KR102203516B1 - 힘 및 토크를 측정하기 위한 센서 조립체 및 방법 - Google Patents

힘 및 토크를 측정하기 위한 센서 조립체 및 방법 Download PDF

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Abstract

센서 조립체는 베이스 플레이트와, 베이스 플레이트에 대해 변위가능한 센서 부재를 포함한다. 스프링 장치는 베이스 플레이트에 대한 센서 부재의 변위에 반응하여 제 1 및 제 2 스테이지들에서 동작한다. 힘 및 토크 측정들의 상이한 분해능들은 제 1 및 제 2 스테이지들과 연관된다. 광 감지 트랜스듀서는 베이스 플레이트에 대한 센서 부재의 변위를 감지하고, 대응하는 출력 신호들을 생성한다. 시준기는 복수의 광 빔들을 광 감지 트랜스듀서 상으로 향하게 하여, 광 빔은 베이스 플레이트에 대한 센서 부재의 변위를 감지하기 위해 광 감지 트랜스듀서의 상이한 픽셀들에 충돌한다.

Description

힘 및 토크를 측정하기 위한 센서 조립체 및 방법{SENSOR ASSEMBLY AND METHOD FOR MEASURING FORCES AND TORQUES}
본 출원은 그 전체 내용이 참고용으로 본 명세서에 병합되는 2013년 3월 12일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/777,596의 우선권 및 이익을 주장한다.
본 개시는 일반적으로 힘 및 토크를 측정하기 위한 힘/토크 센서 조립체 및 방법에 관한 것이다. 몇몇 실시예들에서, 힘/토크 센서 조립체 및 방법은 기구 및 기구를 위치시키는데 사용된 조절기를 포함하는 로봇형 시스템에 이용된다.
개업의는 수술 절차들의 성능에 보조하기 위해 로봇형 시스템들을 이용하는 것이 유용한 것으로 발견하였다. 그러한 로봇형 시스템들은 일반적으로 하나 이상의 링크들을 포함하는 이동가능 아암(arm)을 갖는 조절기를 포함한다. 수술용 기구는 아암의 자유 단부에 부착된다. 기구는 수술 부위에 적용되도록 설계된다. 제어기는 수술 부위에서 높은 정도의 정밀도를 가지고 기구를 위치시키기 위해 아암의 이동을 조절한다.
많은 로봇형 시스템들의 구성요소는 힘/토크 센서 조립체이다. 힘/토크 센서 조립체는 아암의 자유 단부와 기구 사이에 부착된다. 힘/토크 센서 조립체는 기구에 적용되는 힘 및 토크를 모니터링한다. 이들은, 기구가 조직에 대해 눌러지는 결과로서 기구에 가해진다. 이들은 또한 기구의 위치 및/또는 방향을 설정하기 위해 의사가 가하는 힘 및 토크일 수 있다. 힘/토크 센서 조립체에 의해 출력된 신호는 제어기에 의해 수신된다. 제어기는 기구에 대한 목표 위치를 결정하기 위해 이들 신호를 사용한다. 결정된 목표 위치에 기초하여, 제어기는, 기구가 목표 위치로 이동되도록 아암을 진행시키기 위해 아암을 작동한다.
기구에 가해진 모든 힘 및 토크가 측정되는 것을 보장하기 위해, 6개의 구성요소 힘/토크 센서 조립체를 제공하는 것이 일반적으로 실시된다. 이러한 유형의 힘/토크 센서 조립체는 3개의 축들 주위에 기구에 가해진 3개의 축들 및 토크들을 따라 기구에 가해진 힘들을 측정한다.
6개의 구성요소 힘/토크 센서 조립체의 한가지 유형은 스트레인 게이지들의 세트를 포함한다. 이들 게이지들은, 복수의 빔들이 유연성있게 장착되는 정적 부재를 포함한다. 일반적으로 하나 이상의 스트레인 게이지들은 각 빔과 연관된다. 각 스트레인 게이지는 힘 또는 토크를 전기 신호로 변환하는데 사용되는 트랜스듀서로서 작용한다. 각 스트레인 게이지는, 스트레인 게이지가 연관되는 빔의 휘어짐(flexure)에 비례하는 전기 신호를 생성한다. 스트레인 게이지들로부터의 출력 신호는 측정된 힘 및 토크를 산출하는 알고리즘으로의 입력 변수들이다.
스트레인 게이지들을 이용하는 힘/토크 센서 조립체들에서, 열 드리프트(thermal drift)는 공통적인 문제이다. 열 드리프트는, 온도에서의 변화가 부분들의 수축 또는 팽창을 야기할 때 발생한다. 열 드리프트는 수술 부위에서의 기구의 부적절한 위치 지정(placement)을 초래할 수 있다. 이들 유형들의 힘/토크 센서 조립체들이 단일 분해능(resolution)으로 힘 및 토크 측정들을 취하는 것이 일반적이다. 몇몇 경우들에서, 힘/토크 센서 조립체가 다중 분해능들에서 힘 및 토크를 측정할 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 이들 결점들 중 하나 이상을 극복하는 힘들 및 토크들을 측정하는 힘/토크 센서 조립체 및 방법이 종래 기술에 필요하다.
일실시예에서, 센서 조립체가 제공된다. 센서 조립체는 베이스 플레이트와, 베이스 플레이트에 대해 변위가능한 센서 부재를 포함한다. 스프링 장치(arrangement)는 베이스 플레이트에 대한 센서의 변위에 반응하여 제 1 및 제 2 스테이지들에서 동작한다. 힘 및 토크 측정들의 상이한 분해능들은 제 1 및 제 2 스테이지들과 연관된다. 광 감지 트랜스듀서는 베이스 플레이트에 대한 센서 부재의 변위를 감지하고, 대응하는 출력 신호들을 생성한다.
다른 실시예에서, 복수의 픽셀들을 갖는 광 감지 트랜스듀서를 포함하는 센서 조립체가 제공된다. 광원은 복수의 광 빔으로 향하게 되는 광을 광 감지 트랜스듀서 상에 제공하여, 광 빔은 베이스 플레이트에 대한 센서 부재의 변위를 감지하기 위해 광 감지 트랜스듀서의 상이한 픽셀들에 충돌한다.
또 다른 실시예에서, 복수의 픽셀들을 갖는 광 감지 트랜스듀서를 포함하는 센서를 이용하여 힘 및 토크를 평가하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 복수의 광 빔을 광 감지 트랜스듀서 상에 향하게 하도록 센서를 동작한다. 부하를 센서 상에 가하여, 복수의 광 빔들 각각은 광 감지 트랜스듀서 상으로 이동한다. 힘 및 토크는, 광 빔이 가해진 부하에 반응하여 이동할 때 광 빔에 의해 조명된 픽셀들의 장소들에서의 차이들에 기초하여 결정된다.
이들 센서 조립체들을 이용하는 로봇형 시스템들 및 방법들과 힘 및 토크를 평가하기 위한 방법들이 또한 제공된다.
이들 센서 조립체들 및 방법들의 하나의 장점은, 센서 조립체들이 특정한 응용들에 대한 상이한 분해능들에서 힘 및 토크를 결정할 수 있다는 것이다. 다른 장점은, 센서 조립체들이 스트레인 게이지들과 연관된 잠재적인 열 드리프트 문제점들을 회피하기 위해 광학적으로 동작한다는 것이다.
본 발명의 장점들은 첨부 도면들과 연계하여 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해되기 때문에 쉽게 인식될 것이다.
도 1은 수술용 기구를 환자 상에 위치시키고 진행시키는데 사용된 조절기를 포함하는 로봇형 시스템의 개요를 도시한 도면.
도 2는, 수술용 기구, 수술용 장착부, 및 장착 플레이트가 부착되는 힘/토크 센서 조립체의 측면도.
도 3은 조절기의 아암과 장착 플레이트 사이에 놓인 힘/토크 센서 조립체의 측면도로서, 힘/토크 센서 조립체는 헤드 플레이트, 내부 및 외부 허브를 갖는 디버터(diverter) 플레이트, 및 베이스 플레이트를 포함하는, 측면도.
도 4는 힘/토크 센서 조립체의 분해 사시도.
도 5는 힘/토크 센서 조립체의 디버터 플레이트의 평면도.
도 5a는 힘/토크 센서 조립체의 감도의 2개 스테이지들을 도시한 그래프.
도 6은 핀 하우징에서의 핀들의 분해 사시도.
도 7은 핀 하우징에서의 핀들을 도시한 측면도.
도 8은 디버터 플레이트의 구불구불한 스프링들에 위치된 핀들을 갖는 디버터 플레이트의 평면도.
도 9는 구불구불한 스프링에서의 핀들의 부분 단면도.
도 10은 베이스 플레이트의 평면도.
도 11은 힘/토크 센서 조립체의 시준기의 평면도.
도 11a는 개별적인 광 빔들과 연관된 개별적인 섹터들을 도시한 광 감지 트랜스듀서의 평면도.
도 12a는 시준기를 통해 연장하는 복수의 정상 보어들을 갖는 시준기를 도시한 단면도.
도 12b는 도 12a와 상이한 방향으로 복수의 정상 보어들을 갖는 시준기를 도시한 단면도.
도 13a는 시준기를 통해 연장하는 복수의 각진 보어들을 갖는 시준기를 도시한 단면도.
도 13b는 도 13a와 상이한 방향으로 복수의 각진 보어들을 갖는 시준기를 도시한 단면도.
도 14a는, 광 빔들이 시간 프레임의 시작에 광 감지 트랜스듀서에 충돌하는 것을 도시하는 힘/토크 센서 조립체의 광 감지 트랜스듀서의 평면도.
도 14b는, 광 빔이 시간 프레임의 단부에서 광 감지 트랜스듀서에 충돌하는 것을 도시하는 광 감지 트랜스듀서의 평면도.
도 15는 광 빔들의 중심의 장소들을 도시하는 광 감지 트랜스듀서의 평면도.
도 15a 및 도 15b는 도 15에 도시된 광 빔들의 중심들을 결정하는데 사용된 각각의 픽셀 행들 및 열들을 따라 신호 강도에서의 변화들?? 도시하는 그래프.
도 16은 3개의 토크들(Tx, Ty 및 Tz) 및 3개의 힘들(Fx, Fy 및 Fz)을 갖는 광 감지 트랜스듀서 상의 광 빔들의 이동 사이의 상관 관계를 도시한 도면.
도 17은 버(bur)의 중심으로부터 힘/토크 센서 조립체의 중심까지의 거리(R)를 보여주는 기구, 버 및 힘/토크 센서 조립체의 개략도.
도 18a 내지 도 18c는 힘 및 토크를 감지하는 방법에 의해 수행된 단계들을 도시하는 흐름도.
도 19는, 하나의 광 빔이 시간 프레임의 시작과 시간 프레임의 단부 사이에 광 감지 트랜스듀서에 충돌하는 변화들 및 시준기의 개략도.
도 20은 대안적인 시준기의 평면도.
도 21은 도 20의 대안적인 시준기의 사시도.
도 22는, 핀들이 구불구불한 스프링들 내에 수직으로 놓이는 디버터 플레이트의 대안적인 실시예의 평면도.
도 23은 디버터 플레이트의 제 2 대안적인 실시예의 평면도.
도 24는 디버터 플레이트의 제 3 대안적인 실시예의 평면도.
I. 개요
도 1은 조절기(30) 및 수술용 기구(32)를 포함하는 로봇형 수술 시스템을 도시한다. 수술용 기구(32)는 환자(P)에 대한 이동을 위해 조절기(30)에 의해 지지된다. 몇몇 실시예들에서, 조절기(30)는 환자(P) 상의 목표 부위에 대해 기구(32)를 위치시키기 위해 수동 및 반-자동 모드들에서 기능한다.
조절기(30)는, 기구(32)가 단단히 부착되는 기구 장착부(36)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기구(32)는 또한 기구 장착부(36)에 제거가능하게 부착된다. 조절기(30)는, 기구(32)가 환자(P) 상에서 의도된 의료/수술 절차를 수행하도록 기구(32)를 위치시키고 배향하기 위해 기구 장착부(36)를 이동한다.
수술 항해 시스템(220)은 목표 부위에 대한 기구(32)의 위치 및/또는 방향을 모니터링한다. 수술 항해 시스템(220)은, 조절기(30)가 기구(32)를 적절히 위치시킬 수 있도록 위치 및/또는 방향 데이터를 조절기(30)에 통신한다.
조절기(30)는 모바일 카트(38)를 포함한다. 연동(linkage) 조립체(40)는 기구(32)를 카트(38)에 이동가능하게 연결한다. 예시된 실시예에서, 이러한 연동 조립체(40)는 제 1 및 제 2 평행한 4개의 바의 링크 조립체들(42, 44)을 포함한다. 각 링크 조립체의 각 조인트의 위치는 복수의 엑추에이터들(actuators)(46)에 의해 설정된다. 도 1에서, 링크 조립체(42)와 연관된 엑추에이터들(46) 중 하나가 식별된다.
