CN104995495A - 用于测量力和转矩的传感器组件和方法 - Google Patents

Abstract

一种传感器组件包括底板和可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。准直器将多个光束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。

Description

用于测量力和转矩的传感器组件和方法

相关申请

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

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

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。

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(pressagainst)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。

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。

一种类型的六部件力/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。

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。

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

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。

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。

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。

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

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

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：

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；

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；

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；

图4是力/转矩传感器组件的分解透视图；

图5是力/转矩传感器组件的转向器板的平面图；

图5A是示出力/转矩传感器组件的两级灵敏度的图示；

图6是处于柱销外壳内的柱销的分解透视图；

图7是示出柱销外壳内的柱销的侧视图；

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；

图9是贯穿蛇形弹簧内的柱销的局部截面图；

图10是底板的平面图；

图11是力/转矩传感器组件的准直器的平面图；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

图16是带有三个转矩T_x、T_y和T_z以及三个力F_x、F_y和F_z的光敏换能器上的光束的移动之间的相关性的例示；

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；

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；

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；

图20是替代准直器的平面图；

图21是图20的替代准直器的透视图；

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；

图23是转向器板的第二替代实施例的平面图；以及

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

I.概述

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。

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。

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。

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。

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。

在2013年8月2日提交的名称为“Surgical manipulator Capableof 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。

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。

II.力/转矩传感器组件

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。

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。

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)

第一和第二通孔62、64的集合在顶板54的相反面之间延伸。第一通孔62所处的位置为沿径向从顶板54的中心向外。第一通孔62彼此等间隔。第一通孔62的近端开口被定义为渐缩凹陷(taperedrecess)66，即所述渐缩凹陷朝向第一通孔62的中心向内倾斜。第二通孔64沿径向向外与第一通孔62隔开，因而处于从顶板54的外周缘向内的短距离处。第二通孔也是相互等间隔的，但是并不沿径向与第一通孔62对准。还将顶板54形成为界定侧孔68，侧孔68从顶板54的侧表面沿径向向内延伸。螺纹紧固件(未示出)穿过第二通孔64延伸，从而将顶板54固持到安装板60上。

转向器板56位于顶板54和底板58之间。转向器板56包括内传感器构件和外传感器构件。在所示的实施例中，所述内传感器构件和外传感器构件分别是内轮毂70和外轮毂72。在朝向远端的方向上，内轮毂70延伸到外轮毂72的前面。内轮毂70连接至外轮毂72并且能够相对于其移动。外轮毂72静态固定至底板58。内轮毂70静态固定至顶板54。轮毂70、72两者均由单片硬化不锈钢形成。

内轮毂70具有大致为圆形的外侧形状。将内轮毂70设置到外轮毂72内。内轮毂70的外周界部分地由三个平直表面74界定，所述三个平直平面沿弧形且彼此等间隔。曲面76位于每一对相邻的平直表面74之间。

齿78从每个曲面76向外沿径向延伸。齿78相互等角隔开，并且从曲面76的中心延伸。沿在齿78的相反的朝向近端和朝向远端的面之间延伸的轴，齿78具有从大约0.25mm到大约1.0mm的深度，其低于内轮毂70的深度。齿78的近端面(未编号)与内轮毂70的近端面平齐。因而，齿的朝向远端的面(未编号)相对于内轮毂70的相邻的朝向远端的面下陷。

三个轮毂通孔80处于从内轮毂70的外周界向内的短距离处。轮毂通孔80所具有的开口的直径近似等于顶板54内的第一通孔62的直径。每个轮毂通孔80与单独的第一通孔62对准。内轮毂70具有处于中心位置的中央通孔82。中央通孔82的直径大于轮毂通孔80的直径。圆柱形台阶84从界定中央通孔82的内表面沿径向伸出。台阶84背离内轮毂70的远端面向近端的下陷。台阶从中央通孔82的内表面向内延伸大约0.75mm。沟槽86从中央通孔82向外沿径向延伸。沟槽86相对于内轮毂70的远端面下陷。沟槽86的底与台阶84共平面。

如图5所示，外轮毂72一般类似于环形。外轮毂72具有近似等于顶板54的直径的直径。外轮毂72具有与齿78相同的近端面到远端面深度。因而，外轮毂72的深度小于内轮毂70的深度。如图3所示，内轮毂70的远端面升高至外轮毂72的远端面之上。在图3中，出于举例说明的目的夸大了内轮毂70相对于外轮毂72向前伸的程度。

外轮毂72具有三个朝向内侧的突舌(tab)88。突舌88彼此等角隔开。每个突舌88具有朝向彼此向内渐缩的侧表面90。每个突舌88具有弧形内表面92。内表面92围绕与外轮毂72的中心轴同心的公共圆延伸。每个突舌88被齿槽94二等分。每个齿槽94从内表面92向外沿径向延伸。每个突舌88还具有突舌通孔96。突舌通孔96沿外轮毂72在圆周上隔开。还将外轮毂72的形状设定为在每一对相邻的突舌88之间具有平面内表面，即平面98。

每个齿78延伸到齿槽94中的单独的一个齿槽内。齿槽94具有大约0.1mm到0.75mm的宽度，该宽度大于齿78的宽度。还将转向器板56的尺寸设定为，当外轮毂72处于空档位置(neutralposition)时，使每个齿78的外端与突舌99的界定相关齿槽94的相邻朝内表面相隔大约0.1mm到0.75mm。

在图4和图5中可以看出，弹簧布置件将内轮毂70以可移动方式附接至外轮毂。所述弹簧布置件包括三个弹簧装置102。每个弹簧装置102从平面74中的单独的一个平面向外延伸。每个弹簧装置102包括串接布置的蛇形弹簧104和板簧106。

每个蛇形弹簧104包括头部108、躯干110和腿部112。头部108是蛇形弹簧104连接至内轮毂70的部分。头部108从平面74向外沿径向伸出。

躯干110从头部108延伸。每个躯干包括多个U形弯折114和从U形弯折114延伸的褶116。在一个实施例中，躯干110是由多个褶116和弯折114形成的。褶116相互平行。弯折114大体呈半圆形。弯折114中的第一个将一个褶116连接至头部108。弯折114中的第二个将两个褶116连接到一起。弯折114中的第三个将另一褶连接至腿部112。弯折114是柔性的。弯折114的柔性允许褶116的纵轴移动位置。

每个腿部112包括相对厚的基底。腿部112的该基底是腿部112的一部分，相邻的弯折114从该部分延伸出来。两个脚部118从每个腿部112的外端向外延伸。每个脚部118具有薄带的形式，该薄带的厚度约为0.25到0.75mm。形成一对脚部118的脚部是共平面的。每个脚部118具有并入了相邻突舌88的侧表面的末端。脚部118在从平面98沿径向朝内的位置上并入到突舌88内。因而，每对脚部118平行于相邻平面98并且与之向内隔开。在一些实施例中，该间隔大约处于0.25mm和0.75mm之间。假定脚部118由柔性材料形成的，并且每对脚部118的脚部118共平面，那么每对脚部118就界定了板簧106中的一个板簧。

因而，可以将每个弹簧装置102看作是多级弹簧装置。一个弹簧级是由弯折114和褶116形成的蛇形弹簧104，第二弹簧级是由脚部118形成的板簧106。图5A示出了这些第一和第二级是如何影响由力/转矩传感器组件52实施的力/转矩测量的分辨率的。

