关节锁定机构

1.本发明涉及一种用于防止可旋转关节旋转的关节锁定机构，且更尤其但非排他性地，涉及一种形成主控制器的部分的关节锁定机构，其中关节锁定机构可锁定主控制器的可旋转关节。


背景技术：

2.遥操作系统为位于操作者本地的主控制器与位于操作者远程的从属装置之间的远程控制系统，其中遥操作系统允许操作者以某一距离操控从属装置。如果直接操控有障碍，那么此类遥操作系统可为有用的。举例来说，从属装置可用于执行微创外科手术，其中由于限制进入患者的内部组织和器官，外科医生对外科手术工具的直接操控是不可能的。其它实例可包含军事应用(例如炸弹处理)、紧急服务应用(例如搜索和救援)以及科学研究活动，例如在直接操控可能是危险的或不可能的不适宜环境(例如，真空或高水平的反应性)中执行任务。
3.遥操作系统的操作者可操控主控制器，且运动命令将传输到从属装置，使得从属机器人在远程站点复制操作者的本地移动。除了控制数据从主控装置传输到从属装置以外，反馈数据可以视频镜头、声音记录和/或来自远程环境的感测数据的形式从从属装置传输到主控装置。反馈数据可以与操作者使用其天生的视觉、听觉和触觉直接执行动作(没有遥操作系统)大致相同的方式提高操作者提供准确命令的能力。
4.然而，主控制器和从属装置的运动学之间的差异可导致操作者在控制从属装置时由于与物理世界解耦而迷路或笨拙地定位。这可能是因为主控制器和从属装置在具有相对于彼此的不同移动范围的不同尺度上操作。举例来说，从属手术装置可在直径仅几厘米的工作空间内操作，同时操作者可能正在使用他或她的臂所允许的全部运动范围。尽管从属手术装置在尺度上小得多，但其可能够具有比操作者可用主控制器实现的更大范围的移动(相对于其尺度)。换句话说，操作者的移动范围可能仅表示从属装置的移动范围的一部分。
5.为了解决此问题，已知的遥操作系统具有允许操作者使主控制器从将运动命令传输到从属装置中脱离的离合器。这允许操作者与物理世界重新耦合，且在重新接合主控制器之前将主控制器重置到舒适的位置，使得其继续将运动命令传输到从属装置。操作者可因此在从属装置不移动的情况下返回到舒适的位置，操作者可接着能够进入从属装置工作空间的不同部分。
6.然而，此类遥操作系统的问题是主控制器与从属装置之间的所得未对准。主控制器与从属装置之间的平移位置的解耦可对从属装置的操作者感知具有最小影响。然而，主控制器与从属装置的定向之间的未对准可能更难以察觉。举例来说，操作者可能失去从属装置在离合之前向下定向的感知，且在离合之后可假设当从属装置可实际上在离合之前设置的向下方向上继续时，主控制器的向前移动将导致从属装置的向前移动。
7.为了避免主控制器与从属装置之间的定向的未对准，已知的主控制器包括
‘
主动’关节，其中每一主动可旋转关节的刚度取决于施加到其上的力而主动地变化。当操作者未
向主控制器施加力时，主控制器设置主动关节的刚度，使得每一关节保持其当前旋转位置，而不管例如重力的环境力作用在其上。换句话说，主动主控制器的操作者可放开手柄且其将保持在相同的位置和定向中。相反，当主控制器感测到用户施加到主动关节的力时，所述关节的刚度降低以使得用户可使其自由地旋转。
8.当此类主控制器通过离合从控制从属装置中脱离时，主控制器的对应于从属装置的定向的关节可通过增加那些关节的刚度而锁定在适当的位置中，使得操作者不能够致使其旋转。主控制器的定向可因此保持在预离合的定向处，使得主控制器在整个离合过程中保持与从属装置对准。
9.然而，在已知的主动关节中提供关节刚度的主动变化所需的机动组件可导致关节变得沉重且笨重。这可能是不利的，因为主控制器将由人类用户操作且因此应理想地为小且轻的，使得用户可尽可能容易且自然地操控主控制器。
10.主控制器可替代地包括
‘
被动’关节，其中每一关节的刚度为恒定的，而无关于施加到其上的不同力。被动关节不需要机动组件且因此避免增加的大小和重量的问题。另一方面，被动关节还缺乏在离合过程期间防止旋转的任何固有构件。


技术实现要素：