조절기 제어기(48)(도 1에 점선 박스로서 부분적으로 도시됨)는 카트(38)에 장착된다. 조절기 제어기(48)는, 엑추에이터들(46)이 링크 조립체들(42, 44)의 링크들을 적절히 설정하도록 하는 제어 신호를 전송한다. 조절기 제어기(48)는 다수의 입력 신호에 기초하여 링크들의 위치들을 설정한다. 이들 입력 신호들은 수술 항해 시스템(220)으로부터의 신호들을 포함한다.
조절기 제어기(48), 및 기구(32)를 포함하는 조절기(30)의 구조는, 그 개시가 본 명세서에 참고용으로 병합되는, "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes,"이라는 명칭으로 2013년 8월 2일에 출원된 미국 특허 출원 13/958,070에 구체적으로 설명된다.
몇몇 실시예들에서, 기구(32)는 전력 생성 유닛(미도시)을 포함한다. 전력 생성 유닛은 전기 신호를 환자(P)에 가해진 에너지의 형태로 변환한다. 이 에너지는 기계적, 음향, 열, RF, EM 또는 광자일 수 있다. 기구(32)가 전력 생성 유닛을 포함할 때, 에너지는 에너지 도포기(50)를 통해 목표 부위에 가해진다. 예시된 실시예에서, 기구(32)는 뼈와 같은 조직을 절개하기 위한 절개 버의 형태로 에너지 도포기(50)를 포함한다. 버는 기구(32)의 핸드피스(handpiece)로부터 연장한다.
II. 힘/토크 센서 조립체
도 2에 도시된 바와 같이, 힘/토크 센서 조립체(52)는 기구(32)에 가해진 부하에 반응하도록 제공된다. 부하는, 기구(32)가 조직에 대해 눌러지는 기구(32)의 결과로서 노출되는 저항 힘 및 토크를 포함할 수 있다. 부하는, 사용자가 기구(32)의 위치 및/또는 방향을 설정하기를 원할 때 사용자에 의해 기구(32)에 가해진 힘 및 토크를 포함할 수 있다. 조절기 제어기(48)는 힘/토크 센서 조립체(52)에 의해 측정된 힘 및 토크에 기초하여 링크, 이에 따라 기구(32)의 위치를 설정한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 힘/토크 센서 조립체(52)는 연동 조립체(40)와 기구(32) 사이에서 작용한다. 힘/토크 센서 조립체는 헤드 플레이트(54), 디버터 플레이트(56) 및 베이스 플레이트(58)를 포함한다. 이들 플레이트들(54, 56, 58)은 연동 조립체(40)와 기구(32) 사이의 동작을 위해 힘/토크 센서 조립체(52)를 지지한다. 도 3에서, 플레이트들(54, 56 및 58)의 폭들은 예시를 위해 과장되어 있다.
도 4를 참조하면, 헤드 플레이트(54)는, 평평하고 서로 평행한 대향된 근접하고 말단으로 향하는 면들을 갖도록 하는 디스크 형태를 갖는다. 헤드 플레이트(54)는 스테인리스 스틸 또는 다른 금속 합금의 단일 부품으로 형성된다. 헤드 플레이트(54)는 대략 6.5mm의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 헤드 플레이트(54)는 약 4.5 내지 6.5mm의 직경을 갖는다. 헤드 플레이트(54)는 장착 플레이트(60)의 근접으로 향하는 면에 부착된다. 장착 플레이트(60)는 기구 장착부(36)에 고정된다. {여기서 "근접"은 기구(32)가 적용되는 목표 부위로부터 멀어지게 조절기 카트(38)쪽으로 향하는 것으로 이해되고, "말단"은, 조절기 카트(38)로부터 멀어지게 기구(32)가 적용되는 목표 부위쪽으로 향하는 것으로 이해된다}.
제 1 및 제 2 관통 보어들(throughbores)(62, 64)의 세트들은 헤드 플레이트(54)의 대향 면들 사이로 연장한다. 제 1 관통 보어들(62)은 헤드 플레이트(54)의 중심으로부터 방사상 바깥쪽으로 위치된다. 제 1 관통 보어들(62)은 서로 동일하게 이격된다. 제 1 관통 보어들(62)의 근접 개구부는 제 1 관통 보어들(62)의 중심쪽으로 안쪽으로 각지는 테이퍼링된(tapered) 오목부(66)에 의해 한정된다. 제 2 관통 보어들(64)은 헤드 플레이트(54)의 외부 직경으로부터 안쪽으로 작은 거리에 위치되도록 제 1 관통 보어들(62)로부터 방사상 바깥쪽으로 이격된다. 제 2 관통 보어들(64)은 또한 인접한 제 1 관통 보어(62)와 방사상 정렬되지 않게, 서로 동일하게 이격된다. 헤드 플레이트(54)는 헤드 플레이트(54)의 측부 표면으로부터 방사상 안쪽으로 연장하는 측면 보어(68)를 한정하도록 추가로 형성된다. 나사산 형성된(threaded) 패스너들(미도시)은 헤드 플레이트(54)를 장착 플레이트(60)에 유지하기 위해 제 2 관통 보어들(64)을 통해 연장한다.
디버터 플레이트(56)는 헤드 플레이트(54)와 베이스 플레이트(58) 사이에 위치된다. 디버터 플레이트(56)는 내부 및 외부 센서 부재들을 포함한다. 도시된 실시예에서, 내부 및 외부 센서 부재들은 각각 내부 및 외부 허브들(70 및 72)이다. 내부 허브(70)는 외부 허브(72)의 말단에 순방향으로 연장한다. 내부 허브(70)는 외부 허브(72)에 연결되고, 외부 허브(72)에 대해 이동할 수 있다. 외부 허브(72)는 베이스 플레이트(58)에 정적으로 고정된다. 내부 허브(70)는 헤드 플레이트(54)에 정적으로 고정된다. 허브들(70, 72)은 모두 경화된 스테인리스 스틸의 단일 부품으로 형성된다.
내부 허브(70)는 일반적으로 원형 외부 형태를 갖는다. 내부 허브(70)는 외부 허브(72) 내에 배치된다. 내부 허브(70)의 외부 주변(perimeter)은 부분적으로, 서로 정밀하고 동일하게 이격되는 3개의 평평한 표면들(74)에 의해 한정된다. 굴곡진 표면(76)은 평평한 표면들(74)의 각 인접한 쌍 사이에 위치된다.
가지들(tines)(78)은 각 굴곡진 표면(76)으로부터 방사상 바깥쪽으로 연장한다. 가지들(78)은 서로 등각으로 이격되고, 굴곡진 표면들(76)의 중심들로부터 연장한다. 가지들(78)의 대향되는 근접 및 말단으로 향하는 면들 사이로 연장하는 축들을 따라, 가지들(78)은 내부 허브(70)의 깊이보다 약 0.25mm 내지 약 1.0mm 미만이다. 가지들(78)의 근접 면들(도면 부호가 없음)은 내부 허브(70)의 근접 면과 동일 평면 상에 있다. 가지들의 말단으로 향하는 면들(도면 부호가 없음)은 이에 따라 내부 허브(70)의 인접하게 말단으로 향하는 면에 대해 오목하다.
3개의 허브 관통 보어들(80)은 내부 허브(70)의 외부 주변으로부터 안쪽으로 짧은 거리에 위치된다. 허브 관통 보어들(80)은 헤드 플레이트(54)에서 제 1 관통 보어들(62)의 직경과 대략 동일한 직경을 갖는 개구부들을 갖는다. 각 허브 관통 보어(80)는 개별적인 제 1 관통 보어(62)와 정렬된다. 내부 허브(70)는 중심에 위치된 중앙 관통 보어(82)를 갖는다. 중앙 관통 보어(82)는 허브 관통 보어들(80)보다 직경이 더 크다. 원통형 스텝(84)은 중앙 관통 보어(82)를 한정하는 내부 표면으로부터 방사상 돌출한다. 스텝(84)은 내부 허브(70)의 말단 면으로부터 근접하게 오목하게 된다. 스텝(84)은 중앙 관통 보어(82)의 내부 표면으로부터 대략 0.75mm로 안쪽으로 연장한다. 그루브(86)는 중앙 관통 보어(82)로부터 방사상 바깥쪽으로 연장한다. 그루브(86)는 내부 허브(70)의 말단 면에 대해 오목하다. 그루브(86)의 베이스는 스텝(84)과 동일 평면 상에 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 외부 허브(72)는 일반적으로 링-형태를 갖는다. 외부 허브(72)는 헤드 플레이트(54)의 직경과 대략 동일한 직경을 갖는다. 외부 허브(72)는 가지들(78)과 동일한 근접 면-말단 면 깊이를 갖는다. 따라서, 외부 허브(72)의 깊이는 내부 허브(70)의 깊이보다 작다. 내부 허브(70)의 말단 면은 도 3에서 알 수 있듯이, 외부 허브(72)의 말단 면보다 위로 상승한다. 도 3에서, 내부 허브(70)가 외부 허브(72)로부터 순방향으로 돌출하는 정도는 예시를 위해 확대된다.
외부 허브(72)는 3개의 안쪽으로 향하는 탭들(88)을 갖는다. 탭들(88)은 서로 등각으로 이격된다. 각 탭(88)은 서로 안쪽으로 테이퍼링되는 측면 표면들(90)을 갖는다. 각 탭(88)은 아치형의 내부 표면(92)을 갖는다. 내부 표면들(92)은 외부 허브(72)의 중심 축과 동심인 공통 원 주위로 연장한다. 각 탭(88)은 가지 슬롯(94)에 의해 양분된다. 각 가지 슬롯(94)은 내부 표면(92)으로부터 방사상 바깥쪽으로 연장한다. 각 탭(88)은 또한 탭 관통 보어(96)를 갖는다. 탭 관통 보어들(96)은 외부 허브(72)를 따라 원주 방향으로 이격된다. 외부 허브(72)는, 탭들(88)의 각 인접한 쌍 사이에서 평평한 내부 표면, 평평부(flat)(98)가 있도록 추가로 성형된다.
각 가지(78)는 가지 슬롯들(94)의 개별적인 것으로 연장한다. 가지 슬롯들(94)은 가지들(78)의 폭보다 대략 0.1mm 내지 0.75mm 더 큰 폭을 갖는다. 디버터 플레이트(56)는, 외부 허브(72)가 중립 위치에 있을 때, 각 가지(78)이 외부 단부가 연관된 가지 슬롯(94)을 한정하는 탭(88)의 인접한 안쪽으로 향하는 표면들로부터 대략 0.1mm 내지 0.75mm 이격되도록 추가로 크기가 정해진다(dimensioned).
도 4 및 도 5에서 알 수 있듯이, 스프링 장치는 내부 허브(70)를 외부 허브(72)에 제거가능하게 부착한다. 스프링 장치는 3개의 스프링 디바이스들(102)을 포함한다. 각 스프링 디바이스(102)는 평평한 표면들(74) 중 개별적인 것으로부터 바깥쪽으로 연장한다. 각 스프링 디바이스(102)는 일렬로 배치된 구불구불한 스프링(104) 및 리프 스프링(106)을 포함한다.
각 구불구불한 스프링(104)은 헤드(108), 토르소(torso)(110) 및 레그(112)를 포함한다. 헤드(108)는 내부 허브(70)에 연결된 구불구불한 스프링(104)의 부분이다. 헤드(108)는 평평한 표면(74)으로부터 방사상 바깥쪽으로 돌출한다.
토르소(110)는 헤드(108)로부터 연장한다. 각 토르소는 복수의 U-형태의 접힘부들(folds)(114)과, U-형태의 접힘부들(114)로부터 연장하는 주름부들(pleats)(116)을 포함한다. 일실시예에서, 토르소(110)는 복수의 주름부들(116) 및 접힘부들(114)로 형성된다. 주름부들(116)은 서로 평행하다. 접힘부들(114)은 일반적으로 반-원형의 형태이다. 접힘부들(114)의 제 1 접힘부는 하나의 주름부(116)를 헤드(108)에 연결한다. 접힘부들(114)의 제 2 접힘부는 2개의 주름부들(116)을 함께 연결한다. 접힘부들(114)의 제 3 접힘부는 다른 주름부(116)를 레그(112)에 연결한다. 접힘부들(114)은 유연하다. 접힘부들(114)의 유연성은 주름부들(116)의 길이방향 축들이 위치들을 시프트하도록 한다.
각 레그(112)는 비교적 두꺼운 베이스를 포함한다. 레그(112)의 이러한 베이스는, 인접한 접힘부(114)가 연장하는 레그(112)의 부분이다. 2개의 푸트들(feet)(118)은 각 레그(112)의 외부 단부로부터 바깥쪽으로 연장한다. 각 푸트(118)는 대략 0.25 내지 0.75mm의 두께를 갖는 얇은 스트립의 형태이다. 푸트들(118)의 쌍을 형성하는 푸트들(118)은 동일 평면에 있다. 각 푸트(118)는 인접한 탭(88)의 측면 표면에 병합되는 단부를 갖는다. 푸트들(118)은 평면들(flats)(98)로부터 방사상 안쪽으로 장소들에서 탭들(88)에 병합된다. 따라서, 푸트들(118)의 각 쌍은 인접한 평면들(98)에 평행하고, 이로부터 안쪽으로 이격된다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 간격은 대략 0.25mm 내지 0.75mm이다. 푸트들(118)이 유연한 물질로 형성되고 푸트들(118)의 각 쌍의 푸트들(118)이 동일 평면에 있다는 것이 주어지면, 푸트들(118)의 각 쌍은 리프 스프링들(106) 중 하나를 한정한다.