参考图6-9，每个蛇形弹簧104容纳多个柱销(pin)120。每个柱销120大体呈圆柱形。每个柱销120由硬化不锈钢构成。每个柱销120所具有的长度使得柱销120能够跨越相邻躯干110的整个宽度延伸。柱销120所具有的半径大约为0.625mm到2.5mm，其小于由相邻弯折114所界定的圆的半径。在一个实施例中，柱销120的长度大约为6.25mm，直径大约为1.168mm。柱销120中的第一个在头部108和相邻褶116之间延伸。柱销120中的第二个位于两个褶116之间。柱销120中的第三个位于径向最外侧的褶116和腿部112之间。

三个柱销120的每组位于柱销外壳122内。柱销外壳122由帽124和柱销外壳基座126构成。柱销120位于帽124和柱销外壳基座126之间。帽124包括面板128和两个相对的侧壁130。面板128呈矩形。每个侧壁130从面板128的侧边向下延伸。面板孔132穿过面板128的中央延伸。柱销外壳基座126大体为块状。底座沟槽134通过柱销外壳基座126的中央延伸。将基座沟槽134的尺寸设定为容纳躯干110。柱销沟槽136通过柱销外壳基座126的中心延伸。柱销沟槽136与基座沟槽134相交并且与之垂直。柱销沟槽136的深度比基座沟槽134的深度浅。

参考图4和图10，将底板58附接至操纵器30的联动组件40的远端部件138。该部件138可以是耦合器、机器人凸缘(robotflange)、销轴(wrist)或其他部件。底板58由硬化不锈钢形成。底板58大体呈盘状，其外径等于外轮毂72的外径。底板58具有内部圆形部分140和外轮缘(outer rim)142。轮缘142围绕圆形部分140的外缘的圆周延伸。轮缘142具有朝向远端的顶面，所述顶面升高到内部圆形部分140的朝向远端的面之上并与之平行。将轮缘142形成为具有多个第一开口144和第二开口146，所述开口在轮缘142的相反的朝向近端和朝向远端的面之间延伸。有三个彼此等角隔开第一开口144。有三个彼此等角隔开的第二开口146。

多个凹陷148位于轮缘142的远端面上。凹陷148沿轮缘142的内表面敞开。每个凹陷148大体具有矩形形状。每个凹陷是由一对相对的侧表面和底表面界定的。将每个凹陷148的形状设定为使跨越所述相对侧表面的距离等于跨越齿槽94的宽度。三个凹陷148在轮缘142的远端面上等距隔开。将凹陷148的位置设定为，在组装力/转矩传感器组件52时，使每个凹陷148与转向器板56中的齿槽94中的一个配准。

紧固件(未示出)穿过第一开口144延伸，从而将底板58保持到联动组件40的远端部件138。紧固件(未示出)穿过第二开口146和突舌通孔96延伸，从而将转向器板56保持到底板58。

力/转矩传感器组件52是基于光的传感器组件，其包括安装到底板58的光源154。引导来自光源154的光穿过准直器156照射到光敏换能器158。准直器156将光转换成多个光束。随着负载施加到器械32上，使准直器156相对于光敏换能器158发生位移，从而使所述光束照射到光敏换能器158的不同像素。射束的这一移动有效地感测施加到器械32上的力和转矩，并且能够关联成力和转矩测量结果。

光源142所处位置与内部圆形部分140的远端面的外缘相邻。因而，光源142与轮缘142的朝向内侧的面相邻且共平面。在一些实施例中，光源142是包括一个或多个发光二极管(LED)的LED光源。图4示出了两个LED。

将光管160安装至内轮毂70的远端面。光管160接收光源142发射的光，并将其引向准直器156。将光管160的形状设定为具有圆柱形芯柱162。使芯柱162的近端位于光源142之上，以接收从光源142发射的光。分支164从芯柱162的远端垂直延伸。将分支164的尺寸设定为使其座落在内轮毂沟槽86内。圆形头部166从分支164的自由端延伸出来。头部166被形成为具有圆盘状透镜。将头部166的尺寸设定为座落在朝向中央通孔82的沉孔(counterbore)内。在组装力/转矩传感器组件52时，光管160的位置被设定为将头部166设置到处于准直器156之上的沉孔内。

光管160由塑料、玻璃或者能够将光源142发射的光传送至准直器156的其它材料形成。在一些实施例中，光管160是光纤管道或者是由单条塑料构成的注模光管。在其他实施例中，将光管160总体去除，相反将LED直接置于准直器156或者其他光聚焦装置之上。

将准直器156固定至内轮毂70。可以通过粘合剂、胶带、焊接或者其他方法来固定准直器156。准直器156座落在光管160下面的沉孔内。准直器156是圆盘形的，其具有近似等于沉孔的直径，从而使准直器156的外周缘座落在形成于内轮毂70内的台阶84上。在一个实施例中，准直器156具有大约7.5mm的直径。准直器156由石英形成，或者可替代地被构建到转向器板56内(例如，被机械加工为转向器板56的部分)。

从图11可以看出，将准直器156形成为具有多个光开口。将所述光开口中的四个示为法向孔172、174、176、178。法向孔172、174、176、178是相对于准直器156的相反的顶表面和底表面沿法向形成的通孔，即法向孔172、174、176、178沿垂直于准直器156的相反的顶表面和底表面的轴穿过准直器156延伸。按照方形图案布置法向孔172、174、176、178，并使它们与准直器156的中心等间隔。

从图11、13A和13B中可以看出，所述多个光开口还包括两个倾斜的孔180、182。倾斜孔180、182是倾斜的，因为它们沿被布置为相对于准直器156的顶表面和底表面之间的法向轴成锐角的轴穿过准直器156延伸。倾斜孔180、182与准直器156的中心等间距。倾斜孔180、182向内朝向准直器156的中心倾斜。在一些实施例中，孔172、174、176、178、180、182呈方形。在一些实施例中，孔172、174、176、178、180、182呈圆形。

光敏换能器158在印刷电路板184上处于中央位置。印刷电路板184座落在圆形部分140的朝向远端的面上，由此相对于底板58固定。印刷电路板184的形状和尺寸近似等于圆形部分140的远端面的形状和尺寸。在例示的实施例中，光敏换能器158是图像传感器。图像传感器可以是CMOS图像传感器或任何其他光敏换能器。在一个版本当中，所述图像传感器是可从CA，San Jose的CypressSemiconductor获得的LUPA 1300A传感器。

光敏换能器158含有若干独立的光敏元件，例如，像素。按照行列格式或者按照矩阵来布置像素。每个像素输出表示照射到像素上的光的强度的信号。在一些实施例中，光敏换能器158具有25微米或更小的像素尺寸。在某些实施例中，光敏换能器158具有1280×1024像素的分辨率。在该实施例中，每个像素约为14微米×14微米。

将电压调节器186安装到印刷电路板184上。电压调节器186向光敏换能器158提供恒定电压信号。在例示的实施例中，将光敏换能器158示为安装到电压调节器186的外露面上。

