[0001] 本发明涉及一种力反馈方法。

[0002] 在机器人辅助或遥控机器人手术中，外科医生通常操作主控制器，以便在远离病人的位置遥控手术器械在手术部位的运动（例如，横跨手术室，在不同房间或与病人完全不
同的建筑物内）。主控制器通常包括一个或更多手动输入设备，例如控制杆，外骨骼手套或
其类似物，该输入设备通过在手术部位铰接器械的伺服电机连接到手术器械。伺服电机通
常是机电设备或手术操纵器的一部分，所述手术操纵器支撑和控制已经被直接引入打开的
手术部位或通过套管针套引入体腔的手术器械。在手术期间，手术操纵器提供各种手术器
械的铰接和控制，各种手术器械例如组织抓钳、针驱动器、电灼烧探针等，各种手术器械中
的每个为外科医生执行不同功能，例如夹持或驱动针，紧握血管，或解剖、灼烧或凝固组织。

[0003] 传统的外科手术是医生用医疗器械对病人的身体病灶进行切除、缝合等治疗。用刀、剪、针等器械在人体局部进行操作，除去病变组织、修复损伤、移植器官、改善机能和形
态等。然而在某些手术中，患者需要承受巨大的痛苦。相对于传统外科手术而言，手术机器
人具有定位时间短、创伤小、定位精，减少人为误差、可以代替医务人员进行有损害的操作
等优点。

[0004] 手术机器人由上个世纪20年代完成研发并具体应用到医疗手术实施当中。至此的几十年中，手术机器人不断更新换代。就应用市场占有率而言，目前最广的主要包括伊索手
术机器人、宙斯手术机器人以及达芬奇手术机器人。

[0005] 以达芬奇手术机器人系统为例，目前最新的达芬奇系统包括三个部分，分别为符合人体工程学的医生操作台，配有四个互交式器械臂的患者手术车，以及集成三维高清视
频系统和专用系统处理器的视频塔。其中上述四个互交式器械臂分别包括三个主器械臂以
及一个镜头臂。主器械臂用于卡持手术器械以完成具体的手术动作，镜头臂用于架设内窥
镜以为手术医生提供视角。

[0006] 但目前该系统存在的一个缺点是：手术医生无法在无菌室外的医生操作台上获得具体的手术触觉感受。在以往正常的手术过程当中，医生仅依靠自身，手持手术器械进行外
科手术，可以通过手以及手术器械与患者肉体的碰触获得感觉，医生在进行大量外科手术
之后，由于触感经验的积累，会形成宝贵的手上感觉，即手感，手感对于外科手术的良好进
行，通常起到非常大的作用。然而，使用常规的微创手术机器人系统对患者进行微创手术
时，由于医生不与患者进行直接接触，而是均由手术机器人完成。在整个手术过程当中，医
生仅能获得包括听觉和视觉等有限信息资源，结合获得的听觉和视觉信息，医生依据判断，
决定机械臂的具体动作。

[0007] 医生的每个动作必须依靠视觉完成，如此会极大的延缓医生手术完成时间，增加医生投入精力，加大医生出错概率，提高手术风险。因此，医生控制操作平台的手指能够实
时地获得来手术器械末端所施加的力的反馈力对于医生了解和控制手术器械末端所施加
的力是否合适非常重要。

[0026] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发
明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术
人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第
一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的
组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在
该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“内”、“外”、“上”、
“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也
可能相应地改变。

[0028] 本发明中的附图并不是严格按实际比例绘制，各个结构的具体地尺寸和数量可根据实际需要进行确定。本发明中所描述的附图仅是结构示意图。

[0029] 虽然目前的手术机器人中，为了获得来手术器械末端所施加的力反馈，即获得对由医生进行操作的手柄的推力，但是，目前的手术机器人主手给人手反馈的力是通过电机
电流间接控制，这种方案存在以下两点不足：1、由于电机输出轴到手柄处的力传递过程较
长，力传递过程中，各运动件存在摩擦与阻尼，使手柄处的压力失真；2、电机输出的力矩由
其电枢上的电流控制，而此处电机电流非常微弱，因此，电流的检测与控制上的误差造成手
柄处得到的反馈力存在较大误差。

[0030] 另外，由于手柄处产生的被医生的指面所感知的反力馈，是由传动部件传递到手柄处，很多力反馈结构的结构复杂，输出力不准确，且由于存在大量摩擦、阻尼，以及运动解
算的非线性，例如电机输出的力矩转换到手柄处给人手的力与真实值有较大差异。

[0031] 本发明至少一实施例提供一种力反馈系统，该力反馈系统包括：主动端、主动端、控制系统和力反馈装置。主动端包括主动端力传感装置，所述主动端力传感装置被配置为
获取所述主动端被施加的主动端感测力；主动端被配置为在所述主动端的控制下运动，且
包括从动端力传感装置，所述从动端力传感装置被配置为获取来自所述从动端的从动端感
测力，所述从动端感测力为所述从动端给所述目标物体施加的有效作用力；控制系统配置
为接收所述主动端感测力和所述从动端感测力，且根据所述主动端感测力和所述从动端感
测力计算得到驱动参数；力反馈装置与所述控制系统信号连接，与所述主动端连接，且被配
置为在所述驱动参数的作用下工作以产生施加于所述主动端的反馈力。

[0032] 本发明至少一实施例还提供一种手术机器人设备，该手术机器人设备包括本发明实施例提供的任意一种力反馈系统。

[0033] 本发明至少一实施例还提供一种力反馈方法，该力反馈方法应用于一种力反馈系统，所述力反馈系统包括主动端和从动端，所述从动端被配置为在所述主动端的控制下运
动；所述力反馈方法包括：获取主动端被施加的主动端感测力；获取来自从动端的从动端感
测力，其中，所述从动端感测力为所述从动端给所述目标物体施加的有效作用力；根据所述
主动端感测力和所述从动端感测力计算得到驱动参数；以及控制与所述主动端连接的力反
馈装置在所述驱动参数的作用下工作以产生施加于所述主动端的反馈力。