각 스프링 디바이스(102)는 이에 따라 복수의 스테이지 스프링 디바이스인 것으로 고려될 수 있다. 하나의 스프링 스테이지는 접힘부들(114) 및 주름부들(116)에 의해 형성된 구불구불한 스프링(104)이다. 제 2 스프링 스테이지는 푸트들(118)에 의해 형성된 리프 스프링(106)이다. 도 5a는, 이들 제 1 및 제 2 스테이지들이 힘/토크 센서 조립체(52)에 의해 가능하게 된 힘/토크 측정치들의 분해능에 어떻게 영향을 주는지를 도시한다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 각 구불구불한 스프링(104)은 복수의 핀들(120)을 수용한다. 각 핀(120)은 일반적으로 원통형 형태이다. 각 핀(120)은 경화된 스테인리스 스틸로 구성된다. 각 핀(120)은, 핀(120)이 인접한 토르소(110)의 전체 폭을 가로질러 연장할 수 있도록 하는 길이를 갖는다. 핀들(120)은 인접한 접힘부들(114)에 의해 한정된 원들의 반경보다 대략 0.625mm 내지 2.5mm보다 작은 반경을 갖는다. 일실시예에서, 핀들(120)은 길이가 대략 6.25mm이고 직경이 1.168mm이다. 핀들(120)의 제 1 핀은 헤드(108)와 인접한 주름부(116) 사이로 연장한다. 핀들(120)의 제 2 핀은 2개의 주름부들(116) 사이에 위치된다. 핀들(120)의 제 3 핀은 방사상 최외각 주름부(116)와 레그(112) 사이에 위치된다.
3개의 핀들(120)의 각 세트는 핀 하우징(122)에 놓인다. 핀 하우징(122)은 캡(124) 및 핀 하우징 베이스(126)로 구성된다. 핀들(120)은 캡(124)과 핀 하우징 베이스(126) 사이에 위치된다. 캡(124)은 패널(128), 및 2개의 대향된 측면 벽들(130)을 포함한다. 패널(128)은 직사각형 형태이다. 각 측면 벽(130)은 패널(128)의 측면 에지들로부터 아래로 연장한다. 패널 보어(132)는 패널(128)의 중심을 통해 연장한다. 핀 하우징 베이스(126)는 일반적으로 블록-형태이다. 베이스 그루브(134)는 핀 하우징 베이스(126)의 중간을 통해 연장한다. 베이스 그루브(134)는 토르소(110)를 수용하도록 하는 크기가 정해진다. 핀 그루브(136)는 핀 하우징 베이스(126)의 중심을 통해 연장한다. 핀 그루브(136)는 베이스 그루브(134)와 교차하고, 이에 수직이다. 핀 그루브(136)는 베이스 그루브(134)보다 더 얕은 깊이를 갖는다.
도 4 및 도 10을 참조하면, 베이스 플레이트(58)는 조절기(30)의 연동 조립체(40)의 말단 단부 구성요소(138)에 부착된다. 구성요소(138)는 커플러(coupler), 로봇 플랜지, 손목 또는 다른 구성요소일 수 있다. 베이스 플레이트(58)는 경화된 스테인리스 스틸로 형성된다. 베이스 플레이트(58)는 일반적으로 디스크 형태이고, 외부 허브(72)의 외부 직경과 동일한 외부 직경을 갖는다. 베이스 플레이트(58)는 내부 원형 섹션(140) 및 외부 림(rim)(142)을 갖는다. 림(142)은 원형 섹션(140)의 외부 에지 주위로 원주 방향으로 연장한다. 림(142)은 내부 원형 섹션(140)의 말단으로 향하는 면 위로 상승하고 이에 평행한 말단으로 향하는 상부 면을 갖는다. 림(142)은 림(142)의 대향하는 근접 및 말단으로 향하는 면들 사이로 연장하는 복수의 제 1 개구부들(144) 및 제 2 개구부들(146)을 갖도록 형성된다. 서로 등각으로 이격되는 3개의 제 1 개구부들(144)이 있다. 서로 등각으로 이격되는 3개의 제 2 개구부들(146)이 있다.
복수의 오목부들(148)은 림(142)의 말단 면 상에 위치된다. 오목부들(148)은 림(142)의 내부 표면을 따라 개방된다. 각 오목부(148)는 일반적으로 직사각형 형태이다. 각 오목부(148)는 대향된 측면 표면들 및 하부 표면의 쌍에 의해 한정된다. 각 오목부(148)는, 대향된 측면 표면들을 가로지르는 거리가 가지 슬롯들(94)을 가로지르는 폭과 동일하도록 성형된다. 3개의 오목부들(148)은 림(142)의 말단 면 상에서 동일하게 이격된다. 오목부들(148)은, 힘/토크 센서 조립체(52)가 조립될 때, 각 오목부(148)가 디버터 플레이트(56)에서의 가지 슬롯들(94) 중 하나와 등록되도록(in registration with) 위치된다.
패스너들(미도시)은 베이스 플레이트(58)를 연동 조립체(40)의 말단 단부 구성요소(138)에 유지하기 위해 제 1 개구부들(144)을 통해 연장한다. 패스너들(미도시)은 디버터 플레이트(56)를 베이스 플레이트(58)에 유지하기 위해 제 2 개구부들(146) 및 탭 관통 보어들(96)을 통해 연장한다.
힘/토크 센서 조립체(52)는 베이스 플레이트(58)에 장착된 광원(154)을 포함하는 광학적-기반의 센서 조립체이다. 광원(154)으로부터의 광은 시준기(156)를 통해 광 감지 트랜스듀서(158) 상으로 향한다. 시준기(156)는 광을 복수의 광 빔으로 변환한다. 부하가 기구(32) 상에 가해질 때, 시준기(156)는 광 감지 트랜스듀서(158)에 대해 변위되어, 광 빔은 광 감지 트랜스듀서(158)의 상이한 픽셀들에 충돌하게 된다. 광 빔의 이러한 이동은 기구(32)에 가해진 힘 및 토크를 효율적으로 감지하고, 힘 및 토크 측정치들로 상관될 수 있다.
광원(142)은 내부 원형 섹션(140)의 말단 면의 외부 에지에 인접하게 위치된다. 광원(142)은 이에 따라 림(142)의 안쪽으로 향하는 면에 인접하고, 이와 동일 평면에 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광원(142)은 하나 이상의 발광 다이오드들(LEDs)을 포함하는 LED 광원이다. 2개의 LED들은 도 4에 도시된다.
광 파이프(160)는 내부 허브(70)의 말단 면에 장착된다. 광 파이프(160)는 광원(142)에 의해 방출된 광을 수용하고, 이를 시준기(156)로 향하게 한다. 광 파이프(160)는 원통형 스템(stem)(162)을 갖도록 성형된다. 스템(162)의 근접 단부는 광원(142)으로부터 방출된 광을 수용하도록 광원(142) 위에 위치된다. 브랜치(branch)(164)는 스템(162)의 말단 단부로부터 수직으로 연장한다. 브랜치(164)는 내부 허브 그루브(86)에 놓이도록 크기가 정해진다. 원형 헤드(166)는 브랜치(164)의 자유 단부로부터 연장한다. 헤드(166)는 디스크 형태의 렌즈를 갖도록 형성된다. 헤드(166)는 중앙 관통 보어(82)에 대한 대항 보어(counterbore)에 놓이도록 크기가 정해진다. 힘/토크 센서 조립체(52)의 조립시, 광 파이프(160)는, 헤드(166)가 시준기(156) 위의 대항 보어에 배치되도록 위치된다.
광 파이프(160)는 광원(142)에 의해 방출된 광을 시준기(156)에 운반할 수 있는 플라스틱, 유리 또는 다른 물질로 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 광 파이프(160)는 플라스틱의 단일 부품으로 구성된 섬유 광학 도관 또는 사출 몰딩된 광 파이프이다. 다른 실시예들에서, 광 파이프(160)는 함께 제거되고, LED들은 그 대신 시준기(156) 또는 다른 광 집속 디바이스 바로 위에 위치된다.
시준기(156)는 내부 허브(70)에 고정된다. 시준기(156)는 접착제, 테이프, 용접 또는 다른 방법들에 의해 고정될 수 있다. 시준기(156)는 광 파이프(160) 아래의 대항 보어에 놓인다. 시준기(156)는 디스크 형태이고, 시준기(156)의 외부 주변이 내부 허브(70)에 형성된 스텝(84) 상에 놓이도록 대항 보어와 대략 동일한 직경을 갖는다. 일실시예에서, 시준기(156)는 대략 7.5mm의 직경을 갖는다. 시준기(156)는 석영으로 형성되거나, 대안적으로 디버터 플레이트(56)로 구축된다{예를 들어, 디버터 플레이트(56)의 부분이 되도록 가공된다}.
도 11에서 알 수 있듯이, 시준기(156)는 복수의 광 개구부들을 갖도록 형성된다. 광 개구부들 중 4개는 법선 보어들(172, 174, 176, 178)로서 도시된다. 법선 보어들(172, 174, 176, 178)은 시준기(156)의 대향하는 상부 및 하부 표면들에 법선으로 형성된 관통 보어들인데, 즉 법선 보어들(172, 174, 176, 178)은 시준기(156)의 대향하는 상부 및 하부 표면들에 수직인 축들을 따라 시준기(156)를 통해 연장한다. 법선 보어들(172, 174, 176, 178)은 사각형 패턴으로 배치되고, 시준기(156)의 중심으로부터 등거리로 이격된다.
복수의 광 개구부들은 또한 도 11, 도 13a 및 도 13b에서 알 수 있듯이, 2개의 각진 보어들(180, 182)을 포함한다. 각진 보어들(180, 182)은 시준기(156)의 상부 및 하부 표면들 사이에서 법선 축들에 예각으로 배치되는 축들을 따라 시준기(156)를 통해 연장하도록 각진다. 각진 보어들(180, 182)은 시준기(156)의 중심으로부터 동일하게 이격된다. 각진 보어들(180, 182)은 시준기(156)의 중심쪽으로 안쪽으로 각진다. 몇몇 실시예들에서, 보어들(172, 174, 176, 178, 180, 182)는 정사각형 형태이다. 다른 실시예들에서, 보어들(172, 174, 176, 178, 180, 182)은 원형 형태이다.
광 감지 트랜스듀서(158)는 인쇄 회로 보드(184) 상의 중심에 위치된다. 인쇄 회로 보드(184)는 원형 섹션(140)의 말단으로 향하는 면 상에 놓이고, 이를 통해 베이스 플레이트(58)에 대해 고정된다. 인쇄 회로 보드(184)는 원형 섹션(140)의 말단 면과 대략 동일한 형태 및 크기를 갖는다. 예시된 실시예에서, 광 감지 트랜스듀서(158)는 이미지 센서이다. 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서 또는 임의의 다른 광 감지 트랜스듀서일 수 있다. 하나의 버전에서, 이미지 센서는 CA, 산 호세의 Cypress Semiconductor로부터 이용가능한 LUPA 1300A 센서이다.
광 감지 트랜스듀서(158)는 픽셀들과 같은 다수의 개별적인 광 감지 요소들을 포함한다. 픽셀들은 행 x 열 포맷 또는 매트릭스로 배치된다. 각 픽셀은 픽셀의 광 충돌의 강도를 나타내는 신호를 출력한다. 몇몇 실시예들에서, 광 감지 트랜스듀서(158)는 25 미크론 이하의 픽셀 크기를 갖는다. 특정 실시예들에서, 광 감지 트랜스듀서(158)는 1280 x 1024 픽셀들의 해상도를 갖는다. 각 픽셀은 이 실시예에서 대략 14 미크론 x 14 미크론이다.
전압 조절기(186)는 인쇄 회로 보드(184)에 장착된다. 전압 조절기(186)는 일정한 전압 신호를 광 감지 트랜스듀서(158)에 공급한다. 예시된 실시예에서, 광 감지 트랜스듀서(158)는 전압 조절기(186)의 노출된 면에 장착되게 도시되어 있다.