准直器156的孔172、174、176、178、180、182将来自光管160的光划分成若干独立的光束。光束照射到光敏换能器158的面上。光敏换能器158输出表示光束在光敏换能器158上的照射位置的信号。可以将这些信号发送至本地控制器(未示出)以进行处理。所述信号被处理以最终得到力和转矩。操纵器控制器48利用力和转矩来控制致动器46的移动，由此控制器械32的移动。应当认识到，在其他实施例中，也可以将光敏换能器158的输出信号直接发送至操纵器控制器48。

在手术过程中，施加至器械32的负载至少引起器械32的微小位移。器械32的该位移通过器械底座36和安装板60传输至顶板54和内轮毂70——它们全部被视为单个刚体。内轮毂70的位移导致了准直器156相对于光敏换能器158发生了位置和/或取向的偏移，即，移动。因此，来自孔172、174、176、178、180、182的光束也发生移动，从而实现对力和转矩的确定。

III.确定力和转矩

当负载被施加到器械32上时，力/转矩传感器组件52被视为处于负载状态。在负载(例如，力和/或转矩)被施加到力/转矩传感器组件52上时，内轮毂70可能参与相对于外轮毂72的六种类型的运动。所述运动中的三种是平移。内轮毂70能够沿x轴移动，任意地，所述x轴可以是穿过图5中的内轮毂70的横轴。内轮毂70能够参与沿y轴的运动，任意地，所述y轴是穿过图5中的内轮毂70的纵轴。内轮毂能够参与沿z轴的运动，任意地，所述z轴是穿过进出图5的平面延伸的内轮毂70的中心的轴。内轮毂70还可以参与围绕上文标示出的轴的每个的至少某种旋转运动。典型地，由于力/转矩传感器组件52被施加了力和转矩，内轮毂70将参与这些运动中的几种。

在向器械32施加了力和转矩时，准直器156和光管160将因此随内轮毂70发生等同的移动。准直器156的该位移将使得光源154发射的光照射光敏换能器158的不同像素。光敏换能器158输出表明准直光移动的信号，该信号与施加至器械32的力和转矩直接相关。

在没有向力/转矩传感器组件52施加任何力或转矩的情况下，认为力/转矩传感器组件52处于空载状态。在操纵器30处于使用当中时，即使缺少其他力，重力也会向力/转矩传感器组件52施加力和转矩。应当理解，该重力作用力的主要分量是作用于器械32和能量施加器50上的重力。在内轮毂70处于纯粹的空载状态时，该重力作用力使得内轮毂70相对于外轮毂72发生一定的位移。在给定该力的标称性质以及内轮毂70的标称位移的情况下，光束的位置被认为处于其重力偏移空载状态。

在操纵器30的操作过程中，光源154发射的光(在附图中通过附图标记155表示)作为光束延伸穿过孔172、174、176、178、180、182。这些光束照射光敏换能器158的表面上的不同像素群组。更具体而言，在空载状态下和负载状态下，每个光束照射不同的像素群组。像素群组的位置/定位从空载状态到负载状态(例如，从时间帧的起始(初始群集)到时间帧的结束(最终群集))的偏移用于确定力和转矩。

图12A和12B示出了在负载状态和空载状态下光束中的两个光束穿过法向孔中的两个法向孔，即孔172和176。图13A和13B描绘了在空载和负载状态下两个光束如何通过倾斜孔180、182。值得注意的是，通过倾斜孔180、182的光束按照椭圆照射光敏换能器158。

在制造过程中，将准直器156相对于光敏换能器158布置，使得对于每个光束的最大活动范围而言(对于所有的六个自由度而言)，每个光束局限于光敏换能器158上的独立区段S(或窗口)内，从而能够对每个区段S内的像素独立进行电子处理，以确定光敏换能器158上的光束的形心的位置。例如，参考图11A所示的来自法向孔172、174、176、178的光束172B、174B、176B、178B，所述光束在独立的区段S1到S4内照射光敏换能器158，此外还参考来自倾斜孔180、182的光束180B、182B，所述光束在独立的区段S5-S6内照射光敏换能器158。对于力/转矩传感器组件52的全范围的位移而言，所述光束中的每个完全保持在其对应的区段S1-S6内。

光敏换能器158连续地向操纵器控制器48发送每个区段S1-S6内的由每个像素所发射的信号。每个像素在光敏换能器158上都具有具体的行/列位置。操纵器控制器48接收到的信号与在该位置处照射到像素的光的量成比例。出于理解例示实施例的目的，认为处于图14A和14B的左下角的像素是处于行/列位置(0,0)188上的像素。

如上所述，每个光束照射每个区段S1-S6内的像素群组。相应地，控制器48接收来自光敏换能器145的信号，该信号构成了包括六组像素的图像，每个组包括来自曝光的多个像素的输出信号。对于这些组像素中的每个而言，控制器48确定光束的形心。

如图15、15A和15B所示，可以采用常规处理技术来处理每个组中的各信号强度，来确定所述形心。例如，图15所示的穿过法向孔172、174、176、178的光束172B、174B、176B、178B照射像素的不同群组。对于与区段S1-S4相关的每个像素组而言，沿所有像素列和所有像素行，对每个区段内的信号强度进行求和，并识别出沿所述各个列和各个行的峰值信号强度，从而识别出以x、y坐标表达的形心，由此对这些群组进行处理。可以使峰值信号强度与具体的像素位置相关，但是对求和得到的输出信号值进行内插或其他处理可能导致沿列和行的峰值信号强度的位置未必以单个像素的物理位置为界限。参考图15A和15B中给出的这种处理的例子。

控制器48将光敏换能器158在x-y坐标系内的形心位置分配给光束被施加至的传感器上位置(on-sensor location)上。控制器48将上述过程执行六次，为每个光束和区段执行一次。在力/转矩传感器组件52的每个操作帧内重复该过程。因此，对于每个操作帧而言，在准直器156具有四个法向孔172、174、176、178和两个倾斜孔180、182的实施例中提供十二个x、y坐标。输出所有像素的完整信号组的最低频率是1Hz。在一些实施例中，输出所有像素的完整信号组的频率至少为10Hz或更高。可以认为每个信号组表示在单个时间帧结束时光束的位置。

已经表明，在其他实施例中，需要更少的坐标来提供足以确定力和转矩的输入信息。例如，参考图16中所示的光束。这里，仅示出了通过两个法向孔216、218的两个光束连同通过两个倾斜孔180、182的两个光束。在这种情况下，控制器48基于光束的形心来计算八个坐标x1、y1、x2、y2、x3、y3、x4、y4。仍然只需要这些坐标中的六个来解出力和转矩。这些坐标包括x1、y2、x3、y3、x4、y4。

从这些坐标x1、y2、x3、y3、x4、y4中进行选择的基础源自于对光束如何在每个不同的力/转矩条件下(例如，对于正在被确定的六个力/转矩中的每个而言)发生移位的理解。在图16中示出了这些移位。

如图16所示，当沿x轴施加力F_x时，光束的每个沿x轴相等地移位，因此能够使F_x与光束的x坐标中的一个的移位相关，例如，x1、x3和/或x4当中的移位。类似地，当沿y轴施加力F_y时，光束中的每个沿y轴相等地移位，因此能够使F_y与光束的y坐标中的一个的移位相关，例如，y2、y3和/或y4当中的移位。