[0034] 示例性地，图1是本发明一实施例提供的包括主动端和从动端的主从随动设备的结构示意图；图2是本发明一实施例提供的包括主动端的主控装置的手柄组件的结构示意
图。如图1所示，本发明实施例提供的力反馈系统可应用于主从随动设备，根据本发明实施
例的主从随动设备包括主控装置100和受控装置200；主控装置100包括手柄组件110，该手
柄组件110包括支架以及与该支架转动连接的手柄112；受控装置200与主控装置100信号连
接并包括执行器210，该执行器210绕器械轴线A1可转动；该支架包括可转动的多个关节，响
应于手柄112相对于支架的转动和/或支架的多个关节的转动，执行器210绕器械轴线A1转
动；并且手柄112具有第一转动控制器，控制执行器210绕器械轴线A1转动。

[0035] 例如，参见图1和图2，主控装置包括工作空间130和横梁120，手柄组件110设置在工作空间130内。用户140（例如，医生）的手臂搁置在横梁120上，以对设置在工作空间130中
的手柄组件110进行操作。例如，主控装置的工作空间130内设置有结构相同的两个手柄组
件110，该两个手柄组件110分别由用户140的左手和右手操作；图2中仅示出了一个手柄组
件110，另一个手柄组件110在结构上与图2所示的手柄组件110相同，将不再赘述。例如，主
控装置的工作空间130内还设置有观看器（未示出），用户140可以通过观看器观察受控装置
处的实时工况（例如，手术位置处的实时手术情况），并基于观察结果对手柄组件110进行操
控。

[0036] 参见图2，根据本发明实施例的用于用户控制从动端运动的控制端具有7个可转动的关节，分别是关节111J1、关节111J2、关节111J3、关节111J4、关节111J5、关节111J6和关
节111J7；在关节111J1处，集成座102可转动地连接到安装座101，以使得集成座102绕第一
轴线S1可转动；在关节111J2处，第一臂103的第一端可转动地连接到集成座102，以使得第
一臂103绕第二轴线S2可转动；在关节111J3处，第二臂104的第一端可转动地连接到第一臂
103的第二端，以使得第二臂104绕第三轴线S3可转动；在关节111J4处，手柄组件106可转动
地连接到第二臂104的第二端，以使得手柄组件106绕第四轴线S4可转动；手柄组件106包括
关节111J5、关节111J6和关节111J7。根据本发明实施例的机械手包括如上所述的7个可转
动的关节，从而使得机械手具有7个自由度，灵活度非常高，既方便用户140操控，又可以跟
随用户140的任何手部动作。用户140操控机械手，机械手的7个关节转动，使得机械手的位
置与姿态变化，受控装置200上的执行器210会跟随机械手的位置与姿态变化而发生相应的
运动。需要说明的是，用户140操控机械手时，7个关节同时转动，或者7个关节中的一部分关
节转动而另一部关节不转动。例如，第一轴线S1与第二轴线S2交叉，与第三轴线S3交叉。例
如，第一轴线S1与第二轴线S2垂直，与第三轴线S3垂直，并与第四轴线S4平行；因此，第二轴
线S2和第三轴线S3平行，并且第四轴线S4分别与第二轴线S2和第三轴线S3垂直。

[0037] 图3是图2中的手柄组件的放大示意图。参见图1、图2和图3，机械手的手柄组件106包括关节111J5、关节111J6、关节111J7和手柄112；在关节111J5处，手柄组件106的至少部
分绕第五轴线S5可转动；在关节111J6处，手柄组件106的至少部分绕第六轴线S6可转动；在
关节111J7处，手柄112绕第七轴线S7可转动；第五轴线S5，第六轴线S6和第七轴线S7彼此垂
直并且可相交于一点。例如，手柄组件还包括与手柄112转动连接的手动构件113以及设置
在手柄112上的转动控制器112C1。例如，手动构件113即为用户140的手指直接接触的构件。
例如，在手动构件113上还设置有指环114，用于固定用户140的手指。例如，手柄组件106包
括两个如上所述的手动构件113和两个如上所述的指环114。例如，转动控制器112C1用于控
制执行器210的转动（例如，执行器210绕其细长执行轴210S的转动）。例如，在实际操作中，
用户140的大拇指插入左侧的指环114并控制左侧的手动构件113，用户140的中指插入右侧
的指环114并控制右侧的手动构件113，而用户140的其他手指例如食指则可以灵活方便地
控制转动控制器112C1。例如，手动构件113在其延伸方向上包括彼此相对的第一端和第二
端，第一端与手柄112转动连接以带动第二端移动而靠近或离开手柄112。例如，用户140的
手指按压手动构件113，手动构件113的第一端相对于手柄112向里转动，手动构件113的第
二端移动而靠近手柄112；用户140的手指通过指环114向外拖动手动构件113，手动构件113
的第一端相对于手柄112向外转动，手动构件113的第二端移动而远离手柄112。

[0038] 例如，安装座101固定连接到主控装置100的工作台130，以将机械手安装至主控装置100的工作台130。例如，集成座102上集成有机械手工作所需的电机、编码器、电流传感器
（未示出）等电学部件。