11.根据本发明的第一方面，提供一种关节锁定机构，其包括：锁定齿轮，其可围绕旋转轴旋转；锁定闩锁，其可与锁定齿轮以可拆卸方式接合且可相对于旋转轴在第一闩锁位置与第二闩锁位置之间移动；以及偏置件，其可耦合到锁定闩锁，使得锁定闩锁朝向第一闩锁位置偏置，其中在第一闩锁位置中，锁定闩锁与锁定齿轮接合，使得锁定齿轮相对于旋转轴锁定在适当位置中，且在第二闩锁位置中，锁定闩锁与锁定齿轮间隔开，使得锁定齿轮可围绕旋转轴旋转。
12.借助于本发明，关节锁定机构的操作者可通过将锁定闩锁分别定位在第一闩锁位置或第二闩锁位置中来选择性地防止或允许锁定齿轮围绕旋转轴旋转。关节锁定机构可应用到主控制器的被动关节以选择性地防止关节的旋转，例如，在离合过程期间，以维持与从属装置的定向对准。
13.此外，锁定闩锁朝向第一闩锁位置偏置，在第一闩锁位置中防止锁定齿轮围绕旋转轴旋转，使得关节锁定机构默认防止锁定齿轮的旋转。因此需要操作者将锁定闩锁主动地移动到第二闩锁位置以便允许锁定齿轮的旋转。如果关节锁定机构应用于主控制器的被动关节，那么关节可默认到锁定位置。主控制器可因此呈现与具有主动关节的已知主控制器类似的优点，其中关节可保持其当前位置，直到操作者意图操控主控制器且为了这样做而释放关节锁定机构。然而，可同时避免对已知主动关节所需的笨重机动组件的需要。
14.锁定闩锁可通过任何合适的方式与锁定齿轮接合。举例来说，在本发明的一些实施例中，锁定齿轮可包括从其圆周延伸的多个齿状物，且锁定闩锁可包括配置成在锁定闩锁定位在第一闩锁位置中时接纳锁定齿轮的齿状物的齿状物接纳部分。在本发明的其它实施例中，锁定闩锁可包括可接纳于从锁定齿轮延伸的两个齿状物之间的间隙内的尖端。
15.锁定闩锁还可通过任何合适的方式移动。举例来说，在本发明的一些实施例中，锁定闩锁可为腱驱动的。为了将锁定闩锁从第一闩锁位置移动到第二闩锁位置，可致动附接到锁定闩锁的腱(通过增加其张力)以抵靠着偏置件拉动锁定闩锁。接着，为了将锁定闩锁
移动回到第一闩锁位置，可释放腱，使得偏置件超越腱的张力且朝向第一闩锁位置移动锁定闩锁。
16.偏置件可为用于朝向第一位置偏置锁定闩锁的任何合适的构件，例如弹簧、磁体或加压活塞。
17.在本发明的其它实施例中，锁定闩锁可为例如马达驱动的、电磁驱动的或气动驱动的。
18.在本发明的实施例中，锁定闩锁可在正交于旋转轴的方向上在第一闩锁位置与第二闩锁位置之间移动。
19.在本发明的此类实施例中，锁定闩锁可径向地移动到锁定齿轮。因此，当锁定闩锁在锁定齿轮旋转时移动到第一闩锁位置时，锁定齿轮滑动通过锁定闩锁且接合失败的可能性可能降低。
20.在本发明的实施例中，关节锁定机构可进一步包括可相对于旋转轴固定地定位的闩锁容器，其中锁定闩锁可移动地接纳于闩锁容器内，且偏置件可耦合到闩锁容器，使得其在闩锁容器与锁定闩锁之间延伸。
21.在本发明的此类实施例中，闩锁容器可包括一个或多个内壁，所述内壁经调适以使得当锁定闩锁接纳于闩锁容器内时，锁定闩锁被闩锁容器限制于第一闩锁位置与第二闩锁位置之间的移动。当与锁定齿轮接合的锁定闩锁在第一闩锁位置中时，闩锁容器的内壁可抵靠着可由锁定齿轮传输到锁定闩锁的横向力支撑锁定闩锁。
22.偏置件可为弹簧(或任何其它合适的偏置构件)，其可以适合于朝向第一闩锁位置偏置锁定闩锁的任何方式耦合到锁定闩锁和闩锁容器。举例来说，在本发明的一些实施例中，弹簧可附接于锁定闩锁与闩锁容器的第一末端之间，其中弹簧朝向收缩偏置，使得锁定闩锁被拉到第一闩锁位置。在本发明的其它实施例中，弹簧可附接到锁定闩锁和闩锁容器的第二末端，其中弹簧朝向扩张偏置，使得锁定闩锁被推到第一闩锁位置。
23.在本发明的实施例中，锁定闩锁可包括多个滚轮，每一滚轮可相对于锁定闩锁旋转且可与闩锁容器接合。
24.在本发明的此类实施例中，每一可旋转滚轮可与闩锁容器的内壁接合，其中可旋转滚轮可像车轮沿着道路一样沿着内壁顺时针或逆时针滚动。因此，多个滚轮可通过沿着闩锁容器的相应内壁滚动来促进锁定闩锁在第一闩锁位置与第二闩锁位置之间的移动。