当沿z轴施加力F_z时，倾斜孔180、182的倾斜性质使得其光束在光敏换能器158上的位置发生变化，尽管通过法向孔216、218的光束保持不变(例如，虽然受光束影响像素群组可能存在小的变化，但是形心不变)。这是施加力F_z时使准直器156在z轴上朝向或者背离光敏换能器158发生位移的结果。由于该位移的原因，光敏换能器158上的两个倾斜光束之间的距离发生了变化。在图13A中，将该距离标示为距离ZADJ。距离值ZADJ^U是标量并且在力/转矩传感器组件52的整个操作过程中是恒定的，其代表空载状态下的距离。在图13B中，ZADJ^E示出了所述距离在负载状态下是如何变化的。因此，由于倾斜孔180、182沿径向朝内，即沿x轴朝中心引导其光束，可以使F_z与通过倾斜孔的光束的x坐标的移位相关，例如，x1和x3的移位，如图16所示。

当围绕x轴施加转矩T_x时，从而使得准直器156围绕x轴进行绕轴旋转时，光束的每个都沿y轴发生移位，但并非全部相等。如图16所示，在施加转矩T_x时，来自法向孔216的光束沿y轴的移位小于来自法向孔218的光束沿y轴的移位。来自倾斜孔180、182的光束沿y轴的移位落在其间的某处。准直器156围绕x轴进行绕轴旋转使得准直器156的一半移到更加靠近光敏换能器158的位置，另一半移到远离光敏换能器158的位置，从而导致了不同的移位距离。因此，可以使T_x与光束的y坐标的移位相关，例如，y2、y3和/或y4的移位。

类似地，当围绕y轴施加转矩T_y，从而使得准直器156围绕y轴进行绕轴旋转时，光束的每个都沿x轴发生移位，但并非全部相等。如图16所示，当施加转矩T_y时，来自倾斜孔180的光束沿x轴的移位小于来自倾斜孔182的光束沿x轴的移位。来自法向孔216、218的光束沿x轴的移位落在其间的某处。准直器156围绕y轴进行绕轴旋转使得准直器156的一半移到更加靠近光敏换能器158的位置，另一半移到远离光敏换能器158的位置，从而导致了不同的移位距离。因此，可以使T_y与光束的x坐标的移位相关，例如，x1、x3和/或x4的移位。

当围绕z轴施加转矩T_z时，从而使得准直器156围绕z轴进行绕轴旋转时，光束的每个都顺时针或者逆时针发生等同移位。因此，能够使T_z与任何两个形心之间的连线的斜率的偏移相关。因而，例如，能够使T_z与任何一对光束的x、y坐标相关，包括x3、y3以及x4、y4。

最终，控制器48能够基于这六个与光束的形心的位移相关的坐标(例如，x1、y2、x3、y3、x4、y4)来计算施加至力/转矩传感器组件52的三个力F_x、F_y、F_z以及三个转矩T_x、T_y、T_z。力和转矩的计算依赖于多重线性回归模型以及先前对力/转矩传感器组件52的校准。

力/转矩传感器组件52的校准包括对力/转矩传感器组件52施加已知的力和转矩组。其包括针对每个所施加的力和转矩收集六个坐标x1、y2、x3、y3、x4、y4的每个的值，这样将针对F_x、F_y、F_z、T_x、T_y、T_z的每个产生多个数据集。之后，针对每个轴建立力/转矩输出的数据阵列，其中，输出在正交轴清零(zeroed out in)，以限定解。之后计算多重线性回归，从而采用最小二乘法解出特定轴的一行A值，例如，Ax＝(X^TX)^-1X^TF_x。针对所有的三个轴实施这一针对力和转矩的计算，从而总共得到六个值。一旦对力/转矩传感器组件52进行了校准，就可以采用下述校准矩阵计算力和转矩(其中，o是小偏移项)：

$\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\\ {\mathrm{\τ}}_x\\ {\mathrm{\τ}}_y\\ {\mathrm{\τ}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}& a_{15}& a_{16}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{24}& a_{25}& a_{26}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}& a_{35}& a_{36}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}& a_{45}& a_{46}\\ a_{51}& a_{52}& a_{53}& a_{54}& a_{55}& a_{56}\\ a_{61}& a_{62}& a_{63}& a_{64}& a_{65}& a_{66}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_2\\ x_3\\ y_3\\ x_4\\ y_4\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{o}_1\\ o_2\\ o_3\\ o_4\\ o_5\\ o_6\end{array}\right]$

因而，控制器48能够采用线性代数和形心值来确定施加至力/转矩传感器组件52的三个力F_x、F_y、F_z和三个转矩T_x、T_y、T_z。之后将这些力和转矩值转发至与操纵器控制器48集成的其它模块。这些其他模块采用所述力和转矩数据来调节操纵器30的操作。

IV.多级分辨率

如图5A所示，力/转矩传感器组件52在单个换能器当中提供了两级灵敏度。将灵敏度定义为机械力/转矩数据测量结果的分辨率。例如，在一个实施例中，第一级俘获最小值和最大值范围为零(0)到五(5)磅的力，其最高上界不大于十(10)磅。第二级俘获最小值和最大值范围为五(5)磅到五十(50)磅的力，其最高上界不大于一百(100)磅。

在转向器板56内对每个弹簧装置102进行尺寸设定和配置，从而实现用于确定施加至器械32的力和/或转矩的两级灵敏度，由此提供力/转矩测量的不同分辨率。

在一个实施例中，在最初向力/转矩传感器组件52施加相对较低的力和转矩时，板簧部件(即脚部118)在第一级弹簧位移中发生挠曲。弯折114不发生挠曲。板簧106的挠曲与施加至力/转矩传感器组件52的复合力和转矩的幅度成线性比例，因而提供了力/转矩传感器组件52的第一级灵敏度，如图5A所示。

一旦所施加的力和转矩的幅度达到了第一级的最大值，至少一对脚部118将向外挠曲到使所述脚部与相邻平面98毗邻的程度，因而避免了进一步的挠曲，并由此终止了第一级弹簧位移。更大的力和转矩的施加将导致蛇形弹簧104在第二级弹簧位移中发生挠曲。应当认识到当发生这一事件时，弹簧躯干110中的一个或两个将扩张，即处于拉伸状态下，而其他躯干110则处于压缩状态下。由于弹簧布置件的结构的原因，这些弹簧扩展和压缩还是与施加至力/转矩传感器组件52的复合力和转矩的幅度成线性比例，因而提供了力/转矩组件52的第二级灵敏度，如图5A所示。

应当认识到第一级和第二级灵敏度与具有不同弹簧应变率的蛇形弹簧104和板簧106相关。在一些实施例中，可以将板簧106配置为提供第二级灵敏度，而蛇形弹簧104则提供第一级灵敏度，即，对蛇形弹簧104或板簧106中的哪一个具有较大的弹簧应变率进行切换。在这样的实施例中，当一个躯干110受到的压缩使得所有的柱销120都被紧压在蛇形弹簧104的元件之间时，将阻止蛇形弹簧104发生进一步的挠曲，从而结束蛇形弹簧104的第一级位移。尔后，在第二级位移中压缩相关的板簧106，直到齿78中的一个或多个在齿槽94中达到最底部从而阻碍了任何进一步的位移为止。

如前面讨论的，操纵器控制器48利用力/转矩传感器组件52生成的力和转矩来控制致动器46的移动，继而控制器械32的移动。操纵器控制器48可以将这两个不同分辨率的力/转矩测量结果用于各种不同目的。