[0039] 示例性地，图4是本发明一实施例提供的一种力反馈系统的示意图。如图4所示，本发明实施例提供的力反馈系统10包括：主动端01、从动端02、控制系统03和力反馈装置04。
主动端01包括主动端力传感装置A，主动端力传感装置A被配置为获取主动端01被施加的主
动端感测力；从动端02被配置为在主动端01的控制下运动，例如力反馈系统10可被应用于
手术设备中，从动端02被配置为在主动端01的控制下以执行手术操作。从动端02包括从动
端力传感装置B，从动端力传感装置B被配置为获取来自从动端02的从动端感测力，从动端
感测力为从动端02给目标物体施加的有效作用力。例如，控制系统03被配置为接收主动端
感测力和从动端感测力，且根据主动端感测力和从动端感测力计算得到驱动参数；力反馈
装置04与控制系统03信号连接，例如力反馈装置04与控制系统03的信号连接方式可以是有
线信号连接或无线信号连接。并且，力反馈装置04与主动端01连接，且被配置为在驱动参数
的作用下工作以产生施加于主动端01的反馈力。

[0040] 反馈力是指根据来自从动端02的从动端感测力传递到主动端01的力，反馈力能够反映力从动端感测力也即有效作用力的大小。采用该力反馈系统能够获得实时的反馈力，
从而使力反馈系统的用户在主动端进行对从动端的操作控制过程中，可以实时地根据反馈
力判断从动端的有效作用力是否满足要求，以更好地控制操作指标。

[0041] 本发明提供的力反馈系统可以应用于多种有力反馈需求的领域和场景。例如，目标物体可以是人或动物等生物体的目标组织，从动端的有效作用力是在手术过程中手术器
械的末端执行器（例如夹钳、切割刀等）对目标组织的加持力或切割力。例如，力反馈系统10
被应用于手术设备中，操作者（例如医生），操作者的手指可通过按压主动端力传感装置A，
从而主动端力传感装置A获取主动端01被操作者的手指所施加的压力作为主动端感测力，
操作者可通过调节主动端感测力的大小，控制所感受到反馈力。

[0042] 例如，目标物体也可以是非生物体，例如为精密器械的零部件原材料或加工过程中的中间产品，从动端的有效作用力是在进行精密器械的零部件的加工过程中对该零部件
材料或中间产品的夹持力或切割力。

[0043] 这里的术语“有效作用力”是指：从动端对目标物体施加的力，或者是与从动端对目标物体施加的力在数值上具有数学关系的力，例如与从动端对目标物体施加的力成正相
关，例如线性相关，例如成比例。例如，有效作用力可以是从动端对目标物体施加的夹持力
或切割力等等，优选为夹持力。例如，以目标物体可以是人或动物等生物体的目标组织为
例，该方案能够满足手术过程中手术执行器末端对目标组织的夹持力或切割力的要求，或
者，满足对于其他任何目标物体进行夹置操作时对夹持力或切割力的要求。

[0044] 本发明实施例提供的力反馈系统10中，采用主动端力传感装置A作为力反馈元件，结合控制系统03和力反馈装置04来实现获得反馈力，可通过主动端力传感装置A直接测量
操作者的指面对主动端01施加的作用力例如操作者按压主动端力传感装置时所施加的压
力，来实现上述力反馈，根据反馈力实时将从动端的有效作用力调节至目标值例如目标压
力值，如此，能够避免外界干扰，不需要通过检测其他的量来计算得到反馈力，解决了获得
的力反馈失真和不准确的问题。需要说明的是，目标压力值指使得从动端的有效作用力达
到目标值时的压力值。

[0045] 例如，结合图4和图1，从动端02包括执行器210，例如执行器210为手术器械，手术器械例如为用于夹置目标组织的夹钳，例如手术钳、止血钳等，或者为对目标组织执行切割
的手术刀，等等。如上所述，例如，有效作用力为手术器械的工作端对目标组织所施加的夹
持力，或者，有效作用力与从动端02所施加的夹持力成正相关在数值上具有数学关系的力，
例如与从动端对目标物体施加的力成正相关，例如线性相关。操作者与主动端力传感装置A
接触，主动端感测力是操作者对主动端力传感装置A所施加的压力，反馈力是力反馈装置04
反馈给操作者的压力。

[0046] 图5是本发明一实施例提供的一种力反馈系统的主动端和力反馈装置的示意图一，也即图5是图2中的局部P中的的主动端和力反馈装置的结构示意图；图6是本发明一实
施例提供的一种力反馈系统的主动端和力反馈装置的示意图二；图7是本发明一实施例提
供的一种力反馈系统的主动端和力反馈装置的剖面示意图。参考图5‑7，例如，力反馈装置
04包括第一电机1和力反馈传动装置。第一电机1具有第一电机转轴1a，驱动参数为驱动电
流值Ic，第一电机1的工作电流的值为驱动电流值Ic；力反馈传动装置与第一电机转轴1a和
主动端01的主动端力传感装置A均连接，第一电机转轴1a在驱动电流值Ic的作用下转动以
使力反馈传动装置产生运动的趋势而给主动端01施加反馈力。例如，第一电机转轴1a与力
反馈传动装置直接连接，以使得第一电机的输出端直接接入负载（即力反馈传动装置），而
不通过减速器与力反馈传动装置连接，避免在反馈力的传递过程中造成过多损失，从而提
高最终反馈至主动端01而使操作者感受到的反馈力大小的真实程度。例如，第一电机1为直
流电机。采用主动端力传感装置A作为力反馈元件，结合第一电机1作为动力元件，通过控制
系统03控制第一电机1的工作电流为驱动电流值Ic，从而，直接通过操作者控制第一主动柄
12处的压力，来实现上述力反馈，根据反馈力实时将从动端的目标作用力调节至目标压力
值，第一电机运行稳定，可实时地在驱动电流值Ic的作用下运转，从而驱动力反馈传动装置
将反馈力传递至主动端01，力反馈方式直接且稳定，不需要通过检测其他的量来计算得到
反馈力，提高了传递至主动端01的力反馈的准确性。

[0047] 例如，控制系统03包括处理器，处理器可根据输入的主动端感测力和从动端感测力来通过计算得到实时的输出的控制量，以用于得到驱动电流值Ic，即用于控制使得第一
电机的工作电流为驱动电流值Ic。例如，这里以主动端感测力和主动端感测力均为夹持力
为例，处理器可以执行如下公式的计算。

