力反馈设备、提供反馈力的方法及存储介质

摘要

本发明提供了力反馈设备、提供反馈力的方法及存储介质。所述反馈设备包括静平台、动平台、多条并联的传动臂及处理器。所述静平台与各所述传动臂的连接处安装有多个电机，并经由多个第一旋转机构分别连接各所述传动臂。所述动平台连接用户的操作件，经由多个第二旋转机构分别连接各所述传动臂，并随用户的操作发生位姿调整。各所述传动臂随所述动平台的位姿调整发生扭转，以调节各对应电机的旋转角度。所述处理器根据各所述电机的旋转角度确定所述操作件的位姿，并结合所述操作件及操作对象的虚拟模型来计算反馈力，再根据所述反馈力控制各所述电机提供反向力矩，以经由各所述传动臂向所述操作件提供所述反馈力。

权利要求

1.一种力反馈设备，其特征在于，包括静平台、动平台、多条并联的传动臂及处理器，其中，所述静平台与各所述传动臂的连接处安装有多个电机，并经由多个第一旋转机构分别连接各所述传动臂，所述动平台连接用户的第一操作件，经由多个第二旋转机构分别连接各所述传动臂，并随用户的操作发生位姿调整，其中，所述第一操作件选自劈核钩手柄及超声乳化手柄中的一者，用于配合另一所述力反馈设备的第二操作件使用，所述第二操作件选自所述劈核钩手柄及所述超声乳化手柄中的另一者，各所述传动臂随所述动平台的位姿调整发生扭转，以调节各对应电机的旋转角度，所述处理器被配置为：根据各所述电机的旋转角度确定所述第一操作件的位姿；确定操作对象的虚拟模型，其中，所述操作对象为带有晶状体核的眼球；根据所述第一操作件及所述第二操作件的位姿、所述第一操作件及所述第二操作件的虚拟模型，以及所述操作对象的虚拟模型，分别确定所述晶状体核沿垂直切面两侧关于所述第一操作件及所述第二操作件的多个形变质点；分别计算各所述形变质点受到的弹力；根据关于所述第一操作件的多个形变质点受到的弹力的合力，确定第一反馈力；根据关于所述第二操作件的多个形变质点受到的弹力的合力，确定第二反馈力；根据所述第一反馈力及所述第二反馈力，计算所述晶状体核受到的合力；判断所述晶状体核受到的合力是否大于其破裂极限阈值；响应于所述晶状体核受到的合力小于或等于其破裂极限阈值的结果，根据所述第一反馈力控制连接所述第一操作件的各所述电机提供反向力矩，以经由各对应传动臂向所述第一操作件提供所述第一反馈力，并根据所述第二反馈力控制连接所述第二操作件的各所述电机提供反向力矩，以经由各对应传动臂向所述第二操作件提供所述第二反馈力；以及响应于所述晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的结果，同时撤销连接所述第一操作件及所述第二操作件的各所述电机的反向力矩，以同时向所述第一操作件及所述第二操作件提供所述晶状体核被劈开的力感反馈。

2.如权利要求1所述的力反馈设备，其特征在于，包括至少六条沿不同方向分布的传动臂，各所述电机分别沿对应传动臂的分布方向旋转，以支持所述动平台进行六自由度的位姿调整，并向所述动平台提供六自由度的反馈力。

3.如权利要求2所述的力反馈设备，其特征在于，所述传动臂包括主动臂及从动臂，其中，所述主动臂经由所述第一旋转机构连接所述静平台，所述从动臂经由所述第二旋转机构连接所述动平台，所述主动臂及所述从动臂经由第三旋转机构连接。

4.如权利要求3所述的力反馈设备，其特征在于，所述第一旋转机构为带有所述电机的第一转动副，所述第一转动副支持沿所述主动臂的分布方向旋转，和/或所述第二旋转机构由第二转动副和虎克铰组成，和/或所述第三旋转机构由第三转动副和第四转动副组成，所述第三转动副支持沿所述主动臂的分布方向旋转，所述第四转动副支持绕所述从动臂的分布方向旋转。

5.如权利要求3所述的力反馈设备，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：

基于所述静平台的固定位姿对所述力反馈设备进行几何建模，以确定各所述旋转机构的坐标表示；

根据各所述传动臂的固定长度，建立各所述旋转机构之间的约束方程；以及经由各所述电机分别获取其旋转角度，并将其分别代入对应的约束方程进行各所述传动臂的正运动学解算，以确定所述操作件的位姿。

6.如权利要求5所述的力反馈设备，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：

以所述静平台的中心点O为坐标原点建立静平台坐标系O‑XYZ，并确定各所述第一旋转机构的坐标表示 及各所述第三旋转机构的坐标表示其中，R为所述静平台的外接圆半径，为主动臂的长度，为所述电机的旋转角度；

