JP6473757B2 - ロボット外科手術システムのための入力デバイスアセンブリ - Google Patents

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６１／９３７，０４４号（２０１４年２月７日出願）および米国仮特許出願第６１／９８７，８９３号（２０１４年５月２日出願）の利益、およびそれらに対する優先権を主張し、各々の全内容は、参照により本明細書に引用される。

ロボット外科手術システムが、低侵襲性医療手技において使用されている。そのような医療手技中、ロボット外科手術システムは、ユーザインターフェースとインターフェースをとる外科医によって制御される。ユーザインターフェースは、外科医が、患者に作用するエンドエフェクタを操作することを可能にする。ユーザインターフェースは、ロボット外科手術システムを制御するために、外科医によって移動可能である、入力コントローラまたはハンドルを含む。

ロボット外科手術システムのエンドエフェクタは、ロボットアームの端部に位置付けられる。各エンドエフェクタは、器具駆動ユニット（ＩＤＵ）によって操作される。ＩＤＵは、それぞれの軸を中心としてエンドエフェクタを移動させるために、またはエンドエフェクタの特定の機能（例えば、エンドエフェクタの顎部の接近、枢動等）を実施するために、エンドエフェクタに関連付けられる駆動モータを含む。ＩＤＵは、複数の駆動モータを含み、各駆動モータは、エンドエフェクタのそれぞれの自由度または機能に関連付けられることができる。

駆動モータの耐用年数を予期および予測するために、駆動モータによって加えられる力を精密かつ正確に測定する必要性がある。加えて、ユーザにリアルタイムの触覚フィードバックを提供するための、フィードバック信号応答時間短縮の継続的必要性がある。

本開示のある側面では、モータを搭載するためのトルク変換器が、モータプレートと、搭載用プレートと、フレックスリングと、歪みゲージとを含む。モータプレートは、モータに固定されるように構成され、搭載用プレートは、固定構造に固定されるように構成される。フレックスリングは、モータプレートと搭載用プレートとの間に位置付けられている。フレックスリングは、互に対して移動可能である、第１および第２の端部を有する本体を含む。本体の第１の端部は、モータプレートに固定され、本体の第２の端部は、搭載用プレートに固定される。本体は、第１および第２の端部の互に対する移動に応答して、撓曲するように構成される。歪みゲージは、本体の撓曲を測定するために、フレックスリングの本体上に位置付けられる。

側面では、トルク変換器は、モータプレートを覆って位置付けられている内面と、搭載用プレート内に位置付けられている外面とを有する軸受を含む。モータプレートは、搭載用プレートに向かって延びている軸受ステムを含み得る。軸受の内面は、軸受ステムに固定され得る。搭載用プレートは、モータプレートに向かって延びている軸受シリンダを含み得る。軸受の外面は、軸受シリンダの内面に固定され得る。フレックスリングは、軸受シリンダおよび／または軸受の外面を覆って位置付けられ得る。

いくつかの側面では、モータプレートは、半径方向に延びているモータフランジを含み、搭載用プレートは、半径方向に延びている搭載用フランジを含む。フレックスリングは、本体の第１の端部において半径方向に延びている第１のフランジと、本体の第２の端部において半径方向に延びている第２のフランジとを含み得る。第１のフランジは、モータフランジに固定され得、第２のフランジは、搭載用フランジに固定され得る。

ある側面では、フレックスリングの本体は、各々がモータリングに固定されている第１の端部と搭載用リングに固定されている第２の端部とを有する低歪み部材と高歪み部材とを含む。低歪み部材および高歪み部材の各々は、モータリングの中心と搭載用リングの中心との間に画定される縦方向軸に平行である。搭載用リングは、搭載用リングを固定構造にクロックする陥凹を画定し得る。

特定の側面では、フレックスリングの本体は、本体の剛性を決定する内径および外径を有する。歪みゲージは、フレックスリングの本体の第１の端部と第２の端部との中間に位置付けられ得る。

本開示の別の側面では、駆動ユニットが、固定構造と、第１のモータと、第１のトルク変換器とを含む。第１のモータは、固定構造を通過する駆動シャフトを有する。第１のトルク変換器は、第１のモータを固定構造に搭載するために、固定構造と第１のモータとの間に、第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられる。第１のトルク変換器は、モータプレートと、搭載用プレートと、フレックスリングと、歪みゲージとを含む。モータプレートは、第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられ、第１のモータに固定される。搭載用プレートは、第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられ、固定構造に固定される。フレックスリングは、モータプレートと搭載用プレートとの間に、第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられる。フレックスリングは、互に対して移動可能である第１および第２の端部を有する本体を含む。本体の第１の端部は、モータプレートに固定され、本体の第２の端部は、搭載用プレートに固定される。本体は、第１および第２の端部の互に対する移動に応答して、撓曲するように構成される。歪みゲージは、本体の撓曲を測定するために、フレックスリングの本体上に位置付けられる。

