用于测量力和转矩的传感器组件和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年3月12日提交的美国临时专利申请No. 61/777596的优先权 和权益，通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
[0003] 本公开总体上涉及力/转矩传感器组件以及用于测量力和转矩的方法。在一些实 施例中，在包括器械以及用于对器械定位的操纵器的机器人系统中采用所述力/转矩传感 器组件和方法。
【背景技术】
[0004] 医疗从业人员发现采用机器人系统辅助手术过程的执行是有用的。这样的机器人 系统通常包括具有可移动臂的操纵器，所述可移动臂包括一个或多个连杆。将手术器械附 接至所述臂的自由端。所述器械被设计为应用于手术部位。控制器调节所述臂的移动，从 而将所述器械以高精确度定位到手术部位上。
[0005] 很多机器人系统的部件是力/转矩传感器组件。所述力/转矩传感器组件附接于 所述臂的自由端和所述器械之间。所述力/转矩传感器组件监测施加至所述器械的力和转 矩。这些可以是由于器械压触（press against)组织而导致的施加至器械的力和转矩。这 些也可以是从业者施加的用以设定器械的位置和/或取向的力和转矩。由控制器接收力/ 转矩传感器组件所输出的信号。控制器采用这些信号确定器械的目标位置。在所确定的目 标位置的基础上，控制器对所述臂进行致动，从而使所述臂前进，由此将所述器械移动到目 标位置上。
[0006] 为了确保施加至器械的所有力和转矩都得到测量，通常的做法是提供六部件力/ 转矩传感器组件。这种类型的力/转矩传感器组件测量沿三个轴施加至器械的力以及围绕 三个轴施加至器械的转矩。
[0007] -种类型的六部件力/转矩传感器组件包括一组应变计。这些量计包括静态构 件，多个横梁（beam)被柔性地安装到所述构件上。典型地，使一个或多个应变计与每个横 梁相关。每个应变计起着用于将力或转矩转换为电信号的换能器的作用。每个应变计生成 和与该应变计相关的横梁的挠曲成比例的电信号。应变计的输出信号是产生测得力和转矩 的算法的输入变量。
[0008] 在采用应变计的力/转矩传感器组件中，热漂移是一种常见的问题。当温度变化 导致零件的收缩或膨胀时变发生热漂移。热漂移能够导致器械在手术部位上的错误放置。 对于这些类型的力/转矩传感器组件而言，以单一分辨率实施力和转矩测量也是常见的。 在一些情况下，可能希望所述力/转矩传感器组件能够以多个分辨率来测量力和转矩。
[0009] 因而，在本领域需要一种克服这些不足中的一者或多者的力/转矩传感器组件以 及力和转矩的测量方法。
【发明内容】
[0010] 在一个实施例中，提供了一种传感器组件。所述传感器组件包括底板和能够相对 于底板发生位移的传感器构件。弹簧布置件响应于传感器构件相对于底板的位移按照第一 级和第二级进行操作。力和转矩测量的不同分辨率与所述第一和第二级相关。光敏换能器 感测传感器构件相对于底板的位移并生成对应的输出信号。
[0011] 在另一实施例中，提供了一种传感器组件，其包括具有多个像素的光敏换能器。通 过光源提供光，所述光被以多个光束的形式引导到所述光敏换能器上，从而使各个光束照 射所述光敏换能器的不同像素，以感测所述传感器构件相对于所述底板的位移。
[0012] 在又一实施例中，提供了一种采用包括具有多个像素的光敏换能器的传感器评估 力和转矩的方法。所述方法包括对所述传感器进行操作从而将所述多个光束引导到所述光 敏换能器上。对所述传感器施加负载，从而使所述多个光束中的每个在光敏换能器上移动。 在被光束照亮的像素的位置随着光束响应于所施加的负载发生移动而产生的差异的基础 上确定力和转矩。
[0013] 还提供了采用这些传感器组件以及用于对力和转矩进行评估的方法的机器人系 统和方法
[0014] 这些传感器组件和方法的一个优点是，对于某些应用而言所述传感器组件能够以 不同的分辨率确定力和转矩。另一个优点是所述传感器组件进行光学操作，从而避免了与 应变计相关的电势热漂移问题。
【附图说明】
[0015] 本发明的优点将被更加容易地认识到，因为通过结合附图并且参考下述详细说明 将使它们得到更好的理解，其中：
[0016] 图1是包括用于将手术器械定位到患者上以及使其行进的操纵器的机器人系统 的顶视图；
[0017] 图2是手术器械、器械底座和安装板所附接到的力/转矩传感器组件的侧视图；
[0018] 图3是座落在操纵器的臂和安装板之间的力/转矩传感器组件的侧视图，所述力 /转矩传感器组件包括顶板、具有内轮毂和外轮毂的转向器板以及底板；
[0019] 图4是力/转矩传感器组件的分解透视图；
[0020] 图5是力/转矩传感器组件的转向器板的平面图；
[0021] 图5A是示出力/转矩传感器组件的两级灵敏度的图示；
[0022] 图6是处于柱销外壳内的柱销的分解透视图；
[0023] 图7是示出柱销外壳内的柱销的侧视图；
[0024] 图8是其中柱销位于转向器板的蛇形弹簧内的转向器板的平面图；
[0025] 图9是贯穿蛇形弹簧内的柱销的局部截面图；
[0026] 图10是底板的平面图；
[0027] 图11是力/转矩传感器组件的准直器的平面图；
[0028] 图11A是示出与各光束相关的各区段的光敏换能器的平面图；
[0029] 图12A是示出具有通过准直器延伸的多个法向孔的该准直器的截面图；
