運(yùn)動(dòng)范圍，并防止了臂出現(xiàn)過(guò)應(yīng)力。沖擊負(fù)載從延伸部直接傳遞到內(nèi)球結(jié)構(gòu)，從而避免了對(duì)四星體的臂的損害，由此獲得了堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。
優(yōu)選實(shí)施例使用紅外LED(發(fā)光二極管)和光電二極管以檢測(cè)四星體臂的位移。對(duì)于完全三維力和三維轉(zhuǎn)矩計(jì)算只需要六個(gè)傳感器。這些傳感器可選擇地設(shè)置為三對(duì)，且一個(gè)臂沒(méi)有傳感器。也可以是兩個(gè)臂上有兩對(duì)傳感器，而另兩個(gè)臂具有單個(gè)傳感器，但這不太理想。類似地，可以使用八個(gè)傳感器，每個(gè)臂一對(duì)。每個(gè)臂可選擇地具有彼此垂直的光軸。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，采用蔭罩技術(shù)，以使用紅外LED和紅外光電二極管來(lái)檢測(cè)位移。使用紅外線提供了對(duì)于影響測(cè)量的周圍光線的更大的抗干擾性。從LED落到光電二極管上的光線產(chǎn)生小電流。隨著臂的偏轉(zhuǎn)，光線量發(fā)生改變從而電流量發(fā)生改變。通過(guò)使用合適的電路將穿過(guò)光電二極管的電壓保持恒定而獲得更大的線性。每個(gè)LED/光電二極管對(duì)都具有特征功耗因數(shù)，該特征功耗因數(shù)被測(cè)量為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電流與沒(méi)有陰影的光電二極管輸出電流的比率。這通常在200∶1左右。為實(shí)現(xiàn)良好的精確性，該驅(qū)動(dòng)電路和/或計(jì)算需要補(bǔ)償功耗因數(shù)的變化。
該優(yōu)選實(shí)施例具有作為兩個(gè)約束度接頭的孔中球接頭。這些接頭在球形球頂端表面和整個(gè)表面之間具有線接觸。


僅僅為了舉例說(shuō)明，將參考下面的示例性附圖描述本發(fā)明圖1是表示三維控制裝置(例如用于控制計(jì)算機(jī))的基座單元的三維示意圖；
圖2是通過(guò)該裝置的垂直剖視示意圖，并具有大體球形的握持帽，用于手動(dòng)操縱以操作該裝置；圖3是用在該裝置中的四星組件的三維示意圖；圖4是表示該裝置的用于握持目的的帽的其中一部分(segment)內(nèi)部的三維示意圖；圖5是以實(shí)際實(shí)施例形式的圖1-4裝置的三維分解視圖；以及圖6是類似于圖3的視圖的示意圖，但是沿著其中一個(gè)臂的軸線觀看四星組件；該視圖還顯示了其中一個(gè)光學(xué)子組件；已經(jīng)除去了臂的頂端以提供該光學(xué)子組件的更好的視圖。
具體實(shí)施例方式
該裝置的主要部件包括四星主體10基底、碗形內(nèi)帽12和由多個(gè)部分形成的外帽13，圖4中顯示了其中一個(gè)外帽。
四星體10具有四個(gè)臂14，它們從中心體15沿著相應(yīng)的軸線延伸，所述軸線相對(duì)于彼此在幾何上大體均勻地布置。各個(gè)臂14均具有細(xì)長(zhǎng)的、截面減小的圓柱部分14A，該圓柱部分14A從錐形基底16延伸并引向具有放大頭部的頂端17，該放大頭部的表面輪廓包括具有平坦端面19的大體球形部分18。一系列結(jié)構(gòu)幅板20單獨(dú)地形成在四星主體上。
內(nèi)帽12具有用于容納與外帽13關(guān)聯(lián)的管形保持件24的孔30，從而限制了帽13(其用作握持件)的移動(dòng)。
如圖2中最清楚示出的，其中一個(gè)臂大體垂直向上延伸，且如上所述，優(yōu)選實(shí)施例具有用于檢測(cè)臂中的撓曲的光學(xué)傳感器。圖2示意性地顯示了具有發(fā)光二極管(LED)22和光電檢測(cè)器23的光電檢測(cè)器單元21。每個(gè)臂14通過(guò)在相應(yīng)的管形保持件24中的線接觸而被約束，該保持件24與相應(yīng)的帽部分13一體形成，并從該帽部分13向內(nèi)伸出以與頂端17相接合。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5和圖6，在三個(gè)下印刷電路板(PCB)32的每一個(gè)中的小切口31提供了用于將光電檢測(cè)器單元21裝配到內(nèi)帽12中的間隙。三個(gè)下PCB32的每一個(gè)均安裝有印刷電路板接口34。設(shè)有三個(gè)三等分的光學(xué)子組件支撐件35，該光學(xué)子組件支撐件35從結(jié)構(gòu)幅板20伸出以容易且精確地安裝相應(yīng)的光學(xué)子組件36，光學(xué)子組件36包括PCB32和兩個(gè)光電檢測(cè)器單元21。