V.组件

首先通过使柱销120中的第二个柱销座落到柱销沟槽136内来对力/转矩传感器组件52进行组装。之后，放置柱销外壳基座122，从而使躯干110座落到基座沟槽134内。接下来，安置处于相邻位置的柱销120。之后，将帽124放置到柱销外壳基座122上，从而将柱销120固定就位。侧壁130在相邻柱销120的末端以及在柱销外壳基座122的侧面之上延伸。重复该过程直到每个蛇形弹簧104与被柱销外壳122固定就位的柱销配合好为止。将柱销120和蛇形弹簧104的尺寸设定为在蛇形弹簧104静止时(即，在扩展或压缩之前)，存在一定的间隔使得在柱销120阻止进一步的弹簧致动之前蛇形弹簧104能够在所述间隔内发生挠曲。

一旦将柱销120安置到了柱销外壳122内，就将准直器156和光管160安置到转向器板56的内轮毂70内。首先使准直器156座落到台阶84上。接下来使光管160座落到沟槽86内。将光管160安置为使光管160的头部166在远端与准直器156隔开。

将印刷电路板184安置到圆形部分140内。采用紧固件(未示出)将印刷电路板184附接至圆形部分140。之后，将电压调节器186、光敏换能器158和光源154安置到圆形部分140的远端面上。使电压调节器186和光敏换能器158在圆形部分140上处于中央位置。将光敏换能器158附接至电压调节器186的远端面。一旦将这些部件固定至了底板58，就紧固外轮毂72将其固定至底板58。

一旦将转向器板56固定至底板58，就将顶板54附接至内轮毂70。具体而言，螺纹紧固件穿过第一通孔62和互补的轮廓通孔80。这样就完成了力/转矩传感器组件52的组装。

如图3所示，一旦组装了力/转矩传感器组件52，就将底板58安装至操纵器30。之后，将安装板60固定至顶板54，将器械32安装到器械底座36。

VI.其他实施例

在一些实施例中，可以以替代方式利用形心坐标来计算力和转矩。但是，基本原理仍然是相同的，即，随着负载被施加至器械32而导致的光束的形心在光敏换能器158上的移动与施加至力/转矩传感器组件52的力和转矩的六个分量相关。下文将描述一个这样的实施例。

参考图17，作为操纵器30的初始化的部分，为与操纵器控制器48集成的存储器提供定义距离R的数据。距离R是从力/转矩传感器组件52的中心C到能量施加器50的距离。更具体而言，距离R是从力/转矩传感器组件52的中心C到器械32的任何工具或切割附件的远端顶端的距离。这里，将远端顶端理解为是能量施加器50的钻。对于所述钻而言，距离R是力/转矩传感器组件52的中心C到所述钻的形心51的距离。可以采用导航指示器(未示出)确定距离R，其中通过导航系统220跟踪所述导航指示器的位置和取向。

操纵器控制器48将距离R分解成其x、y、z轴分量，即分别分解为距离r_x、r_y和r_z。将这些距离分量存储到所述存储器内。可以将上述过程看作是在所述存储器内提供和存储传感器初始状态数据的步骤(即图18A的步骤260)的部分。

在图14A中，在力/转矩传感器组件52处于空载状态时通过法向孔172、174、176、178发射的光束的形心的位置分别被表示为190、192、194、196。出于简化的原因，在图14A和14B中都没有示出与穿过倾斜孔180、182的光束相关的点。

在图18A的步骤262中，控制器48确定延伸穿过法向孔172、174、176、178的每个光束在传感器上的空载状态位置。将这些位置中的每个定义为位置在本文当中，上标“U”表示变量的空载位置。下标“m”表示识别指定四个光束中的哪一个。

而且，在步骤262中，控制器48确定当力/转矩传感器组件52处于空载状态时延伸穿过独立的倾斜孔180、182的光束的传感器上位置。这些位置是穿过倾斜孔180、182的光束的形心的位置下标“p”识别指定两个光束中的哪一个。

在图18A的步骤264中，控制器48计算两个倾斜光束之间的传感器上位置之间的距离，即两个点之间的距离。将图13A所示的该距离称为距离ZADJ^U。

控制器48基于每个光束的形心位置(初始形心)为每个光束分配帧位置的初始起点。对于每个光束而言，其为位置这里，上标“S”表示时间帧位置的起始。对于第一时间帧而言，将每个射束的帧位置的起始设成光束的空载传感器上位置。换言之：

${\mathrm{STRX}}_m^S={\mathrm{STRX}}_m^U---\left(1\right)$

且 ${\mathrm{STRY}}_m^S={\mathrm{STRY}}_m^U---\left(2\right)$

操纵器控制器48在步骤266中计算通过法向孔172、174、176、178的光束中的两者的形心位置之间的连线的斜率。通常，控制器48确定在射束的形心位置之间延伸的两条连线的斜率。因而，控制器48确定图14A中的连线198和200的斜率。连线198是标识通过法向孔172和178的光束的形心的点190和196之间的连线。连线200是标识通过法向孔174和174的光束的形心的点192和194之间的连线。任意地，斜率是连线198的斜率的角，斜率是连线200的斜率的角。将斜率定义为基于从图14A中的点190到点196的x/y变化的上升/行程(rise/run)。

基于来自光敏换能器158的信号，控制器48在步骤268中确定光束的帧末传感器上位置，例如，最终形心位置。如上所述，在力/转矩传感器组件52处于负载状态时，准直器156相对于空载状态处于偏移位置，因为内轮毂70的偏移导致了准直器156的位置的类似偏移。这意味着与力/转矩传感器组件52处于空载状态时相比穿过准直器156的光束照射光敏换能器158上的不同位置。

在图14B中，点202表示第一射束的形心从点190发生的偏移。点204表示第二射束的形心从点192的位置发生的偏移。点206表示第三射束的形心从点194的位置发生的偏移。点208表示第四射束的形心从点196的位置发生的偏移。

采用与执行步骤262所采用的过程相同的过程来执行步骤268。因此，作为步骤268的执行结果，控制器48具有与法向孔172、174、176、178相关的四个光束中的每个的位置数据在本文中，上标“E”表示帧末位置数据或者与所述一个或多个光束相关的变量。

作为准直器156的位置偏移的结果，延伸穿过倾斜孔180、182的光束的传感器上位置也发生了位置偏移。通过图13A和13B之间的差异表示这些位置的变化。因此，作为步骤268的部分，基于来自光敏换能器158的帧末信号，控制器48确定延伸穿过倾斜孔180、182的每个的光束的帧末传感器上位置。这些形心位置中的每个是点

在步骤270中，控制器48确定处于当前负载状态下的距离ZADJ^E的值。采用与执行步骤264所采用的过程相同的过程来执行步骤270。如图13B所示，距离ZADJ^E是延伸穿过倾斜孔180、182的光束的传感器上位置之间的距离。与作为常数的距离ZADJ^U形成对照的是，所述距离值ZADJ^E在力/转矩传感器组件52的整个操作过程中是可变的。

之后控制器48在步骤272中计算所述连线的新的斜率。参考图14B，这意味着将计算连线210的斜率，即连线198的偏移取向，以及连线212的斜率，即连线200的偏移取向。任意地，斜率是连线210的斜率的角，斜率是连线212的斜率的角。