[0048] Vpwm = Kp(aF目标夹持力t ‑ F实际夹持力t) + Kd(aF目标夹持力t ‑ F实际夹持力t ‑ aF目标夹持力t‑1 + F实际夹持力t‑1)上述公式中，Vpwm代表输出的控制量，Kp代表比例调节系数，Kd代表微分调节系数，
a代表目标夹持力系数，F目标夹持力t代表t时刻接收的从动端感测力，F实际夹持力t代表t时刻测量到
的主动端感测力（例如操作者的手施加的夹持力），F目标夹持力t‑1代表t‑1时刻接收的从动端感
测力，F实际夹持力t‑1代表t‑1时刻测量到的主动端感测力（例如操作者的手施加的夹持力）。采用
该种计算方式，运算简单，可降低输出的控制量的失真度以降低驱动电流值Ic的失真度，可
降低最终得到的反馈力值的失真度。

[0049] 例如，控制系统03包括PD控制器，通过PD控制器与控制第一电机1的工作电流为驱动电流值Ic，使用PD控制器执行上述计算不存在积分效应，计算简单，控制鲁棒性较高。

[0050] 参考图5‑7，例如，力反馈传动装置包括：第一传动机构31和第二传动机构32。第一传动机构31与第一电机转轴1a连接，且配置为在第一电机转轴1a的转动的驱动下而转动；
第二传动机构32沿轴向X延伸且具有在轴向X上的第一端和第二端，第二传动机构32的第一
端与第一传动机构31连接，第二传动机构32的第二端与主动端力传感装置A连接，第二传动
机构32被配置为在第一传动机构31的转动的驱动下产生沿轴向X移动的趋势以给主动端01
施加反馈力。例如第一传动机构31直接与第一电机转轴1a连接，以使得第一电机的输出端
直接接入第一传动机构31，而不通过减速器与第一传动机构31连接，避免在反馈力的传递
过程中造成过多损失，从而提高最终反馈至主动端01而使操作者感受到的反馈力大小的真
实程度。该力反馈传动装置结构简单，采用这种力反馈传动装置与第一电机1和主动端力传
感装置A相结合来将反馈力传递至主动端01，能够减少力传递过程中存在的摩擦和阻尼，提
高反馈力的准确性。

[0051] 参考图5‑7，例如，主动端01包括：第一主动柄12和第一连接构件51。第一主动柄12具有第一工作面121，第一工作面121与轴向X具有非零的第一夹角，主动端力传感装置包括
第一主动端力传感器13，第一主动端力传感器13设置在第一工作面121上且配置为感测第
一主动端感测力，例如在操作者的手指可按压第一主动端力传感器13时，感测到的第一主
动端感测力为操作者的手指对第一主动端力传感器13施加的压力，主动端感测力包括第一
主动端感测力；第一连接构件51连接第二传动机构32的第二端和第一主动柄12，第二传动
机构32产生沿轴向X移动的趋势而产生通过第一连接构件51驱动第一主动柄12运动的趋势
而对第一主动柄12产生第一反馈力，操作者的手指按压在第一主动端力传感器13上，可感
受到该第一反馈力，反馈力包括该第一反馈力。如此，实现通过第二传动机构32和第一连接
构件51将反馈力传递到第一主动柄12，结构简单，运行可靠，能够减少力传递过程中存在的
摩擦和阻尼，提高反馈力的准确性。

[0052] 例如，第一主动端力传感器13是接触式压力薄膜传感器。采用接触式压力薄膜传感器作为力反馈元件，结合第一电机1例如为直流电机作为动力元件，直接通过操作者控制
第一主动柄12处的压力，来实现第一主动柄12处的力反馈。如此，通过检测压敏材料所受压
力而获得反馈给操作者的手指的压力，通过控制系统03控制第一电机1的工作电流为驱动
电流值Ic，从而获得第一反馈力，以根据第一反馈力对第一主动柄12处的压力，即第一主动
端感测力，实时地将有效作用力调节至目标压力值，目标压力值指使得从动端的有效作用
力达到目标值时的压力值。第一主动端力传感器13的传感片使用的压敏材料在工作过程中
不受外界电场、磁场的影响，并且通过直接测量操作者的指面给第一主动端力传感器13施
加压力而获得反馈给操作者的手指的压力，能够避免外界干扰，不需要通过检测其他的量
来计算得到反馈力，解决了获得的力反馈失真和不准确的问题。

[0053] 参考图5‑7，例如，主动端01还包括第二主动柄20，第二主动柄20具有第二工作面201，第二工作面201与轴向X具有非零的第二夹角，主动端力传感装置A包括第二主动端力
传感器22，第二主动端力传感器22设置在第二工作面201上且配置为感测第二主动端感测
力，主动端感测力包括第二主动端感测力；例如，主动端感测力为第一主动端感测力和第二
主动端感测力的平均值。第二连接构件52连接第二传动机构32的第二端和第二主动柄20，
第二传动机构32产生沿轴向X移动的趋势而产生通过第二连接构件52驱动第二主动柄20运
动的趋势而对第二主动柄20产生第二反馈力，反馈力还包括第二反馈力。

[0054] 例如，第二主动端力传感器22是接触式压力薄膜传感器。采用接触式压力薄膜传感器作为力反馈元件，结合第一电机1例如为直流电机作为动力元件，直接通过操作者控制
第二主动柄20处的压力，来实现主动柄处的力反馈。如此，通过检测压敏材料所受压力而获
得反馈给操作者的手指的压力，通过控制系统03控制第一电机1的工作电流为驱动电流值
Ic，从而获得第二反馈力，以根据第二反馈力对主动柄处的压力，即第二主动端感测力，实
时地将有效作用力调节至目标压力值，目标压力值指使得从动端的有效作用力达到目标值
时的压力值。第二主动端力传感器22的传感片使用的压敏材料在工作过程中不受外界电
场、磁场的影响，并且通过直接测量操作者的指面给第二主动端力传感器22施加压力而获
得反馈给操作者的手指的压力，能够避免外界干扰，不需要通过检测其他的量来计算得到
反馈力，解决了获得的力反馈失真和不准确的问题。