PCB接口34提供了用于光學(xué)子組件36的相互連接，并安裝有接口電子元件(未示出)。帶形電纜(未示出)焊接到PCB接口34上并在桿部11的內(nèi)部延伸，以連接到外部電子裝置(未示出)上。
內(nèi)帽12的頂部和底部分別包括用于相互接合的三對(duì)夾子37和三對(duì)夾子孔38。該桿部11具有三個(gè)用于將該裝置安裝到基底(未示出)上的螺紋凸臺(tái)(未示出)、帶形電纜脫離槽和鍵槽以確保該裝置被正確安裝。外帽13的這些部分的邊緣具有用于相互安裝和組裝的互鎖凸片39。這些凸片39需要外帽13的所有四個(gè)部分被同時(shí)組裝。凸片39的互鎖設(shè)計(jì)需要簡(jiǎn)單的兩部分模具來(lái)制造。盡管外帽13的這些部分機(jī)械接合，但這些部分也被粘合以增強(qiáng)強(qiáng)度。
圖6清楚地顯示了臂14如何從發(fā)光二極管22和相應(yīng)的光電檢測(cè)器23偏移，從而能夠容易地測(cè)量由于臂14的偏轉(zhuǎn)引起的光的變化。
四星體10設(shè)計(jì)為注塑模制。應(yīng)注意，每個(gè)臂14的球形部分18需要很精確，并具有形成為將任何模制毛邊保持在球形部分18下方的部分。塑料的類型需要具有良好的疲勞壽命，以控制施加在臂14上的反復(fù)彎曲應(yīng)力，從而它與外帽材料應(yīng)具有較低的摩擦。Delrin是用于四星體10的合適材料。
這樣的結(jié)構(gòu)使得通過(guò)在臂中的特征撓曲來(lái)檢測(cè)相對(duì)于任何軸線通過(guò)外帽13施加的力或轉(zhuǎn)矩。該撓曲可被檢測(cè)，并且計(jì)算確定待傳送到一裝置(例如，計(jì)算機(jī))的適當(dāng)?shù)男盘?hào)。
隨著外帽13的運(yùn)動(dòng)，四個(gè)管形保持件24推動(dòng)四個(gè)臂14以使它們彎曲，因此它們抵抗外帽13的移動(dòng)。忽略非常小的且因此不重要的摩擦分量，每個(gè)臂頂端17的力矢量可以被認(rèn)為是位于垂直于管形保持件24的對(duì)應(yīng)軸線的平面中的二維力矢量。做一簡(jiǎn)化假設(shè)，即，當(dāng)外帽13運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)平面都保持靜止。由于該假設(shè)而產(chǎn)生的非常小的誤差是不重要的。每個(gè)臂頂端17的偏轉(zhuǎn)是成比例的，且沿著與二維力矢量相同的方向。使用標(biāo)準(zhǔn)的工程數(shù)學(xué)，作用通過(guò)臂頂端17的每個(gè)二維力矢量可以轉(zhuǎn)換為作用通過(guò)該裝置中心的三維力矢量和三維轉(zhuǎn)矩矢量。而后分別通過(guò)將四個(gè)三維力矢量相加以及將四個(gè)三維轉(zhuǎn)矩矢量相加來(lái)計(jì)算出作用在外帽13上的三維力矢量和三維轉(zhuǎn)矩矢量。
作用在臂頂端17上的力矢量與通過(guò)位于沿著臂14的長(zhǎng)度向下部分距離處的光電檢測(cè)器單元21(或傳感器21)測(cè)量的偏轉(zhuǎn)成正比。在臂頂端17上的力對(duì)于所檢測(cè)偏轉(zhuǎn)的比例為常數(shù)，并能夠通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量或者與偏轉(zhuǎn)臂14形狀的幾何計(jì)算相結(jié)合從臂的彈簧常數(shù)計(jì)算得到。已知該恒定的比例，就可以通過(guò)乘法容易地由偏轉(zhuǎn)計(jì)算出力。
由工程原理，至少需要六個(gè)單值傳感器來(lái)測(cè)量同步的三維力矢量和三維轉(zhuǎn)矩向量。很清楚，具有四對(duì)傳感器的裝置(每個(gè)臂一對(duì))是功能性的。如果第四個(gè)二維力矢量能夠從其它三個(gè)計(jì)算出來(lái)，就可以使用具有三對(duì)傳感器的裝置?？紤]圖5的裝置，其中下面的三個(gè)臂14具有傳感器21，而上臂14不具有傳感器。使用三個(gè)所測(cè)量的二維力矢量中的每一個(gè)，計(jì)算出與以該裝置的中心為中心并通過(guò)上臂頂端17的中心的圓相切的力分量。然后將這三個(gè)力矢量分量在數(shù)學(xué)上轉(zhuǎn)動(dòng)從而作用通過(guò)上臂頂端17的中心。而后將這三個(gè)力矢量相加，以計(jì)算與第四臂14相關(guān)聯(lián)的二維力矢量。