25.在本发明的实施例中，闩锁容器可沿着闩锁轴线性地延伸。
26.在本发明的此类实施例中，锁定闩锁可沿着闩锁轴在第一闩锁位置(接近旋转轴)与第二闩锁位置(远离旋转轴)之间线性地移动。
27.在本发明的实施例中，闩锁轴可正交于旋转轴延伸。
28.在本发明的此类实施例中，闩锁容器正交于旋转轴延伸，且可基本上平行于主控制器臂的一部分延伸，所述主控制器臂与闩锁容器相关联且可围绕旋转轴旋转。借助于此，主控制器臂的相应部分可被更光滑地设计，因为闩锁容器可延伸穿过臂，基本上或完全隐藏在臂内，而非跨越臂延伸，且潜在地给设计增加一定程度的笨重。
29.在本发明的实施例中，闩锁容器可包括多个导轨；锁定闩锁可包括多个引导孔口，每一引导孔口可与导轨中的相应一者滑动地接合；且锁定闩锁可沿着导轨在第一闩锁位置与第二闩锁位置之间移动。
30.在本发明的此类实施例中，导轨可在闩锁容器内支撑锁定闩锁以确保其在闩锁容器内保持正确定向。当与锁定齿轮接合的锁定闩锁在第一闩锁位置中时，这可能是特别有利的，且橫向力被锁定齿轮施加到锁定闩锁，所述横向力原本可能使锁定闩锁从正确定向扭曲或移位。
31.在本发明的实施例中，导轨和引导孔口中的每一者可线性地延伸。
32.在本发明的此类实施例中，锁定闩锁可仅在第一闩锁位置(接近旋转轴)与第二闩锁位置(远离旋转轴)之间线性地移动。
33.在本发明的实施例中，导轨中的每一者可正交于旋转轴延伸。
34.在本发明的此类实施例中，锁定闩锁可仅正交于旋转轴移动且径向于锁定齿轮移动。因此，当锁定闩锁在锁定齿轮旋转时移动到第一闩锁位置时，锁定齿轮滑动通过锁定闩锁且接合失败的可能性可能降低。
35.在本发明的实施例中，关节锁定机构可进一步包括耦合到锁定齿轮的径向磁化磁体和耦合到闩锁容器的霍尔效应传感器，所述径向磁化磁体和霍尔效应传感器相对于彼此定位，使得霍尔效应传感器能够感测径向磁化磁体的磁场。
36.在本发明的此类实施例，锁定齿轮相对于闩锁容器的旋转定向可通过霍尔效应传感器对径向磁化磁体的磁场的感测来确定。
37.在本发明的实施例中，关节锁定机构可进一步包括：绞盘，其可在第一绞盘位置与第二绞盘位置之间旋转；以及腱，其包括第一末端和第二末端，第一末端可附接到绞盘，且第二末端可附接到锁定闩锁，其中当绞盘定位在第一绞盘位置处时，锁定闩锁定位在第一闩锁位置处，且当绞盘定位在第二绞盘位置处时，锁定闩锁定位在第二闩锁位置处。
38.在本发明的此类实施例，锁定闩锁可为腱驱动的。当绞盘从第一绞盘位置旋转到第二绞盘位置时，腱可缠绕在绞盘周围。在绞盘周围缠绕腱可导致在绞盘与锁定闩锁之间延伸的腱的张力增加，使得张力高于由偏置件施加在锁定闩锁上的力。因此，绞盘从第一绞盘位置到第二绞盘位置的旋转可导致锁定闩锁从第一闩锁位置移动到第二闩锁位置。
39.相反，当绞盘从第二绞盘位置旋转到第一绞盘位置时，腱可从绞盘解绕，由此减小腱的张力。一旦绞盘在第一绞盘位置中，那么张力可低于由偏置件施加在锁定闩锁上的力，因此导致锁定闩锁移动到第一位置。
40.在本发明的实施例中，腱可形成鲍登缆线的部分，所述鲍登缆线还包括可滑动地包覆腱的在其第一末端与第二末端之间的一部分的鲍登套管。
41.在本发明的此类实施例中，腱可通过鲍登套管在绞盘与锁定闩锁之间引导。此外，当腱在绞盘与锁定闩锁之间延伸时，鲍登套管可保护腱。鲍登缆线可因此促进将绞盘定位在锁定闩锁的远侧，同时确保当腱在绞盘与锁定闩锁之间延伸时，腱被恰当地定位和保护。
42.在本发明的实施例中，锁定闩锁可包括延伸穿过锁定闩锁的腱孔口、延伸穿过腱孔口的腱和可附接到腱的第二末端以使得腱的第二末端附接到锁定闩锁的套圈。
43.在本发明的此类实施例中，腱孔口可在以下中的一或多者的方向上延伸穿过锁定闩锁：正交于旋转轴、径向于锁定齿轮、平行于锁定容器延伸的方向以及平行于偏置件迫使锁定闩锁的方向。借助于腱延伸穿过腱孔口，锁定闩锁可在被腱拉动时迫使在最佳方向上移动。