側面では、駆動ユニットは、駆動シャフトと動作可能に関連付けられ、駆動シャフトの回転に応答して、ツールを操作するように構成されている第１の駆動ケーブルを含む。駆動ユニットは、駆動シャフトの回転を第１の駆動ケーブルの線形移動に転換するために、モータの駆動シャフトに結合されているコンバータを含み得る。

いくつかの側面では、第１のモータは、第１の自由度においてツールを操作するように構成される。駆動ユニットは、第１の自由度とは異なる第２の自由度においてツールを操作するように構成されている第２のモータを含み得る。第２のモータは、第２のトルク変換器によって固定構造に搭載され得る。

ある側面では、固定構造は、ロボットシステムのアームの端部である。

本開示の別の側面では、ツールによって及ぼされている力を測定する方法が、ツールを操作するために、駆動ユニットのモータを起動させることと、モータを起動させることに応答して、モータの反力トルクを測定することとを含む。モータは、トルク変換器によって駆動ユニットの固定構造に搭載され、ツールを操作するために、ツールと動作可能に関連付けられる。モータの反力トルクを測定することは、トルク変換器のフレックスリングの本体の撓曲を測定することを含む。

いくつかの側面では、駆動ユニットのモータを起動させることは、モータにエネルギーを供給することを含む。本方法は、モータの測定された反力トルクに応答して、モータに供給されるエネルギーを調節することを含み得る。

本開示の例示的実施形態のさらなる詳細および側面が、添付される図を参照して以下により詳細に説明される。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
モータを搭載するためのトルク変換器であって、
前記モータに固定されるように構成されているモータプレートと、
固定構造に固定されるように構成されている搭載用プレートと、
前記モータプレートと前記搭載用プレートとの間に位置付けられているフレックスリングであって、前記フレックスリングは、互に対して移動可能である第１の端部および第２の端部を有する本体を含み、前記本体の第１の端部は、前記モータプレートに固定され、前記本体の第２の端部は、前記搭載用プレートに固定され、前記本体は、前記第１および第２の端部の互に対する移動に応答して、撓曲するように構成されている、フレックスリングと、
前記本体の撓曲を測定するために前記フレックスリングの本体上に位置付けられている歪みゲージと
を備えている、トルク変換器。
（項目２）
前記モータプレートを覆って位置付けられている内面と、前記搭載用プレート内に位置付けられている外面とを有する軸受をさらに備えている、項目１に記載のトルク変換器。
（項目３）
前記モータプレートは、前記搭載用プレートに向かって延びている軸受ステムを含み、前記軸受の内面は、前記軸受ステムに固定されている、項目２に記載のトルク変換器。
（項目４）
前記搭載用プレートは、前記モータプレートに向かって延びている軸受シリンダを含み、前記軸受の外面は、前記軸受シリンダの内面に固定されている、項目２に記載のトルク変換器。
（項目５）
前記フレックスリングは、前記軸受シリンダの外面を覆って位置付けられている、項目４に記載のトルク変換器。
（項目６）
前記フレックスリングは、前記軸受を覆って位置付けられている、項目２に記載のトルク変換器。
（項目７）
前記モータプレートは、半径方向に延びているモータフランジを含み、前記搭載用プレートは、半径方向に延びている搭載用フランジを含み、前記フレックスリングは、前記本体の第１の端部において半径方向に延びている第１のフランジと、前記本体の第２の端部において半径方向に延びている第２のフランジとを含み、前記第１のフランジは、前記モータフランジに固定され、前記第２のフランジは、前記搭載用フランジに固定されている、項目１に記載のトルク変換器。
（項目８）
前記フレックスリングの本体は、低歪み部材と高歪み部材とを含み、前記低歪み部材と高歪み部材との各々は、前記モータリングに固定されている第１の端部と、前記搭載用リングに固定されている第２の端部とを有する、項目１に記載のトルク変換器。
（項目９）
前記低歪み部材および高歪み部材は、前記モータリングの中心と前記搭載用リングの中心との間に画定される縦方向軸に平行である、項目８に記載のトルク変換器。
（項目１０）
前記搭載用リングは、前記搭載用リングを前記固定構造にクロックするように構成されている陥凹を画定する、項目１に記載のトルク変換器。
（項目１１）
前記フレックスリングの本体は、内径および外径を有し、前記内径および外形は、前記本体の剛性を決定する、項目１に記載のトルク変換器。
（項目１２）
前記歪みゲージは、前記フレックスリングの本体の第１の端部と第２の端部との中間に位置付けられている、項目１に記載のトルク変換器。
（項目１３）
駆動ユニットであって、
固定構造と、
前記固定構造を通過する駆動シャフトを有する第１のモータと、
前記第１のモータを前記固定構造に搭載するために、前記固定構造と前記第１のモータとの間に、前記第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられている第１のトルク変換器と
を備え、
前記第１のトルク変換器は、
前記第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられ、前記第１のモータに固定されているモータプレートと、
前記第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられ、前記固定構造に固定されている搭載用プレートと、
前記モータプレートと前記搭載用プレートとの間に前記第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられているフレックスリングであって、前記フレックスリングは、互に対して移動可能である第１の端部および第２の端部を有する本体を含み、前記本体の第１の端部は、前記モータプレートに固定され、前記本体の第２の端部は、前記搭載用プレートに固定され、前記本体は、前記第１および第２の端部の互に対する移動に応答して、撓曲するように構成されている、フレックスリングと、
前記本体の撓曲を測定するために前記フレックスリングの本体上に位置付けられている歪みゲージと
を含む、駆動ユニット。
（項目１４）
前記駆動シャフトと動作可能に関連付けられ、前記駆動シャフトの回転に応答して、ツールを操作するように構成されている第１の駆動ケーブルをさらに備えている、項目１３に記載の駆動ユニット。
（項目１５）
前記第１のモータの駆動シャフトに結合されているコンバータをさらに備え、前記コンバータは、前記駆動シャフトの回転を前記第１の駆動ケーブルの線形移動に転換する、項目１４に記載の駆動ユニット。
（項目１６）
前記第１のモータは、第１の自由度においてツールを操作するように構成される、項目１３に記載の駆動ユニット。
（項目１７）
前記第１の自由度とは異なる第２の自由度において前記ツールを操作するように構成されている第２のモータをさらに備え、前記第２のモータは、第２のトルク変換器によって前記固定構造に搭載されている、項目１６に記載の駆動ユニット。
（項目１８）
前記固定構造は、ロボットシステムのアームの端部である、項目１３に記載の駆動ユニット。
（項目１９）
ツールによって及ぼされている力を測定する方法であって、
前記ツールを操作するために駆動ユニットのモータを起動させることであって、前記モータは、トルク変換器によって前記駆動ユニットの固定構造に搭載され、前記モータは、前記ツールを操作するために前記ツールに動作可能に関連付けられている、ことと、
前記モータを起動させることに応答して、前記トルク変換器のフレックスリングの本体の撓曲を測定することによって、前記モータの反力トルクを測定することと
を含む、方法。
（項目２０）
前記駆動ユニットのモータを起動させることは、前記モータにエネルギーを供給することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記モータの測定された反力トルクに応答して、前記モータに供給されるエネルギーを調節することをさらに含む、項目２０に記載の方法。