[0030] 图12B是示出具有位于与图12A不同取向的多个法向孔的准直器的截面图；
[0031] 图13A是示出具有通过准直器延伸的多个倾斜孔的该准直器的截面图；
[0032] 图13B是示出具有位于与图13A不同取向的多个倾斜孔的准直器的截面图；
[0033] 图14A是示出在时间帧起始时光束在光敏换能器上的照射位置的所述力/转矩传 感器组件的光敏换能器的平面图；
[0034] 图14B是示出在时间帧结束时光束在光敏换能器上的照射位置的光敏换能器的 平面图；
[0035] 图15是示出光束的形心位置（location of centroid)的光敏换能器的平面图；
[0036] 图15A和15B是分别示出用以确定图15中所示的光束形心的沿像素列和像素行 的信号强度变化的图示；
[0037] 图16是带有三个转矩Tx、1；和T z以及三个力F x、Fy和F 2的光敏换能器上的光束 的移动之间的相关性的例示；
[0038] 图17是示出从钻的形心到力/转矩传感器组件的中心的距离为R的器械、钻和力 /转矩传感器组件的示意图；
[0039] 图18A-18C是示出了由感测力和转矩的方法所执行的步骤的流程图；
[0040] 图19是示出准直器以及在时间帧起始和时间帧结束之间一个光束在光敏换能器 上的照射位置的变化的示意图；
[0041] 图20是替代准直器的平面图；
[0042] 图21是图20的替代准直器的透视图；
[0043] 图22是其中柱销垂直座落于蛇形弹簧内的转向器板的替代实施例的平面图；
[0044] 图23是转向器板的第二替代实施例的平面图；以及
[0045] 图24是转向器板的第三替代实施例的平面图。
【具体实施方式】
[0046] I ?概述
[0047] 图1示出了包括操纵器30和手术器械32的机器人手术系统。手术器械32受到 操纵器30的支持，从而相对于患者P发生移动。在一些实施例中，操纵器30按照人工和半 自动方式发挥作用，从而相对于患者P上的目标部位对器械32进行定位。
[0048] 操纵器30包括器械底座36,将器械32刚性附接至所述底座。在一些实施例中，还 将器械32以可拆卸方式附接至器械底座36。操作器30移动器械底座36,从而对器械32 进行定位和取向，由此使器械针对患者P执行目标医疗/手术过程。
[0049] 手术导航系统220监测器械32相对于目标部位的位置和/或取向。手术导航系 统220将位置和/或取向数据传达至操纵器30,从而使操纵器30能够对器械32正确地定 位。
[0050] 操纵器30包括移动手推车38。联动组件40将器械32以可移动方式连接至手推 车38。在所示的实施例中，该联动组件40包括第一和第二平行的四杆连杆组件42、44。每 个连杆组件的每个接头的位置是通过多个致动器46设定的。在图1中，识别出与连杆组件 42相关的致动器46中的一个。
[0051] 将操纵器控制器48(被部分示为图1中的虚线框）安装到手推车38上。操纵器 控制器48发送控制信号，其使得致动器46适当地设置连杆组件42、44的连杆。操纵器控 制器48基于若干输入信号设置连杆的位置。这些输入信号包括来自手术导航系统220的 信号。
[0052] 在 2013 年 8 月 2 日提交的名称为"Surgical manipulator Capable of Controlling a Surgical instrument in Multiple Modes"的美国专利申请No. 13/958070 中更加详细地阐述了包括操纵器控制器48的操纵器30以及器械32的结构，通过引用将其 公开内容并入本文。
[0053] 在一些实施例中，器械32包括动力产生单元（未示出）。所述动力产生单元将电 信号转化成某种形式的施加至患者P的能量。这种能量可以是机械的、声的、热的、RF、EM或 光子能量。在器械32包括动力产生单元时，通过能量施加器50向目标部位施加能量。在例 示的实施例中，器械32包括以用于切割诸如骨骼的组织的切割钻为形式的能量施加器50。 所述钻从器械32的手持件（handpiece)延伸出来。
[0054] II?力/转矩传感器组件
[0055] 如图2所示，将力/转矩传感器组件52提供为对施加至器械32的负载做出反应。 所述负载可以包括由于器械32压触组织而受到的阻力和转矩。所述负载也可以包括在用 户希望设定器械32的位置和/或取向时由用户施加至器械32的力和转矩。操纵器控制器 48基于力/转矩传感器组件52测得的力和转矩来设定连杆的位置，继而设定器械32的位 置。
[0056] 图3和图4所示的力/转矩传感器组件52作用于联动组件40和器械32之间。所 述力/转矩传感器组件包括顶板54、转向器板56和底板58。这些板54、56、58支持力/转 矩传感器组件52实现联动组件40和器械32之间的操作。在图3中，为了进行举例说明夸 大了板54、56和58的宽度。
[0057] 参考图4,顶板54是圆盘形的，从而使其具有相反的朝向近端和朝向远端的面，所 述面呈平面并且相互平行。顶板54是由单块不锈钢或其他金属合金形成的。顶板54具有 大约6. 5mm的厚度。在一些实施例中，顶板54具有处于大约4. 5mm和6. 5mm之间的直径。 将顶板54附接至安装板60的朝向近端的面上。将安装板60固定至器械底座36。（这里 将"近端"理解为朝向操纵器手推车38,因而背离要施加所述器械32的目标部位，将"远端" 理解为背离操纵器手推车38,从而朝向将施加所述器械32的目标部位）
[0058