[0055] 参考图5‑7，例如，力反馈系统10还包括手柄轴17，手柄轴17沿轴向X延伸，与第一主动柄12和第二主动柄20均连接，且配置为围绕轴向X旋转以驱动从动端02运动，结合图1，
例如从动端02例如包括手术器械（即执行器210），手术器械具有末端执行器021a，手柄轴17
配置为围绕轴向X旋转以控制末端执行器021a在一个维度方向上的运动，例如驱动手术器
械（即执行器210）绕器械轴线A1转动，从而控制手术器械的位姿，以及控制末端执行器021a
的位置。手柄轴17能够随着操作者的手部发生运动而旋转，从而控制手术器械的运动。例
如，从动端还包括机械臂，手术器械与机械臂的工作端连接。例如，手柄轴17包括沿轴向X延
伸的腔体，第二传动机构32的第二端与手柄轴17连接，位于腔体中，且被配置为在第一传动
机构31的转动的驱动下在腔体中沿轴向X移动。例如，第一传动机构31为绕与轴向X垂直的
旋转轴旋转的第一齿轮；第二传动机构32包括沿轴向X延伸的齿条6和沿轴向X延伸的导杆
15；齿条6的第一端与第一齿轮啮合，导杆15的在轴向X上的第一端与齿条6的第二端连接，
导杆15的在轴向X上的第二端作为第二传动机构32的第二端与手柄轴17连接，位于腔体中
且被配置为在第一传动机构31的转动的驱动下产生在腔体中沿所述轴向移动的趋势以产
生第一反馈力和/或第二反馈力，从而实现通过第一传动机构31的转动的驱动下在腔体中
沿轴向X移动。例如，手柄轴17与图3中的手柄112是同一个部件，由此，利用控制执行器210
转动的手柄112与力反馈装置的第二传动机构连接以实现上述力反馈的效果，简化了力反
馈系统的结构，从而减少反馈力传递过程中所经历的机械结构，以有利于力反馈的稳定性
和准确性。

[0056] 参考图5‑7，例如，第一主动柄12在轴向X上具有第一端和第二端，第一主动柄12的第一端与手柄轴17活动连接以能够相对于手柄轴17转动，例如该活动连接的方式为铰接，
例如，第一主动柄12的第一端通过第一铰接件16与手柄轴17活动连接，例如第一铰接件16
为第一铰链；第一主动柄12的第二端通过第一连接构件51与第二传动机构32的第二端活动
连接以能够相对于第二传动机构32转动，例如该活动连接的方式为铰接；第一夹角为第一
工作面121与手柄轴17的轴线的夹角；第二主动柄20在轴向X上具有第一端和第二端，第二
主动柄20的第一端与手柄轴17活动连接以能够相对于手柄轴17转动，例如该活动连接的方
式为铰接，例如，第二主动柄20的第一端通过第二铰接件18与手柄轴17活动连接，例如第二
铰接件18为第二铰链；第二主动柄20的第二端通过第二连接构件52与第二传动机构32的第
二端活动连接，第二夹角为第二工作面201与手柄轴17的轴线的夹角。如此，能够实现将第
一力反馈通过第一连接构件51传递至第一主动柄12以被按压第一主动柄12的操作者的手
指感受到，以及将第二力反馈通过第二连接构件52传递至第二主动柄20以被按压第二主动
柄20的操作者的手指感受到。

[0057] 例如，手柄轴17在轴向上的第一端与第一主动柄12的第一端活动连接；例如，第一电机1、第一传动机构31、第二电机2、和第二齿轮5和第三齿轮7位于第一主动柄12和第二主
动柄20构成的整体的远离手柄轴17的第一端的一侧，即位于手柄轴17在轴向上的远离第一
主动柄12和第二主动柄20的一侧，以利用手柄轴17的远离操作者的区域的空间来设置力反
馈装置04和一部分力反馈传动装置；同时，结合特征第二传动机构32的第二端与手柄轴17
连接，位于腔体中，且被配置为在第一传动机构31的转动的驱动下在腔体中沿轴向X移动，
充分合理利用空间，使力反馈系统的结构紧凑，且不会妨碍操作者操作第一主动柄12和第
二主动柄20来控制从动端的工作。

[0058] 例如，第一连接构件51包括第一连杆11、第一铰链10和第二铰链14。第一连杆11的第一端通过第一铰链10与第二传动机构32的第二端铰接，第一连杆11的第二端通过第二铰
链14与第一主动柄12的第二端铰接。第二连接构件52包括第二连杆21、第三铰链19和第四
铰链23。第二连杆21的第一端通过第三铰链19与第二传动机构32的第二端铰接，第二连杆
21的第二端通过第四铰链23与第二主动柄20的第二端铰接。当然，第一连接构件和第二连
接构件的具体结构不限于上述示例，第一连接构件和第二连接构件与第二传动机构32的活
动连接方式也不限于铰接，只要能够实现第一连接构件和第二连接构件的上述传动功能以
传递反馈力即可。

[0059] 例如，改变第一主动端感测力以使第一主动柄12运动而改变第一夹角，和/或，改变第二主动端感测力以使第二主动柄20运动而改变第二夹角；力反馈系统10还包括从动端
调节装置05，从动端调节装置05与从动端02连接，且被配置为根据第二传动机构32在轴向X
移动的距离控制从动端02的运动以调节有效作用力至目标作用力，例如为上述目标压力
值。如此，操作者能够根据反馈力的大小判断是否需要进一步调整从动端感测力的大小，以
将有效作用力实时地调节至目标作用力，满足对于需要实时变化的来自从动端的有效作用
力的要求。例如，第二传动机构32在轴向X移动的距离为第二传动机构32相对于机座9在轴
向X上的位移，机座9固定。