44.根据本发明的第二方面，提供一种可锁定关节组合件，其包括：根据本发明的第一
方面所述的第一关节锁定机构、第一主体和可附接到第一主体的第二主体，其中：第一关节锁定机构的旋转轴为第一旋转轴；第二主体可围绕第一旋转轴相对于第一主体旋转；第一关节锁定机构的锁定闩锁可移动地耦合到第一主体；且第一关节锁定机构的锁定齿轮可刚性地耦合到第二主体，使得当第一关节锁定机构的锁定闩锁在相应第一闩锁位置中时，第二主体相对于第一主体锁定在适当位置中；且当第一关节锁定机构的锁定闩锁在相应第二闩锁位置中时，第二主体可围绕旋转轴相对于第一主体旋转。
45.借助于本发明，第一主体和第二主体可形成第一可旋转关节，其可由可锁定关节组合件的操作者使用第一关节锁定机构选择性地允许或防止围绕第一旋转轴旋转。第一可旋转关节可为可锁定关节组合件提供第一自由度。
46.在本发明的一些实施例中，第一可旋转关节可为被动关节，其中关节的刚度为恒定的。在本发明的此类实施例中，第一关节锁定机构可为可锁定关节组合件的操作者提供用于选择性地防止第二主体相对于第一主体旋转的构件，其中原本并不存在此构件。然而，在本发明的其它实施例中，第一可旋转关节可为主动关节，其中关节的刚度可主动地变化。在本发明的此类实施例中，第一关节锁定机构可例如用作用于防止第二主体相对于第一主体旋转的故障安全构件。
47.形成第一关节锁定机构的部分的闩锁容器可刚性地耦合到第一主体，使得其相对于第一旋转轴固定地定位。锁定闩锁可因此通过可移动地接纳于闩锁容器内而可移动地耦合到第一主体。
48.在本发明的实施例中，可锁定关节组合件可进一步包括根据本发明的第一方面所述的第二关节锁定机构；可附接到第二主体的第三主体，其中：第二关节锁定机构的旋转轴为第二旋转轴；第三主体可围绕第二旋转轴相对于第二主体旋转；第二关节锁定机构的锁定闩锁可移动地耦合到第二主体；且第二关节锁定机构的锁定齿轮可刚性地耦合到第三主体，使得当第二关节锁定机构的锁定闩锁在相应第一闩锁位置中时，第三主体相对于第二主体锁定在适当位置中；且当第二关节锁定机构的锁定闩锁在相应第二闩锁位置中时，第三主体可围绕旋转轴相对于第二主体旋转。
49.在此类实施例中，第二主体和第三主体可形成第二可旋转关节，其可由可锁定关节组合件的操作者使用第二关节锁定机构选择性地允许或防止围绕第二旋转轴旋转。第二可旋转关节可为可锁定关节组合件提供第二自由度。
50.在本发明的一些实施例中，第二可旋转关节可为被动关节，其中关节的刚度为恒定的。在本发明的此类实施例中，第二关节锁定机构可为可锁定关节组合件的操作者提供用于选择性地防止第三主体相对于第二主体旋转的构件，其中原本并不存在此构件。然而，在本发明的其它实施例中，第二可旋转关节可为主动关节，其中关节的刚度可主动地变化。在本发明的此类实施例中，第二关节锁定机构可例如用作用于防止第三主体相对于第二主体旋转的故障安全构件。
51.在本发明的实施例中，可锁定关节组合件可进一步包括根据本发明的第一方面所述的第三关节锁定机构；可附接到第三主体的第四主体，其中：第三关节锁定机构的旋转轴为第三旋转轴；第四主体可围绕第三旋转轴相对于第三主体旋转；第三关节锁定机构的锁定闩锁可移动地耦合到第三主体；且第三关节锁定机构的锁定齿轮可刚性地耦合到第四主体，使得当第三关节锁定机构的锁定闩锁在相应第一闩锁位置中时，第四主体相对于第三
主体锁定在适当位置中；且当第三关节锁定机构的锁定闩锁在相应第二闩锁位置中时，第四主体可围绕旋转轴相对于第三主体旋转。
52.在此类实施例中，第三主体和第四主体可形成第三可旋转关节，其可由可锁定关节组合件的操作者使用第三关节锁定机构选择性地允许或防止围绕第三旋转轴旋转。第三可旋转关节可为可锁定关节组合件提供第三自由度。
53.因此，可锁定关节组合件可具备三个自由度。第一旋转轴、第二旋转轴和第三旋转轴中的每一者可正交于其它旋转轴中的每一者延伸。