考慮這樣的簡(jiǎn)單情況是有益的，其中外帽13由作用通過(guò)該裝置中心的力向下推。上臂14沒(méi)有偏轉(zhuǎn)，但下面的三個(gè)臂14向下偏轉(zhuǎn)從而將負(fù)載等分。所需的切向分量與其相應(yīng)的二維力矢量相等。轉(zhuǎn)動(dòng)這些力矢量，使得它們作用通過(guò)上臂14的中心，這導(dǎo)致產(chǎn)生彼此以120°作用的三個(gè)相等的力矢量，因此如所希望的相加為零。
理論上同樣可以有這樣的裝置，其在兩個(gè)臂14上具有兩對(duì)傳感器21且在其它兩個(gè)臂14上具有適當(dāng)定向的兩個(gè)單獨(dú)的傳感器21。
在本說(shuō)明書中，詞語(yǔ)“包括”及其變形(諸如“包括有”)具有這樣的意思，即，除了那些明確提及的元件、物件或方法步驟之外，該詞語(yǔ)并沒(méi)有排除附加或未提及的元件、物件或方法步驟。因此，所述裝置、物件或方法可以在本發(fā)明的各種實(shí)施例中具有其它的元件、物件或步驟。權(quán)利要求書的目的是限定構(gòu)成本發(fā)明的特征，而并不必須是本發(fā)明限定的裝置、物件或方法的工作實(shí)施例所可以具有的所有特征。因此，在權(quán)利要求書中限定的裝置、物件或方法可以包括其它的元件、步驟或物件以及構(gòu)成本發(fā)明并在權(quán)利要求書中明確提及的發(fā)明的元件、步驟或物件。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1、一種控制器，包括一裝置，該裝置具有主體部分和四個(gè)且僅是四個(gè)從適于支撐該控制器的該主體部分延伸的臂，所述臂在三維中彼此間隔開(kāi)，且該裝置具有六個(gè)或更多的約束度，每個(gè)臂的頂端部分與提供受限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接裝置接合，該連接裝置安裝到一握持裝置上，該握持裝置能夠接收和傳遞所施加的三維力和/或轉(zhuǎn)矩，該控制器包括響應(yīng)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)在所述四個(gè)臂的至少三個(gè)中的響應(yīng)，以提供表示施加到該握持裝置上的三維力和/或三維轉(zhuǎn)矩的輸出信號(hào)。
2、如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述響應(yīng)檢測(cè)設(shè)置具有用于直接監(jiān)測(cè)在四個(gè)臂中的三個(gè)且僅是三個(gè)中響應(yīng)的裝置，并且所述響應(yīng)檢測(cè)裝置還包括用于從表示在所述三個(gè)臂中監(jiān)測(cè)的響應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算在第四臂中的響應(yīng)值的裝置。
3、如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器設(shè)置為通過(guò)所述輸出信號(hào)來(lái)控制一系統(tǒng)。
4、如權(quán)利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述臂設(shè)置在四面體形的外殼中，并以具有很小程度不對(duì)稱的對(duì)稱方式幾乎對(duì)稱地相互間隔開(kāi)，以在所述連接裝置處提供預(yù)載。
5、如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制器，其特征在于，所述臂被約束以使得該裝置具有八個(gè)約束度。
6、如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制器，其特征在于，每個(gè)臂的頂端均具有為部分球形外形的部分，并可沿著與所述連接裝置相關(guān)聯(lián)的圓柱孔滑動(dòng)且可相對(duì)于該孔的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
7、如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制器，其特征在于，每個(gè)響應(yīng)檢測(cè)裝置均包括多個(gè)光學(xué)傳感器，每個(gè)光學(xué)傳感器均具有發(fā)射器和檢測(cè)器，這些光學(xué)傳感器大體設(shè)置在相同平面中并具有橫向于相關(guān)聯(lián)臂的軸線的相應(yīng)光學(xué)軸線。
8、如權(quán)利要求7所述的控制器，其特征在于，其結(jié)合有總共六個(gè)光學(xué)傳感器，這六個(gè)光學(xué)傳感器在所述四個(gè)臂中的三個(gè)周圍成對(duì)設(shè)置。