시준기(156)의 보어들(172, 174, 176, 178, 180, 182)은 광 파이프(160)로부터의 광을 다수의 개별적인 광 빔들로 분할한다. 광 빔들은 광 감지 트랜스듀서(158)의 면에 충돌한다. 광 감지 트랜스듀서(158)는, 광 빔들이 광 감지 트랜스듀서(158) 상에 충돌하는 장소들을 나타내는 신호를 출력한다. 이들 신호는 처리를 위해 국부 제어기(미도시)로 송출될 수 있다. 신호는 궁극적으로 힘 및 토크를 산출하도록 처리된다. 조절기 제어기(48)는 엑추에이터들(46), 이에 따라 기구(32)의 이동을 제어하기 위해 힘 및 토크를 이용한다. 광 감지 트랜스듀서(158)로부터의 출력 신호가 또한 다른 실시예들에서 조절기 제어기(48)에 직접 송출될 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
수술 동안, 기구(32)에 가해진 부하는 기구(32)의 적어도 아주 작은 변위를 야기한다. 기구(32)의 이러한 변위는 기구 장착부(36) 및 장착 플레이트(60)를 통해 헤드 플레이트(54) 및 내부 허브(70)에 전송된다 - 모두 단일 강성 바디인 것으로 고려된다. 내부 허브(70)의 변위는 광 감지 트랜스듀서(158)에 대한 시준기(156)의 위치 및/또는 방향의 시프트, 즉 이동을 초래한다. 그 결과, 보어들(172, 174, 176, 178, 180, 182)로부터의 광 빔들은 또한 이동하여, 이를 통해 힘 및 토크의 결정을 가능하게 한다.
III. 힘 및 토크의 결정
힘/토크 센서 조립체(52)는, 부하가 기구(32)에 가해질 때 부하받은 상태인 것으로 고려된다. 부하(예를 들어, 힘 및/또는 토크)가 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해질 때, 내부 허브(70)는 외부 허브(72)에 대한 이동의 6가지 유형들로 맞물릴 수 있다. 이동들 중 3가지는 병진 이동(translation)이다. 내부 허브(70)는 x-축, 임의적으로, 도 5에서 내부 허브(70)를 통과하는 수평축을 따라 이동할 수 있다. 내부 허브(70)는 y-축, 임의적으로, 도 5에서 내부 허브(70)를 통과하는 수직축을 따르는 이동과 맞물릴 수 있다. 내부 허브는 z-축, 임의적으로, 도 5의 평면 안팎으로 연장하는 내부 허브(70)의 중심을 통과하는 축을 따르는 이동과 맞물릴 수 있다. 내부 허브(70)는 또한 상기 식별된 각각의 축들 주위의 적어도 일부 회전 이동과 맞물릴 수 있다. 일반적으로, 힘 및 토크를 힘/토크 센서 조립체(52)에 가하는 결과로서, 내부 허브(70)는 이들 이동들 중 여러 가지와 맞물린다.
힘 및/또는 토크를 기구(32)에 가할 때, 그 결과, 시준기(156) 및 광 파이프(160)는 내부 허브(70)와 동일하게 이동한다. 시준기(156)의 이러한 변위는, 광원(154)에 의해 방출된 광이 광 감지 트랜스듀서(158)의 상이한 픽셀들에 충돌하도록 한다. 광 감지 트랜스듀서(158)는 기구(32)에 가해진 힘 및 토크에 직접적으로 관련되는 시준된 광의 이동들을 보여주는 신호를 출력한다.
임의의 힘 또는 토크를 힘/토크 센서 조립체(52)에 가하는 것이 없는 경우, 힘/토크 센서 조립체(52)는 부하받지 않은 상태로 고려된다. 조절기(30)가 사용 중일 때, 심지어 다른 힘의 부재시, 중력은 힘/토크 센서 조립체(52) 상에 힘 및 토크를 부과한다. 이러한 중력의 대부분의 구성요소가 기구(32) 및 에너지 도포기(50) 상에 힘 중력 장소들(force gravity places)이라는 것이 이해되어야 한다. 이러한 만유 인력은, 내부 허브(70)가 순수한 부하받지 않은 상태에 있을 때 외부 허브(72)에 대한 내부 허브(70)의 일부 변위를 야기한다. 이러한 힘의 공칭 특성 및 내부 허브(70)의 공칭 변위가 주어지면, 광 빔의 장소들은 그 중력-오프셋된 부하받지 않은 상태에 있는 것으로 고려된다.
조절기(30)의 동작 동안, 광원(154)에 의해 방출된 광{도면들에서 도면 부호(155)로 표시됨}은 광 빔으로서 보어들(172, 174, 176, 178, 180, 182)을 통해 연장한다. 이들 광 빔은 광 감지 트랜스듀서(158)의 표면 상의 픽셀들의 상이한 클러스터들에 충돌한다. 더 구체적으로, 각 광 빔은 부하받지 않은 상태 및 부하받은 상태에서 픽셀들의 상이한 클러스터에 충돌한다. 부하받지 않은 상태로부터 부하받은 상태로, 예를 들어 시간 프레임(초기 클러스터)의 시작으로부터 시간 프레임(최종 클러스터)의 마지막으로의 픽셀들의 클러스터들의 위치들/장소들에서의 시프트들은 힘 및 토크를 결정하는데 사용된다.
도 12a 및 도 12b는 부하받지 않은 및 부하받은 상태들에서 법선 보어들 중 2개, 보어들(172 및 176)을 통과하는 광 빔 중 2개를 도시한다. 도 13a 및, 도 13b는, 2개의 광 빔이 부하받지 않은 및 부하받은 상태들에서 각진 보어들(180, 182)을 어떻게 통과하는 지를 도시한다. 특히, 각진 보어들(180, 182)을 통과하는 광 빔이 타원형으로서 광 감지 트랜스듀서(158)에 충돌한다.
제조할 동안, 시준기(156)는, 각 광 빔의 운동의 최대 범위(모두 6개의 자유도에 대해)에 대해, 각 광 빔이 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 개별적인 섹터들(S)(또는 윈도우들)에 구속되도록 광 감지 트랜스듀서(158)에 대해 배치되어, 각 섹터(S)에서의 픽셀들은 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 광 빔의 중심의 장소를 결정하도록 개별적으로 전자적으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 개별적인 섹터들(S1-S4)에서 광 감지 트랜스듀서(158)에 충돌하는 법선 보어들(172, 174, 176, 178)로부터 도 11a에 도시된 광 빔(172B, 174B, 176B, 178B)과, 개별적인 섹터들(S5-S6)에서 광 감지 트랜스듀서(158)에 충돌하는 각진 보어들(180, 182)로부터의 광 빔(180B, 182B)을 참조하자. 힘/토크 센서 조립체(52)의 변위의 전체 범위에 대해, 각 광 빔은 대응하는 섹터들(S1-S6)에 완전히 남아있도록 구성된다.
광 감지 트랜스듀서(158)는 각 섹터(S1-S6)에서의 각 픽셀에 의해 방출된 신호를 조절기 제어기(48)에 계속해서 출력한다. 각 픽셀은 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 특정 행/열 장소를 갖는다. 조절기 제어기(48)에 의해 수신된 신호는 그 장소에서의 픽셀에 충돌하는 광량에 비례한다. 예시된 실시예를 이해하기 위해, 도 14a 및 도 14b의 하부 좌측에서의 픽셀은 행/열 장소(0,0)(188)에서의 픽셀인 것으로 고려된다.
전술한 바와 같이, 각 광 빔은 각 섹터(S1-S6)에서의 픽셀들의 클러스터에 충돌한다. 따라서, 제어기(48)는 픽셀들의 6개의 세트들을 포함하는 이미지를 구성하는 신호를 광 감지 트랜스듀서(145)로부터 수신하고, 각 세트는 광에 노출되는 다중 픽셀들로부터 출력 신호를 포함한다. 픽셀들의 이들 세트들 각각에 대해, 제어기(48)는 광 빔의 중심을 결정한다.
중심은 도 15, 도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같이, 종래의 처리 기술들을 이용하여 각 세트에서의 신호 강도를 처리함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 법선 보어들(172, 174, 176, 178)을 통과하는 도 15에 도시된 광 빔(172B, 174B, 176B, 178B)은 픽셀들의 별개의 클러스터들에 충돌한다. 이들 클러스터들은 섹터들(S1-S4)과 연관된 픽셀들의 각 세트에 대해, 각 섹터에서 픽셀들의 모든 열들을 및 픽셀들의 모든 행들을 따라 신호 강도를 합산함으로써, 그리고 x, y 좌표들에서 중심을 식별하기 위해 열들 및 행들을 따라 피크 신호 강도를 식별함으로써 처리된다. 피크 신호 강도는 특정 픽셀 장소와 연관될 수 있지만, 합산된 출력 신호 값들의 보간 또는 다른 처리로 인해, 열들 및 행들을 따라 피크 신호 강도의 장소가 단일 픽셀의 물리적 장소에 의해 결속될 필요가 없게 된다. 도 15a 및 도 15b에서 이러한 처리의 일례를 참조하자.
제어기(48)는, 광 빔이 적용되는 온-센서 장소 상에 있도록 광 감지 트랜스듀서(158)의 x-y 좌표 시스템에서의 중심의 장소를 할당한다. 제어기(48)는 상기 프로세스들을 6회 수행하고, 각 광 빔 및 섹터에 대해서 한번 이루어진다. 이 프로세스는 힘/토크 센서 조립체(52)의 동작의 각 프레임에서 반복된다. 그러므로, 동작의 각 프레임에 대해, 12개의 x, y 좌표들은, 시준기(156)가 4개의 법선 보어들(172, 174, 176, 178) 및 2개의 각진 보어들(180, 182)을 갖는 실시예에 제공된다. 모든 픽셀들에 대한 신호의 완전 세트가 출력되는 최소 주파수는 1 Hz이다. 몇몇 실시예들에서, 모든 픽셀들에 대한 신호의 완전 세트가 출력되는 주파수는 적어도 10 Hz 이상이다. 신호의 각 세트는 단일 시간 프레임의 마지막에서 광 빔의 위치들을 나타내는 것으로 고려될 수 있다.
다른 실시예들에서, 힘 및 토크를 결정하기 위해 적절한 입력 정보를 제공하는데 더 적은 좌표들이 필요하다는 것이 보여졌다. 예를 들어, 도 16에 도시된 광 빔을 참조하자. 여기서, 2개의 법선 보어들(216, 218)을 통한 2개의 광 빔만이 2개의 각진 보어들(180, 182)을 통해 2개의 광 빔과 함께 도시된다. 이 경우에, 8개의 좌표들(x1, y1, x2, y2, x3, y3, x4, y4)은 광 빔의 중심에 기초하여 제어기(48)에 의해 계산된다. 여전히, 힘 및 토크를 해결하기 위해 이들 좌표들 중 6개의 좌표만이 필요하다. 이들 좌표들은 x1, y2, c3, y3, x4, y4를 포함한다.
이들 좌표들(x1, y2, x3, y3, x4, y4)의 선택에 대한 기초는 상이한 힘/토크 상태들 각각 아래에, 예를 들어 결정되는 6개 힘/토크 각각에 대해, 광 빔이 어떻게 시프트되는 지를 이해하게 된다. 이들 시프트들은 도 16에 도시된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 힘(Fx)이 x-축을 따라 가해질 때, 각 광 빔은 x-축을 따라 동일하게 시프트되고, 그러므로 Fx는 x1, x3 및/또는 x4에서의 시프트와 같이 광 빔의 x 좌표들 중 하나에서의 시프트에 상관될 수 있다. 유사하게, 힘(Fy)이 y-축을 따라 가해질 때, 각 광 빔은 y-축을 따라 동일하게 시프트되고, 그러므로, Fy는 y2, y3, 및/또는 y4에서의 시프트와 같이 광 빔의 y 좌표들 중 하나에서의 시프트에 상관될 수 있다.
힘(Fz)이 z-축을 따라 가해질 때, 각진 보어들(180, 182)의 각진 특성은 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 광 빔의 위치들에서의 변화를 산출하는 한편, 법선 보어들(216, 218)을 통과하는 광 빔은 변하지 않은 상태로 남아있다(예를 들어, 중심들은 변하지 않지만, 광 빔에 의해 영향을 받는 픽셀들의 클러스터에서의 작은 변화들이 있을 수 있다). 이것은, 힘(Fz)이 가해질 때 z-축에서의 광 감지 트랜스듀서(158)쪽의 또는 이로부터 멀어지는 시준기(156)의 변위의 결과이다. 이러한 변위로 인해, 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 2개의 각진 광 빔 사이의 거리는 변한다. 도 13a에서, 이 거리는 거리(ZADJ)로서 도시된다. 거리(ZADJ U )의 값은, 부하받지 않은 상태에서의 거리를 나타내는 것으로 힘/토크 센서 조립체(52)의 동작 전체에 걸쳐 스칼라이고 일정하다. 도 13b에서, ZADJ E 는 부하받은 상태에서 거리가 어떻게 변하는 지를 도시한다. 그러므로, 각진 보어들(180, 182)이 광 빔을 중심쪽으로 x-축을 따라 방사상 안쪽으로 향하게 하기 때문에, FZ는 도 16에 도시된 바와 같이 x1 및 x3에서의 시프트와 같이 각진 보어들을 통해 광 빔의 x 좌표들에서의 시프트에 상관될 수 있다.