以所述动平台的中心点O’为坐标原点建立动平台坐标系O’‑X’Y’Z’，并确定各所述第二旋转机构的坐标表示其中，为所述动平台的外接圆半径；

根据所述静平台中心点O的位姿及所述动平台中心点O’的位姿，确定欧拉旋转变换矩阵其中，、、分别表示刚体绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度；以及

根据所述欧拉旋转变换矩阵 ，确定各所述第二旋转机构在所述静平台坐标系O‑XYZ的坐标表示其中， 为动平台坐标原点O’在静平台坐标系O‑XYZ中的坐标表示。

7.如权利要求6所述的力反馈设备，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：

根据所述从动臂的固定长度 ，建立各所述第二旋转机构及其对应的第三旋转机构之间的约束方程 。

8.如权利要求7所述的力反馈设备，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：

将各所述电机的旋转角度分别代入对应的约束方程，使用牛顿‑拉夫逊方法计算正运动学的数值解，以确定所述操作件的位姿。

9.如权利要求1所述的力反馈设备，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：

获取所述动平台的位姿及各所述电机的对应旋转角度的多组样本数据；

根据所述位姿对对应旋转角度求偏导，以获得所述动平台的位姿调整与所述旋转角度的偏移量之间的雅可比矩阵 ；

响应于计算确定所述反馈力F，根据所述雅可比矩阵 计算各所述电机的转矩其中， 为所述雅可比矩阵的转置矩阵；以及控制各所述电机分别提供对应的转矩 ，以经由各所述传动臂向所述操作件提供所述反馈力F。

10.一种提供反馈力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据多个电机的旋转角度确定第一操作件的位姿，其中，所述多个电机分别安装于静平台与多条传动臂的连接处，并经由多个第一旋转机构分别连接各所述传动臂，所述第一操作件选自劈核钩手柄及超声乳化手柄中的一者，用于配合另一力反馈设备的第二操作件使用，所述第二操作件选自所述劈核钩手柄及所述超声乳化手柄中的另一者，所述第一操作件连接动平台，所述动平台经由多个第二旋转机构分别连接各所述传动臂，并随用户的操作发生位姿调整；

确定操作对象的虚拟模型，其中，所述操作对象为带有晶状体核的眼球；

根据所述第一操作件及所述第二操作件的位姿、所述第一操作件及所述第二操作件的虚拟模型，以及所述操作对象的虚拟模型，分别确定所述晶状体核沿垂直切面两侧关于所述第一操作件及所述第二操作件的多个形变质点；

分别计算各所述形变质点受到的弹力；

根据关于所述第一操作件的多个形变质点受到的弹力的合力，确定第一反馈力；

根据关于所述第二操作件的多个形变质点受到的弹力的合力，确定第二反馈力；

根据所述第一反馈力及所述第二反馈力，计算所述晶状体核受到的合力；

判断所述晶状体核受到的合力是否大于其破裂极限阈值；

响应于所述晶状体核受到的合力小于或等于其破裂极限阈值的结果，根据所述第一反馈力控制连接所述第一操作件的各所述电机提供反向力矩，以经由各对应传动臂向所述第一操作件提供所述第一反馈力，并根据所述第二反馈力控制连接所述第二操作件的各所述电机提供反向力矩，以经由各对应传动臂向所述第二操作件提供所述第二反馈力；以及响应于所述晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的结果，同时撤销连接所述第一操作件及所述第二操作件的各所述电机的反向力矩，以同时向所述第一操作件及所述第二操作件提供所述晶状体核被劈开的力感反馈。

11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时，实施如权利要求10所述的提供反馈力的方法。

说明书

力反馈设备、提供反馈力的方法及存储介质

技术领域

[0001] 本发明涉及虚拟手术训练技术，尤其涉及一种力反馈设备、一种提供反馈力的方法，以及一种计算机可读存储介质。

背景技术

[0002] 虚拟手术训练设备是目前新兴的被证明行之有效的外科手术培训方式。虚拟手术训练设备一般基于虚拟现实技术为用户提供虚拟的手术场景和手术器械，用户可以操作特制手柄对虚拟手术场景进行操作训练，从而达到熟悉手术环境和提升自身操作技能的目的。目前市面上的虚拟手术训练设备主要包括腔镜手术模拟器、内窥镜手术模拟器、血管介入手术模拟器、眼科手术模拟器等，覆盖多个科室的外科手术训练科目。