9、如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，還包括總共八個(gè)設(shè)置為陣列的傳感器，從而獲得對(duì)于四個(gè)臂中每一個(gè)的響應(yīng)的沿X-Y坐標(biāo)的位移以給出八個(gè)讀數(shù)，可解析這八個(gè)讀數(shù)以給出所需的輸出信號(hào)。
10、一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括一控制器，該控制器包括四個(gè)且僅是四個(gè)從適于支撐該裝置的主體部分延伸的臂，所述臂在三維中彼此間隔開(kāi)，且該裝置具有六個(gè)或更多的約束度，每個(gè)臂的頂端部分與提供受限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接裝置接合，該連接裝置安裝到一握持裝置上，該握持裝置能夠接收和傳送所施加的三維力和/或轉(zhuǎn)矩，該裝置包括響應(yīng)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)在所述四個(gè)臂的至少三個(gè)中的響應(yīng)，以提供表示施加在握持裝置上的三維力和/或三維力矩的輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)被設(shè)置為控制該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
11、如權(quán)利要求10所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述響應(yīng)檢測(cè)裝置具有用于直接監(jiān)測(cè)在四個(gè)臂中的三個(gè)且僅是三個(gè)中響應(yīng)的裝置，所述響應(yīng)檢測(cè)裝置還包括用于從表示在所述三個(gè)臂中監(jiān)測(cè)的響應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算在第四臂中的響應(yīng)值的裝置。
12、如權(quán)利要求10或11所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述臂設(shè)置在四面體形的外殼中，并以具有很小程度不對(duì)稱的對(duì)稱方式幾乎對(duì)稱地相互間隔開(kāi)，以在所述連接裝置處提供預(yù)載。
13、如權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述臂被約束以使得所述裝置具有八個(gè)約束度。
14、如權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)臂的頂端均具有為部分球形外形的部分，并可沿著與所述連接裝置相關(guān)聯(lián)的圓柱孔滑動(dòng)且可相對(duì)于該孔的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
15、如權(quán)利要求10至14中任一項(xiàng)所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)響應(yīng)檢測(cè)裝置均包括多個(gè)光學(xué)傳感器，這些光學(xué)傳感器是同心的且設(shè)置在相同的平面上。
16、如權(quán)利要求15所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，其結(jié)合有總共六個(gè)光學(xué)傳感器，這六個(gè)光學(xué)傳感器在所述四個(gè)臂中的三個(gè)周圍成對(duì)設(shè)置。
17、一種控制器，包括四個(gè)且僅是四個(gè)從適于支撐該控制器的主體部分延伸的臂，所述臂在三維中彼此間隔開(kāi)且該裝置具有六個(gè)或更多的約束度，每個(gè)臂的頂端部分與提供受限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接裝置接合，該連接裝置安裝到一握持裝置上，該握持裝置能夠接收和傳遞所施加的三維力和/或轉(zhuǎn)矩，該控制器包括響應(yīng)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)在所述四個(gè)臂的至少三個(gè)中的響應(yīng)，以提供表示施加到該握持裝置上的三維力和/或三維力矩的輸出信號(hào)，并且所述裝置還包括用于從表示在所述三個(gè)臂中監(jiān)測(cè)的響應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算在第四臂中的響應(yīng)值的裝置，其中該控制器設(shè)置為通過(guò)該輸出信號(hào)來(lái)控制一系統(tǒng)，且其中所述臂設(shè)置在四面體形的外殼中，并以具有很小程度不對(duì)稱的對(duì)稱方式幾乎相等地相互間隔開(kāi)，以在所述連接裝置處提供預(yù)載，其中所述臂被約束以使得該裝置具有八個(gè)約束度。