54.在本发明的一些实施例中，第三可旋转关节可为被动关节，其中关节的刚度为恒定的。在本发明的此类实施例中，第三关节锁定机构可为可锁定关节组合件的操作者提供用于选择性地防止第四主体相对于第三主体旋转的构件，其中原本并不存在此构件。然而，在本发明的其它实施例中，第三可旋转关节可为主动关节，其中关节的刚度可主动地变化。在本发明的此类实施例中，第三关节锁定机构可例如用作用于防止第四主体相对于第三主体旋转的故障安全构件。
55.根据本发明的第三方面，提供一种控制器臂，其包括根据本发明的第二方面所述的可锁定关节组合件和马达，其中：所述或每一关节锁定机构为根据本发明的第一方面的实施例所述的关节锁定机构，其包括绞盘和腱；所述或每一关节锁定机构的绞盘可由马达旋转地驱动。
56.在本发明的此类实施例中，控制器臂可形成主控制器的部分。控制器臂可由操作者操控以便控制从属装置。形成可锁定关节组合件的部分的每一可旋转关节的角度位置可由形成每一关节锁定机构的部分的霍尔效应传感器记录的数据确定。此数据可被传输到从属装置，以便从属装置复制由操作者引起的控制器臂的移动。
57.在本发明的一些实施例中，可锁定关节组合件可包括多于一个关节锁定机构，且因此多于一个绞盘。然而，所有绞盘可由单一马达驱动，使得每一绞盘可同时在其第一绞盘位置与其第二绞盘位置之间旋转。因此，单一马达可用于锁定和解锁可锁定关节组合件的每一可旋转关节。
58.然而，本发明的其它实施例可包括多于一个马达。举例来说，本发明的实施例可包括不同马达以驱动每一绞盘，使得每一关节锁定机构可独立地操作。
59.在本发明的实施例中，控制器臂可进一步包括手柄和手指夹持器，其各自耦合到可锁定关节组合件。
60.在本发明的此类实施例中，操作者可固持手柄且操控手柄的定向以致使形成可锁定关节组合件的部分的每一可旋转关节的旋转。操作者的手柄操控可由从属装置复制。
61.在本发明的实施例中，控制器臂可进一步包括主动关节组合件和基座，其中：主动关节组合件的近侧末端、马达和所述或每一关节锁定机构的绞盘可各自耦合到基座；主动关节组合件的远侧末端可耦合到可锁定关节组合件。
62.在本发明的此类实施例中，基座可在使用中静止，且手柄可在使用中由操作者自由地操控。可锁定关节组合件可为手柄提供相对于基座的三个自由度。举例来说，可锁定关节组合件可提供三个旋转自由度，以便操作者可控制手柄的定向且进而控制从属装置。
63.主动关节组合件也可为手柄提供相对于基座的三个自由度。然而，主动关节组合件可提供平移自由度而非旋转自由度。因此，手柄可具备相对于基座的六个自由度。控制器
臂可因此允许操作者以六个自由度控制从属装置。
64.用于致动关节锁定机构的绞盘的马达可耦合到基座，使得其在使用中保持静止，而非安装到控制器臂的可移动部分。这避免控制器臂的可移动部分由于安装到其的马达而变得笨重或沉重。然而，尽管主动关节组合件定位在基座与可锁定关节组合件之间，但腱可允许马达的致动从绞盘传送到关节锁定机构的锁定闩锁。
65.在本发明的实施例中，控制器臂可包括关节组合件的其它组合。举例来说，控制器臂可包括以下各者的任何组合：一个或多个可锁定关节组合件；零个、一个或多个主动关节组合件；以及零个、一个或多个被动关节组合件。
66.根据本发明的第四方面，一种主控制器包括根据本发明的第三方面所述的多个控制器臂。
67.借助于本发明，主控制器可具备任何合适数目个控制器臂。举例来说，在本发明的一些实施例中，主控制器可包括两个控制器臂，其中的每一者可由操作者的一只手控制。操作者可因此同时用双手向从属装置提供控制。然而，在本发明的其它实施例中，可存在多于两个控制器臂。这可允许操作者在相对于单一从属装置提供不同功能的控制器臂之间交换。替代地，不同控制器臂可控制不同从属装置。还可提供促进操作者团队同时向一个或多个从属装置提供控制的主控制器。
附图说明
68.现将参考随附图式仅借助于实例描述本发明，在随附图式中：
69.图1a为根据本发明的第一方面的关节锁定机构的示意性表示，其展示第一闩锁位置中的锁定闩锁；
70.图1b为图1a中所展示的关节锁定机构的示意性表示，其中锁定闩锁在第二闩锁位置中；