在步骤278中，操纵器控制器48计算通过倾斜孔180、182之一的光束的传感器上位置的差异。对于所述光束而言，这些差XSUP_p和YSUP_p是通过倾斜孔180、182之一的光束的形心在光束的空载状态位置和帧末位置之间在光敏换能器158上的位置沿x和y轴的偏移。根据下述公式来计算差XSUP_p和YSUP_p：

${\mathrm{XSUP}}_p={\mathrm{ANGX}}_p^U-{\mathrm{ANGX}}_p^E---\left(3\right)$

${\mathrm{YSUP}}_p={\mathrm{ANGY}}_p^U-{\mathrm{ANGY}}_p^E---\left(4\right)$

在步骤280中，操纵器控制器48计算表示延伸通过法向孔172、174、176、178的光束的偏移的第二组差。这些是光束位置(即形心位置)在帧起始和帧结束的传感器上射束位置之间的差。这些差是表示沿x轴的帧位置偏移的XSFR和表示沿y轴的帧位置偏移的YSFR。根据下述公式来计算这些差：

${\mathrm{XSFR}}_m={\mathrm{STRX}}_m^S-{\mathrm{STRX}}_m^E---\left(5\right)$

${\mathrm{YSFR}}_m={\mathrm{STRY}}_m^S-{\mathrm{STRY}}_m^E---\left(6\right)$

对于传感器操作的第一帧而言，采用空载状态传感器上位置分别作为方程(5)和(6)中的被减数。

步骤280的偏移位置计算的另一部分是计算在通过法向孔172、174、176、178的两者的光束的传感器上位置之间延伸的连线的至少其中之一的斜率的变化。该偏移SSFR是无单位的，并且根据下述公式计算：

${\mathrm{SSFR}}_n=S_n^S-S_n^E---\left(7\right)$

下标“n”表示所述角度偏移与两条线中的哪个相关。如图14A和14B所示，连线198和200的斜率分别转换成了连线210和212的斜率。

角(Δθ)是从初始帧到末尾帧测得的所述连线的至少其中之一的斜率之间的测得角偏移。角Δθ是以度为单位测得的。

Δθ＝tan^-1(SSFR_n)  (8)

控制器48计算表示通过倾斜孔180、182的光束的形心的位置偏移的位置差XSUP_p、YSUP_p。计算表示通过法向孔172、174、176、178的光束的形心的位置偏移的位置差XSFR_m和YSFR_m。还计算斜率SSFR_n的变化。在力/转矩传感器组件52的一种构造当中，四个光束通过准直器156抵达光敏换能器158。具体而言，这四个光束是由倾斜孔180、182两者以及相对孔172和178或者174和176中的任一组中的一对孔来界定的射束。

操纵器控制器48基于上述射束位置差、射束间位置距离ZADJ以及射束位置间斜率偏移来确定施加至力/转矩传感器组件52的力和转矩。

在一个实施例中，如步骤282中所示，基于差XSFR_m和YSFR_m以及角度差SSFR_n，控制器首先确定施加至力/转矩传感器组件52的转矩T_x、T_y和Tz。这三个差是施加至力/转矩传感器组件52的转矩的函数。更具体而言，如前所述，已经表明T_x与光束形心沿y轴的偏移相关，并且通过YSFR_m来表示这些偏移。T_y与光束形心沿x轴的偏移相关，并且通过XSFR_m来表示这些偏移。T_z与角度差SSFR_n相关。

控制器48通过将这些差的集合应用为控制器所访问的转矩查找表格的输入值来执行步骤282。这三种差的每个集合对应于存储在所述表格内的转矩T_x、T_y和T_z的集合。也可以基于多重线性回归模型采用上文所述的线性代数方法来确定转矩。之后，采用来自查找表格或者多重线性回归模型的转矩来计算施加至器械32的力。更具体而言，基于公知的关系T＝F*r*sinθ来确定施加至器械32的力。之后，能够将这些力转化至力/转矩传感器组件52的坐标系，因为器械32被认为是与力/转矩传感器组件52的内轮毂70相同的刚体的一部分。在给定器械32的配置以及其与力/转矩传感器组件52的空间关系的情况下，力和转矩之间的关系使得当沿x、y或z轴施加力时，总是在力/转矩传感器组件52处生成转矩。下文示出了一个实施例中的力的计算的示例。

在步骤284中控制器48首先计算力F_z。确定作为转矩T_Z、器械32相对于力/转矩传感器组件52的位置和Δθ的函数的力F_Z：

$F_z=\frac{T_Z}{r_Z\sin \left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)}---\left(9\right)$

这里，距离r_z是矢量的z轴分量。Δθ是如前所述的测得连线的至少其中之一之间的测得角偏移。采用方程(8)来确定Δθ。

在步骤288中计算力F_x。该力是通过最初计算角Ψ_x，(即x轴准直器偏转角)来确定的。偏转角Ψ_x是力/转矩传感器组件52从空载状态到帧末状态时围绕准直器156的x轴的角旋转。这是y-z平面内x轴旋转。在步骤286中，根据下述公式来确定偏转角Ψ_x：

${\mathrm{\Ψ}}_x={\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{ZADJ}}_m^U+\[\frac{{\mathrm{ZADJ}}_m^U-{\mathrm{ZADJ}}_m^E}{2}\]}{XSUPp}---\left(10\right)$

由于准直器156的基本上沿z轴的偏移，ZADJ^E是在力/转矩传感器组件52的操作的每个帧之后所测得的变量。一旦计算了偏转角Ψ_x，就根据下述公式在步骤288中确定力F_x：

$F_x=\frac{T_x}{r_x\sin \left({\mathrm{\Ψ}}_x\right)}---\left(11\right)$

在步骤292中，计算力F_y。通过最初确定偏转角Ψ_y(即y轴准直器偏转角)来确定该力。偏转角Ψ_y是力/转矩传感器组件52从空载状态到帧末状态时围绕准直器156的y轴的角旋转。这是x-z平面内的y轴旋转。在步骤290中，根据下述公式来确定偏转角Ψ_y：

${\mathrm{\Ψ}}_y={\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{ZADJ}}_m^U+\[\frac{{\mathrm{ZADJ}}_m^U-{\mathrm{ZADJ}}_m^E}{2}\]}{YSUPp}---\left(12\right)$

ZADJ^E是控制器124在步骤286中所确定的相同值。这里，YSUP_p是通过单个倾斜孔180、182的光束在光敏换能器158上的位置在空载位置和帧末位置之间沿y轴的偏移。一旦计算了Ψ_y，就根据下述公式确定力F_y：

$F_y=\frac{T_y}{r_{y}sin\left({\mathrm{\Ψ}}_y\right)}---\left(13\right)$

因而，在执行步骤292时，控制器124确定六个变量，即施加至力/转矩传感器组件52的三个转矩T_x、T_y和T_z以及三个力F_x、F_y和F_z。之后，将所述力和转矩数据转发至与操纵器控制器48集成的其他模块，该步骤未示出。这些其他模块采用所述力和转矩数据来调节操纵器30的操作。

之后，在步骤300中，控制器48界定下一时间帧的帧起始光束位置。这些是通过法向孔172、174、176、178中的两个的光束的帧起始位置XSUP、YSUP。在步骤300中，当前帧的每个法向孔光束的帧末传感器上光束位置(STRX,STRY)将变为下一帧的新的帧起始位置(STRX,STRY)。