18、一種控制器，包括四個(gè)且僅是四個(gè)從適于支撐該控制器的主體部分延伸的臂，所述臂在三維中彼此間隔開(kāi)，且該裝置具有六個(gè)或更多的約束度，每個(gè)臂的頂端部分與提供受限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接裝置接合，該連接裝置安裝到一握持裝置上，該握持裝置能夠接收和傳遞所施加的三維力和/或轉(zhuǎn)矩，該控制器包括響應(yīng)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)在所述四個(gè)臂的至少三個(gè)中的響應(yīng)，以提供表示施加到該握持裝置上的三維力和/或三維力矩的輸出信號(hào)，并且所述裝置還包括用于從表示在所述三個(gè)臂中監(jiān)測(cè)的響應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算在第四臂中的響應(yīng)值的裝置，其中該控制器設(shè)置為通過(guò)該輸出信號(hào)來(lái)控制一系統(tǒng)，且其中所述臂設(shè)置在四面體形的外殼中，并以具有很小程度不對(duì)稱的對(duì)稱方式幾乎相等地相互間隔開(kāi)，以在所述連接裝置處提供預(yù)載，其中所述臂被約束以使得該裝置具有八個(gè)約束度。
權(quán)利要求
1.一種控制器，包括四個(gè)且僅是四個(gè)從適于支撐該控制器的主體部分延伸的臂，所述臂在三維中彼此間隔開(kāi)，且該裝置具有六個(gè)或更多的約束度，每個(gè)臂的頂端部分與提供受限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接裝置接合，該連接裝置安裝到一握持裝置上，該握持裝置能夠施加三維的力和/或轉(zhuǎn)矩，該控制器包括響應(yīng)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)在所述四個(gè)臂的每一個(gè)中的響應(yīng)，以提供通過(guò)該握持裝置施加的表示力和/或力矩的輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器設(shè)置為通過(guò)所述輸出信號(hào)來(lái)控制一系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述臂設(shè)置在四面體形的外殼中，并以具有很小程度不對(duì)稱的對(duì)稱方式幾乎對(duì)稱地相互間隔開(kāi)，以在所述連接裝置處提供預(yù)載。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制器，其特征在于，所述臂被約束以使得該裝置具有八個(gè)約束度。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制器，其特征在于，每個(gè)臂的頂端均具有為部分球形外形的部分，并可沿著與所述連接裝置相關(guān)聯(lián)的圓柱孔滑動(dòng)且可相對(duì)于該孔的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制器，其特征在于，每個(gè)響應(yīng)檢測(cè)裝置均包括多個(gè)光學(xué)傳感器，每個(gè)光學(xué)傳感器均具有發(fā)射器和檢測(cè)器，這些光學(xué)傳感器大體設(shè)置在相同平面中并具有橫向于相關(guān)聯(lián)臂的軸線的相應(yīng)光學(xué)軸線。
7.如權(quán)利要求6所述的控制器，其特征在于，其結(jié)合有總共六個(gè)光學(xué)傳感器，這六個(gè)光學(xué)傳感器在所述四個(gè)臂中的三個(gè)周圍成對(duì)設(shè)置。
