(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースプレートと、
前記ベースプレートに対して変位可能なセンサ部材と、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位に応じた第１のステージ及び第２のステージを有するばね装置であって、前記第１のステージ及び前記第２のステージに、力及びトルク測定の別々の分解能が関連付けられ、前記第１のステージの後に前記第２のステージに移行するように構成されているばね装置と、
前記ばね装置と相互作用する複数のピンと、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位を検出し、対応する出力信号を生成する光反応型トランスデューサと
を備えたセンサ組立体。
【請求項２】
前記ばね装置は、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位に反応する複数の第１ばねであって、該第１ばねの各々は、前記第１のステージにおいて変位可能であって第１ばね定数を有する、複数の第１ばねと、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位に反応する複数の第２ばねであって、該第２ばねの各々は、前記第２のステージにおいて変位可能であって、前記第１ばね定数とは異なる第２ばね定数を有する、複数の第２ばねと
を有している、請求項１に記載のセンサ組立体。
【請求項３】
前記第１ばねが板ばねである、請求項２に記載のセンサ組立体。
【請求項４】
前記第２ばねが蛇行ばねである、請求項３に記載のセンサ組立体。
【請求項５】
前記蛇行ばねの各々が、前記センサ部材に接続された第１端部と、１つの前記板ばねに接続された第２端部とを有している、請求項４に記載のセンサ組立体。
【請求項６】
前記蛇行ばねの各々がヘッド部と胴部とレッグ部とを有している、請求項４に記載のセンサ組立体。
【請求項７】
前記胴部がＵ字状折り重ね部を有している、請求項６に記載のセンサ組立体。
【請求項８】
前記板ばねの各々が、前記蛇行ばねのレッグ部の１つから、相反する両方向に延びたフット部を有している、請求項７に記載のセンサ組立体。
【請求項９】
前記複数のピンが前記蛇行ばねと相互作用するものである、請求項７に記載のセンサ組立体。
【請求項１０】
前記複数のピンは、前記ヘッド部と前記胴部との間に位置する第１のピンと、前記Ｕ字状折り重ね部内に位置する第２のピンと、前記胴部と前記レッグ部との間に位置する第３のピンとを含むものである、請求項９に記載のセンサ組立体。
【請求項１１】
前記第１のピンと前記第２のピンと前記第３のピンとを所定位置に固定するピンハウジングを備えた請求項１０に記載のセンサ組立体。
【請求項１２】
前記ピンハウジングは、ピンハウジングベースと該ピンハウジングベースの上に位置するカバーとを有し、
前記第１のピンと前記第２のピンと前記第３のピンとが、前記カバーと前記ピンハウジングベースとの間に固定されている、請求項１１に記載のセンサ組立体。
【請求項１３】
前記ベースプレートに固定された外側ハブを備えた請求項１に記載のセンサ組立体。
【請求項１４】
前記センサ部材は内側ハブとして更に形成されており、
前記ばね装置は、前記内側ハブと前記外側ハブとの間で動くものである、請求項１３に記載のセンサ組立体。
【請求項１５】
前記内側ハブに固定されたヘッドプレートを備え、該ヘッドプレートは器具に接続されるものであり、前記ベースプレートはリンケージ組立体に接続されるものである、請求項１４に記載のセンサ組立体。
【請求項１６】
前記内側ハブから半径方向外側に延びている複数の枝部を備えた請求項１４に記載のセンサ組立体。
【請求項１７】
前記外側ハブには、前記枝部を収容する複数のスロットが形成されており、前記スロットの各々は、当該スロットにおいて前記枝部が移動可能な寸法である、請求項１６に記載のセンサ組立体。
【請求項１８】
光源と、該光源から前記光反応型トランスデューサに光を向けるコリメータとを備えた請求項１に記載のセンサ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示内容は、概して、力・トルクのセンサ組立体と、力及びトルクを測定するための方法とに関する。幾つかの実施形態において、力・トルクのセンサ組立体及び方法は、器具と該器具の位置決めを行うために使用されるマニピュレータとを備えたロボットシステムにおいて用いられる。
【０００２】
［関連出願］
本出願は、２０１３年３月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／７７７，５９６号に基づく優先権及び利益を主張するものである。この米国仮特許出願の全内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【０００３】
医師は、外科処置の実施を補助するためのロボットシステムを使用することが有益であることを見出している。こうしたロボットシステムは、通常、１以上のリンクを備えた可動アームを有するマニピュレータを含む。手術器具は、アームの自由端に取付けられる。器具は、手術部位に適用できるように設計される。コントローラは、アームの動きを調節して、手術部位において高い正確度で器具の位置決めをする。
【０００４】
多くのロボットシステムの構成要素は、力・トルクのセンサ組立体である。力・トルクのセンサ組立体は、アームの自由端と器具との間に取付けられる。力・トルクのセンサ組立体は、器具に加わる力及びトルクをモニタする。これらは、器具を組織に押し付けることにより該器具に加わる力及びトルクとすることができる。これらはまた、器具の位置及び向きの少なくとも一方を設定するために施術者が加える力及びトルクとすることができる。力・トルクのセンサ組立体から出力される信号は、コントローラによって受信される。コントローラは、これらの信号を使用して、器具のターゲット位置を決定する。決定されたターゲット位置に基づいて、コントローラは、アームを作動させ、器具がターゲット位置に移動するようにアームを進める。
【０００５】
器具に加わる全ての力及びトルクが測定されるようにするために、６成分型の力・トルクセンサ組立体を設けることが通常である。このタイプの力・トルクセンサ組立体は、３軸に沿った器具に加わる力と、３軸の回りで器具に加わるトルクとを測定する。
【０００６】
６成分型の力・トルクセンサ組立体のあるタイプは、一組の歪ゲージを備えている。これらのゲージは、複数の梁が撓み可能に取り付けられた静的部材を有している。通常、１以上の歪ゲージは、各梁に連結される。各歪ゲージは、力又はトルクを電気信号に変換するために使用される変換器として働く。各歪ゲージは、当該歪ゲージが連結された梁の撓みに比例する電気信号を生成する。歪ゲージの出力信号は、アルゴリズムに入力される変数である。このアルゴリズムは、測定された力及びトルクをもたらすものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
歪ゲージを使用した力・トルクセンサ組立体では、熱ドリフトが一般的な問題である。熱ドリフトは、温度変化が部品の収縮又は膨張を引起すときに生じる。熱ドリフトの結果、手術部位における器具の不正確な位置決めが生じる可能性がある。これらのタイプの力・トルクセンサ組立体では、単一の分解能（resolution）で力及びトルクの測定を行うことも一般的である。場合によっては、力・トルクセンサ組立体が力及びトルクを複数の分解能で測定することができることが望ましい。
【０００８】
以上に鑑みて、これらの欠点のうちの１以上を解決する力・トルクセンサ組立体と力及びトルクを測定する方法とが、本技術分野において必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの形態によれば、センサ組立体が提供される。このセンサ組立体は、ベースプレートと、ベースプレートに対して変位可能なセンサ部材とを備えている。ばね装置は、ベースプレートに対するセンサ部材の変位に応じて第１のステージ及び第２のステージで動作する。第１のステージ及び第２のステージには、力及びトルク測定の別々の分解能が関連付けられている。光反応型トランスデューサは、ベースプレートに対するセンサ部材の変位を検出し、対応する出力信号を生成する。
【００１０】
別の実施形態によれば、複数のピクセルを有する光反応型トランスデューサを備えるセンサ組立体が提供される。光源は、光反応型トランスデューサ上に複数の光ビームにより方向付けがなされる光を提供し、複数の光ビームは、光反応型トランスデューサの別々のピクセルに当たって、ベースプレートに対するセンサ部材の変位が検出される。
【００１１】
更に別の実施形態によれば、複数のピクセルを有する光反応型トランスデューサを備えたセンサを使用して力及びトルクを評価する方法が提供される。本方法は、光反応型トランスデューサ上に複数の光ビームが向けられるようにセンサを動作させるステップを含む。複数の光ビームの各々が光反応型トランスデューサ上で移動するように荷重がセンサに加えられる。加えられた荷重に応じて光ビームが移動した際に、光ビームによって照らされたピクセルの位置の差分に基づいて、力及びトルクが決定される。
【００１２】
これらのセンサ組立体を用いたロボットシステム及び方法並びに力及びトルクを評価する方法も提供される。
【００１３】
これらセンサ組立体及び方法の１つの利点は、センサ組立体が、ある用途について、力及びトルクを異なった分解能で決定できるということである。別の利点は、センサ組立体が光学的に動作して、歪ゲーシに関する潜在的な熱ドリフトの問題が回避されるということである。
【００１４】
本発明の利点は、添付図面とともに考慮したときに、以下の詳細な説明を参照することで本発明がより良く理解されるにつれて、容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】患者に対して手術器具を位置決めし移動させるために使用されるマニピュレータを備えたロボットシステムの説明図である。
【図２】手術器具、器具マウント、及び取付プレートが取付けられる力・トルクセンサ組立体の側面図である。
【図３】マニピュレータのアームと取付プレートとの間に位置する力・トルクセンサ組立体の側面図である。力・トルクセンサ組立体は、ヘッドプレートと、内側及び外側ハブを有するダイバータプレートと、ベースプレートとを有する。
【図４】力・トルクセンサ組立体の分解斜視図である。
【図５．５Ａ】図５は、力・トルクセンサ組立体のダイバータプレートの平面図である。図５Ａは、力・トルクセンサ組立体の感度の２つのステージを示すグラフである。
【図６．７】図６は、ピンハウジング内のピンの分解斜視図である。図７は、ピンハウジング内のピンを示す側面図である。
【図８．９】図８は、ダイバータプレートの蛇行ばね内にピンが位置する状態の、ダイバータプレートの平面図である。図９は、蛇行ばね内のピンを通した部分断面である。
【図１０】ベースプレートの平面図である。
【図１１．１１Ａ】図１１は、力・トルクセンサ組立体のコリメータの平面図である。図１１Ａは、別個の光ビームに関連する別個のセクタを示す光反応型トランスデューサの平面図である。
【図１２Ａ．１２Ｂ】図１２Ａは、複数の垂直ボアを備えたコリメータを示す断面図である。この垂直ボアはコリメータ内で延びている。図１２Ｂは、複数の垂直ボアが図１２Ａと異なる向きにある状態のコリメータを示す断面図である。
【図１３Ａ．１３Ｂ】図１３Ａは、複数の傾斜ボアを備えたコリメータを示す断面図である。この傾斜ボアはコリメータ内で延びている。図１３Ｂは、複数の傾斜ボアが図１３Ａと異なる向きにある状態のコリメータを示す断面図である。
【図１４Ａ．１４Ｂ】図１４Ａは、時間フレームの開始時に光ビームが光反応型トランスデューサに当たる場合を示す力・トルクセンサ組立体の光反応型トランスデューサの平面図である。図１４Ｂは、時間フレームの終了時に光ビームが光反応型トランスデューサに当たる場合を示す光反応型トランスデューサの平面図である。
【図１５】光ビームの重心の場所を示す光反応型トランスデューサの平面図である。
【図１５Ａ．１５Ｂ】図１５Ａ及び１５Ｂは、図１５に示した光ビームの重心を決定するためにそれぞれ使用されるピクセル列及び行に沿う信号強度の変化を示すグラフである。
【図１６】３つのトルクＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚと３つの力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚとを有する光反応型トランスデューサ上での光ビームの移動の間の相関を示す説明図である。