在步骤302中，将帧末射束间斜率设定为定义下一帧的帧起始射束间斜率。之后，控制器48进行对步骤268的重复执行，以确定下一帧(即现在的当前帧)的帧末光束位置。一旦完成了对步骤268的重复执行，还将对跟随步骤268的步骤进行重复执行。因而，控制器48持续输出实质上实时地描述施加至力/转矩传感器组件的力和转矩的数据。

在一些实施例中，将每个帧的在负载状态下通过法向孔172、174、176、178和倾斜孔180、182的光束的位置与所述光束在空载状态下的位置进行比较以确定力和转矩，而不是与所述光束在最后一个时间帧结束时的位置进行比较。因而，每次计算的光束的帧起始位置是空载状态下的光束位置，其中，操作过程中所有对力和转矩的确定都是从所述空载状态考虑的，从而相对于空载状态确定所施加的总的力和转矩，这与在每个时间帧内测量所施加的增量力和转矩相反。

在其他实施例中，提供了一种扭矩传感器组件，其中，控制器基于差XSFR_m和YSFR_m以及角度差SSFR_n仅确定施加至转矩传感器组件的转矩T_x、T_y和T_z，其中，所述扭矩传感器组件具有与力/转矩传感器组件52相同的特征，其差别仅在于仅测量转矩。

图20和21示出了具有多组倾斜孔180A、182A的替代准直器156A。

图22-24示出了转向器板56的替代实施例。这些替代转向器板基本上与转向器板56相同，只是具有不同的弹簧布置件。例如，在图22中，蛇形弹簧104A已经被旋转了九十度。因此，通过三个弹簧装置102A将内轮毂70A以可移动方式耦合至外轮毂72A，所述三个弹簧装置包括三个蛇形弹簧104A和三个板簧106A。还将柱销120A的位置设定为充当蛇形弹簧104A的停止器。

在图23中，三个弹簧装置120B被示为包括与板簧106类似的板簧106B，但是采用围绕细长柱销120B的圆柱形空心弹力构件来代替蛇形弹簧104，所述细长柱销为所述圆形空心弹力构件充当停止器。在该实施例中，第一级弹簧位移是使圆柱形空心弹力构件抵靠柱销120B。其使得第一级停止，并通过使板簧106C挠曲而继续第二级。因而，板簧106C被配置为具有在第一级结束之前避免实质挠曲的弹簧应变率。

在图24中，三个弹簧装置120C被示为包括与板簧106类似的板簧106C，但是采用串接布置的两个圆柱形空心弹力构件来代替蛇形弹簧104。细长柱销120C充当这些圆柱形空心弹力构件的停止器。

在一些实施例中，除了所公开的转向器板之外的结构构件可以充当换能器，所述换能器响应于力和转矩的施加将所发射的光有选择地朝向光敏换能器引导。换言之，除了内轮毂70之外的结构传感器构件可以相对于底板58移动，从而将所发射的光有选择地朝向光敏换能器引导。

齿78的数目可以小于3或者大于3。在其他版本中，可以将齿78的尺寸设定为抑制内轮毂70在力/转矩传感器组件52内发生不必要的挠曲。

在一些实施例中，力/转矩传感器组件52是操纵器30的部分。在其他实施例中，力/转矩传感器组件52是作用于操纵器30和器械32之间的单独组件。

在一些实施例中，外轮毂72被直接固定至联动组件40的远端部件138，且外轮毂72充当着力/转矩传感器组件的底板。在该实施例中，可以使光敏换能器158下陷到联动组件40的远端部件138的凹穴内。

在一些实施例中，准直器为方形。在这些实施例中，内轮毂孔80被配置为呈方形，从而使所述方形准直器可以座落在内轮毂内。

在一些实施例中，弯折114与柱销120的邻接避免了褶116的塑性形变。因此，在去除力和/或转矩，继而施加新的力和/或转矩时，蛇形弹簧104将在弹簧布置件的第一和第二级内再次经历与所施加的力和转矩的幅度线性相关的扩展和压缩，

在上文的描述当中讨论了几个实施例。但是，文中讨论的实施例并非意在是穷举的或者使本发明局限于任何特定形式。意在使所采用的术语具有描述性文字的性质而非限制性。考虑到上述教导很多修改和变化都是可能的，可以按照与具体描述的不同的方式来实践本发明。

Claims (46)

1.一种传感器组件，包括：

底板；

能够相对于所述底板位移的传感器构件；

对所述传感器构件相对于所述底板的位移做出反应的具有第一级和第二级的弹簧布置件，其中力和转矩测量的不同分辨率与所述第一级和所述第二级相关；以及

用于感测所述传感器构件相对于所述底板的位移并且生成对应的输出信号的光敏转换器。

2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述弹簧布置件包括：

对所述传感器构件相对于所述底板的位移做出反应的多个第一弹簧，所述第一弹簧的每个能够在所述第一级内位移并且具有第一弹簧应变率；以及

对所述传感器构件相对于所述底板的位移做出反应的多个第二弹簧，所述第二弹簧的每个能够在所述第二级内位移并且具有不同于所述第一弹簧应变率的第二弹簧应变率。

3.根据权利要求2所述的传感器组件，其中，所述第一弹簧是板簧。

4.根据权利要求3所述的传感器组件，其中，所述第二弹簧是蛇形弹簧。

5.根据权利要求4所述的传感器组件，其中，所述蛇形弹簧的每个具有连接至所述传感器构件的第一端，以及连接至所述板簧之一的第二端。

6.根据权利要求4所述的传感器组件，其中，所述蛇形弹簧的每个包括头部、躯干和腿部。

7.根据权利要求6所述的传感器组件，其中，所述躯干包括U形弯折。

8.根据权利要求7所述的传感器组件，其中，所述板簧的每个具有从所述蛇形弹簧的所述腿部之一朝相反方向延伸的脚部。

9.根据权利要求7所述的传感器组件，包括用于与所述蛇形弹簧相互作用的多个柱销。

10.根据权利要求9所述的传感器组件，其中，所述多个柱销包括位于所述头部和所述躯干之间的第一柱销、位于所述U形弯折内的第二柱销以及位于所述躯干和所述腿部之间的第三柱销。

11.根据权利要求10所述的传感器组件，包括将所述第一柱销、所述第二柱销和所述第三柱销固定就位的柱销外壳。

12.根据权利要求11所述的传感器组件，其中，所述柱销外壳包括柱销外壳基座和设置在所述柱销外壳基座之上的顶盖，所述第一柱销、所述第二柱销和所述第三柱销固定于所述顶盖和所述柱销外壳基座之间。

13.根据权利要求1所述的传感器组件，包括固定至所述底板的外轮毂。

14.根据权利要求13所述的传感器组件，其中，所述传感器构件还被界定为内轮毂，所述弹簧布置件作用于所述内轮毂和所述外轮毂之间。

15.根据权利要求14所述的传感器组件，包括固定至所述内轮毂的顶板，所述顶板被配置为耦合至器械，且所述底板被配置为耦合至联动组件。

16.根据权利要求14所述的传感器组件，包括从所述内轮毂沿径向向外延伸的多个齿。

17.根据权利要求16所述的传感器组件，其中，所述外轮毂界定了用于容纳所述齿的多个齿槽，其中，所述齿槽中的每个的尺寸被设定为允许所述齿在所述齿槽内移动。

18.根据权利要求1所述的传感器组件，包括光源和用于将来自所述光源的光引导到所述光敏换能器上的准直器。

19.一种传感器组件，包括：

底板；

能够相对于所述底板位移的传感器构件；

具有多个像素的光敏换能器；以及

被配置为提供光的光源，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。

20.根据权利要求19所述的传感器组件，包括具有多个开口的准直器，其中所述开口用于将所述多个光束引导到所述光敏换能器上，其中，所述准直器能够相对于所述光敏换能器移动。

