用于測(cè)量力和轉(zhuǎn)矩的傳感器組件和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年3月12日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/777596的優(yōu)先權(quán) 和權(quán)益，通過引用將其全部內(nèi)容并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開總體上涉及力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件以及用于測(cè)量力和轉(zhuǎn)矩的方法。在一些實(shí) 施例中，在包括器械以及用于對(duì)器械定位的操縱器的機(jī)器人系統(tǒng)中采用所述力/轉(zhuǎn)矩傳感 器組件和方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 醫(yī)療從業(yè)人員發(fā)現(xiàn)采用機(jī)器人系統(tǒng)輔助手術(shù)過程的執(zhí)行是有用的。這樣的機(jī)器人 系統(tǒng)通常包括具有可移動(dòng)臂的操縱器，所述可移動(dòng)臂包括一個(gè)或多個(gè)連桿。將手術(shù)器械附 接至所述臂的自由端。所述器械被設(shè)計(jì)為應(yīng)用于手術(shù)部位?？刂破髡{(diào)節(jié)所述臂的移動(dòng)，從 而將所述器械以高精確度定位到手術(shù)部位上。
[0005] 很多機(jī)器人系統(tǒng)的部件是力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件。所述力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件附接于 所述臂的自由端和所述器械之間。所述力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件監(jiān)測(cè)施加至所述器械的力和轉(zhuǎn) 矩。這些可以是由于器械壓觸（press against)組織而導(dǎo)致的施加至器械的力和轉(zhuǎn)矩。這 些也可以是從業(yè)者施加的用以設(shè)定器械的位置和/或取向的力和轉(zhuǎn)矩。由控制器接收力/ 轉(zhuǎn)矩傳感器組件所輸出的信號(hào)?？刂破鞑捎眠@些信號(hào)確定器械的目標(biāo)位置。在所確定的目 標(biāo)位置的基礎(chǔ)上，控制器對(duì)所述臂進(jìn)行致動(dòng)，從而使所述臂前進(jìn)，由此將所述器械移動(dòng)到目 標(biāo)位置上。
[0006] 為了確保施加至器械的所有力和轉(zhuǎn)矩都得到測(cè)量，通常的做法是提供六部件力/ 轉(zhuǎn)矩傳感器組件。這種類型的力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件測(cè)量沿三個(gè)軸施加至器械的力以及圍繞 三個(gè)軸施加至器械的轉(zhuǎn)矩。
[0007] -種類型的六部件力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件包括一組應(yīng)變計(jì)。這些量計(jì)包括靜態(tài)構(gòu) 件，多個(gè)橫梁（beam)被柔性地安裝到所述構(gòu)件上。典型地，使一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變計(jì)與每個(gè)橫 梁相關(guān)。每個(gè)應(yīng)變計(jì)起著用于將力或轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器的作用。每個(gè)應(yīng)變計(jì)生成 和與該應(yīng)變計(jì)相關(guān)的橫梁的撓曲成比例的電信號(hào)。應(yīng)變計(jì)的輸出信號(hào)是產(chǎn)生測(cè)得力和轉(zhuǎn)矩 的算法的輸入變量。
[0008] 在采用應(yīng)變計(jì)的力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件中，熱漂移是一種常見的問題。當(dāng)溫度變化 導(dǎo)致零件的收縮或膨脹時(shí)變發(fā)生熱漂移。熱漂移能夠?qū)е缕餍翟谑中g(shù)部位上的錯(cuò)誤放置。 對(duì)于這些類型的力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件而言，以單一分辨率實(shí)施力和轉(zhuǎn)矩測(cè)量也是常見的。 在一些情況下，可能希望所述力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件能夠以多個(gè)分辨率來測(cè)量力和轉(zhuǎn)矩。
[0009] 因而，在本領(lǐng)域需要一種克服這些不足中的一者或多者的力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件以 及力和轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種傳感器組件。所述傳感器組件包括底板和能夠相對(duì) 于底板發(fā)生位移的傳感器構(gòu)件。彈簧布置件響應(yīng)于傳感器構(gòu)件相對(duì)于底板的位移按照第一 級(jí)和第二級(jí)進(jìn)行操作。力和轉(zhuǎn)矩測(cè)量的不同分辨率與所述第一和第二級(jí)相關(guān)。光敏換能器 感測(cè)傳感器構(gòu)件相對(duì)于底板的位移并生成對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。