【図１７】バーの重心から力・トルクセンサ組立体の中心までの距離Ｒを示す、器具、バー、及び力・トルクセンサ組立体の説明図である。
【図１８Ａ】力及びトルクを検出する方法によって行われるステップを示すフロー図である。
【図１８Ｂ】力及びトルクを検出する方法によって行われるステップを示すフロー図である。
【図１８Ｃ】力及びトルクを検出する方法によって行われるステップを示すフロー図である。
【図１９】コリメータと、時間フレームの開始と時間フレームの終了との間において１つの光ビームが光反応型トランスデューサに当たる場合の変化とを示す説明図である。
【図２０．２１】図２０は、代替のコリメータの平面図である。図２１は、図２０の代替のコリメータの斜視図である。
【図２２】蛇行ばね内にピンが垂直に位置するダイバータプレートの代替の実施形態の平面図である。
【図２３】ダイバータプレートの第２の代替の実施形態の平面図である。
【図２４】ダイバータプレートの第３の代替の実施形態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［Ｉ．概要］
図１は、マニピュレータ３０及び手術器具３２を備えたロボット手術システムを示している。手術器具３２は、患者Ｐとの関係で移動するためにマニピュレータ３０によって支持されている。幾つかの実施形態では、マニピュレータ３０は、手動モード及び半自律的モードで機能して、患者Ｐ上のターゲット部位に対して器具３２を位置決めする。
【００１７】
マニピュレータ３０は、器具３２がしっかり取付けられた器具マウント３６を含む。実施形態によっては、器具３２は、器具マウント３６に対して取外し可能に取付けられる。マニピュレータ３０は、器具マウント３６を移動させて、器具３２が患者Ｐに対して、意図された医療・外科処置を実施できるように器具３２の位置決め及び方向付けを行う。
【００１８】
手術ナビゲーションシステム２２０は、ターゲット部位に対する器具３２の位置及び向きの少なくとも一方をモニタする。手術ナビゲーションシステム２２０は、マニピュレータ３０が器具３２を適切に位置決めできるように、位置データ及び向きデータの少なくとも一方をマニピュレータ３０に伝える。
【００１９】
マニピュレータ３０はモバイルカート３８を含む。リンケージ組立体（linkage assembly）４０は、器具３２をカート３８に移動可能につなぐものである。図示の実施形態では、このリンケージ組立体４０は、第１及び第２の平行な４バー型のリンク組立体（link assembly）４２及び４４を備えている。各リンク組立体の各継手の位置は、複数のアクチュエータ４６によって設定される。図１には、リンク組立体４２に連結されたアクチュエータ４６のうちの１つが示されている。
【００２０】
マニピュレータコントローラ４８（図１の仮想的なボックスとして部分的に示す）は、カート３８に搭載されている。マニピュレータコントローラ４８は、リンク組立体４２、４４のリンクをアクチュエータ４６が適切に設定できるようにする制御信号を送る。マニピュレータコントローラ４８は、幾つかの入力信号に基づいてリンクの位置を設定する。これらの入力信号は、手術ナビゲーションシステム２２０からの信号を含む。
【００２１】
マニピュレータコントローラ４８を含むマニピュレータ３０及び器具３２の構造は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes」という名称の２０１３年８月２日に出願された米国特許出願第１３／９５８，０７０号により詳細に記載されており、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００２２】
幾つかの実施形態では、器具３２は、電力発生ユニット（図示せず）を含む。電力発生ユニットは、電気信号を、患者Ｐに適用されるエネルギーの形態に変換するものである。このエネルギーは、機械、音、熱、ＲＦ、ＥＭ、又は光子に関するものとすることができる。器具３２が電力発生ユニットを含む場合、エネルギーは、エネルギーアプリケータ５０を通してターゲット部位に適用される。図示の実施形態では、器具３２は、骨等の組織を切除するための切除バーの形態のエネルギーアプリケータ５０を含んでいる。バーは、器具３２のハンドピースから延びている。
【００２３】
［ＩＩ．力・トルクセンサ組立体］
図２に示すように、器具３２に加わる荷重に反応する力・トルクセンサ組立体５２が提供される。荷重には、器具３２が組織に押付けられることにより器具３２が受ける抵抗力及びトルクが含まれうる。荷重にはまた、器具３２の位置及び向きの少なくとも一方を設定することをユーザが望む場合に、ユーザによって器具３２に加えられる力及びトルクが含まれうる。マニピュレータコントローラ４８は、力・トルクセンサ組立体５２によって測定された力及びトルクに基づいて、リンクひいては器具３２の位置を設定する。
【００２４】
図３及び図４に示す力・トルクセンサ組立体５２は、リンケージ組立体４０と器具３２との間で働く。力・トルクセンサ組立体は、ヘッドプレート５４とダイバータプレート５６とベースプレート５８とを有している。これらのプレート５４、５６、５８は、リンケージ組立体４０と器具３２との間で動作するために力・トルクセンサ組立体５２を支持している。図３では、プレート５４、５６、５８の幅は、説明のために誇張されている。
【００２５】
図４を参照すると、ヘッドプレート５４は、平面でかつ互いに平行な、対向する近位側を向いた面及び遠位側を向いた面を有する円板状である。ヘッドプレート５４は、ステンレス鋼又は他の金属合金の単一部材から形成される。ヘッドプレート５４は約６．５ｍｍの厚さを有する。幾つかの実施形態では、ヘッドプレート５４は、約４．５ｍｍと６．５ｍｍとの間の直径を有する。ヘッドプレート５４は、取付プレート６０の近位側を向いた面に取付けられる。取付プレート６０は、器具マウント３６に固定される。（ここで、「近位（proximal）」は、器具３２が適用されるターゲット部位から離れてマニピュレータカート３８に向かう方向であり、「遠位（distal）」は、器具３２が適用されるターゲット部位に向かってマニピュレータカート３８から離れる方向であると理解される）。
【００２６】
ヘッドプレート５４の対向する面の間に、第１の貫通ボア６２及び第２の貫通ボア６４の組が延びている。第１の貫通ボア６２は、ヘッドプレート５４の中心から半径方向外側に位置する。第１の貫通ボア６２は、互いに等間隔に配置されている。第１の貫通ボア６２の近位開口部は、第１の貫通ボア６２の中心に向かって内側に傾斜するテーパ付き凹部６６によって定められている。第２の貫通ボア６４は、第１の貫通ボア６２から半径方向外側に配置されており、ヘッドプレート５４の外周から内側にわずかな距離の所に位置する。第２の貫通ボア６４はまた、互いに等間隔に配置されるが、隣接する第１の貫通ボア６２と半径方向に位置合わせされていない。ヘッドプレート５４は、ヘッドプレート５４の側面から半径方向内側に延びる側部ボア６８が定められるように更に形成されている。ねじ込み式締結具（図示せず）は、第２の貫通ボア６４を通るように延びており、取付プレート６０に対してヘッドプレート５４を保持する。
【００２７】
ダイバータプレート５６は、ヘッドプレート５４とベースプレート５８との間に位置している。ダイバータプレート５６は、内側センサ部材及び外側センサ部材を含む。図示の実施形態では、内側センサ部材及び外側センサ部材は、それぞれ内側ハブ７０及び外側ハブ７２である。内側ハブ７０は、外側ハブ７２の前方で遠位側に延びている。内側ハブ７０は、外側ハブ７２に接続され、外側ハブ７２に対して移動可能である。外側ハブ７２は、ベースプレート５８に静的に留められている。内側ハブ７０は、ヘッドプレート５４に静的に留められている。ハブ７０、７２はともに、硬化ステンレス鋼の単一部材から形成されている。
【００２８】
内側ハブ７０は全体的に円形の外側形状を有する。内側ハブ７０は外側ハブ７２内に配設される。内側ハブ７０の外周は、弧状にかつ互いに等間隔に配置された３つの平坦面７４によって部分的に定められている。湾曲面７６は、平坦面７４のそれぞれの隣接する対の間に位置している。
【００２９】
枝部（tine）７８は、各湾曲面７６から半径方向外側に延びている。枝部７８は、互いに等角度に離間しており、湾曲面７６の中心から延びている。枝部７８の、対向する近位に向く面と遠位に向く面との間に延びる軸に沿って、枝部７８は、内側ハブ７０の深さより約０．２５ｍｍ〜約１．０ｍｍ短い深さを有する。枝部７８の近位面（番号を付けず）は、内側ハブ７０の近位面と同一平面上にある。そして、枝部の遠位に向く面（番号を付けず）は、内側ハブ７０の隣接する遠位に向く面に対して窪んでいる。
【００３０】
３つのハブ貫通ボア８０は、内側ハブ７０の外周から内方にわずかな距離の所に位置している。ハブ貫通ボア８０は、ヘッドプレート５４内の第１の貫通ボア６２の直径にほぼ等しい直径を有する開口部を有する。各ハブ貫通ボア８０は、別個の第１の貫通ボア６２と整列している。内側ハブ７０は、中心に位置する中心貫通ボア８２を有している。中心貫通ボア８２は、ハブ貫通ボア８０よりも直径が大きい。シリンダ状段部（cylindrical step）８４は、中心貫通ボア８２を定めた内側表面から半径方向に突出している。段部８４は、内側ハブ７０の遠位面から近位側に離れるように窪んでいる。段部８４は、中心貫通ボア８２の内側表面から約０．７５ｍｍ内側に延びている。溝８６は、中心貫通ボア８２から半径方向外側に延びている。溝８６は、内側ハブ７０の遠位面に対して窪んでいる。溝８６のベース部は、段部８４と同一平面上にある。
【００３１】
図５に示すように、外側ハブ７２は、全体的に形状がリングに似ている。外側ハブ７２は、ヘッドプレート５４の直径にほぼ等しい直径を有する。外側ハブ７２は、枝部７８と同じ近位面及び遠位面間の深さを有する。そのため、外側ハブ７２の深さは、内側ハブ７０の深さより小さい。内側ハブ７０の遠位面は、図３に示したように、外側ハブ７２の遠位面よりも上にある。図３では、内側ハブ７０が外側ハブ７２から前方に突出する程度は、説明のために誇張されている。
【００３２】
外側ハブ７２は、内方を向いた３つのタブ８８を有している。タブ８８は互いに等角度に離間している。各タブ８８は、互いに向かって内側にテーパが付いた側面９０を有する。各タブ８８は、円弧状の内側表面９２を有する。内側表面９２は、外側ハブ７２の中心軸と同心である共通円の回りに延びている。各タブ８８は、枝部用スロット（tine slot）９４によって２分されている。各枝部用スロット９４は、内側表面９２から半径方向外側に延びている。各タブ８８は、タブ貫通ボア９６をも有する。タブ貫通ボア９６は、外側ハブ７２に沿って円周方向に離間している。外側ハブ７２は、タブ８８のそれぞれの隣接する対の間に平面の内側表面すなわちフラット９８が存在するように更に形作られている。
【００３３】
各枝部７８は、いくつかの枝部用スロット９４の別々の枝部用スロット９４内に延びている。枝部用スロット９４は、枝部７８の幅より約０．１ｍｍ〜０．７５ｍｍ大きい幅を有する。ダイバータプレート５６は、外側ハブ７２が中立的な位置にあるときに、各枝部７８の外側端が、関連する枝部用スロット９４を定めたタブ８８の隣接する内方に向く表面から約０．１ｍｍ〜０．７５ｍｍ離間するような寸法に更に作られている。
【００３４】
図４及び図５に示しているように、ばね装置（spring arrangement）は、外側ハブ７２に内側ハブ７０を移動可能に取り付けている。ばね装置は、３つのばねデバイス１０２を含む。各ばねデバイス１０２は、平坦面７４のうちの別個の平坦面７４から外方に延びている。各ばねデバイス１０２は、直列に配置された蛇行ばね（serpentine spring）１０４及び板ばね（leaf spring）１０６を含む。
【００３５】
各蛇行ばね１０４は、ヘッド部１０８、胴部（torso）１１０、及びレッグ部１１２を含む。ヘッド部１０８は、内側ハブ７０に接続された蛇行ばね１０４の一部である。ヘッド部１０８は、平坦面７４から半径方向外側に突出している。
【００３６】
胴部１１０は、ヘッド部１０８から延びている。各胴部は、複数のＵ字状折り重ね部１１４と、Ｕ字状折り重ね部１１４から延びたプリーツ１１６とを含む。一実施形態では、胴部１１０は、複数のプリーツ１１６及び折り重ね部１１４から形成される。プリーツ１１６は互いに平行である。折り重ね部１１４は、全体的に形状が半円である。折り重ね部１１４のうちの第１の折り重ね部１１４は、１つのプリーツ１１６をヘッド部１０８に接続している。折り重ね部１１４のうちの第２の折り重ね部１１４は、２つのプリーツ１１６をともに接続している。折り重ね部１１４のうちの第３の折り重ね部１１４は、別のプリーツ１１６をレッグ部１１２に接続している。折り重ね部１１４は可撓性を有する。折り重ね部１１４の可撓性は、プリーツ１１６の長手方向軸が位置をシフトすることを可能にする。