토크(Tx)가 x-축 주위에 가해져서, x-축 주위의 시준기(156)의 선회를 야기할 때, 각 광 빔은 y-축을 따라 시프트하지만, 모두 동일한 것은 아니다. 도 16에 도시된 바와 같이, 토크(Tx)가 가해질 때, y-축을 따라 법선 보어(216)로부터의 광 빔의 시프트는 y-축을 따라 법선 보어(218)로부터의 시프트보다 작다. y-축을 따라 각진 보어들(180, 182)로부터의 광 빔의 시프트는 그 사이 어디엔가 떨어진다. x-축 주위의 시준기(156)의 선회는, 시준기(156)의 하나의 절반이 광 감지 트랜스듀서(158)에 더 가까이 이동하도록 하고, 다른 절반은 광 감지 트랜스듀서(158)로부터 멀어지게 이동하여, 상이한 시프트 거리들을 초래한다. 그 결과, Tx는 y2, y3 및/또는 y4에서의 시프트와 같이 광 빔의 y 좌표들에서의 시프트에 상관될 수 있다.
유사하게, 토크(Ty)가 y-축 주위에 가해져서, y-축 주위의 시준기(156)의 선회를 야기할 때, 각 광 빔은 x-축을 따라 시프트하지만, 모두 동일한 것은 아니다. 도 16에 도시된 바와 같이, 토크(Ty)가 가해질 때, x-축을 따라 법선 보어(180)로부터의 광 빔의 시프트는 x-축을 따라 법선 보어(182)로부터의 시프트보다 작다. x-축을 따라 각진 보어들(216, 218)로부터의 광 빔의 시프트는 그 사이 어디엔가 떨어진다. y-축 주위의 시준기(156)의 선회는, 시준기(156)의 하나의 절반이 광 감지 트랜스듀서(158)에 더 가까이 이동하도록 하고, 다른 절반은 광 감지 트랜스듀서(158)로부터 멀어지게 이동하여, 상이한 시프트 거리들을 초래한다. 그 결과, Ty는 x1, x3 및/또는 x4에서의 시프트와 같이 광 빔의 x 좌표들에서의 시프트에 상관될 수 있다.
토크(Tz)가 z-축 주위에 가해져서, z-축 주위의 시준기(156)의 선회를 야기할 때, 각 광 빔은 동일하게 시계 방향 또는 반시계 방향으로 시프트한다. 그 결과, Tz는 임의의 2개의 중심들 사이의 라인의 경사도에서의 시프트에 상관될 수 있다. 따라서, 예를 들어, Tz는 x3, y3 및 x4, y4를 포함하는, 광 빔의 임의의 쌍의 x, y 좌표들에 상관될 수 있다.
궁극적으로, 제어기(48)는 광 빔의 중심의 변위와 연관된 이들 6개의 좌표들, 예를 들어 x1, y2, x3, y3, x4, y4에 기초하여 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 3개의 힘(Fx, Fy, Fz) 및 3개의 토크(Tx, Ty, Tz)를 제어할 수 있다. 힘 및 토크의 계산은 힘/토크 센서 조립체(52)의 교정 이전에 다중 선형 회귀 모델에 의존한다.
힘/토크 센서 조립체(52)의 교정은 알려진 힘 및 토크의 세트들을 힘/토크 센서 조립체(52) 상에 가하는 것을 포함한다. 이것은 각 가해진 힘 및 토크에 대해 각 6개의 좌표들(x1, y2, x3, y3, x4, y4)에 대한 값들을 수집하는 것을 포함하며, 이것은 Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz 각각에 대해 복수의 데이터 세트들을 산출한다. 힘/토크 출력들의 데이터 어레이들은 이 후 각 축에 대해 생성될 수 있고, 출력들은 해법을 구속하기 위해 직교 축들에서 제로에 맞춰진다(zeroed). 다중 선형 회귀는 최소 제곱법을 이용하여 특정 축에 대한 A 값들의 행을 해결하도록 계산된다 - 예를 들어, Ax = (XTX)-1XTFX. 이러한 계산은 총 6개의 값들을 산출하기 위해 힘 및 토크에 대한 모든 3개의 축들에 대해 수행된다. 일단 힘/토크 센서 조립체(52)가 교정되면, 다음의 교정 매트릭스는 힘 및 토크를 계산하는데 사용될 수 있다(여기서 o는 작은 오프셋 항이다):
Figure 112015069370937-pct00001
따라서, 제어기(48)는 선형 대수학 및 중심 값들을 이용하여 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 3개의 힘(Fx, Fy, Fz) 및 3개의 토크(Tx, Ty, Tz)를 결정할 수 있다. 이들 힘 및 토크 값들은 이 후 조절기 제어기(48)와 일체형인 다른 모듈들에 송출된다. 이들 다른 모듈들은 조절기(30)의 동작을 조절하기 위해 힘 및 토크 데이터를 이용한다.
IV. 다중-스테이지 분해능
힘/토크 센서 조립체(52)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 단일 트랜스듀서에서의 감도의 2가지 스테이지들을 제공한다. 감도는 기계적 힘/토크 데이터 측정들의 분해능으로서 한정된다. 예를 들어, 일실시예에서, 제 1 스테이지는 제로(0) 내지 5 파운드의 최소 및 최대 범위를 갖는 힘을 포착하고, 최대 상부 범위는 10 파운드보다 더 크지 않다. 제 2 스테이지는 5 파운드 내지 50 파운드의 최소 및 최대 범위를 갖는 힘을 캡처하고, 최대 상부 범위는 100 파운드보다 더 크지 않다.
각 스프링 디바이스(102)는 기구(32)에 가해진 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 감도의 2 레벨들을 달성하여, 힘/토크 측정들의 상이한 분해능들을 제공하기 위해 디버터 플레이트(56) 내에 크기가 정해지고 구성된다.
일실시예에서, 비교적 낮은 힘 및 토크가 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해질 때, 초기에, 스프링 변위의 제 1 스테이지에서 휘어지는 리프 스프링 구성요소들, 즉 푸트들(118)이 있다. 접힘부들(114)은 휘어지지 않는다. 리프 스트링들(106)의 휘어짐은 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 복합 힘 및 토크의 크기에 선형으로 비례하여, 도 5a에 도시된 바와 같이, 힘/토크 센서 조립체(52)의 감도의 제 1 스테이지를 제공한다.
일단 가해진 힘 및 토크의 크기가 제 1 스테이지의 최대치에 도달하면, 푸트들(118) 중 적어도 하나의 쌍은, 푸트들(118)이 인접한 평평부(98)에 인접하여, 추가 휘어짐이 방지되어, 스프링 변위의 제 1 스테이지에서 종료하는 정도까지 밖으로 휘어진다. 더 큰 힘 및 토크를 가하는 것은 스프링 변위의 제 2 스테이지에서 구불구불한 스프링(104)의 휘어짐을 초래한다. 이러한 이벤트가 발생하면, 스프링 토르소들(110) 중 하나 이상이 팽창하는데, 즉 응력 하에 위치되는 한편, 다른 토르소(들)(110)가 압축 상태에 위치되는 것이 인식되어야 한다. 스프링 장치의 구조로 인해, 이들 스프링 팽창 및 압축은 다시 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 복합 힘 및 토크의 크기에 선형으로 비례하여, 도 5a에 도시된 바와 같이 힘/토크 조립체(52)의 감도의 제 2 스테이지를 제공한다.
감도의 제 1 및 제 2 스테이지들이 상이한 스프링 정수(spring rate)를 갖는 구불구불한 스프링들(104) 및 리프 스프링들(106)에 관련된다는 것이 인식되어야 한다. 몇몇 실시예들에서, 리프 스프링들(106)은 감도의 제 2 스테이지를 제공하도록 구성될 수 있는 한편, 구불구불한 스프링들(104)은 감도의 제 1 스테이지를 제공하는데, 즉 이러한 스위칭에 의해, 구불구불한 스프링들(104) 또는 리프 스프링들(106)은 더 큰 스프링 정수를 갖는다. 그러한 실시예에서, 모든 핀들(120)이 구불구불한 스프링(104)의 요소들 사이에 완전히 핀칭(pinched)되도록 하나의 토르소(110)가 압축될 때, 구불구불한 스프링(104)의 추가 휘어짐은 중지되어, 구불구불한 스프링(104)의 변위의 제 1 스테이지를 종료한다. 그 후에, 연관된 리프 스프링(106)은, 하나 이상의 가지들(78)이 임의의 추가 변위를 정지하기 위해 가지 슬롯들(94)의 바닥에 이를(bottom out) 때까지 변위의 제 2 스테이지에서 압축된다.
전술한 바와 같이, 조절기 제어기(48)는 엑추에이터들(46), 이에 따라 기구(32)의 이동을 제어하기 위해 힘/토크 센서 조립체(52)에 의해 생성된 힘 및 토크를 이용한다. 힘/토크 측정들의 이들 2가지 상이한 분해능들은 다양한 목적들을 위해 조절기 제어기(48)에 의해 이용될 수 있다.
V. 조립체
힘/토크 센서 조립체(52)는 핀들(120)의 제 2 핀을 핀 그루브(136) 내에 놓음으로써 먼저 조립된다. 핀 하우징 베이스(122)는, 토르소(110)가 베이스 그루브(134)에 놓이도록 위치된다. 다음으로, 인접하게 위치된 핀들(120)이 놓인다. 캡(124)은 이 후 핀들(120)을 적소에 고정하기 위해 핀 하우징 베이스(122) 상에 위치된다. 측면 벽들(130)은 인접 핀들(120)의 단부들 및 핀 하우징 베이스(122)의 측부들에 걸쳐 연장한다. 이러한 프로세스는, 각 구불구불한 스프링(104)에 핀 하우징(122)에 의해 적소에 고정된 핀들(120)이 설치될 때까지 반복된다. 핀들(120) 및 구불구불한 스프링들(104)은, 구불구불한 스프링들(104)이 휴지 상태(즉, 팽창 또는 압축 이전)에 있을 때, 핀들(120)이 추가 스프링 작동을 중지하기 전에 구불구불한 스프링들(104)이 휘어질 수 있는 일부 간격이 존재하도록 크기가 정해진다.
일단 핀들(120)이 핀 하우징(122) 내에 놓이면, 시준기(156) 및 광 파이프(160)는 디버터 플레이트(56)의 내부 허브(70) 내에 놓인다. 시준기(156)는 먼저 스텝(84) 상에 놓인다. 광 파이프(160)는 다음으로 그루브(86) 내에 놓인다. 광 파이프(160)는, 광 파이프(160)의 헤드(166)가 시준기(156)로부터 말단으로 이격되도록 놓인다.
인쇄 회로 보드(184)는 원형 섹션(140) 내에 놓인다. 인쇄 회로 보드(184)는 패스너들(미도시)을 이용하여 원형 섹션(140)에 부착된다. 전압 조절기(186), 광 감지 트랜스듀서(158) 및 광원(154)은 원형 섹션(140)의 말단 면 상에 놓인다. 전압 조절기(186) 및 광 감지 트랜스듀서(158)는 원형 섹션(140) 상의 중심에 위치된다. 광 감지 트랜스듀서(158)는 전압 조절기(186)의 말단 면에 부착된다. 일단 이들 구성요소들이 베이스 플레이트(58)에 고정되면, 외부 허브(72)는 베이스 플레이트(58)에 고정된다.
일단 디버터 플레이트(56)가 베이스 플레이트(58)에 고정되면, 헤드 플레이트(54)는 내부 허브(70)에 부착된다. 특히, 나사산 형성된 패스너들은 먼저 관통 보어들(62) 및 상보 허브 관통 보어들(80)을 통해 들어간다. 이것은 힘/토크 센서 조립체(52)의 조립을 완료시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일단 힘/토크 센서 조립체(52)가 조립되면, 베이스 플레이트(58)는 조절기(30)에 장착된다. 장착 플레이트(60)는 헤드 플레이트(54)에 고정되고, 기구(32)는 기구 장착부(36) 상에 장착된다.
VI. 다른 실시예들
몇몇 실시예들에서, 중심 좌표들은 힘 및 토크를 계산하기 위해 대안적인 방식으로 이용될 수 있다. 하지만, 기본 원리는 동일하게, 즉 부하가 기구(32)에 가해질 때 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 광 빔의 중심의 이동이 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 힘 및 토크의 6개의 구성요소들에 상관되게 남아있다. 하나의 그러한 실시예는 아래에 기재된다.
도 17을 참조하면, 조절기(30)의 초기화의 부분으로서, 조절기 제어기(48)와 일체형인 메모리는 거리(R)를 한정하는 데이터를 구비한다. 거리(R)는 힘/토크 센서 조립체(52)의 중심(C)으로부터 에너지 도포기(50)까지의 거리이다. 더 구체적으로, 거리(R)는 힘/토크 센서 조립체(52)의 중심(C)으로부터 기구(32)의 임의의 툴 또는 절단 액세서리의 말단 단부 팁까지의 거리이다. 여기서, 말단 단부 팁은 에너지 도포기(50)의 버(bur)인 것으로 이해된다. 버에 대해, 거리(R)는 힘/토크 센서 조립체(52)의 중심(C)으로부터 버의 중심(51)까지의 거리이다. 거리(R)는 항해 포인터(미도시)를 이용하여 결정될 수 있고, 항해 포인터의 위치 및 방향은 항해 시스템(220)에 의해 추적된다.
