CN106999252B - 用于力控制机器人的独立力/力矩传感器组件 - Google Patents

用于力控制机器人的独立力/力矩传感器组件 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于力控制机器人(12)的独立力/力矩传感器组件(10、110、210)，包括用于操作性地附接到力控制机器人(12)的臂(14)的端部操纵装置(22、122、222)，该端部操纵装置(22、122、222)具有适于被使用者用手握持的握持部分(36、136、236)和适于布置在握持部分(36、136、236)和机器人(12)的臂(14)之间的力/力矩传感器(42、142、242)，力/力矩传感器(42、142、242)具有适于附接到机器人(12)的臂(14)的高力端部操纵装置接合部(44、144、244)、操作性地附接到握持部分(36、136、236)的低力端部操纵装置接合部(48、148、248)以及布置在高力端部操纵装置接合部(44、144、244)和低力端部操纵装置接合部(48、148、248)之间的换能器(45、145、245)，该换能器用于对施加到低力端部操纵装置接合部(48、148、248)的载荷作出反应，以便于使用者控制的手术工具定位和产生相应的输出信号，其中换能器(45、145、245)绕过高载荷。

Description

用于力控制机器人的独立力/力矩传感器组件
对相关申请的交叉引用
本申请要求2015年1月9日提交的待决的美国临时专利申请No.62/101647和2016年1月7日提出的美国非临时专利申请No.14/990513的权益，两个专利的全部公开内容通过引用包含在本文中。
技术领域
本发明总体上涉及用于力控制机器人的力/力矩传感器组件。
背景技术
医师已发现辅助执行手术过程的机器人系统是有用的。此类机器人系统可包括具有可移动臂和臂的端部处的端部操纵装置的力控制机器人。手术工具一般附接到端部操纵装置。该工具被设计为应用于手术部位。总体上，控制器调节臂的移动以高精度地将工具定位在手术部位。通过使用者在与机器人交互的位置处施加的直接感应力实现力控制机器人的最佳控制。这一般处于端部操纵装置/机器人臂接合部处或端部操纵装置本身的一部分处。
力/力矩传感器是许多机器人系统的部件。力/力矩传感器一般附接在臂的自由端部和工具之间。力/力矩传感器监测施加到工具的力和力矩。它们可以是作为工具压迫组织的结果的施加到工具的力和力矩。它们还可以是使用者施加以确定工具的位置和/或定向的力和力矩。力/力矩传感器输出的信号由控制器接收。控制器利用这些信号为工具确定目标位置。基于确定的目标位置，控制器启动臂以推进臂使得工具被移动到目标位置。
为了确保所有施加到工具的力和力矩都被测量，一般做法是提供六分量力/力矩传感器。此类型的力/力矩传感器沿三个轴施加到工具的力和围绕三个轴施加到工具的力矩。
已知力/力矩换能器是一种类型的六分量力/力矩传感器。典型的力/力矩换能器包括一对传感器部件，一个用于附接到机器人的臂，一个用于附接到端部操纵装置。多个梁被柔性安装在传感器部件之间并且一个或多个应变计与每个梁关联。每个应变计产生与该应变计相关联的梁的挠曲成比例的电信号。来自应变计的输出信号是输入到得出被测量的力和力矩的算法的输入变量。
上述力控制机器人的一个缺点是力/力矩传感器除由使用者给出的力外还受到施予工具的所有其它力，这些力可在能够超出力/力矩传感器的运行范围或甚至足够高以至损坏力/力矩传感器的范围中。当力控制机器人的使用状况是用于高冲击过程，诸如在总髋关节成形术中冲击髋臼杯的手动定位器时尤其如此。在这一应用中，使用者将机器人引导入正确的位置以保持使用传统力控制的冲击器并随后用锤手动击打工具，使力/力矩传感器经受冲击力。因此，本领域存在提供用于力控制机器人的力/力矩传感器以隔离力/力矩传感器，使得冲击力不被施予到力/力矩传感器的需要。
发明内容