本開示の種々の側面が、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する、図面を参照して本明細書に後述される。
図１は、ユーザインターフェースおよびロボットシステムの略図である。 図２は、図１のエンドエフェクタに関連付けられる、図１のＩＤＵのモータの略図である。 図３は、本開示による、図２のＩＤＵのトルク変換器の斜視図である。 図４は、図３のトルク変換器の部品が分離された、分解斜視図である。 図５は、図４のトルク変換器のフレックスリングの斜視図である。 図６は、図４のトルク変換器のフレックスリングの端面図である。 図７は、図５のフレックスリング上の歪みゲージの概略図である。 図８は、図７の歪みゲージのセンサ回路の概略図である。 図９は、図２のモータに搭載可能である、本開示による、別のトルク変換器である。

ここで、本開示の実施形態が、図面を参照して詳細に説明される（同様の参照番号は、いくつかの図の各々において同じまたは対応する要素を指定する）。本明細書に使用される場合、「施術者」という用語は、医師、看護師、または任意の他の医療提供者を指し、サポート要員を含み得る。本説明全体を通して、「近位」という用語は、施術者に最も近いデバイスまたはその構成要素の部分を指し、「遠位」という用語は、施術者から最も遠いデバイスまたはその構成要素の部分を指す。

本開示は、概して、ロボット外科手術システムのエンドエフェクタに加えられている力を決定するために、器具駆動ユニット（ＩＤＵ）のモータの反力トルクを測定する、トルク変換器に関する。トルク変換器は、モータと、モータをＩＤＵ内に固定するためのＩＤＵの固定プレートとの間に位置付けられる。測定された反力トルクは、エンドエフェクタを制御するために、および／またはロボット外科手術システムのユーザにフィードバックを提供するために使用され得る。

図１を参照すると、ロボット外科手術システム１が、概して、ロボットシステム１０、処理ユニット３０、およびユーザインターフェース４０として示される。ロボットシステム１０は、概して、リンケージ１２と、ロボット基盤１８とを含む。リンケージ１２は、組織に作用するように構成される、エンドエフェクタまたはツール２０を移動可能に支持する。リンケージ１２は、各々が複数の部材１３を有するアームの形態であり得る。複数の部材１３の部材１３ａは、組織に作用するように構成されるエンドエフェクタまたはツール２０を支持する端部１４を有する。加えて、部材１３ａの端部１４は、外科手術部位「Ｓ」を撮像するための撮像デバイス１６を含み得る。リンケージ１２の複数の部材１３の各々は、関節１５を中心として互に接続され得る。ユーザインターフェース４０は、処理ユニット３０を通してロボット基盤１８と通信する。