71.图2为形成图1a中所展示的关节锁定机构的部分的锁定闩锁的示意性表示。
72.图3为图1a中所展示的关节锁定机构的示意性表示，其中揭露额外特征。
73.图4为多个绞盘和腱的示意性表示，每一绞盘和腱形成关节锁定机构(例如图1中所展示的关节锁定机构)的部分。
74.图5为图1中所展示的关节锁定机构的分解图。
75.图6为根据本发明的第二方面的可锁定关节组合件的示意性表示。
76.图7为根据本发明的第三方面的控制器臂的示意性表示。
77.图8为根据本发明的第四方面的主控制器的示意性表示。
具体实施方式
78.首先参考图1a和图1b，根据本发明的实施例的关节锁定机构通常由参考标号2标示。关节锁定机构2包括：锁定齿轮4，其可围绕中心延伸穿过锁定齿轮4的旋转轴旋转；以及锁定闩锁6，其可与锁定齿轮4以可拆卸方式接合且可相对于旋转轴在第一闩锁位置(如图1a中所展示)与第二闩锁位置(如图1b中所展示)之间的移动。锁定齿轮4包括从锁定齿轮4的圆周径向延伸的多个接合齿状物5，且锁定闩锁6包括可与接合齿状物5接合的接合部分7。
79.当锁定闩锁6在第一闩锁位置中时，接合部分7被定位成与接合齿状物5互锁，使得锁定闩锁6与锁定齿轮4接合且锁定齿轮4相对于旋转轴锁定在适当位置中。相反，当锁定闩锁6在第二闩锁位置中时，锁定闩锁6与锁定齿轮4间隔开，且特别地，接合部分7与接合齿状物5间隔开，使得锁定齿轮4可围绕旋转轴旋转。
80.关节锁定机构2进一步包括可相对于旋转轴固定地定位的闩锁容器8，其中锁定闩锁6可移动地接纳于闩锁容器8内。闩锁容器8沿着正交于旋转轴延伸的闩锁轴线性地延伸。
81.闩锁容器8包括两个导轨14，且关节锁定机构2进一步包括附接到锁定闩锁6的腱24。(然而，在本发明的其它实施例中，闩锁容器可包括任何合适数目个导轨。)
82.关节锁定机构2还包括可耦合到锁定闩锁6和闩锁容器8以使得其在闩锁容器8与锁定闩锁6之间延伸的偏置件10。在本发明的此实施例中，偏置件10为沿着导轨14延伸的一对弹簧。偏置件10朝向第一闩锁位置偏置锁定闩锁6。因此，为了使锁定闩锁6抵靠着偏置件10移动到第二闩锁位置，必须增加腱24的张力以使得其高于在相反方向上作用的偏置力。举例来说，在本发明的此实施例中，张力必须足够大以致使弹簧压缩，以便锁定闩锁6可从第一闩锁位置移动到第二闩锁位置。相反，为了使锁定闩锁6从第二闩锁位置移动到第一闩锁位置，必须减小腱24的张力以使得偏置力更高且致使锁定闩锁6抵靠着张力移动。换句话说，张力必须减小，使得弹簧可扩张且将锁定闩锁6推到第一闩锁位置。
83.现参考图2和图3，锁定闩锁6包括多个滚轮12。每一滚轮12可相对于锁定闩锁6旋转且可与闩锁容器8接合。锁定闩锁6在第一位置与第二位置之间的移动可因此通过滚轮12能够沿着闩锁容器8的内壁滚动来促进。
84.锁定闩锁6进一步包括多个引导孔口16，其中每一引导孔口16可与导轨14中的相应一者滑动地接合。锁定闩锁6因此可沿着导轨14在第一位置与第二位置之间移动。导轨14和引导孔口16中的每一者线性地延伸，使得锁定闩锁6可在第一位置与第二位置之间线性地移动。此外，导轨14中的每一者正交于旋转轴延伸(且平行于闩锁轴)。
85.锁定闩锁6还包括延伸穿过锁定闩锁6的腱孔口30。腱24可延伸穿过腱孔口30，且套圈32可附接到延伸穿过腱孔口30的腱24的末端，使得腱24附接到锁定闩锁6。腱孔口30线性地延伸穿过锁定闩锁6，使得当锁定闩锁6接纳于闩锁容器8内时，在使用中，腱孔口30平行于闩锁轴延伸。
86.因此，闩锁容器8、导轨14和引导孔口16以及腱孔口30的形状和定向都促使锁定闩锁6线性地且正交于旋转轴移动。锁定闩锁6因此可径向地移动到锁定齿轮4。这意味着，当锁定闩锁6在锁定齿轮4旋转时移动到第一闩锁位置时，接合部分7可与移动接合齿状物5互锁且邻接移动接合齿状物5，其中锁定齿轮4滑动通过锁定闩锁6且接合失败的可能性降低。