【００３７】
各レッグ部１１２は、比較的厚いベース部を備えている。レッグ部１１２のこのベース部はレッグ部１１２の一部分であり、その部分から、隣接する折り重ね部１１４が延びている。２つのフット部１１８は、各レッグ部１１２の外側端から外方に延びている。各フット部１１８は、約０．２５ｍｍ〜０．７５ｍｍの厚さを有する薄いストリップの形態である。フット部１１８の対を形成するフット部１１８は、同一平面上にある。各フット部１１８は、隣接するタブ８８の側面に連結した（merge into）端部を有している。フット部１１８は、フラット９８よりも半径方向内側の位置においてタブ８８に連結している。そのため、フット部１１８の各対は、隣接するフラット９８に平行でかつ隣接するフラット９８から内側に配置されている。幾つかの実施形態では、この間隔は、約０．２５ｍｍと０．７５ｍｍとの間である。フット部１１８が可撓性材料から形成され、フット部１１８の各対のフット部１１８が同一平面上にある場合、フット部１１８の各対は、板ばね１０６のうちの１つの板ばね１０６を画定している。
【００３８】
そのため、各ばねデバイス１０２は、複数ステージのばねデバイスとみなすことができる。１つのばねステージは、折り重ね部１１４及びプリーツ１１６によって形成された蛇行ばね１０４である。第２のばねステージは、フット部１１８によって形成される板ばね１０６である。図５Ａは、これらの第１のステージ及び第２のステージが、力・トルクセンサ組立体５２によって可能となる力・トルク測定の分解能にどのように影響を及ぼすかを示している。
【００３９】
図６〜図９を参照すると、各蛇行ばね１０４は、複数のピン１２０を収容している。各ピン１２０は、全体的に形状がシリンダ状（cylindrical in shape）である。各ピン１２０は、硬化ステンレス鋼からなる。各ピン１２０は、隣接する胴部１１０の全体の幅にわたってピン１２０が延びることのできる長さを有する。ピン１２０は、隣接する折り重ね部１１４によって定められる円の半径より約０．６２５ｍｍ〜２．５ｍｍ小さい半径を有する。一実施形態では、ピン１２０は、長さが約６．２５ｍｍで、直径が約１．１６８ｍｍである。ピン１２０のうちの第１のピン１２０は、ヘッド部１０８とプリーツ１１６との間で延びている。ピン１２０のうちの第２のピン１２０は、２つのプリーツ１１６の間に位置している。ピン１２０のうちの第３のピン１２０は、半径方向で最も外側にあるプリーツ１１６とレッグ部１１２との間に位置している。
【００４０】
３つのピン１２０の各組は、ピンハウジング１２２内に位置している。ピンハウジング１２２は、キャップ１２４及びピンハウジングベース１２６からなる。ピン１２０は、キャップ１２４とピンハウジングベース１２６との間に位置決めされている。キャップ１２４は、パネル１２８及び２つの対向した側壁１３０を有している。パネル１２８は形状が長方形である。各側壁１３０は、パネル１２８の側部エッジから下方に延びている。パネルボア１３２は、パネル１２８の中心を通るように延びている。ピンハウジングベース１２６は、全体的に形状がブロックに似ている。ベース溝１３４は、ピンハウジングベース１２６の中央を通るように延びている。ベース溝１３４は、胴部１１０を受け入れる寸法に作られている。ピン溝１３６は、ピンハウジングベース１２６の中心を通るように延びている。ピン溝１３６は、ベース溝１３４と交差し、ベース溝１３４に垂直である。ピン溝１３６の深さは、ベース溝１３４の深さより浅い。
【００４１】
図４〜図１０を参照すると、ベースプレート５８は、マニピュレータ３０のリンケージ組立体４０の遠位端構成要素１３８に取付けられている。この構成要素１３８は、カプラ、ロボットフランジ、リスト、又は他の構成要素とすることができる。ベースプレート５８は、硬化ステンレス鋼から形成されている。ベースプレート５８は、全体的に形状が円板に似ており、外側ハブ７２の外径に等しい外径を有している。ベースプレート５８は、内側円形セクション１４０及び外側リム１４２を有している。リム１４２は、円形セクション１４０の外側エッジの回りに円周方向に延びている。リム１４２は、内側円形セクション１４０の遠位側の面よりも上側に隆起しかつその面に平行な遠位側の上面を有している。リム１４２は、リム１４２の対向した近位側の面と遠位側の面との間で延びている複数の第１の開口部１４４及び第２の開口部１４６を有するように形成されている。互いに等角度に離間した３つの第１の開口部１４４が存在している。互いに等角度に離間した３つの第２の開口部１４６が存在している。
【００４２】
複数の凹部１４８がリム１４２の遠位面上に位置している。凹部１４８は、リム１４２の内側表面に沿って開口している。各凹部１４８は、全体的に長方形の形態である。各凹部１４８は、対向する側面と底面の対によって定められている。各凹部１４８は、対向した側面にわたる距離が枝部用スロット９４にわたる幅と等しくなるように形作られている。３つの凹部１４８は、リム１４２の遠位面上で等間隔に配置されている。凹部１４８は、力・トルクセンサ組立体５２が組立てられると、各凹部１４８が、ダイバータプレート５６内の枝部用スロット９４のうちの１つの枝部用スロット９４と位置合わせされた状態となるように位置決めされている。
【００４３】
締結具（図示せず）は、第１の開口部１４４を通るように延び、リンケージ組立体４０の遠位端構成要素１３８に対してベースプレート５８を保持する。締結具（図示せず）は、第２の開口部１４６及びタブ貫通ボア９６を通るように延び、ベースプレート５８に対してダイバータプレート５６を保持する。
【００４４】
力・トルクセンサ組立体５２は、ベースプレート５８に取り付けられた光源１５４を含む光学ベースのセンサ組立体である。光源１５４からの光は、コリメータ１５６を通過して光反応型トランスデューサ（light sensitive transducer）１５８上に向けられる。コリメータ１５６は、光を複数の光ビームに変換する。荷重が器具３２に加わると、コリメータ１５６は、光反応型トランスデューサ１５８に対して変位するため、光ビームは、光反応型トランスデューサ１５８の異なるピクセルに当たる。光ビームのこの移動により、器具３２に加わる力及びトルクを効果的に検出し、この移動を、力及びトルク測定値になるよう関係付けることができる。
【００４５】
光源１４２は、内側円形セクション１４０の遠位面の外側エッジに隣接して位置する。そのため、光源１４２は、リム１４２の内方に向く面に隣接しかつその面と同一平面上にあるものとすることができる。幾つかの実施形態では、光源１４２は、１つ又は複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むＬＥＤ光源である。２つのＬＥＤを図４に示している。
【００４６】
内側ハブ７０の遠位側の面に光パイプ（light pipe）１６０が取り付けられている。光パイプ１６０は、光源１４２から放出された光を受け、その光をコリメータ１５６に向ける。光パイプ１６０は、シリンダ状ステム（cylindrical stem）１６２を有するものとして形作られている。ステム１６２の近位端は、光源１４２の上に位置し、光源１４２から放出された光を受ける。分岐部１６４は、ステム１６２の遠位端から垂直に延びている。分岐部１６４は、内側ハブ溝８６内に着座する寸法に作られている。円形ヘッド部１６６は、分岐部１６４の自由端から延びている。ヘッド部１６６は、円板状レンズを有するように形成されている。ヘッド部１６６は、中心貫通ボア８２に対するカウンタボア内に位置できる寸法に作られている。力・トルクセンサ組立体５２を組立てる際に、光パイプ１６０は、ヘッド部１６６がコリメータ１５６の上のカウンタボア内に配設されるように位置決めされる。
【００４７】
光パイプ１６０は、光源１４２から放出された光をコリメータ１５６に伝えることのできるプラスチック、ガラス、又は他の材料で形成される。幾つかの実施形態では、光パイプ１６０は、プラスチックの単一ピースからなる光ファイバ導管又は射出成形光パイプである。他の実施形態では、光パイプ１６０は完全に削除され、その代わりに、ＬＥＤがコリメータ１５６又は他の光集束デバイスの真上に位置決めされる。
【００４８】
コリメータ１５６は、内側ハブ７０に固定されている。コリメータ１５６は、接着剤、テープ、溶接又は他の方法によって固定することができる。コリメータ１５６は、光パイプ１６０の下のカウンタボア内に位置している。コリメータ１５６は、円板状であり、カウンタボアにほぼ等しい直径を有するため、コリメータ１５６の外周は、内側ハブ７０内に形成された段部８４上に位置する。一実施形態では、コリメータ１５６は、約７．５ｍｍの直径を有する。コリメータ１５６は、石英から形成されるか、又は代替的に、ダイバータプレート５６に組込まれる（例えば、ダイバータプレート５６の一部となるように機械加工される）。
【００４９】
図１１に示しているように、コリメータ１５６は、複数の光開口部を有するものとして形成されている。光開口部のうちの４つが、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８として示されている。垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８は、コリメータ１５６の対向した上部及び底部表面に垂直に形成された貫通ボアである。すなわち、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８は、コリメータ１５６の対向する上部及び底部表面に垂直な軸に沿ってコリメータ１５６内で延びている。垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８は、正方形パターンで配列され、コリメータ１５６の中心から等距離に配置されている。
【００５０】
また、複数の光開口部は、図１１、図１３Ａ、及び図１３Ｂに示しているように、２つの傾斜ボア１８０、１８２を有している。傾斜ボア１８０、１８２は、コリメータ１５６の上部表面と底部表面との間の垂直軸に対して鋭角をなすように配置された軸に沿ってコリメータ１５６内を延びるように傾斜している。傾斜ボア１８０、１８２は、コリメータ１５６の中心から等間隔で配置されている。傾斜ボア１８０、１８２は、コリメータ１５６の中心に向かって内方に傾斜している。幾つかの実施形態では、ボア１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２は正方形状である。他の実施形態では、ボア１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２は円形状である。
【００５１】
光反応型トランスデューサ１５８は、プリント回路基板１８４上の中心に位置している。プリント回路基板１８４は、円形セクション１４０の遠位側の面に位置し、それにより、ベースプレート５８に対して固定されている。プリント回路基板１８４は、円形セクション１４０の遠位面にほぼ等しい形状及びサイズを有している。図示の実施形態では、光反応型トランスデューサ１５８は画像センサである。画像センサはＣＭＯＳ画像センサ又は任意の他の光反応型トランスデューサとすることができる。１つのバージョンでは、画像センサは、カルフォルニア州サンノゼ所在のCypress Semiconductor社から入手可能なＬＵＰＡ１３００Ａセンサである。
【００５２】
光反応型トランスデューサ１５８は、ピクセル等の複数の個々の光感応性素子を有している。ピクセルは、行及び列のフォーマットすなわちマトリクスで配列される。各ピクセルは、該ピクセルに当たる光の強度を示す信号を出力する。幾つかの実施形態では、光反応型トランスデューサ１５８は、２５ミクロン以下のピクセルサイズを有している。ある実施形態では、光反応型トランスデューサ１５８は１２８０×１０２４ピクセルの分解能を有する。各ピクセルは、この実施形態では、約１４ミクロン×１４ミクロンである。
【００５３】
プリント回路基板１８４上に電圧調節器１８６が設けられている。電圧調節器１８６は、光反応型トランスデューサ１５８に定電圧信号を供給する。図示の実施形態では、光反応型トランスデューサ１５８は、電圧調節器１８６の露出面に設けられているものとして示されている。
【００５４】