ユーザインターフェース４０は、３次元画像を表示するように構成される表示デバイス４４を含む。表示デバイス４４は、外科手術部位「Ｓ」の３次元画像を表示し、これは、部材１３ａの端部１４上に位置付けられる撮像デバイス１６によって捕捉されるデータ、および／または外科手術現場を中心として位置付けられる撮像デバイス（例えば、外科手術部位「Ｓ」内に位置付けられる撮像デバイス、患者「Ｐ」に隣接して位置付けられる撮像デバイス、撮像アーム５２の遠位端に位置付けられる撮像デバイス５６）によって捕捉されるデータを含み得る。撮像デバイス（例えば、撮像デバイス１６、５６）は、視覚画像、赤外線画像、超音波画像、Ｘ線画像、熱画像、および／または外科手術部位「Ｓ」の任意の他の公知のリアルタイム画像を捕捉し得る。撮像デバイスは、捕捉された撮像データを処理ユニット３０に伝送し、処理ユニット３０は、撮像データからリアルタイムの外科手術部位「Ｓ」の３次元画像を作成し、表示のために３次元画像を表示デバイス４４に伝送する。

ユーザインターフェース４０は、施術者が、ロボットシステム１０を操作する（例えば、リンケージ１２、リンケージ１２の端部１４、および／またはツール２０を移動させる）ことを可能にする入力ハンドル４２も含む。入力ハンドル４２の各々は、処理ユニット３０と通信し、制御信号を処理ユニット３０に伝送し、それからフィードバック信号を受信する。入力ハンドル４２の各々は、外科医が、部材１３ａの端部１４に支持されるツール２０を操作すること（例えば、締めること、握ること、発射すること、開放すること、閉鎖すること、回転させること、押すこと、スライスすること等）を可能にする、入力デバイスを含み得る。

ロボット外科手術システム１の構築および動作の詳細な議論に関して、「Ｍｅｄｉｃａｌ Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ」と題された、米国特許公開第２０１２／０１１６４１６号を参照し得、その全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。

また、図２も参照すると、器具駆動ユニット（ＩＤＵ）６０が、端部１４に隣接する部材１３ａ内に配置されるか、またはその上に支持される。ＩＤＵ６０は、処理ユニット３０から伝送される制御信号に応答してツール２０を操作するために、端部１４に結合されるツール２０に動作可能に関連付けられる。ＩＤＵ６０は、少なくとも１つのモータ６２と、それぞれのコンバータ６４と、それぞれの駆動ケーブル６６と、それぞれのトルク変換器６８とを含む。モータ６２は、モータ６２に供給されているエネルギーに応答して、トルク変換器６８を通して延びる駆動シャフト６３を回転させる。コンバータ６４は、モータ６２の駆動シャフト６３の回転を矢印「Ｔ」によって示されるような駆動ケーブル６６の線形移動に転換する。コンバータ６４は、ＩＤＵ６０の固定プレート６１に固定され得る。

駆動ケーブル６６は、コンバータ６４からエンドエフェクタ２０に延びる。図２に示されるように、駆動ケーブル６６は、滑車２２を中心とするエンドエフェクタ２０の回転をもたらすことに関連付けられる。各ＩＤＵ６０は、各駆動ケーブル６６が異なるエンドエフェクタ２０の自由度またはエンドエフェクタ２０の機能に関連付けられるように、複数のモータ６２の各々に関連付けられる駆動ケーブル６６を伴う、複数のモータ６２を含み得ることを理解されたい。

図２−４を参照すると、トルク変換器６８は、本開示に従って提供され、モータ６２によってコンバータ６４に加えられるモータトルクを測定し、したがって、ケーブル６６によってエンドエフェクタ２０に加えられる力を測定する反力トルク変換器である。トルク変換器６８は、モータ６２の駆動シャフト６３を中心として位置付けられ、モータ６２をＩＤＵ６０の固定プレート６１に固定する。トルク変換器６８は、モータプレート７０と、搭載用プレート８０と、軸受８８と、フレックスリング９０と、歪みゲージ１１０とを含む（図４）。