[0060] 如果反馈力小于目标反馈力，则判断结果为：有效作用力小于目标作用力。此时，操作者可通过进一步按压第一主动端力传感器13，即增大第一主动端感测力，以使第一主
动柄12运动而减小第一夹角。如果反馈力大于目标反馈力，则操作者可通过减小对第一主
动端力传感器13的按压程度，即增大第一主动端感测力，以使第一主动柄12运动而减小第
一夹角。和/或，操作者可通过进一步按压第二主动端力传感器22，即增大第二主动端感测
力，以使第二主动柄20运动而减小第二夹角。相应地，第二传动机构32在第一主动柄12的运
动的驱动下沿轴向X移动，该第二传动机构32在轴向X移动的距离可以通过测量得到，以使
得从动端调节装置05根据第二传动机构32在轴向X移动的距离控制从动端02的运动以增大
有效作用力。

[0061] 如果反馈力大于目标反馈力，则判断结果为：有效作用力大于目标作用力。此时，则操作者可通过减小对第一主动端力传感器13的按压程度，即减小第一主动端感测力，以
使第一主动柄12运动而增大第一夹角。和/或，操作者可通过减小对第二主动端力传感器22
的按压程度，即减小第二主动端感测力，以使第二主动柄20运动而增大第二夹角。相应地，
第二传动机构32在第一主动柄12的运动的驱动下沿轴向X移动，该第二传动机构32在轴向X
移动的距离可以通过测量得到，以使得从动端调节装置05根据第二传动机构32在轴向X移
动的距离控制从动端02的运动以减小有效作用力。

[0062] 如此，操作者能够根据反馈力的大小判断是否需要进一步调整从动端感测力的大小，直到将有效作用力实时地调节至目标作用力，满足对于需要实时变化的来自从动端的
有效作用力的要求。

[0063] 例如，操作者可以根据手感受到的第一反馈力和第二反馈力的大小，判断此时的第一反馈力和第二反馈力是否合适；或者，也可以通过第一主动端力传感器13和第二主动
端力传感器22分别将实时的第一反馈力和第二反馈力输出，以及通过控制系统03计算实时
的反馈力的值，将计算得到的实时的反馈力输出，操作者通过输出的第一反馈力和第二反
馈力、或者反馈力的值来判断第一反馈力和第二反馈力的大小是否合适。

[0064] 例如，操作者可以分别根据第一反馈力的大小和第二反馈力的大小独立地控制第一主动柄12和第二主动柄20的运动，即，对于第一主动柄12和第二主动柄20的运动的控制
是非耦合的，也即对增大或减小第一反馈力的大小和第二反馈力的控制是独立地、非耦合
的。又例如，操作者也可以根据对第一反馈力的大小和第二反馈力取均值之后得到的反馈
力的大小而执行同时增大或同时减小第一反馈力的大小和第二反馈力的操作。如此，可以
满足更为来自从动端的更为复杂的多种有效作用力的需求。

[0065] 另外，在操作者根据反馈力来调节从动端施加的目标作用力的同时，操作者还可以控制从动端的位置以及运动速度。以从动端为夹钳为例，例如通过上述7个可转动的关节
中的至少一个来控制夹钳的位置，通过与从动端连接的从动端驱动电路来控制夹钳的夹取
速度。

[0066] 例如，从动端力传感装置B包括配置为获取从动端感测力的从动端传感器，在从动端02发生运动时，例如夹钳的第一夹片和第二夹片彼此靠近以合拢或者彼此远离，从动端
传感器所获取到的从动端感测力发生变化，从动端传感器将从动端感测力实时发送给控制
系统03，从动端感测力的处理器执行上述计算以获得驱动电流值Ic，从而实现实时地调节
从动端施加的目标作用力。

[0067] 例如，控制系统03可以包括根据需要执行不同功能的多个处理器。处理器可以由通用集成电路芯片或专用集成电路芯片实现，例如该集成电路芯片可以设置在一个主板
上，例如在该主板上还可以设置有存储器以及电源电路等；此外，处理器也可以由电路或者
采用软件、硬件（电路）、固件或其任意组合方式实现。在本发明的实施例中，处理器可以包
括各种计算结构，例如复杂指令集计算机（CISC）结构、精简指令集计算机（RISC）结构或者
一种实行多种指令集组合的结构。在一些实施例中，处理器也可以是微处理器，例如X86处
理器或ARM处理器，或者可以是数字处理器（DSP）等。

[0068] 例如，在本发明的实施例中，还可以在上述主板上设置存储介质，存储介质可以保存处理器执行的指令和/或数据。例如，存储介质可以保存主动端力传感装置和从动端力传
感装置所采集的主动端感测力和从动端感测力，以及保存计算所得到的驱动电流值Ic、第
一夹角和第二夹角等等。在需要时，存储介质中存储的信息可以被调用以实现期望的功能。

[0069] 例如，存储介质可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储器，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性
存储器例如可以包括随机存取存储器（RAM）和/或高速缓冲存储器（cache）等。所述非易失
性存储器例如可以包括只读存储器（ROM）、磁盘、光盘、半导体存储器（例如闪存等）等。在所
述计算机可读存储器上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器可以运行所述程序指
令，以实现本发明实施例中（由处理器实现）期望的功能。

[0070] 参考图5‑7，例如，力反馈系统10还包括位移传感器4，位移传感器4与第二传动机构32连接，且配置为测量第二传动机构32在轴向X上移动的距离且将距离输出为从动端目
标量，从动端调节装置05被配置为根据从动端目标量控制从动端02的运动以调节有效作用
力至目标作用力。