コリメータ１５６のボア１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２は、光パイプ１６０からの光を複数の別々の光ビームに分割する。光ビームは、光反応型トランスデューサ１５８の面に当たる。光反応型トランスデューサ１５８は、光ビームが光反応型トランスデューサ１５８に当たった場所を示す信号を出力する。これらの信号を、処理のためにローカルコントローラ（不図示）に送ることができる。信号は処理されて、最終的には、力及びトルクをもたらす。マニピュレータコントローラ４８は、力及びトルクを利用して、アクチュエータ４６、したがって、器具３２の動きを制御する。他の実施形態では、光反応型トランスデューサ１５８からの出力信号もまた、マニピュレータコントローラ４８に直接送信することができることが認識されるべきである。
【００５５】
手術の際、器具３２に加わる荷重は、器具３２の少なくとも非常に小さな変位を引き起こす。器具３２のこの変位は、器具マウント３６及び取付プレート６０を通してヘッドプレート５４及び内側ハブ７０に伝えられる。これらは全て、単一の剛体と考えられる。内側ハブ７０の変位は、光反応型トランスデューサ１５８に対するコリメータ１５６の位置及び向きの少なくとも一方のシフトすなわち移動をもたらす。結果として、ボア１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２からの光ビームも移動し、それにより、力及びトルクの決定が可能となる。
【００５６】
［ＩＩＩ．力及びトルクの決定］
荷重が器具３２に加わると、力・トルクセンサ組立体５２は、荷重が加えられた状態にあるとみなされる。荷重（例えば、力及びトルクの少なくとも一方）が力・トルクセンサ組立体５２に加わると、内側ハブ７０は、外側ハブ７２に対して６つのタイプの移動をしうる。移動のうちの３つの移動は並進（translation）である。内側ハブ７０は、ｘ軸、任意には、図５の内側ハブ７０を通る水平軸に沿って移動することができる。内側ハブ７０は、ｙ軸、任意には、図５の内側ハブ７０を通る垂直軸に沿った移動を行うことができる。内側ハブ７０は、ｚ軸、任意には、図５の平面に入りまた平面から出るように延びる、内側ハブ７０の中心を通る軸に沿った移動を行うことができる。内側ハブ７０はまた、上記で特定された軸のそれぞれの回りで少なくとも幾らかの回転運動を行うことができる。通常、力・トルクセンサ組立体５２に力及びトルクが加わると、内側ハブ７０はこれらの移動のうちの幾つかの移動を行う。
【００５７】
器具３２に対して力及びトルクの少なくとも一方が加わっている場合、結果として、コリメータ１５６及び光パイプ１６０は、内側ハブ７０とともに同様に移動する。コリメータ１５６のこの変位により、光源１５４から放出された光が光反応型トランスデューサ１５８の別のピクセルに当たるようになる。光反応型トランスデューサ１５８は、器具３２に加わる力及びトルクに直接的に関連する、コリメートされた光の移動を示す信号を出力する。
【００５８】
力・トルクセンサ組立体５２に対して力又はトルクが加わっていない場合、力・トルクセンサ組立体５２は無荷重状態にあると考えられる。マニピュレータ３０が使用中であれば、他の力が存在しなくても、重力が力・トルクセンサ組立体５２に力及びトルクを課す。この重力の主要な成分が、器具３２及びエネルギーアプリケータ５０に重力をかける力であることが理解されるべきである。内側ハブ７０が純粋に無荷重状態にあるとき、この重力は、外側ハブ７２に対する内側ハブ７０の幾らかの変位を引起す。この力の名目上の性質及び内側ハブ７０の名目上の変位が与えられると、光ビームの場所は、重力がオフセットされた無荷重状態にあるとみなされる。
【００５９】
マニピュレータ３０の動作中、光源１５４から放出された光（図において符号１５５で示す）は、光ビームとして、ボア１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２を通過する。これらの光ビームは、光反応型トランスデューサ１５８の表面上の別々のピクセルクラスタ（cluster of pixels）に当たる。より具体的には、各光ビームは、荷重のない状態及び荷重のある状態によって異なったピクセルクラスタに当たる。荷重のない状態から荷重のある状態への、例えば時間フレームの開始（最初のクラスタ）から該時間フレームの終了（最後のクラスタ）までの、ピクセルクラスタの位置又は場所のシフトを用いて、力及びトルクを決定する。
【００６０】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、荷重のない状態及び荷重のある状態において、垂直ボアのうちの２つの垂直ボア１７２及び１７６を通過する光ビームのうちの２つの光ビームを示している。図１３Ａ及び図１３Ｂは、２つの光ビームが荷重のない状態及び荷重がある状態において傾斜ボア１８０、１８２をどのように通過するかを示している。特に、傾斜ボア１８０、１８２を通過する光ビームは楕円として光反応型トランスデューサ１５８に当たる。
【００６１】
各光ビームの動きの最大範囲について（６つ全ての自由度について）、各光ビームが光反応型トランスデューサ１５８上でセクタＳ（又は窓）に分かれるものとなるように、製造時にコリメータ１５６は光反応型トランスデューサ１５８に対して配置される。その結果、各セクタＳ内のピクセルは、別々に電子的に処理されて、光反応型トランスデューサ１５８における光ビームの重心の位置が決定される。例えば、別個のセクタＳ１〜Ｓ４において光反応型トランスデューサ１５８に当たる垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８からの、図１１Ａに示す光ビーム１７２Ｂ、１７４Ｂ、１７６Ｂ、１７８Ｂと、別個のセクタＳ５〜Ｓ６において光反応型トランスデューサ１５８に当たる傾斜ボア１８０、１８２からの光ビーム１８０Ｂ、１８２Ｂとを参照されたい。力・トルクセンサ組立体５２の変位の全範囲について、光ビームのそれぞれは、対応するセクタＳ１〜Ｓ６内に完全に留まるようになっている。
【００６２】
光反応型トランスデューサ１５８は、各セクタＳ１〜Ｓ６内の各ピクセルから出された信号をマニピュレータコントローラ４８に連続的に出力する。各ピクセルは、光反応型トランスデューサ１５８において特定の行及び列の位置を有する。マニピュレータコントローラ４８が受信する信号は、その位置のピクセルに当たる光の量に比例する。図示の実施形態を理解するために、図１４Ａ及び図１４Ｂの左下のピクセルを、行位置及び列位置が（０，０）のピクセル１８８であるとする。
【００６３】
上記で述べたように、各光ビームは、各セクタＳ１〜Ｓ６内のピクセルクラスタに当たる。したがって、コントローラ４８は、光反応型トランスデューサ１４５から、ピクセルの６つの組を含む画像を構成する信号を受信する。各組は、光にさらされた複数のピクセルからの出力信号を含む。ピクセルのこれらの組のそれぞれについて、コントローラ４８は、光ビームの重心を決定する。
【００６４】
図１５、図１５Ａ、図１５Ｂに示すように、重心は、従来の処理手法を使用して各組内の信号強度を処理することによって決定することができる。例えば、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８を通過する図１５に示す光ビーム１７２Ｂ、１７４Ｂ、１７６Ｂ、１７８Ｂは、ピクセルの別々のクラスタに当たる。これらのクラスタは、各セクタにおいて、ピクセルの全ての列及びピクセルの全ての行に沿って、セクタＳ１〜Ｓ４に関連するピクセルの各組について信号強度を加算し、列及び行に沿ってピーク信号強度を特定して、ｘ、ｙ座標において重心を特定することにより処理される。ピーク信号強度は、特定のピクセル位置に関連付けることができるが、加算した出力信号値の補間又は他の処理の結果、単一ピクセルの物理的位置に必ずしも制限されない、列及び行に沿うピーク信号強度の位置がもたらされる場合がある。図１５Ａ及び図１５Ｂにおけるこの処理の例を参照されたい。
【００６５】
コントローラ４８は、光反応型トランスデューサ１５８のｘｙ座標系における重心の位置を、光ビームが当てられるセンサ上の位置となるように割り当てる。コントローラ４８は、上記処理を、光ビーム及びセンサごとに１回ずつ、６回実施する。このプロセスは、力・トルクセンサ組立体５２の動作の各フレームにおいて繰り返される。したがって、コリメータ１５６が４つの垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８及び２つの傾斜ボア１８０、１８２を有する実施形態では、動作の各フレームについて、１２個のｘ、ｙ座標が提供される。全てのピクセルについての信号の完全な組が出力される最小周波数は１Ｈｚである。幾つかの実施形態では、全てのピクセルについての信号の完全な組が出力される周波数は、１０Ｈｚ以上である。信号の各組は、単一時間フレームの終了時の光ビームの位置を示すとみなすことができる。
【００６６】
他の実施形態では、適切な入力情報を提供して、力及びトルクを決定するために、より少ない数の座標が必要となることが示される。例えば、図１６に示す光ビームを参照されたい。ここで、２つの垂直ボア２１６、２１８を通る２つの光ビームだけが、２つの傾斜ボア１８０、１８２を通る２つの光ビームとともに示されている。この場合、８つの座標ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２、ｘ３、ｙ３、ｘ４、ｙ４が、光ビームの重心に基づいてコントローラ４８により計算される。やはり、これらの座標のうちの６つだけが、力及びトルクを求めるために必要となる。これらの座標は、ｘ１、ｙ２、ｘ３、ｙ３、ｘ４、ｙ４を含む。
【００６７】
これらの座標ｘ１、ｙ２、ｘ３、ｙ３、ｘ４、ｙ４の選択についての基礎は、異なる力・トルク条件のそれぞれの条件の下で、例えば、決定される６つの力・トルクのそれぞれについて光ビームがどのようにシフトするかを理解することに基づいている。これらのシフトを図１６に示している。
【００６８】
図１６に示しているように、力Ｆｘがｘ軸に沿って加えられると、光ビームのそれぞれは、ｘ軸に沿って等しくシフトする。したがって、Ｆｘは、ｘ１とｘ３とｘ４との少なくとも１つのシフト等により、光ビームのｘ座標のうちの１つの座標におけるシフトに関係付けることができる。同様に、力Ｆｙがｙ軸に沿って加えられると、光ビームのそれぞれは、ｙ軸に沿って等しくシフトする。したがって、Ｆｙは、ｙ２とｙ３とｙ４との少なくとも１つのシフト等により、光ビームのｙ座標のうちの１つの座標におけるシフトに関係付けることができる。
【００６９】
力Ｆｚがｚ軸に沿って加えられると、傾斜ボア１８０、１８２の傾斜した性質は、光反応型トランスデューサ１５８における光ビームの位置の変化をもたらす一方で、垂直ボア２１６、２１８を通る光ビームは、不変のままである（例えば、重心は不変であるが、光ビームによって影響を受けるピクセルクラスタの小さな変化が存在する場合がある）。これは、力Ｆｚが加わるときのｚ軸における光反応型トランスデューサ１５８に向かうか又はそこから離れるコリメータ１５６の変位の結果である。この変位により、光反応型トランスデューサ１５８における２つの傾斜光ビーム間の距離が変化する。図１３Ａでは、この距離を距離ＺＡＤＪとして示している。距離の値ＺＡＤＪＵは、スカラであり、無荷重状態における距離を示すものとして、力・トルクセンサ組立体５２の動作全体にわたって一定である。図１３Ｂでは、ＺＡＤＪＥは、荷重のある状態において距離がどのように変化するかを示している。したがって、傾斜ボア１８０、１８２がその光ビームを中心に向かってｘ軸に沿って半径方向内側に向けるため、Ｆｚは、図１６に示すように、ｘ１及びｘ３のシフト等によって傾斜ボアを通した光ビームのｘ軸座標のシフトに関係付けることができる。
【００７０】
トルクＴｘがｘ軸の回りに加えられ、ｘ軸の回りのコリメータ１５６の旋回を引起すとき、光ビームのそれぞれがｙ軸に沿ってシフトするが、全てが等しくシフトするわけではない。図１６に示すように、トルクＴｘが加わると、垂直ボア２１６からの光ビームのｙ軸に沿ったシフトは、垂直ボア２１８からのｙ軸に沿ったシフトよりも小さい。傾斜ボア１８０、１８２からの光ビームのｙ軸に沿うシフトは、その中間のいずれかに入る。ｘ軸の回りのコリメータ１５６の旋回は、コリメータ１５６の半分が光反応型トランスデューサ１５８の近くに移動するようにし、他方の半分は、光反応型トランスデューサ１５８から離れ、それにより、異なったシフト距離をもたらす。結果として、Ｔｘは、ｙ２とｙ３とｙ４との少なくとも１つにおけるシフト等により、光ビームのｙ座標におけるシフトに関係付けることができる。
【００７１】