조절기 제어기(48)는 거리(R)를 x, y, 및 z-축 구성요소들로 분해하는데, 각각 거리들(rx, ry 및 rz)로 분해한다. 이들 거리 구성요소들은 메모리에 저장된다. 상기 프로세스들은 센서 초기 상태 데이터를 메모리에 제공 및 저장하는 단계의 부분인 것으로 고려될 수 있다, 도 18a의 단계(260).
힘/토크 센서 조립체(52)가 부하받지 않은 상태에 있을 때 법선 보어들(172, 174, 176, 178)을 통해 방출된 광 빔의 중심들의 장소들은 도 14a에서 각각 지점들(190, 192, 194, 196)로서 표시된다. 간략함을 위해, 각진 보어들(180, 182)을 통과하는 광 빔과 연관된 지점들은 도 14a 또는 도 14b에 도시되지 않는다.
도 18a의 단계(262)에서, 제어기(48)는 법선 보어들(172, 174, 176, 178)을 통해 연장하는 각 광 빔의 온-센서(on-sensor) 부하받지 않은 상태 장소를 결정한다. 이들 장소들 각각은 장소(
Figure 112015069370937-pct00002
,
Figure 112015069370937-pct00003
)로서 정의된다. 이러한 문헌을 통해, 윗첨자 "U"는 변수의 부하받지 않은 장소를 나타낸다. 아랫 첨자 "m"은, 4개의 광 빔 중 어떤 것이 규정되는 지를 식별한다.
또한, 단계(262)에서, 제어기(48)는, 힘/토크 센서 조립체(52)가 부하받지 않은 상태에 있을 때 개별적인 각진 보어들(180, 182)을 통해 연장하는 광 빔의 온-센서 장소를 결정한다. 이들 장소들은 각진 보어들(180, 182)을 통과하는 광 빔의 중심들의 장소들(
Figure 112015069370937-pct00004
,
Figure 112015069370937-pct00005
)이다. 아랫 첨자 "p"는, 2개의 광 빔 중 어떤 것이 규정되는 지를 식별한다.
도 18a의 단계(264)에서, 제어기(48)는 2개의 각진 광 빔들 사이의 온-센서 장소 사이의 거리, 2개의 지점들(
Figure 112015069370937-pct00006
,
Figure 112015069370937-pct00007
) 사이의 거리를 계산한다. 도 13a에 도시된 이 거리는 거리(
Figure 112015069370937-pct00008
)로서 언급된다.
제어기(48)는 각 광 빔의 중심(초기 중심)의 장소에 기초하여 프레임 장소의 초기 시작을 각 광 빔에 할당한다. 각 광 빔에 대해, 이것은 장소(
Figure 112015069370937-pct00009
Figure 112015069370937-pct00010
)이다. 여기서, 윗첨자("S")는 시간 프레임 장소의 시작을 나타낸다. 제 1 시간 프레임에 대해, 각 빔에 대한 프레임 장소의 시작은 부하받지 않은 상태의 광 빔의 온-센서 장소로 설정된다. 즉
Figure 112015069370937-pct00011
Figure 112015069370937-pct00012
단계(266)에서, 조절기 제어기(48)는 법선 보어들(172, 174, 176, 178)을 통해 광 빔들 중 2개의 광 빔의 중심 장소들 사이의 라인의 경사도를 계산한다. 종종, 제어기(48)는 빔들의 중심 장소들 사이로 연장하는 2개의 라인들의 경사도들을 결정한다. 따라서, 제어기(48)는 도 14a에서 라인들(198 및 200)의 경사도를 결정한다. 라인(198)은 지점들(190 및 196) 사이의 라인이고, 이것은 법선 보어들(172 및 178)을 통과하는 광 빔의 중심들을 식별한다. 라인(200)은 법선 보어들(174 및 174)을 통과하는 광 빔의 중심들을 식별하는 지점들(192 및 194) 사이의 라인이다. 임의로, 경사도(
Figure 112015069370937-pct00013
)는 라인(198)의 경사도의 각도이고, 경사도(
Figure 112015069370937-pct00014
)는 라인(200)의 경사도의 각도이다. 경사도는 도 14a에서 지점(190)으로부터 지점(196)까지의 x/y에서의 변화에 기초하여 상승/하강(rise/run)으로서 정의된다.
광 감지 트랜스듀서(158)로부터의 신호에 기초하여, 제어기(48)는 단계(268)에서, 광 빔의 프레임-종료 온-센서 장소들, 예를 들어, 최종 중심 장소들을 결정한다. 전술한 바와 같이, 힘/토크 센서 조립체(52)가 부하받은 상태에 있을 때, 시준기(156)는, 내부 허브(70)의 시프팅이 시준기(156)의 위치의 유사한 시프팅의 결과이기 때문에 부하받지 않은 상태에 있을 때에 비례하여 위치된 시프팅된 상태에 있다. 이것은, 시준기(156)를 통과하는 광 빔이 힘/토크 센서 조립체(52)가 부하받지 않은 상태에 있을 때보다 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 상이한 장소들에 충돌한다는 것을 의미한다.
도 14b에서, 지점(202)은 지점(190)으로부터 제 1 빔의 중심의 시프트를 나타낸다. 지점(204)은 지점(192)의 장소로부터 제 2 빔의 중심의 시프트를 나타낸다. 지점(206)은 지점(194)의 장소로부터 제 3 빔의 중심의 시프트를 나타낸다. 지점(208)은 지점(196)의 장소로부터 제 4 빔의 중심의 시프트를 나타낸다.
단계(268)는 단계(262)를 수행하도록 이용되는 동일한 프로세스들을 이용하여 수행된다. 그러므로, 단계(268)의 실행 결과로서, 제어기(48)는 법선 보어들(172, 174, 176, 178)과 연관된 4개의 광 빔 각각에 대해 장소 데이터(
Figure 112015069370937-pct00015
Figure 112015069370937-pct00016
)를 갖는다. 이 문헌에서, 윗첨자("E")는 광 빔 또는 빔들과 연관된 프레임-종료 장소 데이터 또는 변수를 나타낸다.
시준기(156) 시프팅 위치의 결과로서, 각진 보어들(180, 182)을 통해 연장하는 광 빔의 온-센서 장소들은 또한 위치를 시프트한다. 이들 위치들에서의 변화는 도 13a와 도 13b 사이의 차이에 의해 나타난다. 그러므로, 광 감지 트랜스듀서(158)로부터 프레임-종료 신호에 기초하여 단계(268)의 부분으로서, 제어기(48)는 각 각진 보어들(180, 182)을 통해 연장하는 광 빔의 프레임-종료 온-센서 장소를 결정한다. 이들 중심 장소들 각각은 지점(
Figure 112015069370937-pct00017
Figure 112015069370937-pct00018
)이다.
단계(270)에서, 제어기(48)는 이제 부하받은 상태에서 거리(
Figure 112015069370937-pct00019
)의 값을 결정한다. 단계(270)는 단계(264)를 수행하도록 이용되는 동일한 프로세스들을 이용하여 수행된다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 거리(
Figure 112015069370937-pct00020
)는 각진 보어들(180, 182)을 통해 연장하는 광 빔의 온-센서 장소들 사이의 거리이다. 일정한 거리(
Figure 112015069370937-pct00021
)에 비해, 거리(
Figure 112015069370937-pct00022
)는 힘/토크 센서 조립체(52)의 동작에 걸쳐 가변적이다.
단계(272)에서, 제어기(48)는 라인들의 새로운 경사도들을 계산한다. 도 14b를 참조하면, 이것은, 라인(210)의 경사도, 라인(198)의 시프트된 방향, 라인(212)의 경사도, 라인(200)의 시프트된 방향이 계산된다는 것을 의미한다. 임의로, 경사도(
Figure 112015069370937-pct00023
)는 라인(210)의 경사도의 각도이고, 경사도(
Figure 112015069370937-pct00024
)는 라인(212)의 경사도의 각도이다.
단계(278)에서, 조절기 제어기(48)는 각진 보어들(180, 182) 중 하나를 통과하는 광 빔의 온-센서 장소들에서의 차이들을 계산한다. 광 빔에 대한 이들 차이들(
Figure 112015069370937-pct00025
및
Figure 112015069370937-pct00026
)은 광 빔의 부하받지 않은 상태 위치와 프레임 종료 위치 사이에서 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 각진 보어(180, 182) 중 하나를 통과하는 광 빔의 중심의 장소의 x 및 y 축들을 따르는 시프트들이다. 차이들(
Figure 112015069370937-pct00027
및
Figure 112015069370937-pct00028
)은 다음의 수학식들에 따라 계산된다:
Figure 112015069370937-pct00029
Figure 112015069370937-pct00030
단계(280)에서, 조절기 제어기(48)는 법선 보어들(172, 174, 176, 178)을 통해 연장하는 광 빔의 시프트들에서 나타나는 차이들의 제 2 세트를 계산한다. 이들은 프레임 온-센서 빔 장소들의 시작 및 마지막 사이에서 광 빔의 위치들(즉, 중심들의 위치들)에서의 차이들이다. 이들 차이들은 x-축을 따르는 프레임 위치 시프트에 대해 XSFR이고, y-축을 따르는 프레임 위치 시프트에 대해 YSFR이다. 이들 차이들은 다음의 수학식들에 따라 계산된다:
Figure 112015069370937-pct00031
Figure 112015069370937-pct00032
다시, 센서 동작의 제 1 프레임에 대해, 부하받지 않은 상태 온-센서 장소들(
Figure 112015069370937-pct00033
,
Figure 112015069370937-pct00034
)은 각각 수학식 5 및 6에서 피감수들(minuends)로서 이용된다.
단계(280)의 시프트된 위치 계산들의 추가 부분은 법선 보어들(172, 174, 176, 178) 중 2개를 통과하는 광 빔의 온-센서 장소들 사이로 연장하는 라인들 중 적어도 하나의 라인의 경사도에서의 변화의 계산이다. 이러한 시프트, SSFR은 단위가 없고, 다음의 수학식에 따라 계산된다:
Figure 112015069370937-pct00035
아랫첨자("n")는, 각도에서의 시프트가 2개의 라인들 중 어떤 것에 연관되는 지를 식별한다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 라인들(198 및 200)의 경사도들은 각각 라인들(210 및 212)의 경사도들로 시프팅되었다.
각도 델타 세타(△θ)는 초기 프레임 및 종료 프레임으로부터 측정된 라인들 중 적어도 하나의 라인의 경사도 사이의 측정된 각도 시프트이다. 각도(△θ)는 °로 측정된다.
Figure 112015069370937-pct00036
제어기(48)는 각진 보어들(180, 182)을 통과하는 광 빔의 중심들의 위치 시프트들에 대한 장소 차이들(XSUPp, YSUPp)을 계산한다. 장소 차이들(XSFRm 및 YSFRm)은 법선 보어들(172, 174, 176, 178)을 통과하는 광 빔의 중심들의 위치에서의 시프트들에 대해 계산된다. 또한 경사도(SSFRn)에서의 변화들이 계산된다. 힘/토크 센서 조립체(52)의 하나의 구성에서, 4개의 광 빔은 시준기(156)를 통해 광 감지 트랜스듀서(158)로 전달된다. 특히, 이들 4개의 광 빔은 양쪽의 각진 보어들(180, 182)과, 대향하는 보어들(172 및 178, 또는 174 및 176)의 어느 한 세트의 한 쌍에 의해 한정된 빔이다.
조절기 제어기(48)는 빔 장소들, 빔간 장소 거리(ZADJ), 및 빔 장소들 사이의 경사도에서의 시프트들에서의 상기 차이들에 기초하여, 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 힘 및 토크를 결정한다.
일실시예에서, 단계(282)에 도시된 바와 같이, 차이들(XSFRm 및 YSFRm)과 각도 차이(SSFRn)에 기초하여, 제어기는 먼저 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 토크(Tx, Ty, 및 Tz)를 결정한다. 이들 3개의 차이들은 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 토크의 함수이다. 더 구체적으로, 전술한 바와 같이, Tx가 y-축을 따르는 광 빔의 중심들에서의 시프트에 상관되고, 이들 시프트들이 YSFRm에 의해 표시된다는 것이 보여졌다. Ty는 x-축을 따르는 광 빔의 중심들에서의 시프트에 상관되고, 이들 시프트들은 XSFRm에 의해 표시된다. Tz는 각도 차이(SSFRn)에 상관된다.
제어기(48)는, 제어기가 액세스되는 토크 룩업 테이블로의 입력 값들로서 이들 차이들의 세트를 적용함으로써 단계(282)를 실행한다. 이들 3개의 차이들의 각 세트는 테이블에 저장된 토크들(Tx, Ty, 및 Tz)의 세트에 대응한다. 토크들은 또한 다중 선형 회귀 모델에 기초하여 전술한 선형 대수학 방법들을 이용하여 결정될 수 있다. 룩업 테이블 또는 다중 선형 회귀 모델로부터의 토크들은 기구(32)에 가해진 힘을 계산하는데 사용된다. 더 구체적으로, 기구(32)에 가해진 힘은 잘 알려진 관계식(T=F*r*sinθ)에 기초하여 결정된다. 이들 힘은 힘/토크 센서 조립체(52)의 좌표 시스템으로 병진 이동될 수 있는데, 이는 기구(32)가 힘/토크 센서 조립체(52)의 내부 허브(70)와 동일한 강성 바디의 부분인 것으로 고려되기 때문이다. 힘과 토크 사이의 관계는, 힘이 x, y, 또는 z 축들을 따라 가해질 때, 기구(32)의 구성 및 힘/토크 센서 조립체(52)에 대한 공간적 관계가 주어지면 토크가 힘/토크 센서 조립체(52)에서 항상 생성되도록 이루어진다. 일실시예에서 힘의 샘플 계산들은 아래에 보여진다.