[0071] 例如，从动端目标量包括改变后的第一夹角、改变后的第二夹角、改变后的第一工作面121与第二工作面201之间的夹角、第一夹角的改变量、第二夹角的改变量、第一工作面
121与第二工作面201之间的夹角的改变量中的至少之一。

[0072] 图8是本发明一实施例提供的一种力反馈系统的位移传感器的示意图。结合图5‑7和图8，例如，位移传感器4是直线位移传感器4，例如为滑动变阻器。例如，位移传感器4固定
在机座（图未示出）上以固定位移传感器4。例如，位移传感器4包括滑动杆41和电阻片42；例
如，电阻片42固定在机座上以固定位移传感器4。例如，齿条6通过卡槽之类的机械结构带动
拨杆，实现拨杆与齿条6同步运动。

[0073] 当然，位移传感器4还可以是其他类型的可以检测第二传动机构32在轴向X上移动的距离且将该距离输出为电信号的结构，例如包括直线型光栅、或直线型磁栅、或线性可变
差动变压器（LVDT）、或电感型位移传感器4等。

[0074] 例如，力反馈系统10还包括角位移测量机构8，角位移测量机构8设置在手柄轴17上且被配置为测量并输出手柄轴17绕轴向X旋转的角位移结果，从动端调节装置05与从动
端02连接，且被配置为根据角位移结果控制从动端02移动至目标位置。例如，从动端调节装
置05根据角位移结果控制从动端02的执行器210的工作角度、坐标位置等。如此，通过角位
移测量机构8与手柄轴17、从动端调节装置05相配合技术方案实现对，充分利用了手柄轴17
在与力反馈装置04连接以实现力反馈的同时，实现对执行器210移动至目标位置。在执行器
210是手术器械、力反馈系统10应用于手术设备的情况下，可以实现实时控制手术器械的工
作角度、坐标位置等，以及控制手术器械的末端执行器021a的角度、和坐标位置等，以精准
地对目标组织进行手术操作。例如，手柄轴17绕轴向X旋转的角位移为手柄轴17相对于机座
9绕轴向X旋转的角度。

[0075] 例如，角位移测量机构8为旋转编码器，是用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量
转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。

[0076] 参考图5‑7，例如，力反馈系统10还包括第二电机2、第二齿轮5和第三齿轮7。第二电机2具有第二电机转轴2a；第二齿轮5与第二电机转轴2a连接，第二电机转轴2a旋转以驱
动第二齿轮5围绕第二电机转轴2a的延伸方向旋转；第三齿轮7固定在手柄轴17上，与第二
齿轮5啮合，在第二齿轮5的驱动下旋转以驱动手柄轴17围绕轴向X旋转。例如，第二齿轮5和
第三齿轮7均为锥齿轮，即设置有齿轮的面为锥面例如圆锥面。例如，第二齿轮5套设于第二
电机转轴2a上，第三齿轮7套设于手柄轴17上。

[0077] 第二电机2通过第二齿轮5和第三齿轮7将第二电机转轴2a的运动传递给手柄轴17，以在当主动端01与从动端02的位姿状态不一致时，将主动端01与从动端02的控制到和
从手保持一致。主动端01与从动端02的位姿保持状态一致是指：主动端01与从动端02的角
度、转动速度等参数基本一致、以及主动端01的角度、转动速度等参数的变化跟随操作者控
制的主动端01的角度、转动速度等参数的变化一致，可以实时地准确地通过主动端控制从
动端的运动，以满足从动端的工作要求，例如准确地夹取、切割目标构件，或者，在执行手术
的过程中准确地夹取、切割目标组织。

[0078] 本发明至少一实施例还提供一种手术机器人设备1000，该手术机器人设备1000包括根据本发明至少一实施例提供的力反馈系统10。

[0079] 例如，手术机器人设备1000还包括受控装置200（即手术操作平台）和主控装置100（即医生控制平台）。受控装置200包括机械臂，机械臂的工作端配置为与从动端02连接，例
如与从动端02的手术器械连接；主控装置100与机械臂无线连接或有线连接以控制机械臂
的工作，主动端01位于医生控制平台中。

[0080] 本发明至少一实施例还提供一种力反馈方法，该力反馈方法应用于本发明提供的任意一种力反馈系统。力反馈方法包括以下步骤Step1 Step4。
~

[0081] 步骤Step1：获取主动端01被施加的主动端感测力；步骤Step2：获取来自从动端02的从动端感测力，其中，所述从动端感测力为所述
从动端02给所述目标物体施加的有效作用力；
步骤Step3：根据所述主动端感测力和所述从动端感测力计算得到驱动参数；
步骤Step4：控制与所述主动端01连接的力反馈装置04在所述驱动参数的作用下
工作以产生施加于所述主动端01的反馈力。

[0082] 采用该力反馈方法能够获得实时的反馈力，从而使力反馈系统的用户在主动端进行对从动端的操作控制过程中，可以实时地根据反馈力判断从动端的目标作用力是否满足
要求，以更好地控制操作指标。

[0083] 本发明提供的力反馈方法可以应用于多种有力反馈需求的领域和场景。例如，目标物体可以是人或动物等生物体的目标组织，从动端的有效作用力是在手术过程中手术器
械的末端执行器（例如夹钳、切割刀等）对目标组织的加持力或切割力；例如，目标物体也可
以是非生物体，例如为精密器械的零部件原材料或加工过程中的中间产品，从动端的有效
作用力是在进行精密器械的零部件的加工过程中对该零部件材料或中间产品的夹持力或
切割力。

[0084] 例如，步骤Step3中的驱动参数为驱动电流值Ic，力反馈方法包括：将所述第一电机1的工作电流的值设置为所述驱动电流值Ic，控制所述第一电机转轴1a在所述驱动电流
值Ic的作用下转动以使所述力反馈传动装置产生运动的趋势而给所述主动端01施加所述
反馈力。