同様に、トルクＴｙがｙ軸の回りに加えられ、ｙ軸の回りのコリメータ１５６の旋回を引起すとき、光ビームのそれぞれは、ｘ軸に沿ってシフトするが、全てが等しくシフトするわけではない。図１６に示すように、トルクＴｙが加わると、傾斜ボア１８０からの光ビームのｘ軸に沿ったシフトは、傾斜ボア１８２からのｘ軸に沿ったシフトよりも小さい。垂直ボア２１６、２１８からの光ビームのｘ軸に沿ったシフトは、その中間のいずれかに入る。ｙ軸の回りのコリメータ１５６の旋回は、コリメータ１５６の半分が光反応型トランスデューサ１５８の近くに移動するようにし、他方の半分は、光反応型トランスデューサ１５８から離れ、それにより、異なったシフト距離をもたらす。結果として、Ｔｙは、ｘ１とｘ３とｘ４との少なくとも１つにおけるシフト等により、光ビームのｘ座標におけるシフトに関係付けることができる。
【００７２】
トルクＴｚがｚ軸の回りに加えられ、ｚ軸の回りのコリメータ１５６の旋回を引起すとき、光ビームのそれぞれは、時計方向又は反時計方向に等しくシフトする。結果として、Ｔｚは、任意の２つの重心の間のラインの傾斜のシフトに関係付けることができる。そのため、例えば、Ｔｚは、ｘ３、ｙ３とｘ４、ｙ４とを含む光ビームの任意の対のｘ、ｙ座標に関係付けることができる。
【００７３】
最終的に、コントローラ４８は、光ビームの重心の変位に関連するこれらの６つの座標、例えばｘ１、ｙ２、ｘ３、ｙ３、ｘ４、ｙ４に基づいて、力・トルクセンサ組立体５２に加わる３つの力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び３つのトルクＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚを計算することができる。力及びトルクの計算は、多重線形回帰モデル及び力・トルクセンサ組立体５２の従来の較正に依存している。
【００７４】
力・トルクセンサ組立体５２の較正は、既知の力及びトルクの組を力・トルクセンサ組立体５２に適用することを含む。これは、加わる各力及びトルクについて６つの座標ｘ１、ｙ２、ｘ３、ｙ３、ｘ４、ｙ４のそれぞれについて値を収集することを含み、それが、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚのそれぞれについて複数のデータセットをもたらす。その後、力・トルク出力のデータアレイを、各軸について生成することができる。ここで、解を制限するために直交軸における出力はゼロとされる。その後、多重線形回帰が計算され、最小２乗法を使用して、特定の軸のＡ値の行について解く。例えば、Ａｘ＝（ＸＴＸ）−１ＸＴＦＸである。この計算は、力及びトルクが全部で６つの値をもたらすために３つ全ての軸について行われる。力・トルクセンサ組立体５２が較正されると、以下の較正行列を用いて、力及びトルクを計算することができる（ただし、ｏは小さなオフセット項である）。
【数１】
0006329239.tif 000002
【００７５】
こうして、コントローラ４８は、線形代数及び重心の値を使用して力・トルクセンサ組立体５２に加わる３つの力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び３つのトルクＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚを決定することができる。これらの力及びトルクの値は、その後、マニピュレータコントローラ４８と一体の他のモジュールに送られる。これらの他のモジュールは、力及びトルクのデータを使用して、マニピュレータ３０の動作を制御する。
【００７６】
［ＩＶ．複数ステージにおける分解能］
力・トルクセンサ組立体５２は、図５Ａに示したように、単一変換器における感度の２つのステージを提供する。感度は、力・トルクデータの機械的測定の分解能として定められる。例えば、一実施形態では、第１のステージにおいては、０パウンドから５パウンドの最小範囲及び最大範囲により力を捉え、最大上限範囲は、１０パウンドを超えない範囲である。第２のステージにおいては、５パウンドから５０パウンドの最小範囲及び最大範囲により力を捉え、上限最大範囲は１００パウンドを超えない範囲である。
【００７７】
各ばねデバイス１０２は、ダイバータプレート５６において、器具３２に加わる力及びトルクの少なくとも一方を決定するため２つのレベルの感度を達成できるサイズに作られ、そして構成されている。それにより、力・トルクの測定における様々な分解能が提供される。
【００７８】
一実施形態では、比較的小さな力及びトルクが力・トルクセンサ組立体５２に加わると、最初に、ばね変位の第１のステージにおいて撓むのは、板ばね構成要素すなわちフット部１１８である。折り重ね部１１４は撓まない。板ばね１０６の撓みは、力・トルクセンサ組立体５２に加わる複合的な力及びトルクの大きさに線形に比例し、したがって、図５Ａに示すように、力・トルクセンサ組立体５２の感度の第１のステージが提供される。
【００７９】
加わる力及びトルクの大きさが第１のステージの最大値に達すると、フット部１１８の少なくとも１つの対は、フット部１１８が隣接するフラット９８に当接する程度にまで外方に撓むため、更なる撓みが防止され、それにより、ばね変位の第１のステージが終了する。更に大きな力及びトルクの印加は、ばね変位の第２のステージにおいて蛇行ばね１０４の撓みをもたらす。この事象が起こると、ばね胴部１１０のうちの１つ又は２つが、（複数の）他の胴部１１０が圧縮状態にある間に、拡張する、すなわち引っ張られた状態となることが認識されるべきである。ばね装置の構造に起因して、これらのばねの拡張及び圧縮は、ここでもまた、力・トルクセンサ組立体５２に加わる複合的な力及びトルクの大きさに線形に比例し、したがって、図５Ａに示した、力・トルクセンサ組立体５２の感度の第２のステージが提供される。
【００８０】
感度の第１のステージ及び第２のステージが、ばね定数の異なる蛇行ばね１０４及び板ばね１０６に関連することが認識されるべきである。幾つかの実施形態では、蛇行ばね１０４が感度の第１のステージを提供する一方で、板ばね１０６が感度の第２のステージを提供できるように、すなわち、蛇行ばね１０４又は板ばね１０６のどちらがより大きなばね定数を持つかを切換えることにより、板ばね１０６を構成することができる。こうした実施形態では、ピン１２０の全てが蛇行ばね１０４の要素間に完全に挟まれるように１つの胴部１１０が圧縮されるとき、蛇行ばね１０４の更なる撓みが止まり、それにより、蛇行ばね１０４の変位の第１のステージが終了する。その後、関連する板ばね１０６が変位の第２のステージにおいて圧縮され、ついには、枝部７８の１つ又は複数が、枝部用スロット９４において最も低い位置となって、更なる変位が止まる。
【００８１】
上記で論じたように、マニピュレータコントローラ４８は、力・トルクセンサ組立体５２によって生成される力及びトルクを利用して、アクチュエータ４６、したがって器具３２の動きを制御する。これらの２つの異なる分解能の力・トルクの測定値は、種々の目的のためにマニピュレータコントローラ４８によって利用することができる。
【００８２】
［Ｖ．組立て］
力・トルクセンサ組立体５２は、ピン１２０の第２ピンをピン溝１３６内に配置させることによって最初に組立てられる。ピンハウジングベース１２２は、その後、胴部１１０がベース溝１３４内に配置されるように位置決めされる。次に、隣接して位置することになるピン１２０が配置される。その後、キャップ１２４がピンハウジングベース１２２上に置かれて、ピン１２０が所定の位置に固定される。側壁１３０は、隣接するピン１２０の端及びピンハウジングベース１２２の側部を覆って延びている。このプロセスは、ピンハウジング１２２により所定の位置に固定されるピン１２０に各蛇行ばね１０４が合うまで繰り返される。ピン１２０及び蛇行ばね１０４は、蛇行ばね１０４が静止している場合（すなわち、拡張又は収縮の前）において、ピン１２０が更なるばねの作動を止める前に蛇行ばね１０４が撓むことのできる間隔が存在するようなサイズに作られる。
【００８３】
ピン１２０がピンハウジング１２２内に配置されると、コリメータ１５６及び光パイプ１６０が、ダイバータプレート５６の内側ハブ７０内に配置される。コリメータ１５６は、段部８４上に最初に配置される。次に、光パイプ１６０は、溝８６内に配置される。光パイプ１６０は、光パイプ１６０のヘッド部１６６がコリメータ１５６から遠位側に離れて位置するものとなるように配置される。
【００８４】
プリント回路基板１８４は、円形セクション１４０内に配置される。プリント回路基板１８４は、締結具（不図示）を使用して円形セクション１４０に取り付けられる。その後、電圧調節器１８６と光反応型トランスデューサ１５８と光源１５４とが、円形セクション１４０の遠位側の面に配置される。電圧調節器１８６及び光反応型トランスデューサ１５８は、円形セクション１４０において中心に位置する。光反応型トランスデューサ１５８は、電圧調節器１８６の遠位側の面に取付けられる。これらの構成要素がベースプレート５８に固定されると、外側ハブ７２がベースプレート５８に締結され固定される。
【００８５】
ダイバータプレート５６がベースプレート５８に固定されると、ヘッドプレート５４が内側ハブ７０に取付けられる。特に、ねじ込み式締結具は、第１の貫通ボア６２及び相補的ハブ貫通ボア８０を通して入る。これで、力・トルクセンサ組立体５２の組立てが完了する。
【００８６】
図３に示したように、力・トルクセンサ組立体５２が組み立てられると、ベースプレート５８がマニピュレータ３０に取り付けられる。そして、取付プレート６０がヘッドプレート５４に固定され、器具３２は器具マウント３６上に取り付けられる。
【００８７】
［ＶＩ．他の実施形態］
幾つかの実施形態では、力及びトルクを計算するための代替の方法において重心座標を利用することができる。しかし、基本原理は、同じままである。すなわち、荷重が器具３２に加わるときの光反応型トランスデューサ１５８上での光ビームの重心の移動が、力・トルクセンサ組立体５２に加わる力及びトルクの６つの成分に関連している。１つのこうした実施形態を以下に述べる。
【００８８】
図１７に示しているように、マニピュレータ３０の初期化の一部として、マニピュレータコントローラ４８と一体のメモリに、距離Ｒを定めたデータを提供される。距離Ｒは、力・トルクセンサ組立体５２の中心Ｃからエネルギーアプリケータ５０までの距離である。より具体的には、距離Ｒは、力・トルクセンサ組立体５２の中心Ｃから、器具３２の任意のツール又は切除アクセサリの遠位端先端までの距離である。ここで、遠位端先端は、エネルギーアプリケータ５０のバーであると理解される。バーの場合、距離Ｒは、力・トルクセンサ組立体５２の中心Ｃからバーの重心５１までの距離である。距離Ｒは、ナビゲーションポインタ（不図示）を使用して決定することができる。ナビゲーションポインタの位置及び向きは、ナビゲーションシステム２２０によって追跡される。
【００８９】
マニピュレータコントローラ４８は、距離Ｒを、そのｘ、ｙ、及びｚ軸成分に、それぞれ、距離ｒｘ、ｒｙ、及びｒｚに分解する。これらの距離成分はメモリに記憶される。上記プロセスは、センサ初期状態データを提供し、それをメモリに記憶するステップ、すなわち図１８Ａのステップ２６０の一部であるとみなすことができる。
【００９０】
力・トルクセンサ組立体５２が無荷重状態にあるとき、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８を通って放出される光ビームの重心の場所は、図１４Ａにおいて、それぞれ点１９０、１９２、１９４、１９６として示している。簡単にするために、傾斜ボア１８０、１８２を通過する光ビームに関連する点は、図１４Ａにも図１４Ｂにも示していない。
【００９１】
図１８Ａのステップ２６２において、コントローラ４８は、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８を通過した各光ビームの、無荷重状態におけるセンサ上の位置を決定する。これらの位置のそれぞれは、位置
【数２】
0006329239.tif 000003
として定められる。本明細書全体において、上付き文字「Ｕ」は変数の無荷重位置を示している。そして、下付き文字「ｍ」は、４つの光ビームのうちのどの１つの光ビームが指定されるかを特定するものである。
【００９２】
また、ステップ２６２において、コントローラ４８は、力・トルクセンサ組立体５２が無荷重状態にあるときに、個々の傾斜ボア１８０、１８２を通過した光ビームのセンサ上の位置を決定する。これらの位置は、傾斜ボア１８０、１８２を通る光ビームの重心の位置
【数３】
0006329239.tif 000004
である。下付き文字「ｐ」は、２つの光ビームのうちのいずれの一方の光ビームが指定されるかを特定するものである。
【００９３】