由此，在一个实施例中，本发明提供用于力控制机器人的独立力/力矩传感器组件，包括用于操作性地附接到力控制机器人的臂的端部操纵装置。端部操纵装置具有适于使用者用手握持的握持部分。独立力/力矩传感器组件还包括用于在握持部分和机器人的臂之间布置的力/力矩传感器。力/力矩传感器具有用于附接到机器人的臂的高力端部操纵装置接合部，操作性地附接到握持部分的低力端部操纵装置接合部和布置在高力端部操纵装置接合部和低力端部操纵装置接合部之间的换能器，用于对施加到低力端部操纵装置接合部的载荷作出反应，用于使用者控制的手术工具定位和产生相应的输出信号，其中换能器绕过高载荷。
在另一实施例中，本发明提供用于力控制机器人的独立力/力矩传感器组件，该机器人包括用于操作性地附接到力控制机器人的臂的端部操纵装置。端部操纵装置具有适于使用者用手握持的握持部分和从握持部分延伸的轴部分。力/力矩传感器具有用于附接到机器人的臂的高力端部操纵装置接合部、附接到轴部分的低力端部操纵装置接合部和布置在高力端部操纵装置接合部和低力操纵装置接合部之间的换能器，用于对施加到所述低力端部操纵装置接合部的载荷作出反应，以产生相应的输出信号。
在另一实施例中，本发明提供用于力控制机器人的独立力/力矩传感器组件，该机器人包括用于操作性地附接到力控制机器人的臂的端部操纵装置。端部操纵装置具有适于使用者用手握持的握持部分。力/力矩传感器具有用于附接到机器人的臂的高力端部操纵装置接合部和用于附接到握持部分的一个端部的低力端部操纵装置接合部。握持部分随低力端部操纵装置接合部浮动。力/力矩传感器还包括布置在高力端部操纵装置接合部和低力端部操纵装置接合部之间的换能器，用于对施加到低力端部操纵装置接合部的载荷作出反应，以产生相应的输出信号。
在另一实施例中，本发明提供用于力控制机器人的独立力/力矩传感器组件，该机器人包括用于操作性地附接到力控制机器人的臂的端部操纵装置。端部操纵装置具有适于使用者用手握持的握持部分和从握持部分延伸的轴部分。力/力矩传感器具有：用于附接到机器人的臂的高力端部操纵装置接合部；附接到轴部分的低力端部操纵装置接合部；在低力端部操纵装置接合部和高力端部操纵装置接合部之间延伸的多个梁；和布置在高力端部操纵装置接合部和低力端部操纵装置接合部之间的换能器，用于对施加到低力端部操纵装置接合部的载荷作出反应，以产生相应的输出信号。
在阅读随后结合附图作出的说明后，本发明的其他特点和优点将容易理解，同样被更好地了解。
附图说明
图1是根据本发明的独立力/力矩传感器组件的一个实施例的透视图，以与力控制机器人的运转关系示出。
图2是根据本发明的独立力/力矩传感器组件的另一实施例的透视图，以与力控制机器人的运转关系示出。
图3是根据本发明的独立力/力矩传感器组件的另一实施例的透视图，以与力控制机器人的运转关系示出。
具体实施方式
参照附图，尤其是图1，以与机器人(总体标示为12)的运转关系示出了根据本发明的独立力矩/力传感器组件10的一个实施例。在一个实施例中，机器人12是力控制类型的并包括从机器人12的主体(未显示)延伸的机器人的臂14。机器人12还包括附接到机器人的臂14的端部的腕关节(总体标示为16)。在这一实施例中，腕关节16包括附接到机器人的臂14的支架18。支架18大体呈“U”形。腕关节16还包括枢转地连接到支架18的凸缘20。凸缘20大体呈矩形，但可以是任何合适的形状。凸缘20布置在支架18的开口中并枢转地通过合适的机构，诸如销(未显示)连接到支架18。应理解，凸缘20相对于支架18枢转或者旋转。应理解，凸缘20受诸如编码器、马达和变速箱的致动器(未显示)控制，该致动器附接到支架18，以使凸缘20枢转。