[0085] 例如，步骤Step3包括：利用所述控制系统03根据所述主动端感测力和所述从动端感测力执行如下公式到实时的输出的控制量，并根据所述控制量得到所述驱动电流值Ic：
Vpwm = Kp(aF目标夹持力t ‑ F实际夹持力t) + Kd(aF目标夹持力t ‑ F实际夹持力t ‑ aF目标夹持力t‑1 + F实际夹持力t‑1) ，
其中，Vpwm代表输出的控制量，Kp代表比例调节系数，Kd代表微分调节系数，a代表
目标夹持力系数，F目标夹持力t代表t时刻接收的所述从动端感测力，F实际夹持力t代表t时刻测量到的
所述主动端感测力，F目标夹持力t‑1代表t‑1时刻接收的所述从动端感测力，F实际夹持力t‑1代表t‑1时刻测量到的所述主动端感测力，所述t‑1时刻在所述t时刻之前。

[0086] 例如，力反馈方法还包括步骤Step5。

[0087] 步骤Step5：实时地比较所述主动端01获得的所述反馈力与所述目标反馈力的大小以判断所述有效作用力是否达到所述目标作用力；如果所述反馈力小于所述目标反馈
力，则判断结果是所述有效作用力小于所述目标作用力，则实时地增大所述有效作用力；如
果所述反馈力大于所述目标反馈力，则判断结果是所述有效作用力大于所述目标作用力，
则实时地减小所述有效作用力，直至所述有效作用力达到所述目标作用力。例如，减小所述
第一夹角和/或第二夹角，以实时地增大所述有效作用力；增大所述第一夹角和/或第二夹
角，以实时地减小所述有效作用力。

[0088] 例如，通过改变第一主动端感测力以使第一主动柄12运动而改变第一夹角，和/或，通过改变第二主动端感测力以使第二主动柄20运动而改变第二夹角；力反馈系统10还
包括从动端调节装置05，从动端调节装置05与从动端02连接，且被配置为根据第二传动机
构32在轴向X移动的距离控制从动端02的运动以调节有效作用力至目标作用力，例如为上
述目标压力值。如此，操作者能够根据反馈力的大小判断是否需要进一步调整从动端感测
力的大小，以将有效作用力实时地调节至目标作用力，满足对于需要实时变化的来自从动
端的有效作用力的要求。

[0089] 如果反馈力小于目标反馈力，则判断结果为：有效作用力小于目标作用力。此时，操作者可通过进一步按压第一主动端力传感器13，即增大第一主动端感测力，以使第一主
动柄12运动而减小第一夹角。如果反馈力大于目标反馈力，则操作者可通过减小对第一主
动端力传感器13的按压程度，即增大第一主动端感测力，以使第一主动柄12运动而减小第
一夹角。和/或，操作者可通过进一步按压第二主动端力传感器22，即增大第二主动端感测
力，以使第二主动柄20运动而减小第二夹角。相应地，第二传动机构32在第一主动柄12的运
动的驱动下沿轴向X移动，该第二传动机构32在轴向X移动的距离可以通过测量得到，以使
得从动端调节装置05根据第二传动机构32在轴向X移动的距离控制从动端02的运动以增大
有效作用力。

[0090] 如果反馈力大于目标反馈力，则判断结果为：有效作用力大于目标作用力。此时，则操作者可通过减小对第一主动端力传感器13的按压程度，即减小第一主动端感测力，以
使第一主动柄12运动而增大第一夹角。和/或，操作者可通过减小对第二主动端力传感器22
的按压程度，即减小第二主动端感测力，以使第二主动柄20运动而增大第二夹角。相应地，
第二传动机构32在第一主动柄12的运动的驱动下沿轴向X移动，该第二传动机构32在轴向X
移动的距离可以通过测量得到，以使得从动端调节装置05根据第二传动机构32在轴向X移
动的距离控制从动端02的运动以减小有效作用力。

[0091] 如此，操作者能够根据反馈力的大小判断是否需要进一步调整从动端感测力的大小，直到将有效作用力实时地调节至目标作用力，满足对于需要实时变化的来自从动端的
有效作用力的要求。

[0092] 例如，操作者可以根据手感受到的第一反馈力和第二反馈力的大小，判断此时的第一反馈力和第二反馈力是否合适；或者，也可以通过第一主动端力传感器13和第二主动
端力传感器22分别将实时的第一反馈力和第二反馈力输出，以及通过控制系统03计算实时
的反馈力的值，将计算得到的实时的反馈力输出，操作者通过输出的第一反馈力和第二反
馈力、或者反馈力的值来判断第一反馈力和第二反馈力的大小是否合适。

[0093] 例如，操作者可以分别根据第一反馈力的大小和第二反馈力的大小独立地控制第一主动柄12和第二主动柄20的运动，即，对于第一主动柄12和第二主动柄20的运动的控制
是非耦合的，也即对增大或减小第一反馈力的大小和第二反馈力的控制是独立地、非耦合
的。又例如，操作者也可以根据对第一反馈力的大小和第二反馈力取均值之后得到的反馈
力的大小而执行同时增大或同时减小第一反馈力的大小和第二反馈力的操作。如此，可以
满足更为来自从动端的更为复杂的多种有效作用力的需求。

[0094] 另外，在操作者根据反馈力来调节从动端施加的目标作用力的同时，操作者还可以控制从动端的位置以及运动速度。以从动端为夹钳为例，例如通过上述7个可转动的关节
中的至少一个来控制夹钳的位置，通过与从动端连接的从动端驱动电路来控制夹钳的夹取
速度。

[0095] 其他具体的方法可参考之前在关于力反馈系统的实施例中的描述，在此不再重复。

[0096] 以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。