図１８Ａのステップ２６４において、コントローラ４８は、２つの傾斜光ビーム間のセンサ上の位置間の距離、すなわち
【数４】
0006329239.tif 000005
という２点間の距離を計算する。図１３Ａに示したこの距離は、距離ＺＡＤＪＵとして示されている。
【００９４】
コントローラ４８は、各光ビームの重心（最初の重心）の位置に基づいて各光ビームに最初のフレーム開始位置を割当てる。各光ビームについて、これは、位置
【数５】
0006329239.tif 000006
である。ここで、上付き文字「Ｓ」は時間フレーム開始位置を示す。第１の時間フレームについて、各ビームのフレーム開始位置は、無荷重状態における光ビームのセンサ上の位置に設定される。換言すれば、
【数６】
0006329239.tif 000007
及び
【数７】
0006329239.tif 000008
である。
【００９５】
ステップ２６６において、マニピュレータコントローラ４８は、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８を通る光ビームのうちの２つの光ビームの重心位置間のラインの傾斜を計算する。多くの場合、コントローラ４８は、ビームの重心位置間に延びる２つのラインの傾斜を決定する。そのため、コントローラ４８は、図１４Ａにおいてライン１９８及び２００の傾斜を決定する。ライン１９８は、垂直ボア１７２及び１７８を通る光ビームの重心を特定する点１９０と１９６との間のラインである。ライン２００は、垂直ボア１７４及び１７４を通る光ビームの重心を特定する点１９２と１９４との間のラインである。任意ではあるが、傾斜
【数８】
0006329239.tif 000009
は、ライン１９８の傾斜角度である。傾斜
【数９】
0006329239.tif 000010
は、ライン２００の傾斜角度である。傾斜は、図１４Ａにおいて点１９０から点１９６までの、ｘ／ｙの変化に基づく垂直距離／水平距離（rise/run）として定義される。
【００９６】
光反応型トランスデューサ１５８からの信号に基づいて、コントローラ４８は、ステップ２６８において、光ビームのセンサ上のフレーム終了位置、例えば最後の重心位置を決定する。上記で述べたように、力・トルクセンサ組立体５２が荷重が加えられた状態にある場合、コリメータ１５６は、無荷重状態のときに対してシフトした位置にある。その理由は、内側ハブ７０のシフトが、コリメータ１５６の位置の同様なシフトをもたらすからである。これは、コリメータ１５６を通過した光ビームが、力・トルクセンサ組立体５２が無荷重状態にあるときに比べて光反応型トランスデューサ１５８上の異なった位置に当たることを意味する。
【００９７】
図１４Ｂにおいて、点２０２は、点１９０からの第１ビームの重心のシフトを示している。点２０４は、点１９２の位置からの第２ビームの重心のシフトを示している。点２０６は、点１９４の位置からの第３ビームの重心のシフトを示している。点２０８は、点１９６の位置からの第４ビームの重心のシフトを示している。
【００９８】
ステップ２６８は、ステップ２６２を行うために使用されたものと同じプロセスを使用して行われる。したがって、ステップ２６８の実行の結果として、コントローラ４８は、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８に関連する４つの光ビームのそれぞれについて位置データ（
【数１０】
0006329239.tif 000011
）を有する。本明細書では、上付き文字「Ｅ」は１つ又は複数の光ビームに関連するフレーム終了における位置データすなわち変数を示す。
【００９９】
コリメータ１５６が位置をシフトした結果として、傾斜ボア１８０、１８２を通過する光ビームのセンサ上の位置もシフトする。これらの位置の変化は、図１３Ａと図１３Ｂとの差分によって表される。したがって、ステップ２６８の一部として、光反応型トランスデューサ１５８からのフレーム終了信号に基づいて、コントローラ４８は、傾斜ボア１８０、１８２のそれぞれを通過した光ビームの、センサ上のフレーム終了位置を決定する。これらの重心位置のそれぞれは、点
【数１１】
0006329239.tif 000012
である。
【０１００】
ステップ２７０において、コントローラ４８は、新たな荷重状態における距離の値ＺＡＤＪＥを決定する。ステップ２７０は、ステップ２６４を実施するために使用されたものと同じプロセスを使用して実施される。図１３Ｂに示しているように、距離ＺＡＤＪＥは、傾斜ボア１８０、１８２を通過した光ビームのセンサ上の位置間の距離である。一定であるＺＡＤＪＵとは異なり、距離の値ＺＡＤＪＥは、力・トルクセンサ組立体５２の動作全体にわたって変化し得る。
【０１０１】
その後、ステップ２７２において、コントローラ４８は、ラインの新たな傾斜を計算する。図１４Ｂに示しているように、これは、ライン２１０の傾斜及びライン１９８のシフトした方向と、ライン２１２の傾斜及びライン２００のシフトした方向とが計算されることを意味する。任意ではあるが、傾斜
【数１２】
0006329239.tif 000013
はライン２１０の傾斜角度である。傾斜
【数１３】
0006329239.tif 000014
はライン２１２の傾斜角度である。
【０１０２】
ステップ２７８において、マニピュレータコントローラ４８は、傾斜ボア１８０、１８２の一方を通る光ビームのセンサ上の位置の差分を計算する。光ビームについてのこれらの差分ＸＳＵＰｐ及びＹＳＵＰｐは、光ビームの無荷重状態における位置とフレーム終了における位置との間の、光反応型トランスデューサ１５８上の傾斜ボア１８０、１８２の一方を通る光ビームの重心の位置のｘ及びｙ軸に沿ったシフトである。差ＸＳＵＰｐ及びＹＳＵＰｐは、以下の式に従って計算される。
【数１４】
0006329239.tif 000015
【０１０３】
ステップ２８０において、マニピュレータコントローラ４８は、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８を通過した光ビームのシフト量を示す差分の第２の組を計算する。これらは、センサ上のフレーム開始位置とセンサ上のフレーム終了位置との間の光ビームの位置（すなわち、重心の位置）の差分である。これらの差分は、ｘ軸に沿ったフレーム位置シフトの場合のＸＳＦＲであり、また、ｙ軸に沿ったフレーム位置シフトの場合のＹＳＦＲである。これらの差分は、以下の式に従って計算される。
【数１５】
0006329239.tif 000016
【０１０４】
ここでもまた、センサ動作の第１フレームについて、無荷重状態におけるセンサ上の位置
【数１６】
0006329239.tif 000017
が、式（５）及び式（６）における被減数としてそれぞれ用いられる。
【０１０５】
ステップ２８０のシフトした位置の計算の更なる一部分は、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８のうちの２つの垂直ボアを通る光ビームのセンサ上の位置間に延びるラインのうちの少なくとも１つのラインの傾斜の変化の計算である。このシフト量ＳＳＦＲは、無単位（unit less）であり、以下の式に従って計算される。
【数１７】
0006329239.tif 000018
【０１０６】
下付き文字「ｎ」は、２つのラインのうちのいずれが角度のシフトに関連するかを特定するものである。図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、ライン１９８及び２００の傾斜はライン２１０及び２１２の傾斜にそれぞれシフトしている。
【０１０７】
角度デルタシータ（Δθ）は、開始フレームから終了フレームまでに測定されるラインのうちの少なくとも１つのラインの傾斜間において測定される角度シフトである。角度デルタシータは、度を単位として測定される。
【数１８】
0006329239.tif 000019
【０１０８】
コントローラ４８は、傾斜ボア１８０、１８２を通る光ビームの重心の位置シフトについて位置の差分ＸＳＵＰｐ、ＹＳＵＰｐを計算する。位置の差分ＸＳＦＲｍ及びＹＳＦＲｍは、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８を通る光ビームの重心の位置のシフトについて計算される。同様に、傾斜ＳＳＦＲｎの変化が計算される。力・トルクセンサ組立体５２の１つの構成では、４つの光ビームがコリメータ１５６を通過して光反応型トランスデューサ１５８に達する。具体的には、これらの４つの光ビームは、両傾斜ボア１８０、１８２と、対向したボア１７２及び１７８の組又はボア１７４及び１７６の組のいずれかからなる１つのペアとによって定められるビームである。
【０１０９】
マニピュレータコントローラ４８は、ビーム位置の上記差分と、ビーム位置間距離ＺＡＤＪと、ビーム位置間の傾斜のシフトとに基づいて、力・トルクセンサ組立体５２に加わる力及びトルクを決定する。
【０１１０】
一実施形態では、ステップ２８２に示すように、差分ＸＳＦＲｍ及びＹＳＦＲｍ並びに角度差分ＳＳＦＲｎに基づいて、コントローラは、力・トルクセンサ組立体５２に加わるトルクＴｘ、Ｔｙ、及びＴｚをまず決定する。これらの３つの差分は、力・トルクセンサ組立体５２に加わるトルクの関数である。より具体的には、上記で述べたように、Ｔｘは、ｙ軸に沿った光ビームの重心のシフトに関連し、そのシフト量がＹＳＦＲｍによって表されることを示した。Ｔｙは、ｘ軸に沿った光ビームの重心のシフトに関連し、そのシフト量はＸＳＦＲｍによって表される。Ｔｚは、角度差分ＳＳＦＲｎに関連している。
【０１１１】
コントローラ４８は、コントローラがアクセスできるトルクルックアップテーブルへの入力値としてこれらの一組の差分を用いることによってステップ２８２を行う。これらの３つの差分の組み合わせのそれぞれは、テーブルに記憶されているトルクＴｘ、Ｔｙ、及びＴｚの組み合わせに対応する。トルクはまた、多重線形回帰モデルに基づいて、上述した線形代数の方法を用いて決定することができる。その後、ルックアップテーブル又は多重線形回帰モデルによるトルクを使用して、器具３２に加わる力を計算する。より具体的には、器具３２に加わる力は、よく知られている関係Ｔ＝Ｆ＊ｒ＊ｓｉｎθに基づいて決定される。その後、これらの力は、力・トルクセンサ組立体５２の座標系に変換することができる。その理由は、器具３２が、力・トルクセンサ組立体５２の内側ハブ７０と同じ剛体の一部であるとみなされるからである。力とトルクとの関係は、器具３２の構成と力・トルクセンサ組立体５２に対する器具３２の空間的関係とが与えられている場合において、ｘ、ｙ、又はｚ軸に沿って力が加わると、力・トルクセンサ組立体５２においてトルクが常に生まれるようなものである。一実施形態における力の計算のサンプルを以下に示す。
【０１１２】
ステップ２８４において、コントローラ４８は、まず力Ｆｚを計算する。力Ｆｚは、トルクＴｚと、力・トルクセンサ組立体５２に対する器具３２の位置と、デルタ角度シータとの関数として決定される。
【数１９】
0006329239.tif 000020
【０１１３】
ここで、距離ｒｚはベクトル
【数２０】
0006329239.tif 000021
のｚ軸成分である。デルタ角度シータ（Δθ）は、上記で述べたように、少なくとも１つの測定対象のラインについて測定された角度シフトである。デルタ角度シータは、式（８）により決定される。
【０１１４】
ステップ２８８において、力Ｆｘが計算される。この力は、角度Ψｘすなわちｘ軸コリメータ振れ角をまず計算することによって決定される。振れ角Ψｘは、力・トルクセンサ組立体５２が無荷重状態にあるときからフレーム終了状態までの、コリメータ１５６のｘ軸回りの角度回転である。これは、ｙ−ｚ平面におけるｘ軸の回転である。ステップ２８６において、振れ角Ψｘは、以下の式に従って決定される。
【数２１】
0006329239.tif 000022
【０１１５】
実質的にｚ軸に沿ったコリメータ１５６のシフトに起因して、ＺＡＤＪＥは、力・トルクセンサ組立体５２の動作の全てのフレームの後に測定される変数である。振れ角Ψｘが計算されると、ステップ２８８において、力Ｆｚが以下の式に従って計算される。
【数２２】
0006329239.tif 000023
【０１１６】
ステップ２９２において、力Ｆｙが計算される。この力は、角度Ψｙ、すなわち、ｙ軸コリメータ振れ角をまず求めることによって決定される。振れ角Ψｙは、力・トルクセンサ組立体５２が無荷重状態にあるときからフレーム終了状態までの、コリメータ１５６のｙ軸回りの角度回転である。これは、ｘ−ｚ平面におけるｙ軸の回転である。ステップ２９０において、振れ角Ψｙは、以下の式に従って決定される。
【数２３】
0006329239.tif 000024