在一个实施例中，机器人12进一步包括安装到腕关节16的端部操纵装置(总体在虚线中标示为22)。端部操纵装置22包括工具保持件或导向件24。导向件24包括轴向延伸的导向部分26。导向部分26大体上呈圆筒状。导向部分26包括穿过其中轴向延伸的孔28以允许诸如扩孔器或冲击器(I)的工具穿过其中延伸。导向件24还包括从导向部分26轴向延伸的支撑部分30。在一个实施例中，支撑部分30从导向部分26的上端延伸。导向件24进一步包括从支撑部分30延伸的用于附接到腕关节16的凸缘20的安装部分32。安装部分32可通过诸如紧固件(未显示)的适当的构件安装到凸缘20。导向件24是一体的、单一的和/或单件的以形成单一刚性主体。应当理解，导向件24被使用者(未显示)用来在髋关节置换手术期间插入诸如扩孔器或冲击器的工具。
如图1所示，独立力/力矩传感器组件10包括用户接合部(总体标记为34)可操作地与导向件24配合。在一个实施例中，用户接合部34包括轴向延伸以允许使用者的手握持用户接合部34的握持部分36。握持部分36大体上呈圆筒状。握持部分36包括穿过其中轴向延伸以允许导向件24的导向部分穿过其中延伸的孔38。用户接合部34还可包括从握持部分36径向延伸的轴部分40。用户接合部34是完整的、单一的和/或单件的以形成单一刚性主体。应当理解，握持部分36具有围绕导向件24的导向部分26的百分之百的间隙。还应理解，用户接合部34的形状被设计为适于使用者用手握持。
参考图1，独立力/力矩传感器组件10包括力/力矩传感器，总体在虚线中标示为42。如图所示，提供力/力矩传感器42以对施加到用户接合部34的载荷作出反应。载荷包括当使用者期望确定导向件24的位置和/或定向时由使用者施加到用户接合部34的力和力矩。应当理解，基于由力/力矩传感器42测得的力和力矩，机器人控制器(未显示)确定机器人的臂14和腕关节16的位置，并由此确定导向件24的位置。
如图1所示，力/力矩传感器42作用在机器人的臂14和用户接合部34之间。力/力矩传感器42包括高力端部操纵装置接合部44、换能器45和低力端部操纵装置接合部48。接合部44和48支撑力/力矩传感器42，以便于机器人的臂14和用户接合部34之间的操作。高力端部操纵装置接合部44既可以是导向件24的一部分，也可以是端部操纵装置22的一部分。低力端部操纵装置接合部48可以是用户接合部34的一部分。应当理解，力/力矩传感器42是六轴力换能器类型的。还应理解，高力端部操纵装置接合部44可被连接到导向件24的安装部分32或与安装部分32成一体。
如图1所示，高力端部操纵装置接合部44是通过诸如紧固件(未显示)的适当的机构安装到机器人12的凸缘20的板。低力端部操纵装置接合部48被安装到用户接合部34或与用户接合部34成一体。换能器45被布置在接合部44和48之间。
换能器45包括第一传感器部件46，诸如被诸如紧固件(未显示)的合适的机构固定到高力端部操纵装置接合部44的第一传感器板。换能器44还包括第二传感器部件47，诸如被诸如紧固件(未显示)的合适的机构固定到低力端部操纵装置接合部48的第二传感器板。多个梁(未显示)在第一传感器部件46和第二传感器部件47之间柔性安装。一个或多个应变计(未显示)与每个梁关联。每个应变计产生与该应变计关联的梁的挠曲成比例的电信号。换能器45可以是硅应变计型的。此类换能器45可从Apex,North Carolina的ATIIndustrial Automation商购。换能器45通过电缆连接到力/力矩控制器(未显示)或其他机器人控制器。
应当理解，高力端部操纵装置接合部44被机械附接到机器人的臂14，当任何力和/或力矩施加于导向件24时，绕过力/力矩传感器42的换能器45。还应理解低力端部操纵装置接合部48机械地附接到用于微动控制的力/力矩传感器42。应当理解第一传感器部件46可一体化布置到高力端部操纵装置接合部44中且第二端部传感器部件47可一体化布置到低力端部操纵装置接合部中。应当进一步理解，力/力矩传感器42可被一体化布置到机器人12而非端部操纵装置22中。
此外，独立力/力矩传感器组件10可包括置于导向件24上以测量其它力的第二力/力矩传感器(未显示)，并加上第一力/力矩传感器42的手部力，以计算总力。以同样的方式，第二力/力矩传感器可直接置于凸缘20的端部以测量总力并能够通过从总力中减去第一力/力矩传感器42的手部力计算工具力。