[0011] 在另一實(shí)施例中，提供了一種傳感器組件，其包括具有多個(gè)像素的光敏換能器。通 過光源提供光，所述光被以多個(gè)光束的形式引導(dǎo)到所述光敏換能器上，從而使各個(gè)光束照 射所述光敏換能器的不同像素，以感測(cè)所述傳感器構(gòu)件相對(duì)于所述底板的位移。
[0012] 在又一實(shí)施例中，提供了一種采用包括具有多個(gè)像素的光敏換能器的傳感器評(píng)估 力和轉(zhuǎn)矩的方法。所述方法包括對(duì)所述傳感器進(jìn)行操作從而將所述多個(gè)光束引導(dǎo)到所述光 敏換能器上。對(duì)所述傳感器施加負(fù)載，從而使所述多個(gè)光束中的每個(gè)在光敏換能器上移動(dòng)。 在被光束照亮的像素的位置隨著光束響應(yīng)于所施加的負(fù)載發(fā)生移動(dòng)而產(chǎn)生的差異的基礎(chǔ) 上確定力和轉(zhuǎn)矩。
[0013] 還提供了采用這些傳感器組件以及用于對(duì)力和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行評(píng)估的方法的機(jī)器人系 統(tǒng)和方法
[0014] 這些傳感器組件和方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于某些應(yīng)用而言所述傳感器組件能夠以 不同的分辨率確定力和轉(zhuǎn)矩。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所述傳感器組件進(jìn)行光學(xué)操作，從而避免了與 應(yīng)變計(jì)相關(guān)的電勢(shì)熱漂移問題。
【附圖說明】
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將被更加容易地認(rèn)識(shí)到，因?yàn)橥ㄟ^結(jié)合附圖并且參考下述詳細(xì)說明 將使它們得到更好的理解，其中：
[0016] 圖1是包括用于將手術(shù)器械定位到患者上以及使其行進(jìn)的操縱器的機(jī)器人系統(tǒng) 的頂視圖；
[0017] 圖2是手術(shù)器械、器械底座和安裝板所附接到的力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件的側(cè)視圖；
[0018] 圖3是座落在操縱器的臂和安裝板之間的力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件的側(cè)視圖，所述力 /轉(zhuǎn)矩傳感器組件包括頂板、具有內(nèi)輪轂和外輪轂的轉(zhuǎn)向器板以及底板；
[0019] 圖4是力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件的分解透視圖；
[0020] 圖5是力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件的轉(zhuǎn)向器板的平面圖；
[0021] 圖5A是示出力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件的兩級(jí)靈敏度的圖示；
[0022] 圖6是處于柱銷外殼內(nèi)的柱銷的分解透視圖；
[0023] 圖7是示出柱銷外殼內(nèi)的柱銷的側(cè)視圖；
[0024] 圖8是其中柱銷位于轉(zhuǎn)向器板的蛇形彈簧內(nèi)的轉(zhuǎn)向器板的平面圖；
[0025] 圖9是貫穿蛇形彈簧內(nèi)的柱銷的局部截面圖；
[0026] 圖10是底板的平面圖；
[0027] 圖11是力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件的準(zhǔn)直器的平面圖；
[0028] 圖11A是示出與各光束相關(guān)的各區(qū)段的光敏換能器的平面圖；
[0029] 圖12A是示出具有通過準(zhǔn)直器延伸的多個(gè)法向孔的該準(zhǔn)直器的截面圖；
[0030] 圖12B是示出具有位于與圖12A不同取向的多個(gè)法向孔的準(zhǔn)直器的截面圖；
[0031] 圖13A是示出具有通過準(zhǔn)直器延伸的多個(gè)傾斜孔的該準(zhǔn)直器的截面圖；
[0032] 圖13B是示出具有位于與圖13A不同取向的多個(gè)傾斜孔的準(zhǔn)直器的截面圖；
[0033] 圖14A是示出在時(shí)間幀起始時(shí)光束在光敏換能器上的照射位置的所述力/轉(zhuǎn)矩傳 感器組件的光敏換能器的平面圖；
[0034] 圖14B是示出在時(shí)間幀結(jié)束時(shí)光束在光敏換能器上的照射位置的光敏換能器的 平面圖；
[0035] 圖15是示出光束的形心位置（location of centroid)的光敏換能器的平面圖；
[0036] 圖15A和15B是分別示出用以確定圖15中所示的光束形心的沿像素列和像素行 的信號(hào)強(qiáng)度變化的圖示；
[0037] 圖16是帶有三個(gè)轉(zhuǎn)矩Tx、1；和T z以及三個(gè)力F x、Fy和F 2的光敏換能器上的光束 的移動(dòng)之間的相關(guān)性的例示；
[0038] 圖17是示出從鉆的形心到力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件的中心的距離為R的器械、鉆和力 /轉(zhuǎn)矩傳感器組件的示意圖；
[0039] 圖18A-18C是示出了由感測(cè)力和轉(zhuǎn)矩的方法所執(zhí)行的步驟的流程圖；
[0040] 圖19是示出準(zhǔn)直器以及在時(shí)間幀起始和時(shí)間幀結(jié)束之間一個(gè)光束在光敏換能器 上的照射位置的變化的示意圖；
[0041] 圖20是替代準(zhǔn)直器的平面圖；
[0042] 圖21是圖20的替代準(zhǔn)直器的透視圖；
[0043] 圖22是其中柱銷垂直座落于蛇形彈簧內(nèi)的轉(zhuǎn)向器板的替代實(shí)施例的平面圖；