【０１１７】
ＺＡＤＪＥは、ステップ２８６においてコントローラ１２４によって決定されるものと同じ値である。ここで、ＹＳＵＰｐは、無荷重位置とフレーム終了位置との間における、光反応型トランスデューサ１５８上の単一傾斜ボア１８０、１８２を通る光ビームの位置のｙ軸に沿ったシフトである。Ψｙが計算されると、力Ｆｙは、以下の式に従って決定される。
【数２４】
0006329239.tif 000025
【０１１８】
そして、ステップ２９２の実行時点で、コントローラ１２４は、力・トルクセンサ組立体５２に加わる３つのトルクＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚ及び３つの力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚという６つの変数を決定している。その後、力及びトルクのデータは、マニピュレータコントローラ４８と一体の別のモジュールに送られる。このステップは示されていない。これらの他のモジュールは、力及びトルクのデータを使用して、マニピュレータ３０の動きを調節する。
【０１１９】
続いて、ステップ３００において、コントローラ４８は、次の時間フレームにおけるフレーム開始時点の光ビーム位置を定める。これらは、垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８の２つの垂直ボアを通る光ビームについてのフレーム開始位置ＸＳＵＰ、ＹＳＵＰである。ステップ３００において、現在のフレームについての各垂直ボアの光ビームの、フレーム終了におけるセンサ上の光ビーム位置（ＳＴＲＸ，ＳＴＲＹ）は、次のフレームについての新たなフレーム開始における位置（ＳＴＲＸ，ＳＴＲＹ）となる。
【０１２０】
ステップ３０２において、フレーム終了におけるビーム間傾斜は、次のフレームのフレーム開始におけるビーム間傾斜を定めるものとして設定される。その後、コントローラ４８は、ステップ２６８の再実行に進み、次のフレーム、今となっては現在のフレームについてフレーム終了における光ビーム位置を決定する。ステップ２６８が再実行されると、ステップ２６８に続くステップも再び実行される。このようにして、コントローラ４８は、力・トルクセンサ組立体に加わる力及びトルクを本質的にリアルタイムに表すデータを連続して出力する。
【０１２１】
幾つかの実施形態では、各フレームについての、荷重状態における垂直ボア１７２、１７４、１７６、１７８及び傾斜ボア１８０、１８２の光ビームの位置を、最後の時間フレームの終了時のそれらの位置と比較するのではなく、無荷重状態におけるそれらの位置と比較して、力及びトルクを決定する。そのため、各計算における光ビームのフレーム開始時点の位置は、無荷重状態における光ビームの位置であり、動作中の力及びトルクの全ての決定は、各時間フレームにおいて加わる増分的な力及びトルクを測定するのではなく、無荷重状態に基づいて考え、無荷重状態を基準として加わる全ての力及びトルクが決定される。
【０１２２】
他の実施形態では、トルクセンサ組立体が設けられ、差分ＸＳＦＲｍ及びＹＳＦＲｍ並びに角度差分ＳＳＦＲｎに基づいて、コントローラは、トルクセンサ組立体に加わるトルクＴｘ、Ｔｙ、及びＴｚを決定するだけである。トルクセンサ組立体は、力・トルクセンサ組立体５２と同じ特徴を有し、唯一の違いはトルクのみが測定されるということである。
【０１２３】
図２０及び図２１は、傾斜ボア１８０Ａ、１８２Ａの複数の組み合わせを有する代替的なコリメータ１５６Ａを示している。
【０１２４】
図２２〜図２４は、ダイバータプレート５６の代替的な実施形態を示している。これらの代替的なダイバータプレートは、異なったばね装置を有するが、ダイバータプレート５６と実質的に同じである。例えば、図２２では、蛇行ばね１０４Ａは、９０度回転している。結果として、内側ハブ７０Ａは、３つの蛇行ばね１０４Ａ及び３つの板ばね１０６Ａを備えた３つのばねデバイス１０２Ａによって外側ハブ７２Ａに対し移動可能に接続されている。また、ピン１２０Ａは、蛇行ばね１０４Ａ用の停止部として働くように位置決めされている。
【０１２５】
図２３には、板ばね１０６と同様の板ばね１０６Ｂを有する３つのばねデバイス１２０Ｂを示している。しかし、蛇行ばね１０４は、シリンダ状（cylindrical）中空弾性部材に置き換えられている。このシリンダ状中空弾性部材は、該シリンダ状中空弾性部材の停止部として働く細長いピン１２０Ｂを囲んでいる。この実施形態では、ばね変位の第１のステージは、シリンダ状中空弾性部材をピン１２０Ｂに当てて圧縮することである。これで第１のステージが終了し、その後、第２のステージが、板ばね１０６Ｃを撓ませることによって続く。そのため、板ばね１０６Ｃは、第１ステージが完了するまで、実質的に撓むことが防止されるばね定数を有するように構成される。
【０１２６】
図２４には、板ばね１０６と同様の板ばね１０６Ｃを備えた３つのばねデバイス１０２Ｃを示している。しかし、蛇行ばね１０４は、直列に配列された２つのシリンダ状中空弾性部材に置き換えられている。細長いピン１２０Ｃは、これらのシリンダ状中空弾性部材用の停止部として働く。
【０１２７】
幾つかの実施形態では、開示されたダイバータプレート以外の構造部材は、変換器として機能することができ、力及びトルクの印加に応じて、放出された光を、光反応型トランスデューサ１５８に向かうよう選択的に方向付ける。換言すれば、内側ハブ７０以外の構造センサ部材は、ベースプレート５８に対して移動し、放出された光を、光反応型トランスデューサ１５８に向かうように選択的に方向付けることができる。
【０１２８】
枝部７８は、２つ以下又は４つ以上とすることができる。他の形態では、枝部７８は、力・トルクセンサ組立体５２内での内側ハブ７０の不必要な撓みを阻止する寸法に作ることができる。
【０１２９】
幾つかの実施形態では、力・トルクセンサ組立体５２はマニピュレータ３０の一部である。他の実施形態では、力・トルクセンサ組立体５２は、マニピュレータ３０と器具３２との間で働く別個の組立体である。
【０１３０】
幾つかの実施形態では、外側ハブ７２は、リンケージ組立体４０の遠位端構成要素１３８に直接固定され、力・トルクセンサ組立体用のベースプレートとして働く。この実施形態では、光反応型トランスデューサ１５８は、リンケージ組立体４０の遠位端構成要素１３８内のポケット内に後退させることができる。
【０１３１】
幾つかの実施形態では、コリメータの形状は正方形である。これらの実施形態では、内側ハブボア８０は、正方形状コリメータが内側ハブ内に位置することができるように正方形状であるように構成される。
【０１３２】
幾つかの実施形態では、ピン１２０に対する折り重ね部１１４の当接は、プリーツ１１６の可塑変形を防止する。その結果、力及びトルクの少なくとも一方が除かれ、その後、新たな力及びトルクの少なくとも一方が加えられると、蛇行ばね１０４は、ばね変位の第１ステージ又は第２ステージにおいて加えられる力及びトルクの大きさに線形に関係した拡張又は収縮を再び受けることになる。
【０１３３】
幾つかの実施形態をこれまでに説明した。しかし、本明細書における実施形態は、網羅的であることを意図しておらず、本発明を任意の特定の形態に限定することを意図しているわけでもない。用いられている用語は、限定的なものではなく、説明のための用語としての性質にあることを意図している。上記教示を考慮して多くの変更及び変形が可能であり、本発明は、具体的に述べたもの以外の方法で実施することができる。
なお、特願２０１６−５００７３９の出願当初の特許請求の範囲は以下の通りである。
［請求項１］
ベースプレートと、
前記ベースプレートに対して変位可能なセンサ部材と、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位に応じた第１のステージ及び第２のステージを有するばね装置であって、前記第１のステージ及び前記第２のステージに、力及びトルク測定の別々の分解能が関連付けられている、ばね装置と、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位を検出し、対応する出力信号を生成する光反応型トランスデューサと
を備えたセンサ組立体。
［請求項２］
前記ばね装置は、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位に反応する複数の第１ばねであって、該第１ばねの各々は、前記第１のステージにおいて変位可能であって第１ばね定数を有する、複数の第１ばねと、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位に反応する複数の第２ばねであって、該第２ばねの各々は、前記第２のステージにおいて変位可能であって、前記第１ばね定数とは異なる第２ばね定数を有する、複数の第２ばねと
を有している、請求項１に記載のセンサ組立体。
［請求項３］
前記第１ばねが板ばねである、請求項２に記載のセンサ組立体。
［請求項４］
前記第２ばねが蛇行ばねである、請求項３に記載のセンサ組立体。
［請求項５］
前記蛇行ばねの各々が、前記センサ部材に接続された第１端部と、１つの前記板ばねに接続された第２端部とを有している、請求項４に記載のセンサ組立体。
［請求項６］
前記蛇行ばねの各々がヘッド部と胴部とレッグ部とを有している、請求項４に記載のセンサ組立体。
［請求項７］
前記胴部がＵ字状折り重ね部を有している、請求項６に記載のセンサ組立体。
［請求項８］
前記板ばねの各々が、前記蛇行ばねのレッグ部の１つから、相反する両方向に延びたフット部を有している、請求項７に記載のセンサ組立体。
［請求項９］
前記蛇行ばねと相互作用する複数のピンを備えた請求項７に記載のセンサ組立体。
［請求項１０］
前記複数のピンは、前記ヘッド部と前記胴部との間に位置する第１のピンと、前記Ｕ字状折り重ね部内に位置する第２のピンと、前記胴部と前記レッグ部との間に位置する第３のピンとを含むものである、請求項９に記載のセンサ組立体。
［請求項１１］
前記第１のピンと前記第２のピンと前記第３のピンとを所定位置に固定するピンハウジングを備えた請求項１０に記載のセンサ組立体。
［請求項１２］
前記ピンハウジングは、ピンハウジングベースと該ピンハウジングベースの上に位置するカバーとを有し、
前記第１のピンと前記第２のピンと前記第３のピンとが、前記カバーと前記ピンハウジングベースとの間に固定されている、請求項１１に記載のセンサ組立体。
［請求項１３］
前記ベースプレートに固定された外側ハブを備えた請求項１に記載のセンサ組立体。
［請求項１４］
前記センサ部材は内側ハブとして更に形成されており、
前記ばね装置は、前記内側ハブと前記外側ハブとの間で動くものである、請求項１３に記載のセンサ組立体。
［請求項１５］
前記内側ハブに固定されたヘッドプレートを備え、該ヘッドプレートは器具に接続されるものであり、前記ベースプレートはリンケージ組立体に接続されるものである、請求項１４に記載のセンサ組立体。
［請求項１６］
前記内側ハブから半径方向外側に延びている複数の枝部を備えた請求項１４に記載のセンサ組立体。
［請求項１７］
前記外側ハブには、前記枝部を収容する複数のスロットが形成されており、前記スロットの各々は、当該スロットにおいて前記枝部が移動可能な寸法である、請求項１６に記載のセンサ組立体。
［請求項１８］
光源と、該光源から前記光反応型トランスデューサに光を向けるコリメータとを備えた請求項１に記載のセンサ組立体。
［請求項１９］
ベースプレートと、
前記ベースプレートに対して変位可能なセンサ部材と、
複数のピクセルを有する光反応型トランスデューサと、
前記光反応型トランスデューサに対して複数の光ビームにより方向付けがなされる光を提供する光源であって、複数の前記光ビームが前記光反応型トランスデューサの別々のピクセルに当たり、前記光反応型トランスデューサが前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位を検出する、光源と
を備えたセンサ組立体。
［請求項２０］
複数の前記光ビームを前記光反応型トランスデューサに向ける複数の開口部を有し、前記光反応型トランスデューサに対して移動可能なコリメータを備えた請求項１９に記載のセンサ組立体。
［請求項２１］
複数の前記開口部は、複数の貫通ボアとして更に形成されており、
複数の前記光ビームは、複数の前記貫通ボアを通過し、前記光反応型トランスデューサにおける前記ピクセルの別々のクラスタに当たる、請求項２０に記載のセンサ組立体。
［請求項２２］
複数の前記ピクセルは行及び列の形で配置されており、各ピクセルは、当該ピクセルに当たった光の量に比例する出力信号を生成するものである、請求項２１に記載のセンサ組立体。