モータプレート７０は、駆動シャフト６３を中心としてモータ６２上に回転可能に支持される。モータプレート７０は、駆動シャフト６３を中心として延びるモータ６２の突起６２ａを受け取るように寸法決定される、モータ６２に面する陥凹またはボア７４を画定する円筒形本体７２を含む。モータプレート７０は、モータ６２の突起６２ａが締まり嵌めにおいて陥凹７４内に受け取られるように、モータ６２の突起６２ａの上に圧入される。実施形態では、モータ６２の突起６２ａは、幾何学形状（例えば、四角形、五角形等）を有し得、モータプレート７０の陥凹７４は、突起６２を受け取り、モータプレート７０をモータ６２に回転可能に固定するための相補的な幾何学形状を有し得る。そのような実施形態では、モータプレートの本体７２とモータの突起６２ａとの間の圧入は、要求されない。モータプレート７０の本体７２は、モータ６２から離れた方に面する本体７２の面から延びる軸受ステム７６を含む。軸受ステム７６は、軸受８８の内輪または内面８８ａを支持するように構成される外面７６ａを含む。軸受８８の内面８８ａは、モータプレート７０の軸受ステム７６の上に圧入され得る。モータプレート７０はまた、本体７２の外面から半径方向に延びる、フランジまたは耳部７８も含む。

搭載用プレート８０は、モータプレート７０とＩＤＵ６０の固定プレート６１（図２）との間に位置付けられる。搭載用プレート８０は、搭載用プレート８０を固定プレート６１に対して回転可能かつ縦方向に固定するために、固定プレート６１に固定される本体８２を含む。搭載用プレート７６は、固定プレート６１と一体的に形成されるか、固定プレート６１に溶接されるか、固定プレート６１に付着させられるか、またはそれらの任意の組み合わせであり得ることが想定される。本体８２は、モータプレート７０に向かって延びている軸受シリンダ８４を含む。軸受シリンダ８４は、軸受８８の外輪または外面８８ｂを受け取るように寸法決定される内面８４ａを含む。軸受８８の外輪８８ｂは、軸受シリンダ８４中に圧入され得る。軸受８８は、軸受８８が搭載用プレート８０の軸受シリンダ８４内に、モータプレート７０の軸受ステム７６を覆って配置されるように、駆動シャフト６３の縦方向軸に沿った長さを有する。搭載用プレート８０は、本体８２から半径方向に延びる、フランジまたは耳部８６も含む。

図４−６を参照すると、フレックスリング９０は、モータプレート７０と搭載用プレート８０との間に、搭載用プレート８０の軸受シリンダ８４を覆って位置付けられる開放リングである。フレックスリング９０は、本体９２が軸受シリンダ８４に接触しないように、搭載用プレート８０の軸受シリンダ８４よりも大きい内径Ｄ_Ｉを有する、本体９２を含む。フレックスリング９０の本体９２は、駆動シャフト６３の縦方向軸を横断する面内で、または駆動シャフト６３の縦方向軸に実質的に接線方向に互に対して移動可能である第１および第２の端部９２ａ、９２ｂを有する。本体９２の第１の端部９２ａは、モータフランジ９７を含み、本体９２の第２の端部９２ｂは、搭載用フランジ９８を含み、これらは、その間に間隙「Ｇ」を画定する。フランジ９７、９８は、フレックスリング９０の本体９２から半径方向に延び、本体９２の長さまたは厚さよりも小さい、駆動シャフト６３の縦方向軸に沿った長さまたは厚さを有する。

モータフランジ９７は、モータプレート７０に面する本体９２の表面が、モータフランジ９７と連続的であるように、モータプレート７０に面する本体９２の表面と整列させられている。搭載用フランジ９８は、搭載用プレート８０に面する本体９２の表面が、搭載用フランジ９８と連続的であるように、搭載用プレート８０に面する本体９２の表面と整列させられている。本体９２の第１の端部９２ａは、図３に示されるように、モータフランジ９７の搭載用フランジ９８に向かう移動を制限するために、搭載用プレート８０の対応する切り欠きを係合する切り欠きをモータフランジ９７と形成し得る。同様に、本体９２の第２の端部９２ｂは、モータフランジ９７の搭載用フランジ９８に向かう移動を制限するために、モータプレート７０の対応する切り欠きを係合する切り欠きを搭載用フランジ９８と形成し得る。

特に、図４を参照すると、第１の留め具９９ａが、モータフランジ９７、したがって、本体９２の第１の端部９２ａをモータ６２に回転可能に固定するために、フレックスリング９０のモータフランジ９７およびモータプレート７０のフランジ７８を通過する。第２の留め具９９ｂが、搭載用フランジ９８、したがって、本体９２の第２の端部９２ｂを固定プレート６１に回転可能に固定するために、フレックスリング９０の搭載用フランジ９８および搭載用プレート８０のフランジ８６を通過する。留め具９９ｂは、搭載用プレート８０のフランジ８６を通過して、固定プレート６１中に入り得る。