8.一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括一控制器，該控制器包括四個(gè)且僅是四個(gè)從適于支撐該裝置的主體部分延伸的臂，所述臂在三維中彼此間隔開(kāi)，且該裝置具有六個(gè)或更多的約束度，每個(gè)臂的頂端部分與提供受限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接裝置接合，該連接裝置安裝到一握持裝置上，該握持裝置能夠施加三維的力和/或轉(zhuǎn)矩，該裝置包括響應(yīng)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)在所述四個(gè)臂的每一個(gè)中的響應(yīng)，以提供通過(guò)該握持裝置施加的表示力和/或力矩的輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)被設(shè)置為控制該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
9.如權(quán)利要求8所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述臂設(shè)置在四面體形的外殼中，并以具有很小程度不對(duì)稱的對(duì)稱方式幾乎對(duì)稱地相互間隔開(kāi)，以在連接裝置處提供預(yù)載。
10.如權(quán)利要求8所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述臂被約束以使得所述裝置具有八個(gè)約束度。
11.如權(quán)利要求11所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)臂的頂端均具有為部分球形外形的部分，并可沿著與所述連接裝置相關(guān)聯(lián)的圓柱孔滑動(dòng)且可相對(duì)于該孔的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
12.如權(quán)利要求8所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)響應(yīng)檢測(cè)裝置均包括多個(gè)光學(xué)傳感器，這些光學(xué)傳感器是同心的且設(shè)置在相同的平面上。
13.如權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，其結(jié)合有總共六個(gè)光學(xué)傳感器，這六個(gè)光學(xué)傳感器在所述四個(gè)臂中的三個(gè)周圍成對(duì)設(shè)置。
14.一種控制器，包括四個(gè)且僅是四個(gè)從適于支撐該控制器的主體部分延伸的臂，所述臂在三維中彼此間隔開(kāi)，且該裝置具有六個(gè)或更多的約束度，每個(gè)臂的頂端部分與提供受限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接裝置接合，該連接裝置安裝到一握持裝置上，該握持裝置能夠施加三維的力和/或轉(zhuǎn)矩，該控制器包括響應(yīng)檢測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)在所述四個(gè)臂的每一個(gè)中的響應(yīng)，以提供通過(guò)該握持裝置施加的表示力和/或力矩的輸出信號(hào)，且其中該控制器設(shè)置為通過(guò)該輸出信號(hào)來(lái)控制一系統(tǒng)，且其中所述臂設(shè)置在四面體形的外殼中，并以具有很小程度不對(duì)稱的對(duì)稱方式幾乎對(duì)稱地相互間隔開(kāi)，以提供在連接裝置處的預(yù)載，其中，所述臂被約束以使得該裝置具有八個(gè)約束度。
全文摘要
一種三維力和力矩轉(zhuǎn)換器單元，用于測(cè)量施加到該單元上的外部力或力矩并將其轉(zhuǎn)換為一信號(hào)，從而可以將該信號(hào)用于控制結(jié)合該轉(zhuǎn)換器單元的系統(tǒng)或裝置。該轉(zhuǎn)換器單元包括一控制器，該控制器形成有四個(gè)間隔開(kāi)的臂，所述控制器具有六個(gè)或更多的約束度?？梢酝ㄟ^(guò)握持裝置向每個(gè)臂的頂端部分施加力或轉(zhuǎn)矩?？墒褂脗鞲衅鱽?lái)測(cè)量所述臂在施加有負(fù)載或轉(zhuǎn)矩的情況下的偏轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生一輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)G01L5/22GK1708379SQ200380102161
公開(kāi)日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月28日
發(fā)明者約翰·艾倫·希爾頓 申請(qǐng)人:斯培舍爾自由控股有限公司