87.现参考图4，关节锁定机构2(图1中所展示)可进一步包括可在第一绞盘位置与第二绞盘位置之间旋转的绞盘22。也在图1中展示的末端附接到锁定闩锁6的腱24可在其相对末端处附接到绞盘22。当绞盘22定位在第一绞盘位置处时，锁定闩锁6定位在第一闩锁位置处，且当绞盘22定位在第二绞盘位置处时，锁定闩锁6定位在第二闩锁位置处。
88.在准备使用时，绞盘22可旋转地安装到驱动轴23且旋转到第一绞盘位置，其中腱24缠绕在绞盘周围，使得从腱24去除松弛，但锁定闩锁6在第一闩锁位置中。绞盘22可接着锁定到驱动轴23，使得其固定地安装且准备好使用。
89.在使用中，驱动轴23和进而绞盘22可由马达52旋转地驱动。马达可旋转驱动轴23
和绞盘22以便将绞盘22移动到第一绞盘位置与第二绞盘位置之间。当绞盘22从第一绞盘位置旋转到第二绞盘位置时，腱24可越来越多地缠绕在绞盘22周围以增加腱22的张力且致使锁定闩锁6从第一闩锁位置移动到第二闩锁位置。相反，当绞盘22从第二绞盘位置旋转到第一绞盘位置时，腱24从绞盘22解绕，腱24的张力减小且锁定闩锁6可返回到第一闩锁位置。
90.腱24形成鲍登缆线26的部分，所述鲍登缆线26还包括可滑动地包覆腱的在绞盘22与锁定闩锁6之间延伸的一部分的鲍登套管。
91.马达52和绞盘22可安装到基座58。
92.返回参考图1，闩锁容器8刚性地耦合到第一主体42，且锁定闩锁6可通过闩锁容器8移动地耦合到第一主体42。同时，锁定齿轮4刚性地耦合到可旋转地附接到第一主体42的第二主体44。
93.现参考图5，关节锁定机构2进一步包括耦合到锁定齿轮4的径向磁化磁体18和耦合到闩锁容器8的霍尔效应传感器20(通过第一主体42)。径向磁化磁体18和霍尔效应传感器20可相对于彼此定位，使得霍尔效应传感器20能够感测径向磁化磁体18的磁场。因此，锁定齿轮4相对于闩锁容器8的旋转定向可通过霍尔效应传感器20对径向磁化磁体的磁场的感测来确定。
94.现参考图6，根据本发明的第二方面的实施例的可锁定关节组合件40包括第一主体42、可旋转地附接到第一主体42的第二主体44、可旋转地附接到第二主体44的第三主体46以及可旋转地附接到第三主体46的第四主体48。可锁定关节组合件还包括第一关节锁定机构2a、第二关节锁定机构2b和第三关节锁定机构2c，其中的每一者相当于图1至图4中所展示的关节锁定机构2。第一关节锁定机构2a的旋转轴为第一旋转轴，第二关节锁定机构2b的旋转轴为垂直于第一旋转轴的第二旋转轴，且第三关节锁定机构2c的旋转轴为垂直于第一旋转轴和第二旋转轴两者的第三旋转轴。
95.第一关节锁定机构2a的锁定闩锁、闩锁容器和霍尔效应传感器耦合到第一主体42，而第一关节锁定机构2a的锁定齿轮和径向磁化磁体附接到第二主体44。因此，当第一关节锁定机构2a的锁定闩锁在相应第一闩锁位置中时，第二主体44相对于第一主体42锁定在适当位置中。相反，当第一关节锁定机构2a的锁定闩锁在相应第二闩锁位置中时，第二主体44可围绕第一旋转轴相对于第一主体42旋转。
96.除了其分别耦合到第二主体44和第三主体46而非第一主体42和第二主体44以外，第二关节锁定机构2b类似于第一关节锁定机构2a配置。同样地，除了其分别耦合到第三主体46和第四主体48而非第一主体42和第二主体44以外，第三关节锁定机构2c类似于第一关节锁定机构2a配置。
97.形成每一关节锁定机构2a、2b、2c的部分的腱24可从相应关节锁定机构2a、2b、2c延伸到如图4中所展示的相应绞盘22。每一绞盘22可安装到相同驱动轴23且可由相同马达52驱动。
98.可锁定关节组合件40可进一步包括腱对准通道28，所述腱对准通道28将腱24对准在一起，使得其可全部被包覆在单一鲍登缆线26内以在腱朝向绞盘22延伸时保护腱。简要地返回参考图4，可提供另一腱对准通道28以在腱24从绞盘22延伸时对准腱24。
99.可锁定关节组合件40可形成控制器臂50的部分(图6中所展示)。控制器臂还可包括耦合到可锁定关节组合件(通过第四主体48)的手柄54和手指夹持器56。