再び図３を簡潔に参照すると、モータ６２が、通電され、駆動シャフト６３を矢印Ｒによって示されるような第１の方向に回転させると、モータ６２は、第１の方向と反対の第２の方向に、駆動シャフト６３から反力トルクを受ける。この反力トルクは、モータ６２を固定プレート６１に固定するトルク変換器６８を通って伝わる。反力トルクが、トルク変換器６８を通って伝わる場合、フレックスリング９０の本体９２は、第１および第２の端部９２ａ、９２ｂが互に対して移動するように撓曲する。本体９２の撓曲は、間隙Ｇに対向する本体９２の内面上に位置付けられている歪みゲージ１１０（図６）によって測定される。モータプレート７０、搭載用プレート８０、軸受８８、およびフレックスリング９０の構成は、間隙Ｇを開放または閉鎖する以外の方向に撓曲することからフレックスリング９０の本体９２を切り離す。以下に詳述されるように、間隙Ｇは、モータ６２の反力トルクに応答して開放および閉鎖する。

図５および６を参照すると、歪みゲージ１１０は、第１の端部９２ａと第２の端部９２ｂとの間の間隙「Ｇ」に対向して、本体９２の最大撓曲点において位置付けられる。フレックスリング９０は、適正な剛性を提供し、本体９２の過剰な変位または撓曲を防止するために、および歪みゲージ１１０からの測定可能な応答のための本体９２の十分な撓曲を提供するために、モータ６２の用途に対して調整される。フレックスリング９０の過剰な撓曲は、エンドエフェクタ２０のロストモーションをもたらし得る。しかしながら、本体９２の不十分な撓曲は、本体９２の検出不可能な撓曲をもたらすであろう（すなわち、本システムの雑音が測定可能な撓曲よりも大きくなり得る）。

フレックスリング９０の本体９２の撓曲は、本体９２の内径「Ｄ_Ｉ」および外径「Ｄ_Ｏ」を変動させ、本体９２の厚さ「Ｔ」を増加または減少させることによって、モータ６２の特定の用途に対して調整される。本体９２が同一のトルクを受けるとき、フレックスリング９０の本体９２の厚さ「Ｔ」が増加させられるにつれて、本体９２の剛性が増加させられ、撓曲は、減少させられることを理解されたい。同様に、本体９２が同一のトルクを受けるとき、フレックスリング９０の本体９２の厚さ「Ｔ」が減少させられるにつれて、本体９２の剛性は、減少させられ、撓曲が増加させられる。フレックスリング９０はまた、フレックスリング９０の材料（例えば、鋼、アルミニウム、プラスチック等）を変更することによって調整され得る。さらに、厚さ「Ｔ」を一定にしたまま、本体９２の内径「Ｄ_Ｉ」および外径「Ｄ_Ｏ」が増加させられるにつれて、本体９２の剛性は、増加させられることを理解されたい。

図７を参照すると、歪みゲージ１１０は、アクティブ歪みセンサ１１２と、較正歪みセンサ１１４とを含む。アクティブ歪みセンサ１１２は、本体９２の撓曲の方向と、例えば、駆動シャフト６３（図４）の縦方向軸を横断する方向に整列させられる。アクティブ歪みセンサ１１２は、本体９２がモータ６２の反力トルクに応答して撓曲するにつれて、フレックスリング９０の本体９２の歪みを測定する。較正歪みセンサ１１４は、駆動シャフト６３の縦方向軸と整列させられ、アクティブ歪みセンサ１１２に直交する。較正歪みセンサ１１４は、モータ６２の反力トルクに応答する本体９２の撓曲以外の要因（例えば、本体９２の熱膨張）に起因する、フレックスリング９０の本体９２の歪みを測定する。

図８を参照すると、測定回路１２０が、歪みゲージ１１０からの測定された撓曲から、モータ６２の反力トルクを決定する。測定回路１２０は、歪みゲージ１１０と、電圧源１２１と、フィルタ１２２と、増幅器１２４と、コントローラ１２６とを含む。歪みゲージ１１０は、２つの抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２を含むブリッジ回路の一部として、アクティブ歪みセンサ１１２と、較正歪みセンサ１１４とを含む。フレックスリング９０の本体９２の歪みは、歪みゲージ１１０の電圧変化として測定され、歪みセンサ１１２、１１４の各々の抵抗は、本体９２の撓曲に応答して変動する。測定された電圧は、歪みゲージ１１０からフィルタ１２２に渡される。示されるように、測定された電圧は、アクティブ歪みセンサ１１２に隣接かつ直交して較正歪みセンサ１１４を位置付ける結果として、本体９２の撓曲以外の要因を考慮する。フィルタ１２２は、測定された電圧から雑音を除去するための、低域通過フィルタである。フィルタ１２２は、フィルタ処理された電圧を増幅器１２４に伝送し、増幅器１２４は、増幅された電圧をコントローラ１２６に伝送する。コントローラ１２６は、増幅された電圧における変化を検出し、フレックスリング９０の本体９２の歪みを計算する。フレックスリング９０の本体９２の歪みから、コントローラ１２６は、本体９２の撓曲を計算する。コントローラ１２６は、本体９２の既知の性質および寸法を考慮して、フレックスリング９０の本体９２の撓曲からモータ６２の反力トルクを計算する。コントローラ１２６は、計算されたモータ６２の反力トルクをプロセッサ３０（図１）に伝送する。