단계(284)에서, 제어기(48)는 먼저 힘(Fz)을 계산한다. 힘(Fz)은 토크(Tz)의 함수로서 결정된다. 힘/토크 센서 조립체(52)에 대한 기구(32)의 위치와, 델타 각도 세타는 수학식 9와 같다:
Figure 112015069370937-pct00037
여기서 거리(rz)는 벡터(
Figure 112015069370937-pct00038
)의 z-축 구성요소이다. 델타 각도 세타(△θ)는 전술한 바와 같이 측정된 라인들 중 적어도 하나 사이의 측정된 각도 시프트이다. 델타 각도 세타는 수학식 8을 이용하여 결정된다.
단계(288)에서, 힘(Fx)이 계산된다. 이러한 힘은 초기에 각도(
Figure 112015069370937-pct00039
), x-축 시준기 편향각을 계산함으로써 결정된다. 편향각(
Figure 112015069370937-pct00040
)은, 힘/토크 센서 조립체(52)가 부하받지 않은 상태에 있을 때로부터 프레임 종료 상태로 시준기(156)의 x-축 주위의 각 회전이다. 이것은 y-z 평면에서 x-축의 회전이다. 단계(286)에서, 편향각(
Figure 112015069370937-pct00041
)은 수학식 10에 따라 결정된다:
Figure 112015069370937-pct00042
실질적으로 z-축을 따라 시준기(156)의 시프트로 인해, ZADJE는 힘/토크 센서 조립체(52) 동작의 모든 프레임 이후에 측정되는 변수이다. 편향각(
Figure 112015069370937-pct00043
)이 계산되면, 힘(Fx)은 다음의 수학식 11에 따라 단계(288)에서 결정된다:
Figure 112015069370937-pct00044
단계(292)에서, 힘(Fy)이 계산된다. 이러한 힘은 초기에 편향각(
Figure 112015069370937-pct00045
), y-축 시준기 편향각을 계산함으로써 결정된다. 편향각(
Figure 112015069370937-pct00046
)은, 힘/토크 센서 조립체(52)가 부하받지 않은 상태에 있을 때로부터 프레임 종료 상태로 시준기(156)의 y-축 주위의 각 회전이다. 이것은 x-z 평면에서 y-축의 회전이다. 단계(290)에서, 편향각(
Figure 112015069370937-pct00047
)은 수학식 12에 따라 결정된다:
Figure 112015069370937-pct00048
ZADJE는 단계(286)에서 제어기(124)에 의해 결정된 동일한 값이다. 여기서, YSUPp는 부하받지 않은 위치와 프레임 종료 위치 사이에서 광 감지 트랜스듀서(158) 상의 단일 각진 보어(180, 182)를 통과하는 광 빔의 장소의 y-축을 따르는 시프트이다. 일단
Figure 112015069370937-pct00049
가 계산되면, 힘(Fy)은 다음의 수학식에 따라 결정된다:
Figure 112015069370937-pct00050
따라서, 단계(292)의 실행시, 제어기(124)는 힘/토크 센서 조립체(52)에 가해진 결정된 6개의 변수들, 3개의 토크(Tx, Ty 및 Tz), 및 3개의 힘(Fx, Fy 및 Fz)을 갖는다. 힘 및 토크 데이터는 이 후 조절기 제어기(48)와 일체형인 다른 모듈들로 송출되고, 단계는 도시되지 않는다. 이들 다른 모듈들은 조절기(30)의 동작을 조절하기 위해 힘 및 토크 데이터를 이용한다.
단계(300)에서, 제어기(48)는 다음 시간 프레임에 대해 프레임 시작 광 빔 장소들을 한정한다. 이들은 법선 보어들(172, 174, 176, 178) 중 2개를 통과하는 광 빔에 대한 프레임 장소들(XSUP, YSUP)의 시작이다. 단계(300)에서, 현재 프레임에 대한 각 법선 보어 광 빔의 프레임 종료 온-센서 광 빔 장소들(STRX, STRY)은 다음 프레임에 대한 새로운 프레임 시작 장소들(STRX, STRY)이 된다.
단계(302)에서, 프레임 종료 빔간 경사도들은 다음 프레임의 프레임 시작 빔간 경사도를 한정하도록 설정된다. 제어기(48)는 단계(268)를 재실시하고, 다음 프레임, 이제 현재 프레임에 대한 프레임 종료 광 빔 장소들을 결정하도록 진행한다. 일단 단계(268)가 재실시되면, 단계(268)에 후속하는 단계들이 또한 재실시된다. 이에 따라 제어기(48)는 힘/토크 센서 조립체에 가해지는 힘 및 토크를 본질적으로 실시간으로 기재하는 데이터를 계속해서 출력한다.
몇몇 실시예들에서, 각 프레임에 대해, 부하받은 상태에서 법선 보어들(172, 174, 176, 178) 및 각진 보어들(180, 182)에 대한 광 빔의 장소들은 마지막 시간 프레임의 마지막에서의 그 장소들에 비교되는 것에 대조적으로, 힘 및 토크를 결정하기 위해 부하받지 않은 상태에서의 그 장소들에 비교된다. 따라서, 각 계산에 대한 광 빔의 프레임 시작 장소들은, 각 시간 프레임에 가해진 증분 힘 및 토크를 측정하는 것에 대조적으로 부하받지 않은 상태에 대해 가해진 총 힘 및 토크를 결정하기 위해 부하받지 않은 상태로부터 고려되는 동작 동안 힘 및 토크의 모든 결정을 통해 부하받지 않은 상태에서의 광 빔의 장소들이다.
다른 실시예들에서, 토크 센서 조립체가 제공되며, 여기서, 차이들(XSFRm 및 YSFRm) 및 각도 차이(SSFRn)에 기초하여, 제어기는 토크 센서 조립체에 가해지는 토크(Tx, Ty 및 Tz)만을 결정하고, 토크 센서 조립체는 힘/토크 센서 조립체(52)와 동일한 특징들을 갖고, 유일한 차이는 토크만이 측정된다는 것이다.
도 20 및 도 21은 각진 보어들(180A, 182A)의 다중 세트들을 갖는 대안적인 시준기(156A)를 도시한다.
도 22 내지 도 24는 디버터 플레이트(56)의 대안적인 실시예들을 도시한다. 이들 대안적인 디버터 플레이트들은 디버터 플레이트(56)와 실질적으로 동일하지만, 상이한 스프링 장치들을 갖는다. 예를 들어, 도 22에서, 구불구불한 스프링들(104A)은 90도로 회전되었다. 그 결과, 내부 허브(70A)는 3개의 구불구불한 스프링들(104A) 및 3개의 리프 스프링들(106A)을 포함하는 3개의 스프링 디바이스들(102A)에 의해 외부 허브(72A)에 이동가능하게 연결된다. 핀들(120A)은 또한 구불구불한 스프링들(104A)을 위한 멈춤부들(stops)로서 작용하도록 위치된다.
도 23에서, 3개의 스프링 디바이스들(120B)이 도시되며, 이것은 리프 스프링들(106)과 유사한 리프 스프링들(106B)을 포함하지만, 구불구불한 스프링들(104)은 원통형 중공 탄성 부재들을 위한 멈춤부들로서 작용하는 연장된 핀들(120B)을 둘러싸는 원통형 중공 탄성 부재들로 대체되었다. 이 실시예에서, 스프링 변위의 제 1 스테이지는 핀(120B)에 대해 원통형 중공 탄성 부재를 압축시키는 것이다. 이것은 제 1 스테이지를 중지시키고, 그런 후에 제 2 스테이지는 리프 스프링(106C)을 휘어지게 함으로써 계속된다. 따라서, 리프 스프링(106C)은, 제 1 스테이지가 완료될 때까지 휘어짐을 실질적으로 방지하는 스프링 정수를 갖도록 구성된다.
도 24에서, 3개의 스프링 디바이스들(120C)이 도시되며, 이것은 리프 스프링들(106)과 유사한 리프 스프링들(106C)을 포함하지만, 구불구불한 스프링들(104)은 일렬로 배치된 2개의 원통형 중공 탄성 부재들로 대체되었다. 연장된 핀들(120C)은 이들 원통형 중공 탄성 부재들을 위한 멈춤부들로서 작용한다.
몇몇 실시예들에서, 개시된 디버터 플레이트 이외의 구조적 부재들은, 힘 및 토크의 적용에 반응하여, 광 감지 트랜스듀서(158)쪽으로 방출된 광을 향하게 하는 트랜스듀서로서 작용할 수 있다. 즉, 내부 허브(70) 이외의 구조적 센서 부재들은 광 감지 트랜스듀서(158)쪽으로 방출된 광을 선택적으로 향하게 하기 위해 베이스 플레이트(58)에 대해 이동할 수 있다.
가지들(78)은 3개 미만 또는 3보다 큰 수일 수 있다. 다른 버전들에서, 가지들(78)은 힘/토크 센서 조립체(52) 내에서 내부 허브(70)의 불필요한 휘어짐을 방지하도록 크기가 정해질 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 힘/토크 센서 조립체(52)는 조절기(30)의 부분이다. 다른 실시예들에서, 힘/토크 센서 조립체(52)는 조절기(30)와 기구(32) 사이에서 작용하는 개별적인 조립체이다.
몇몇 실시예들에서, 외부 허브(72)는 연동 조립체(40)의 말단 단부 구성요소(138)에 직접 고정되고, 힘/토크 센서 조립체를 위한 베이스 플레이트로서 작용한다. 이 실시예에서, 광 감지 트랜스듀서(158)는 연동 조립체(40)의 말단 단부 구성요소(138)에서의 포켓에서 오목해질 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 시준기는 정사각형 형태이다. 이들 실시예들에서, 내부 허브 보어(80)는, 정사각형 형태의 시준기가 내부 허브 내에 놓일 수 있도록 정사각형 형태가 되도록 구성된다.
몇몇 실시예들에서, 핀들(120)에 대한 접힘부들(114)의 인접은 주름부들(116)의 가소 변형을 방지한다. 따라서, 힘 및/또는 토크가 제거되고, 그런 후에 새로운 힘 및/또는 토크가 가해질 때, 구불구불한 스프링들(104)은 스프링 변위의 제 1 또는 제 2 스테이지에서 가해진 힘 및 토크의 크기에 선형으로 관련되는 팽창 또는 압축을 다시 겪을 것이다.
여러 실시예들은 이전 설명에 논의되었다. 하지만, 본 명세서에 논의된 실시예들은 총괄적이거나 본 발명을 임의의 특정한 형태에 한정하도록 의도되지 않는다. 사용된 용어는 제한하지 않고 설명의 단어들의 특성에 있도록 의도된다. 상기 가르침들을 고려하여 많은 변형들 및 변경들이 가능하고, 본 발명은 특수하게 기재된 것과 다른 방식으로 실시될 수 있다.