［請求項２３］
前記光反応型トランスデューサと通信し、該光反応型トランスデューサに対する前記光ビームの移動に基づいて力及びトルクを決定するコントローラを備えた請求項２１に記載のセンサ組立体。
［請求項２４］
複数の前記貫通ボアは、前記コリメータの表面に対して鋭角をなすように形成された２つの傾斜ボアを含み、
複数の前記光ビームのうちの２つが前記傾斜ボアを通過し、
前記傾斜ボアを通過した前記光ビームの、前記光反応型トランスデューサにおける位置間の距離変化に基づいて、前記光反応型トランスデューサに垂直なｚ軸に沿った前記センサ部材の変位が検出される、請求項２３に記載のセンサ組立体。
［請求項２５］
複数の前記貫通ボアは、前記コリメータの表面に垂直に形成された垂直ボアを含み、複数の前記光ビームのうちの１つが前記垂直ボアを通過する、請求項２３に記載のセンサ組立体。
［請求項２６］
複数の前記貫通ボアは、前記コリメータの表面に対して鋭角をなすように形成された２つの傾斜ボアを更に含み、複数の前記光ビームのうちの２つが前記傾斜ボアを通過する、請求項２５に記載のセンサ組立体。
［請求項２７］
複数の前記貫通ボアは、前記コリメータの表面に垂直に形成された４つの垂直ボアと、前記コリメータの表面に鋭角をなすように形成された２つの傾斜ボアとを含み、複数の前記光ビームのうちの６つが前記垂直ボア及び前記傾斜ボアを通過する、請求項２３に記載のセンサ組立体。
［請求項２８］
前記光反応型トランスデューサが前記ベースプレートに固定されている、請求項１９に記載のセンサ組立体。
［請求項２９］
前記コリメータが円板状である、請求項２０に記載のセンサ組立体。
［請求項３０］
複数のピクセルを有する光反応型トランスデューサを備えたセンサを使用して力及びトルクを評価する方法であって、
前記光反応型トランスデューサに複数の光ビームが向けられるように前記センサを動作させるステップと、
複数の前記光ビームの各々が前記光反応型トランスデューサ上で移動するように前記センサに荷重を加えるステップと、
加えられた前記荷重に応じて前記光ビームが移動した際に、前記光ビームに照らされたピクセルの位置の差分に基づいて力及びトルクを決定するステップと
を含む方法。
［請求項３１］
前記光反応型トランスデューサに複数の前記光ビームが向けられるように前記センサを動作させるステップは、第１の光ビームが最初の第１ピクセルクラスタに当たり、第２の光ビームが最初の第２ピクセルクラスタに当たり、第３の光ビームが最初の第３ピクセルクラスタに当たり、第４の光ビームが最初の第４ピクセルクラスタに当たるように、前記センサを動作させるステップを含み、
前記光ビームは、時間フレームの開始時に最初のピクセルクラスタに当たるものである、請求項３０に記載の方法。
［請求項３２］
前記時間フレームの開始時に、複数の前記ピクセルのうちの各ピクセルに当たる光の量に比例する最初の出力信号を複数の前記ピクセルのうちの各ピクセルが生成し、前記最初の出力信号を解析して、複数の前記光ビームの各々の最初の重心を決定することによって、前記時間フレームの開始時に、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームと前記第３の光ビームと前記第４の光ビームとの各々の、前記光反応型トランスデューサ上における最初の位置を決定するステップを含む請求項３１に記載の方法。
［請求項３３］
複数の前記光ビームの各々が前記光反応型トランスデューサ上で移動するように前記センサに荷重を加えるステップはさらに、前記第１の光ビームが前記最初の第１ピクセルクラスタから最後の第１ピクセルクラスタに移動し、前記第２の光ビームが前記最初の第２ピクセルクラスタから最後の第２ピクセルクラスタに移動し、前記第３の光ビームが前記最初の第３ピクセルクラスタから最後の第３ピクセルクラスタに移動し、前記第４の光ビームが前記最初の第４ピクセルクラスタから最後の第４ピクセルクラスタに移動するように、前記センサに荷重を加えるステップであり、
前記光ビームは、前記時間フレームの終了時に最後のピクセルクラスタに当たるものである、請求項３２に記載の方法。
［請求項３４］
前記時間フレームの終了時に、複数の前記ピクセルのうちの各ピクセルに当たる光の量に比例する最後の出力信号を複数の前記ピクセルのうちの各ピクセルが生成し、前記最後の出力信号を解析して、複数の前記光ビームの各々の最後の重心を決定することによって、前記時間フレームの終了時に、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームと前記第３の光ビームと前記第４の光ビームとの各々の、前記光反応型トランスデューサ上における最後の位置を決定するステップを含む請求項３３に記載の方法。
［請求項３５］
前記光反応型トランスデューサに複数の前記光ビームが向けられるように前記センサを動作させるステップは、光源からの光が互いに間隔を置いて配置された複数の貫通ボアを通って方向付けがなされるように前記センサを動作させるステップを含むものである、請求項３４に記載の方法。
［請求項３６］
前記光源からの光が複数の前記貫通ボアを通って方向付けがなされるように前記センサを動作させるステップはさらに、前記光源からの光が、コリメータの表面に垂直に形成された少なくとも２つの垂直ボアと前記コリメータの表面に鋭角をなすように形成された２つの傾斜ボアとを通って方向付けがなされるように前記センサを動作させるステップであり、
前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとは少なくとも２つの前記垂直ボアを通過し、前記第３の光ビームと前記第４の光ビームとは２つの前記傾斜ボアを通過するものである、請求項３５に記載の方法。
［請求項３７］
前記力及びトルクを決定するステップは、前記第１の光ビームの、前記光反応型トランスデューサ上における最初の位置と最後の位置との差分を計算するステップを含むものである、請求項３６に記載の方法。
［請求項３８］
前記力及びトルクを決定するステップは、
前記光反応型トランスデューサ上における、前記第１の光ビームの最初の位置と前記第２の光ビームの最初の位置との間のラインの最初の傾斜を計算するステップと、
前記光反応型トランスデューサ上における、前記第１の光ビームの最後の位置と前記第２の光ビームの最後の位置との間のラインの最後の傾斜を計算するステップと
を含むものである、請求項３７に記載の方法。
［請求項３９］
前記力及びトルクを決定するステップは、前記光反応型トランスデューサ上における、前記第３の光ビームの最初の位置と最後の位置との差分を計算するステップを含むものである、請求項３８に記載の方法。
［請求項４０］
前記力及びトルクを決定するステップは、
前記光反応型トランスデューサ上における、前記第３の光ビームの最初の位置と前記第４の光ビームの最初の位置との間の最初の距離を計算するステップと、
前記光反応型トランスデューサ上における、前記第３の光ビームの最後の位置と前記第４の光ビームの最後の位置との間の最後の距離を計算するステップと
を含むものである、請求項３９に記載の方法。
［請求項４１］
前記力及びトルクを決定するステップは、前記光反応型トランスデューサ上における前記第１の光ビームの最初の位置と最後の位置とについて計算された差分と、前記ラインの最初の傾斜から前記ラインの最後の傾斜までの変化とに基づいて、前記トルクを決定するステップを含むものである、請求項３８に記載の方法。
［請求項４２］
前記トルクを決定するステップは、前記光反応型トランスデューサ上における前記第１の光ビームの最初の位置と最後の位置とについて計算された差分と、前記ラインの最初の傾斜から前記ラインの最後の傾斜までの変化とに基づいて、ｘ軸とｙ軸とｚ軸とに関する３つのトルクの組み合わせを特定するためにトルクルックアップテーブルにアクセスするステップを含むものである、請求項４１に記載の方法。
［請求項４３］
前記力を決定するステップは、前記ｘ軸と前記ｙ軸と前記ｚ軸とに関して特定された３つのトルクの組み合わせに基づいて、前記ｘ軸と前記ｙ軸と前記ｚ軸とに関する力を決定するステップを含むものである、請求項４４に記載の方法。
［請求項４４］
リンケージ組立体と、
前記リンケージ組立体に取り付けられた器具と、
前記器具と前記リンケージ組立体との間で動作するセンサ組立体であって、
ベースプレートと、
前記ベースプレートに対して変位可能なセンサ部材と、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位に応じた第１のステージ及び第２のステージを有するばね装置であって、前記第１のステージ及び前記第２のステージに、力及びトルク測定の別々の分解能が関連付けられている、ばね装置と、
前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位を検出し、対応する出力信号を生成する光反応型トランスデューサと
を備えたセンサ組立体と、
前記光反応型トランスデューサと通信し、前記出力信号を受信し、該出力信号に基づいて力及びトルクを決定するコントローラと
を備えたロボットシステム。
［請求項４５］
リンケージ組立体と、
前記リンケージ組立体に取り付けられた器具と、
前記器具と前記リンケージ組立体との間で動作するセンサ組立体であって、
ベースプレートと、
前記ベースプレートに対して変位可能なセンサ部材と、
出力信号を生成する複数のピクセルを備えた光反応型トランスデューサと、
前記光反応型トランスデューサ上に複数の光ビームにより方向付けがなされる光を提供する光源であって、複数の前記光ビームが前記光反応型トランスデューサの別々のピクセルに当たって、前記ベースプレートに対する前記センサ部材の変位が検出される、光源と
を備えたセンサ組立体と、
前記光反応型トランスデューサと通信し、前記出力信号を受信し、該出力信号に基づいて力及びトルクを決定するコントローラと
を備えたロボットシステム。
［請求項４６］
マニピュレータと該マニピュレータに接続された器具とを備えたロボットシステムにおいて力及びトルクを評価する方法であって、
複数のピクセルを有する光反応型トランスデューサを備えたセンサを設けるステップと、
前記光反応型トランスデューサ上に複数の光ビームが向けられるように前記センサを動作させるステップと、
複数の前記光ビームの各々が前記光反応型トランスデューサ上で移動するように前記器具に荷重を加えるステップと、
加えられた前記荷重に応じて前記光ビームが移動した際に、前記光ビームにより照らされたピクセルの位置の差分に基づいて力及びトルクを決定するステップと
を含む方法。
【図１】
0006329239.tif 000026
【図２】
0006329239.tif 000027
【図３】
0006329239.tif 000028
【図４】
0006329239.tif 000029
【図５．５Ａ】
0006329239.tif 000030
【図６】
0006329239.tif 000031
【図７】
0006329239.tif 000032
【図８】
0006329239.tif 000033
【図９】
0006329239.tif 000034
【図１０】
0006329239.tif 000035
【図１１】
0006329239.tif 000036
【図１１Ａ】
0006329239.tif 000037
【図１２Ａ】
0006329239.tif 000038
【図１２Ｂ】
0006329239.tif 000039
【図１３Ａ】
0006329239.tif 000040
【図１３Ｂ】
0006329239.tif 000041
【図１４Ａ】
0006329239.tif 000042
【図１４Ｂ】
0006329239.tif 000043
【図１５】
0006329239.tif 000044
【図１５Ａ．１５Ｂ】
0006329239.tif 000045
【図１６】
0006329239.tif 000046
【図１７】
0006329239.tif 000047
【図１８Ａ】
0006329239.tif 000048
【図１８Ｂ】
0006329239.tif 000049
【図１８Ｃ】
0006329239.tif 000050
【図１９】
0006329239.tif 000051
【図２０】
0006329239.tif 000052
【図２１】
0006329239.tif 000053
【図２２】
0006329239.tif 000054
【図２３】
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【図２４】
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