プロセッサ３０は、ＩＤＵ６０によってエンドエフェクタ２０に加えられる力を決定するために、モータ６２の反力トルクを分析する。プロセッサ３０は、エンドエフェクタ２０に加えられた力に応答して、モータ６２に供給されるエネルギーを調節し得る。加えて、または代替として、プロセッサ３０は、モータ６２の反力トルクに応答して、ユーザインターフェース４０を通してユーザにフィードバックを提供し得る。フィードバックは、視覚的、可聴的、または触覚的であり得る。

ロボットシステム１０は、ユーザからの入力に応答して、関節１５を中心として複数の部材１３を移動させるために、リンケージ１２と動作可能に関連付けられる、ロボット基盤１８内に位置付けられた駆動ユニット１１（図１）を含み得ることが想定される。駆動ユニット１１は、駆動ユニット１１によってリンケージ１２に加えられるトルクを測定するために、トルク変換器６８に類似するトルク変換器（図示せず）を含み得る。

ここで図９を参照すると、トルク変換器１６８が、本開示に従って提供され、モータリングまたはプレート１７０と、搭載用リングまたはプレート１８０と、モータリング１７０と搭載用リング１８０との間に位置付けられているフレックスリング１９０とを含む。トルク変換器１６８は、モータの駆動シャフト（例えば、モータ６２の駆動シャフト６３（図３））を覆って位置付けられ、モータ６２をＩＤＵの固定プレート（例えば、固定プレート６１（図２））に支持する。モータリング１７０は、モータ６２をモータリング１７０に回転可能に固定するために、フランジ１７２によってモータ６２に固定される。搭載用リング１８０は、固定プレートまたは構造部材（図示せず）に固定される。搭載用リング１８０は、搭載用リング１８０を固定プレートに回転可能に固定するために、固定プレートを係合するように構成される、クロッキング陥凹１８２を画定する。

フレックスリング１９０は、モータリング１７０と搭載用リング１８０との間に延びる、低歪み部材１９２と、高歪み部材１９４とを含む。低および高歪み部材１９２、１９４は、モータの駆動シャフト（例えば、モータ６２の駆動シャフト６３（図３））の縦方向軸に平行であり、低および高歪み部材１９２、１９４の各々の第１の端部は、モータリング１７０に固定され、低および高歪み部材１９２、１９４の各々の第２の端部は、搭載用リング１８０に固定される。歪みゲージ１１０は、高歪み部材１９４上に配置され、アクティブ歪みセンサ１１２は、トルク変換器１６８にトルクが加えられた場合に最大撓曲を受ける、高歪み部材１９４の部分の上に位置付けられる。較正歪みセンサ１１４は、トルク変換器１６８にトルクが加えられた場合に全く撓曲を受けない、または最小撓曲を受ける、高歪み部材１９２の部分の上に位置付けられる。示されるように、アクティブ歪みセンサ１１２は、モータリング１７０と搭載用リング１８０との中間で高歪み部材１９４の上に位置付けられ、モータの駆動シャフトの縦方向軸に垂直に向けられる。較正歪みセンサ１１４は、搭載用リング１８０に隣接して位置付けられ、モータの駆動シャフトの縦方向軸に平行に向けられる。較正歪みセンサ１１４は、アクティブ歪みセンサ１１２に直交して向けられていることを理解されたい。

フレックスリング１９０は、モータの反力トルクに応答して、フレックスリング９０に類似した様式で機能し、歪みゲージ１１０は、類似した様式でモータの反力トルクを計算するために、フレックスリング１９０の高歪み部材１９４の撓曲を測定する。

本開示のいくつかの実施形態が、図面に示されているが、本開示がそれらに限定されることは意図されず、本開示は、当該技術が許容される限りの広範囲であって、本明細書も同様に読まれることが意図される。上記の実施形態の任意の組み合わせもまた、想定され、添付される請求項の範囲内である。したがって、上記の説明は、限定としてではなく、単に、特定の実施形態の例示として解釈されるべきである。当業者は、本明細書に添付される請求項の範囲内において、他の修正を想定するであろう。

Claims (21)