100.第一主体42、第二主体44、第三主体46和第四主体48相对于彼此的旋转可促进手柄54围绕三个轴的旋转，因此允许操作者以三个旋转自由度操控手柄54。
101.在本发明的此实施例中，手指夹持器56包括定位在中心叉59的任一侧的两个杠杆57。手指夹持器56的杠杆57可由操作者的拇指和食指操控，同时操作者用他或她的剩余手指握持手柄54。每一杠杆57可包括磁体，且中心叉59可包括能够感测由每一磁体产生的磁场以使得可确定杠杆57的位置的霍尔效应传感器。操作者可因此操控杠杆57以便控制从属装置的方面。
102.现参考图7，根据本发明的第三方面的实施例的控制器臂50包括图6中所展示的可锁定关节组合件40、手柄54和手指夹持器56。控制器臂进一步包括马达52(也在图4中展示)，所述马达52可驱动形成关节锁定机构的部分的绞盘22，所述关节锁定机构又形成可锁定关节组合件40的部分。此处，包括腱24的鲍登缆线26被展示为从绞盘22延伸到可锁定关节组合件40。
103.控制器臂还包括基座58和将可锁定关节组合件40耦合到基座58的主动关节组合件60。
104.在本发明的此实施例中，主动关节组合件60包括四杆连杆62，所述四杆连杆62又包括短连杆64和长连杆66。短连杆64和长连杆66可相对于彼此旋转以及可相对于基座58旋转，且因此为手柄54提供相对于基座58的三个平移自由度。主动关节组合件60还包括主动马达组合件68，所述主动马达组合件68配置成主动地改变形成主动关节组合件60的部分的每一可旋转关节的刚度，使得当不存在由操作者引起的操控时，主动关节组合件保持其位置。
105.现参考图8，根据本发明的第四方面的主控制器70包括图6中所展示的一对控制器臂50。主控制器70的操作者可以每只手握持手柄54以便同时操控每一控制器臂50。
106.由主控制器、由每一关节锁定机构(图5中所展示)中的霍尔效应传感器记录的运动数据可例如转换为从属装置(未展示)的马达命令，使得从属装置复制操作者的移动。
107.在使用中，当操作者意图通过主控制器70的操控来控制从属装置时，可致使马达52旋转绞盘22且紧固腱24中的每一者，使得每一关节锁定机构2a、2b、2c的锁定闩锁6移动到第二闩锁位置且第一主体、第二主体、第三主体和第四主体相对于彼此自由旋转。
108.在使用期间，操作者可能需要相对于从属装置的工作空间调整主控制器70的工作空间，例如以在更舒适的位置中使用主控制器70或访问从属装置的工作空间的不同部分。为了这样做，操作者可离合或使主控制器70从控制从属装置中脱离。举例来说，主控制器可包括离合器踏板(或任何其它合适的离合器控制机构)，所述离合器踏板在被致动时防止新运动命令基于控制器臂50的移动传输到从属装置。
109.然而，为了确保主控制器手柄54的定向在离合期间不会与从属装置的定向不对准，离合器踏板的致动可致使马达52将绞盘22旋转到其相应第一绞盘位置，从而释放相应腱24且致使相应锁定齿轮4锁定在适当位置中。
110.因此，当操作者通过其平移自由度将主动关节组合件60重新对准到所要位置时，可锁定关节组合件40可在主控制器70与从属装置的离合期间保持其位置。这意味着，手柄54的定向可保持与在离合之前设置的从属装置的最后定向对准，使得当操作者继续对从属装置的控制时，避免感知到主控制器70与从属装置的定向之间的未对准的任何问题。
111.一旦离合过程完成，那么释放离合器踏板可致使马达52将绞盘22旋转到其相应第二绞盘位置，使得可锁定关节组合件解锁，且操作者可通过三个旋转自由度以及三个平移自由度继续操控手柄54。
112.除非上下文另外指示，否则本发明的给定方面、特征或参数的偏好和选项应被视为已经结合本发明的所有其它方面、特征和参数的任何和所有偏好和选项而公开。举例来说，锁定闩锁可包括任何合适数目个引导孔口、任何合适数目个滚轮、腱孔口或这些特征的任何组合。应理解，图2中所展示的锁定闩锁6仅为可如何组合这些特征的一个实例。