[0044] 圖23是轉(zhuǎn)向器板的第二替代實(shí)施例的平面圖；以及
[0045] 圖24是轉(zhuǎn)向器板的第三替代實(shí)施例的平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] I ?概述
[0047] 圖1示出了包括操縱器30和手術(shù)器械32的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。手術(shù)器械32受到 操縱器30的支持，從而相對(duì)于患者P發(fā)生移動(dòng)。在一些實(shí)施例中，操縱器30按照人工和半 自動(dòng)方式發(fā)揮作用，從而相對(duì)于患者P上的目標(biāo)部位對(duì)器械32進(jìn)行定位。
[0048] 操縱器30包括器械底座36,將器械32剛性附接至所述底座。在一些實(shí)施例中，還 將器械32以可拆卸方式附接至器械底座36。操作器30移動(dòng)器械底座36,從而對(duì)器械32 進(jìn)行定位和取向，由此使器械針對(duì)患者P執(zhí)行目標(biāo)醫(yī)療/手術(shù)過程。
[0049] 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)220監(jiān)測(cè)器械32相對(duì)于目標(biāo)部位的位置和/或取向。手術(shù)導(dǎo)航系 統(tǒng)220將位置和/或取向數(shù)據(jù)傳達(dá)至操縱器30,從而使操縱器30能夠?qū)ζ餍?2正確地定 位。
[0050] 操縱器30包括移動(dòng)手推車38。聯(lián)動(dòng)組件40將器械32以可移動(dòng)方式連接至手推 車38。在所示的實(shí)施例中，該聯(lián)動(dòng)組件40包括第一和第二平行的四桿連桿組件42、44。每 個(gè)連桿組件的每個(gè)接頭的位置是通過多個(gè)致動(dòng)器46設(shè)定的。在圖1中，識(shí)別出與連桿組件 42相關(guān)的致動(dòng)器46中的一個(gè)。
[0051] 將操縱器控制器48(被部分示為圖1中的虛線框）安裝到手推車38上。操縱器 控制器48發(fā)送控制信號(hào)，其使得致動(dòng)器46適當(dāng)?shù)卦O(shè)置連桿組件42、44的連桿。操縱器控 制器48基于若干輸入信號(hào)設(shè)置連桿的位置。這些輸入信號(hào)包括來自手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)220的 信號(hào)。
[0052] 在 2013 年 8 月 2 日提交的名稱為"Surgical manipulator Capable of Controlling a Surgical instrument in Multiple Modes"的美國專利申請(qǐng)No. 13/958070 中更加詳細(xì)地闡述了包括操縱器控制器48的操縱器30以及器械32的結(jié)構(gòu)，通過引用將其 公開內(nèi)容并入本文。
[0053] 在一些實(shí)施例中，器械32包括動(dòng)力產(chǎn)生單元（未示出）。所述動(dòng)力產(chǎn)生單元將電 信號(hào)轉(zhuǎn)化成某種形式的施加至患者P的能量。這種能量可以是機(jī)械的、聲的、熱的、RF、EM或 光子能量。在器械32包括動(dòng)力產(chǎn)生單元時(shí)，通過能量施加器50向目標(biāo)部位施加能量。在例 示的實(shí)施例中，器械32包括以用于切割諸如骨骼的組織的切割鉆為形式的能量施加器50。 所述鉆從器械32的手持件（handpiece)延伸出來。
[0054] II?力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件
[0055] 如圖2所示，將力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件52提供為對(duì)施加至器械32的負(fù)載做出反應(yīng)。 所述負(fù)載可以包括由于器械32壓觸組織而受到的阻力和轉(zhuǎn)矩。所述負(fù)載也可以包括在用 戶希望設(shè)定器械32的位置和/或取向時(shí)由用戶施加至器械32的力和轉(zhuǎn)矩。操縱器控制器 48基于力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件52測(cè)得的力和轉(zhuǎn)矩來設(shè)定連桿的位置，繼而設(shè)定器械32的位 置。
[0056] 圖3和圖4所示的力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件52作用于聯(lián)動(dòng)組件40和器械32之間。所 述力/轉(zhuǎn)矩傳感器組件包括頂板54、轉(zhuǎn)向器板56和底板58。這些板54、56、58支持力/轉(zhuǎn) 矩傳感器組件52實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)組件40和器械32之間的操作。在圖3中，為了進(jìn)行舉例說明夸 大了板54、56和58的寬度。
[0057] 參考圖4,頂板54是圓盤形的，從而使其具有相反的朝向近端和朝向遠(yuǎn)端的面，所 述面呈平面并且相互平行。頂板54是由單塊不銹鋼或其他金屬合金形成的。頂板54具有 大約6. 5mm的厚度。在一些實(shí)施例中，頂板54具有處于大約4. 5mm和6. 5mm之間的直徑。 將頂板54附接至安裝板60的朝向近端的面上。將安裝板60固定至器械底座36。（這里 將"近端"理解為朝向操縱器手推車38,因而背離要施加所述器械32的目標(biāo)部位，將"遠(yuǎn)端" 理解為背離操縱器手推車38,從而朝向?qū)⑹┘铀銎餍?2的目標(biāo)部位）
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