1. モータを搭載するためのトルク変換器であって、
   前記モータに固定されるように構成されているモータプレートと、
   固定構造に固定されるように構成されている搭載用プレートと、
   前記モータプレートと前記搭載用プレートとの間に位置付けられているフレックスリングであって、前記フレックスリングは、開放リングであり、前記フレックスリングは、互いに対して移動可能である第１の端部および第２の端部を有する本体を含み、前記本体の前記第１の端部は、前記モータプレートに固定され、前記本体の前記第２の端部は、前記搭載用プレートに固定され、前記本体は、前記第１の端部および前記第２の端部の互いに対する移動に応答して、撓曲するように構成されている、フレックスリングと、
   前記本体の撓曲を測定するために前記フレックスリングの前記本体上に位置付けられている歪みゲージと
   を備えている、トルク変換器。
2. 前記モータプレートを覆って位置付けられている内面と、前記搭載用プレート内に位置付けられている外面とを有する軸受をさらに備えている、請求項１に記載のトルク変換器。
3. 前記モータプレートは、前記搭載用プレートに向かって延びている軸受ステムを含み、前記軸受の内面は、前記軸受ステムに固定されている、請求項２に記載のトルク変換器。
4. 前記搭載用プレートは、前記モータプレートに向かって延びている軸受シリンダを含み、前記軸受の外面は、前記軸受シリンダの内面に固定されている、請求項２に記載のトルク変換器。
5. 前記フレックスリングは、前記軸受シリンダの外面を覆って位置付けられている、請求項４に記載のトルク変換器。
6. 前記フレックスリングは、前記軸受を覆って位置付けられている、請求項２に記載のトルク変換器。
7. 前記モータプレートは、半径方向に延びているモータフランジを含み、前記搭載用プレートは、半径方向に延びている搭載用フランジを含み、前記フレックスリングは、前記本体の前記第１の端部において半径方向に延びている第１のフランジと、前記本体の前記第２の端部において半径方向に延びている第２のフランジとを含み、前記第１のフランジは、前記モータフランジに固定され、前記第２のフランジは、前記搭載用フランジに固定されている、請求項１に記載のトルク変換器。
8. 前記フレックスリングの前記本体は、低歪み部材と高歪み部材とを含み、前記低歪み部材および前記高歪み部材の各々は、前記モータプレートに固定されている第１の端部と、前記搭載用プレートに固定されている第２の端部とを有する、請求項１に記載のトルク変換器。
9. 前記低歪み部材および前記高歪み部材は、前記モータプレートの中心と前記搭載用プレートの中心との間に画定される縦方向軸に平行である、請求項８に記載のトルク変換器。
10. 前記搭載用プレートは、前記搭載用プレートを前記固定構造に固定するように構成されている陥凹を画定する、請求項１に記載のトルク変換器。
11. 前記フレックスリングの前記本体は、内径および外径を有し、前記内径および前記外径は、前記本体の剛性を決定する、請求項１に記載のトルク変換器。
12. 前記歪みゲージは、前記フレックスリングの前記本体の前記第１の端部と前記第２の端部との中間に位置付けられている、請求項１に記載のトルク変換器。
13. 駆動ユニットであって、
    固定構造と、
    前記固定構造を通過する駆動シャフトを有する第１のモータと、
    前記第１のモータを前記固定構造に搭載するために、前記固定構造と前記第１のモータとの間に、前記第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられている第１のトルク変換器であって、前記第１のトルク変換器は、請求項１に記載のトルク変換器である、第１のトルク変換器と
    を備え、
    前記第１のトルク変換器は、
    前記第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられ、前記第１のモータに固定されている前記モータプレートと、
    前記第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられ、前記固定構造に固定されている前記搭載用プレートと、
    前記モータプレートと前記搭載用プレートとの間に前記第１のモータの駆動シャフトを中心として位置付けられている前記フレックスリングと
    を含む、駆動ユニット。
14. 前記駆動シャフトと動作可能に関連付けられ、前記駆動シャフトの回転に応答して、ツールを操作するように構成されている第１の駆動ケーブルをさらに備えている、請求項１３に記載の駆動ユニット。
15. 前記第１のモータの駆動シャフトに結合されているコンバータをさらに備え、前記コンバータは、前記駆動シャフトの回転を前記第１の駆動ケーブルの線形移動に転換する、請求項１４に記載の駆動ユニット。
16. 前記第１のモータは、第１の自由度においてツールを操作するように構成される、請求項１３に記載の駆動ユニット。
17. 前記第１の自由度とは異なる第２の自由度において前記ツールを操作するように構成されている第２のモータをさらに備え、前記第２のモータは、第２のトルク変換器によって前記固定構造に搭載されている、請求項１６に記載の駆動ユニット。
18. 前記固定構造は、ロボットシステムのアームの端部である、請求項１３に記載の駆動ユニット。
19. ツールによって及ぼされている力を測定する方法であって、前記方法は、
    前記ツールを操作するために駆動ユニットのモータを起動させることであって、前記モータは、請求項１に記載のトルク変換器によって前記駆動ユニットの固定構造に搭載され、前記モータは、前記ツールを操作するために前記ツールに動作可能に関連付けられている、ことと、
    前記モータを起動させることに応答して、前記トルク変換器のフレックスリングの本体の撓曲を測定することによって、前記モータの反力トルクを測定することと
    を含む、方法。
20. 前記駆動ユニットのモータを起動させることは、前記モータにエネルギーを供給することを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記モータの測定された反力トルクに応答して、前記モータに供給されるエネルギーを調節することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
    

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