Claims (47)

  1. 센서 조립체로서,
    베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트에 대해 변위가능한 센서 부재;
    상기 베이스 플레이트에 대한 상기 센서 부재의 변위에 반응하여 제 1 및 제 2 스테이지들을 갖는 스프링 장치(arrangement)로서, 힘 및 토크 측정들의 상이한 분해능들(resolutions)은 상기 제 1 및 제 2 스테이지들과 연관되고, 상기 스프링 장치는 상기 제 1 스테이지 후에 상기 제 2 스테이지로 변이되도록 구성되는, 스프링 장치;
    상기 스프링 장치와 상호 작용하도록 구성된 복수의 핀(pin); 및
    상기 베이스 플레이트에 대한 상기 센서 부재의 변위를 감지하기 위한, 그리고 대응하는 출력 신호들을 생성하기 위한 광 감지 트랜스듀서를
    포함하는, 센서 조립체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 장치는
    상기 베이스 플레이트에 대한 상기 센서 부재의 변위에 반응하는 복수의 제 1 스프링들로서, 상기 제 1 스프링들 각각은 상기 제 1 스테이지에서 변위가능하고, 제 1 스프링 정수(spring rate)를 갖는, 복수의 제 1 스프링들과;
    상기 베이스 플레이트에 대한 상기 센서 부재의 변위에 반응하는 복수의 제 2 스프링들로서, 상기 제 2 스프링들 각각은 상기 제 2 스테이지에서 변위가능하고, 상기 제 1 스프링 정수와 상이한 제 2 스프링 정수를 갖는, 복수의 제 2 스프링들을
    포함하는, 센서 조립체.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 스프링들은 리프 스프링들인, 센서 조립체.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 스프링들은 구불구불한 스프링들인, 센서 조립체.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 구불구불한 스프링들 각각은 상기 센서 부재에 연결된 제 1 단부와, 상기 리프 스프링들 중 하나에 연결된 제 2 단부를 갖는, 센서 조립체.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 구불구불한 스프링들 각각은 헤드, 토르소(torso), 및 레그를 포함하는, 센서 조립체.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 토르소는 U-형태의 접힘부(fold)를 포함하는, 센서 조립체.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 리프 스프링들 각각은 상기 구불구불한 스프링들의 레그 중 하나로부터 반대 방향들로 연장하는 푸트들(feet)을 갖는, 센서 조립체.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 복수의 핀은 상기 구불구불한 스프링들과 상호 작용하는, 센서 조립체.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 복수의 핀은 상기 헤드와 상기 토르소 사이에 위치한 제 1 핀과, 상기 U-형태의 접힘부에 위치한 제 2 핀과, 상기 토르소와 상기 레그 사이에 위치한 제 3 핀을 포함하는, 센서 조립체.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 핀들을 적소에 고정하는 핀 하우징을 포함하는, 센서 조립체.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 핀 하우징은 핀 하우징 베이스와, 상기 핀 하우징 베이스에 걸쳐 배치된 커버를 포함하고, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 핀들은 상기 커버와 상기 핀 하우징 베이스 사이에 고정되는, 센서 조립체.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 베이스 플레이트에 고정된 외부 허브를 포함하는, 센서 조립체.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 센서 부재는 내부 허브로서 추가로 한정되고, 상기 스프링 장치는 상기 내부 허브와 상기 외부 허브 사이에서 작용하는, 센서 조립체.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 내부 허브에 고정된 헤드 플레이트를 포함하고, 상기 헤드 플레이트는 기구(instrument)에 결합되도록 구성되고, 상기 베이스 플레이트는 연동(linkage) 조립체에 결합되도록 구성되는, 센서 조립체.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 내부 허브로부터 방사상 바깥쪽으로 연장하는 복수의 가지들(tines)을 포함하는, 센서 조립체.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 외부 허브는 상기 가지들을 수용하기 위한 복수의 슬롯들을 한정하고, 상기 슬롯들 각각은 상기 슬롯들에서 상기 가지들의 이동을 허용하도록 크기가 정해지는, 센서 조립체.
  18. 제 1항에 있어서, 광원; 및 광을 상기 광원으로부터 상기 광 감지 트랜스듀서로 향하게 하기 위한 시준기를 포함하는, 센서 조립체.
  19. 센서 조립체로서,
    베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트에 대해 변위가능한 센서 부재;
    복수의 픽셀들을 갖는 광 감지 트랜스듀서;
    상기 광 감지 트랜스듀서 상으로의 복수의 광 빔들에서 향하게 된 광을 제공하여, 상기 광 빔들이 상기 베이스 플레이트에 대한 상기 센서 부재의 변위를 감지하기 위해 상기 광 감지 트랜스듀서의 상이한 픽셀들에 충돌하도록 구성된 광원; 및
    상기 복수의 광 빔들을 상기 광 감지 트랜스듀서 상으로 향하게 하기 위해 복수의 개구부들(openings)을 갖는 시준기로서, 상기 시준기는 상기 광 감지 트랜스듀서에 대해 이동가능한, 상기 시준기를
    포함하는, 센서 조립체.
  20. 삭제
  21. 제 19항에 있어서, 상기 복수의 개구부들은 복수의 관통 보어들(throughbores)로서 추가로 한정되어, 상기 광 빔들은 상기 광 감지 트랜스듀서 상의 상기 픽셀들의 상이한 클러스터들에 충돌하기 위해 상기 관통 보어들을 통해 연장하는, 센서 조립체.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 복수의 픽셀들은 행들 및 열들로 배치되고, 상기 픽셀들 각각은 상기 픽셀들 각각에 충돌하는 광량에 비례하는 출력 신호를 생성하도록 구성되는, 센서 조립체.
  23. 제 21항에 있어서, 상기 광 감지 트랜스듀서와 통신하는 제어기를 포함하고, 상기 광 감지 트랜스듀서에 대한 상기 광 빔들의 이동에 기초하여 힘들 및 토크들을 결정하도록 구성되는, 센서 조립체.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 복수의 관통 보어들은 상기 시준기의 표면에 예각으로 형성된 2개의 각진 보어들을 포함하여, 상기 광 빔들 중 2개는 상기 광 감지 트랜스듀서 상의 상기 각진 보어들을 통해 연장하는 상기 광 빔들의 장소들 사이의 거리에서의 변화에 기초하여 상기 광 감지 트랜스듀서에 법선인 z-축을 따라 상기 센서 부재의 변위를 검출하기 위해 상기 각진 보어들을 통해 연장하는, 센서 조립체.
  25. 제 23항에 있어서, 상기 복수의 관통 보어들은 상기 시준기의 표면에 법선으로 형성된 법선 보어를 포함하여, 상기 광 빔들 중 하나가 상기 법선 보어를 통해 연장하는, 센서 조립체.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 복수의 관통 보어들은 상기 시준기의 상기 표면에 예각으로 형성된 2개의 각진 보어들을 더 포함하여, 상기 광 빔들 중 2개는 상기 각진 보어들을 통해 연장하는, 센서 조립체.
  27. 제 23항에 있어서, 상기 복수의 관통 보어들은 상기 시준기의 표면에 법선으로 형성된 4개의 법선 보어들과, 상기 시준기의 상기 표면에 예각으로 형성된 2개의 각진 보어들을 포함하여, 상기 광 빔들 중 6개는 상기 법선 보어들과 상기 각진 보어들을 통해 연장하는, 센서 조립체.
  28. 제 19항에 있어서, 상기 광 감지 트랜스듀서는 상기 베이스 플레이트에 고정되는, 센서 조립체.
  29. 제 19항에 있어서, 상기 시준기는 디스크 형태인, 센서 조립체.
  30. 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 대해 변위가능한 센서 부재; 상기 베이스 플레이트에 대한 상기 센서 부재의 변위에 반응하는 스프링 장치; 및 복수의 픽셀들을 갖는 광 감지 트랜스듀서를 포함하는 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법으로서,
    상기 센서 부재 상에 가해진 부하에 반응하여 복수의 광 빔들 각각이 상기 광 감지 트랜스듀서 상으로 이동하도록 상기 복수의 광 빔들을 시준기를 통해 상기 광 감지 트랜스듀서 상으로 향하게 하는 단계로서, 상기 시준기는 상기 광 감지 트랜스듀서에 대해 이동가능하고, 상기 스프링 장치는 상기 광 감지 트랜스듀서에 대한 상기 센서 부재의 변위에 반응하는, 상기 복수의 광 빔들을 시준기를 통해 상기 광 감지 트랜스듀서 상으로 향하게 하는 단계; 및
    상기 광 빔들이 상기 가해진 부하에 반응하여 이동할 때 상기 광 빔들에 의해 조명된 픽셀들의 장소들에서의 차이들에 기초하여 힘들 및 토크들을 결정하는 단계를
    포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  31. 제 30항에 있어서, 상기 복수의 광 빔들을 시준기를 통해 상기 광 감지 트랜스듀서 상으로 향하게 하는 단계는, 제 1 광 빔이 픽셀들의 초기 제 1 클러스터에 충돌하고, 제 2 광 빔이 픽셀들의 초기 제 2 클러스터에 충돌하고, 제 3 광 빔이 픽셀들의 초기 제 3 클러스터에 충돌하고, 제 4 광 빔이 픽셀들의 초기 제 4 클러스터에 충돌하도록 상기 센서를 동작하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  32. 제 31항에 있어서, 시간 프레임의 시작에서 상기 픽셀들 각각에 충돌하는 광량에 비례하는 상기 픽셀들 각각으로부터 초기 출력 신호를 생성하고, 상기 광 빔들 각각의 초기 중심을 결정하기 위해 상기 초기 출력 신호를 분석함으로써, 상기 시간 프레임의 시작에서 상기 광 감지 트랜스듀서 상의 상기 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 광 빔들 각각의 초기 장소를 결정하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 제 1 광 빔이 픽셀들의 상기 초기 제 1 클러스터로부터 픽셀들의 최종 제 1 클러스터로 이동하고, 상기 제 2 광 빔이 픽셀들의 상기 초기 제 2 클러스터로부터 픽셀들의 최종 제 2 클러스터로 이동하고, 상기 제 3 광 빔이 픽셀들의 상기 초기 제 3 클러스터로부터 픽셀들의 최종 제 3 클러스터로 이동하고, 상기 제 4 광 빔이 픽셀들의 상기 초기 제 4 클러스터로부터 픽셀들의 최종 제 4 클러스터로 이동하도록 상기 부하가 상기 센서 부재 상에 가해지고, 상기 광 빔들은 상기 시간 프레임의 마지막에 픽셀들의 상기 최종 클러스터들에 충돌하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  34. 제 33항에 있어서, 상기 시간 프레임의 마지막에 상기 픽셀들 각각에 충돌하는 광량에 비례하는 상기 픽셀들 각각으로부터 최종 출력 신호를 생성하고, 상기 광 빔들 각각의 최종 중심을 결정하기 위해 상기 최종 출력 신호들을 분석함으로써, 상기 시간 프레임의 마지막에 상기 광 감지 트랜스듀서 상의 상기 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 광 빔들 각각의 최종 장소를 결정하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 복수의 광 빔들을 시준기를 통해 상기 광 감지 트랜스듀서 상으로 향하게 하는 단계는, 서로 이격된 복수의 관통 보어들을 통해 광원으로부터 광을 향하게 하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 복수의 관통 보어들을 통해 상기 광원으로부터 광을 향하게 하는 단계는, 상기 광을 시준기의 표면에 법선으로 형성된 적어도 2개의 법선 보어들을 통해, 그리고 상기 시준기의 상기 표면에 예각으로 형성된 2개의 각진 보어들을 통해 상기 광원으로부터 상기 광을 향하게 하는 것으로서 추가로 한정되고, 상기 제 1 및 제 2 광 빔들은 상기 적어도 2개의 법선 보어들을 통과하고, 상기 제 3 및 제 4 광 빔들은 상기 2개의 각진 보어들을 통과하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  37. 제 36항에 있어서, 상기 힘들 및 토크들을 결정하는 단계는 상기 광 감지 트랜스듀서 상의 상기 제 1 광 빔의 상기 초기 및 최종 장소들에서의 차이를 계산하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 힘들 및 토크들을 결정하는 단계는 상기 광 감지 트랜스듀서 상에서 상기 제 1 및 제 2 광 빔들의 상기 초기 장소들 사이의 라인의 초기 경사도를 계산하는 단계와, 상기 광 감지 트랜스듀서 상에서 상기 제 1 및 제 2 광 빔들의 상기 최종 장소들 사이의 상기 라인의 최종 경사도를 계산하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  39. 제 38항에 있어서, 상기 힘들 및 토크들을 결정하는 단계는 상기 광 감지 트랜스듀서 상에서 상기 제 3 광 빔의 상기 초기 및 최종 장소들에서의 차이를 계산하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 힘들 및 토크들을 결정하는 단계는 상기 광 감지 트랜스듀서 상에서 상기 제 3 및 제 4 광 빔들의 상기 초기 장소들 사이의 초기 거리를 계산하는 단계와, 상기 광 감지 트랜스듀서 상에서 상기 제 3 및 제 4 광 빔들의 상기 최종 장소들 사이의 최종 거리를 계산하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  41. 제 38항에 있어서, 상기 힘들 및 토크들을 결정하는 단계는 상기 광 감지 트랜스듀서 상에서 상기 제 1 광 빔의 상기 초기 및 최종 장소들에서의 상기 계산된 차이와, 상기 라인의 상기 초기 경사도로부터 상기 라인의 상기 최종 경사도로의 변화에 기초하여 상기 토크들을 결정하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  42. 제 41항에 있어서, 상기 토크들을 결정하는 단계는 상기 광 감지 트랜스듀서 상에서 상기 제 1 광 빔의 상기 초기 및 최종 장소들에서의 상기 계산된 차이와, 상기 라인의 상기 초기 경사도로부터 상기 라인의 상기 최종 경사도로의 상기 변화에 기초하여 x-축, y-축, 및 z-축 주위에서 3개의 토크들의 세트를 식별하기 위해 토크 룩업 테이블에 액세스하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  43. 제 42항에 있어서, 상기 힘들을 결정하는 단계는 상기 x-축, y-축 및 z-축 주위에서 3개의 토크들의 상기 식별된 세트에 기초하여 상기 x-축, y-축, 및 z-축에 대해 상기 힘들을 결정하는 단계를 포함하는, 센서 조립체를 이용하여 힘들 및 토크들을 평가하는 방법.
  44. 삭제
  45. 삭제
  46. 삭제
  47. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 장치가 상기 제 1 스테이지에서 상기 제 2 스테이지로 변이되게 상기 스프링 장치와 상호 작용하도록 구성된 멈춤부를 포함하는, 센서 조립체.
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