21.根据权利要求20所述的传感器组件，其中，还将所述多个开口定义为多个通孔，所述多个通孔被布置为使得光束延伸穿过所述通孔以照射到所述光敏换能器上的所述像素的不同群组。

22.根据权利要求21所述的传感器组件，其中，将所述多个像素按照行和列布置，其中所述像素中的每个被配置为生成与照射所述像素的每个的光的量成比例的输出信号。

23.根据权利要求21所述的传感器组件，包括与所述光敏换能器通信的控制器，所述控制器被配置为基于光束相对于所述光敏换能器的移动来确定力和转矩。

24.根据权利要求23所述的传感器组件，其中，所述多个通孔包括被形成为相对于所述准直器的表面成锐角的两个倾斜孔，从而使得所述光束中的两个延伸穿过所述倾斜孔，以基于延伸穿过所述倾斜孔的光束在所述光敏换能器上的位置之间的距离的变化来检测所述传感器构件沿与所述光敏换能器正交的z轴的位移。

25.根据权利要求23所述的传感器组件，其中，所述多个通孔包括被形成为与所述准直器的表面正交的法向孔，从而使所述光束之一延伸穿过所述法向孔。

26.根据权利要求25所述的传感器组件，其中，所述多个通孔还包括被形成为与所述准直器的所述表面成锐角的两个倾斜通孔，从而使所述光束中的两个延伸穿过所述倾斜孔。

27.根据权利要求23所述的传感器组件，其中，所述多个通孔包括被形成为与所述准直器的表面正交的四个法向孔以及被形成为与所述准直器的所述表面成锐角的两个倾斜孔，从而使光束中的六个延伸穿过所述法向孔和所述倾斜孔。

28.根据权利要求19所述的传感器组件，其中，所述光敏换能器被固定至所述底板。

29.根据权利要求20所述的传感器组件，其中，所述准直器是盘形的。

30.一种采用包括具有多个像素的光敏换能器的传感器来评估力和转矩的方法，所述方法包括的步骤：

对所述传感器进行操作从而将多个光束引导到光敏换能器上；

向传感器上施加负载，从而使多个光束中的每个在光敏换能器上移动；以及

基于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来确定力和转矩。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，对所述传感器进行操作从而将多个光束引导到光敏换能器上包括对所述传感器进行操作从而使第一光束照射初始的第一像素群组，第二光束照射初始的第二像素群组，第三光束照射初始的第三像素群组以及第四光束照射初始的第四像素群组，所述光束在时间帧起始时照射初始的像素群组。

32.根据权利要求31所述的方法，包括通过在时间帧起始时由所述像素的每个生成与照射所述像素的每个的光的量成比例的初始输出信号并分析所述初始输出信号以确定所述光束的每个的初始形心来确定时间帧起始时所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束和所述第四光束的每个在所述光敏换能器上的初始位置。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，向传感器上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还被定义为在传感器上施加负载从而使第一光束从初始的第一像素群组移动至最终的第一像素群组，使第二光束从初始的第二像素群组移动至最终的第二像素群组，使第三光束从初始的第三像素群组移动至最终的第三像素群组以及使第四光束从初始的第四像素群组移动至最终的第四像素群组，光束在时间帧结束时照射最终像素群组。

34.根据权利要求33所述的方法，包括通过在时间帧结束时由所述像素的每个生成与照射所述像素的每个的光的量成比例的最终输出信号并分析所述最终输出信号以确定所述光束的每个的最终形心来确定时间帧结束时所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束和所述第四光束的每个在所述光敏换能器上的最终位置。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，对所述传感器进行操作从而将多个光束引导到光敏换能器上包括操作所述传感器以引导来自光源的光通过相互隔开的多个通孔。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，对所述传感器进行操作从而引导来自光源的光通过多个通孔还被定义为操作所述传感器以引导来自光源的光通过被形成为与准直器的表面正交的至少两个法向孔以及通过被形成为与准直器的表面成锐角的两个倾斜孔，其中，所述第一光束和所述第二光束通过所述至少两个法向孔，并且所述第三光束和所述第四光束通过所述两个倾斜孔。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，确定力和转矩包括计算第一光束在光敏换能器上的初始位置和最终位置的差异。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，确定力和转矩包括计算第一光束和第二光束在光敏换能器上的初始位置之间的连线的初始斜率以及计算第一光束和第二光束在光敏换能器上的最终位置之间的连线的最终斜率。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，确定力和转矩包括计算第三光束在光敏换能器上的初始位置和最终位置的差。

40.根据权利要求39所述的方法，其中，确定力和转矩包括计算第三光束和第四光束在光敏换能器上的初始位置之间的初始距离以及计算第三光束和第四光束在光敏换能器上的最终位置之间的最终距离。

41.根据权利要求38所述的方法，其中，确定力和转矩包括基于所计算出的第一光束在光敏换能器上的初始位置和最终位置的差异以及连线的初始斜率到连线的最终斜率的变化来确定转矩。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，确定转矩包括基于所计算出的第一光束在光敏换能器上的初始位置和最终位置的差异以及连线的初始斜率到连线的最终斜率的变化来访问转矩查找表格以识别围绕x轴、y轴和z轴的三个转矩的组。

43.根据权利要求44所述的方法，其中，确定力包括基于所识别出的围绕x轴、y轴和z轴的三个转矩的组来确定相对于x轴、y轴和z轴的力。

44.一种机器人系统，包括：

联动组件；

附接至所述联动组件的器械；

作用于所述器械和所述联动组件之间的传感器组件，所述传感器组件包括：

底板；

能够相对于所述底板位移的传感器构件；

对所述传感器构件相对于所述底板的位移做出反应的具有第一级和第二级的弹簧布置件，其中不同分辨率的力和转矩测量与所述第一级和所述第二级相关；以及

用于感测所述传感器构件相对于所述底板的位移并且生成对应的输出信号的光敏转换器；

与所述光敏换能器通信以接收所述输出信号并基于所述输出信号来确定力和转矩的控制器。

45.一种机器人系统，包括：

联动组件；

附接至所述联动组件的器械；

作用于所述器械和所述联动组件之间的传感器组件，所述传感器组件包括：

底板；

能够相对于所述底板位移的传感器构件；

具有被配置为生成输出信号的多个像素的光敏换能器；以及

被配置为提供光的光源，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；

与所述光敏换能器通信以接收所述输出信号并基于所述输出信号来确定力和转矩的控制器。

46.一种评估包括操纵器和耦合至所述操纵器的器械的机器人系统中的力和转矩的方法，所述方法包括的步骤：

提供包括具有多个像素的光敏换能器的传感器；

对所述传感器进行操作从而将多个光束引导到所述光敏换能器上；

对所述器械施加负载，从而使所述多个光束的每个在光敏换能器上移动；以及

基于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来确定力和转矩。