独立力/力矩传感器10被认为当载荷施加到用户接合部34时处于载荷状态。当载荷(例如，力和/或力矩)施加到独立力/力矩传感器组件10时，接合部44和48可在六种类型的相互相对位移中接合。其中三种运动是沿x轴(穿过接合部44和48的任意水平轴)、沿y轴(穿过接合部44和48的任意垂直轴)和沿z轴(穿过在图1的平面内外延伸的接合部44和48的中心的任意轴)的平移。低力端部操纵装置接合部48也可在围绕以上定义的每一个轴的至少一些运动中接合。典型地，作为力和力矩施加到独立力/力矩传感器组件10的结果，低力端部操纵装置接合部48在多个此类运动中接合。
在一种应用中，使用者(未显示)可穿过导向件24的导向部分26的孔28布置扩孔器(未显示)，用于使患者(未显示)的臀窝(未显示)的骨骼(未显示)外扩，以用于髋臼杯状植入物(未显示)。一旦完成，使用者可将髋臼杯状植入物置于臀窝中。使用者随后可穿过导向件24的导向部分26的孔28布置诸如冲击器(I)的工具并以锤(未显示)打击冲击器(I)。使用者随后可以震动模式利用机器人12以将髋臼杯状植入物设置就位。当用锤打击冲击器(I)时，可将高力施予到导向件24。这些力借助于高力端部操纵器接合部44施加，这些力也可由于导向部分26和握持部分36之间的间隙而绕过换能器45。
参考图2，显示根据本发明的独立力/力矩传感器组件10的另一实施例。独立力/力矩传感器组件10的相似部分具有增大了100的相似的参考编号。在这一实施例中，独立力/力矩传感器组件110包括一体化布置到用户接合部134中的力/力矩传感器142。端部操纵装置122包括具有带有孔128、支撑部分130和安装部分132的导向部分126的导向件124。用户接合部134包括围绕导向件124的导向部分126布置的握持部分136。在导向部分126和握持部分136之间存在100％的间隙。力/力矩传感器142包括高力端部操纵装置接合部144、换能器145和低力端部操纵装置接合部148。在这一实施例中，导向件124是安装到凸缘20的高力端部操纵装置接合部144的一部分，低力端部操纵装置接合部148处在握持部分136的端部。换能器145大体上呈环状并具有穿过其中延伸以允许导向件124的导向部分126穿过其中延伸的孔150。换能器145包括：第一传感器部件146，诸如被合适的机构固定到导向部分126的第一传感器板；和第二传感器部件147，诸如被合适的机构固定到握持部分136的第二传感器板。多个梁(未显示)柔性安装在第一传感器部件146和第二传感器部件147之间。一个或多个应变计(未显示)与每个梁关联。每个应变计产生与该应变计相关联的梁的挠曲成比例的电信号。力/力矩传感器142的低力端部操纵装置接合部148围绕导向件124的导向部分126布置。换能器145通过电缆连接到力/力矩控制器(未显示)或机器人控制器。应当理解，高力端部操纵装置接合部144机械附接到机器人的臂14，当任何力和/或力矩施加到导向件124时，绕过力/力矩传感器142的换能器145。应当理解，当被连接到力/力矩传感器142的换能器145时，握持部分136围绕导向部分126浮动。
应当理解，高力端部操纵装置接合部144被机械附接到机器人的臂14。还应理解，低力端部操纵装置接合部148被机械固定到握持部分136并通过换能器145连接到用于微动控制的高力端部操纵装置接合部144。应进一步理解，独立力/力矩传感器组件110的操作类似于独立力/力矩传感器组件10。
参照图3，显示根据本发明的独立力/力矩传感器组件10的另一实施例。独立力/力矩传感器组件10的相似部分具有增大200的相似的参考编号。在这一实施例中，独立力/力矩传感器组件210包括跨接力/力矩传感器242的用户接合部234。在一个实施例中，用户接合部234包括轴向延伸以允许使用者的手握持用户接合部234的握持部分236。握持部分236大体上呈圆筒状。握持部分236包括穿过其中轴向延伸的用于接收诸如扩孔器或冲击器(I)的孔238。用户接合部234还可包括从握持部分236径向延伸的轴部分240。用户接合部234是整体的、单一的和/或单件的以形成单一刚性主体。应当理解，在这一实施例中，端部操纵装置232可以只是用户接合部234或是用户接合部234和力/力矩传感器242的组合。
如图3所示，力/力矩传感器242包括高力端部操纵装置接合部244、换能器245和低力端部操纵装置接合部248。低力端部操纵装置接合部248具有附件，诸如用于高力用途的跨接敏感换能器245但仍允许力/力矩信号产生的柔性梁252，该柔性梁增大独立力/力矩传感器组件210的过载容量。梁252大体上呈矩形，但可以是任何合适的形状。梁252沿圆周围绕低力端部操纵装置接合部248布置并具有由诸如焊接到低力端部操纵装置接合部248的合适的机构连接的一个端部。
梁252具有与高力端部操纵装置接合部244隔开预定的距离的另一端部。梁252可加工或布置成当施加较大的载荷时与高力端部操纵装置接合部244接触以防止换能器245的过载。梁252可被校准使得梁252接触处于预定的载荷的高力端部操纵装置接合部244。由此，当较大的载荷，诸如预定的载荷施加到用户接合部232时，梁252可用作止动装置以接触高力端部操纵装置接合部244。在一个实施例中，应变计246可布置在梁252上。由此，即使在梁252以较低的灵敏度/分辨率接触高力端部操纵装置接合部244的情况下，力和/力矩测量可继续进行。应当进一步理解，独立力/力矩传感器组件210的操作类似于独立力/力矩传感器组件10。
本发明已以图示的方式描述。将理解，已使用的术语意在具有描述词的性质而非限制词的性质。根据上述指导，本发明的许多调整和变体是可能的。因此，本发明可以不同于具体描述的方式实践。

Claims (8)

1.一种用于力控制机器人的独立的力/力矩传感器组件，包括：
端部操纵装置，用于操作性地附接到力控制机器人的臂，所述端部操纵装置包括适于使用者用手握持的握持部分和包括用于保持手术工具的孔的部分；和
力/力矩传感器，用于布置在所述握持部分和机器人的臂之间，所述力/力矩传感器具有用于附接到机器人的臂的高力端部操纵装置接合部、操作性地附接到所述握持部分的低力端部操纵装置接合部以及布置在所述高力端部操纵装置接合部和所述低力端部操纵装置接合部之间的换能器，用于对施加到所述低力端部操纵装置接合部的载荷作出反应，以便于使用者控制的所述手术工具定位并用于产生相应的输出信号，其中，所述高力端部操纵装置接合部适于机械地附接到所述臂并绕过所述换能器，使得施加在所述用于保持手术工具的孔的部分上的高力被机械地附接到所述臂并且绕过所述换能器。
2.如权利要求1所述的用于力控制机器人的独立的力/力矩传感器组件，其中，所述握持部分大体上呈圆筒状。
3.如权利要求1或2中的任一项所述的用于力控制机器人的独立的力/力矩传感器组件，其中，所述低力端部操纵装置接合部被附接到所述握持部分的一个端部。
4.如权利要求1或2中的任一项所述的用于力控制机器人的独立的力/力矩传感器组件，包括从所述握持部分延伸并附接到所述低力端部操纵装置的轴部分。
5.如权利要求4所述的用于力控制机器人的独立的力/力矩传感器组件，其中，所述握持部分、所述轴部分和所述低力端部操纵装置接合部是一体的并且是单件的。
6.如权利要求1或2中的任一项所述的用于力控制机器人的独立的力/力矩传感器组件，包括在所述低力端部操纵装置接合部和所述高力端部操纵装置接合部之间延伸的多个梁。
7.如权利要求6所述的用于力控制机器人的独立的力/力矩传感器组件，其中，所述梁是柔性的。
8.如权利要求1或2中的任一项所述的用于力控制机器人的独立的力/力矩传感器组件，其中，所述握持部分随所述低力端部操纵装置接合部浮动。
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