[0003] 在虚拟手术训练中，是否有触觉是衡量虚拟手术训练真实性的一个重要指标。手术训练操作中的触觉反馈可以使虚拟手术训练更贴近真实情况，提升用户的沉浸感，并且对真实的手术操作手法和生物组织的材质特性有更加深刻的理解，方便用户在训练过程中培养手术操作的手感。目前，本领域已有瑞典的Surgical Science公司研发的ATHRO Mentor关节镜手术模拟器，通过使用经过改进的3D Systems Touch六自由度串联力反馈设备作为系统的力觉输出装置。此外，HelpMeSee组织研发的眼科手术模拟器，则使用了Moog研发的串联力反馈装置反馈手术中产生的力感。

[0004] 然而，这些串联形式的力反馈装置虽然已经具备初步的力交互功能，但其单力臂开链传动的力反馈方式普遍存在以下问题：（1）容易在快速重复运动中造成误差累积，从而损失力反馈机构关于位姿计算的精确度；（2）通过一根力臂承载所有的负载力，导致串联结构的整体刚度较低；（3）串联结构的主动驱动装置一般安装在杆件的末端，造成设备运动的惯性较大，增加了运动过程中控制力矩的难度，并会损失力反馈的实时性；（4）只能模拟生物组织受力发生弹性形变的情景，无法针对生物组织受力破裂的实际情景进行正确的力感反馈。

[0005] 为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种力反馈技术，用于避免快速重复运动中的误差累积、提升力反馈结构的整体刚度、提高力矩控制的精确性和实时性，并针对生物组织受力破裂的实际情景进行正确的力感反馈。

发明内容

[0006] 以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。

[0007] 为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种力反馈设备、一种提供反馈力的方法，以及一种计算机可读存储介质，能够避免快速重复运动中的误差累积、提升力反馈结构的整体刚度、提高力矩控制的精确性和实时性，并针对生物组织受力破裂的实际情景进行正确的力感反馈。

[0008] 具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述力反馈设备包括静平台、动平台、多条并联的传动臂及处理器。所述静平台与各所述传动臂的连接处安装有多个电机，并经由多个第一旋转机构分别连接各所述传动臂。所述动平台连接用户的操作件，经由多个第二旋转机构分别连接各所述传动臂，并随用户的操作发生位姿调整。各所述传动臂随所述动平台的位姿调整发生扭转，以调节各对应电机的旋转角度。所述处理器被配置为：根据各所述电机的旋转角度确定所述操作件的位姿；根据所述操作件的位姿、所述操作件的虚拟模型，以及操作对象的虚拟模型，在所述操作对象的虚拟模型上确定至少一个形变质点；判断所述至少一个形变质点受到的弹力，是否大于其破裂极限阈值；响应于各所述形变质点受到的弹力皆小于或等于其破裂极限阈值的结果，根据各所述形变质点受到的弹力计算反馈力，再根据所述反馈力控制各所述电机提供反向力矩，以经由各所述传动臂向所述操作件提供所述反馈力；以及响应于任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的结果，撤销各所述电机的反向力矩，以提供所述操作对象破裂的力感反馈。

[0009] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述力反馈设备包括至少六条沿不同方向分布的传动臂。各所述电机分别沿对应传动臂的分布方向旋转，以支持所述动平台进行六自由度的位姿调整，并向所述动平台提供六自由度的反馈力。

[0010] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述传动臂包括主动臂及从动臂。所述主动臂经由所述第一旋转机构连接所述静平台。所述从动臂经由所述第二旋转机构连接所述动平台。所述主动臂及所述从动臂经由第三旋转机构连接。

[0011] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述第一旋转机构为带有所述电机的第一转动副。所述第一转动副支持沿所述主动臂的分布方向旋转。此外，所述第二旋转机构由第二转动副和虎克铰组成。此外，所述第三旋转机构由第三转动副和第四转动副组成。所述第三转动副支持沿所述主动臂的分布方向旋转。所述第四转动副支持绕所述从动臂的分布方向旋转。

[0012] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述处理器被进一步配置为：基于所述静平台的固定位姿对所述力反馈设备进行几何建模，以确定各所述旋转机构的坐标表示；根据各所述传动臂的固定长度，建立各所述旋转机构之间的约束方程；以及经由各所述电机分别获取其旋转角度，并将其分别代入对应的约束方程进行各所述传动臂的正运动学解算，以确定所述操作件的位姿。

[0013] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述处理器被进一步配置为：以所述静平台的中心点O为坐标原点建立静平台坐标系O‑XYZ，并确定各所述第一旋转机构的坐标表示 及各所述第三旋转机构的坐标表示

[0014]

[0015]

[0016] 其中，R为所述静平台的外接圆半径，为主动臂的长度，为所述电机的旋转角度；以所述动平台的中心点O’为坐标原点建立动平台坐标系O’‑X’Y’Z’，并确定各所述第二旋转机构的坐标表示

[0017]

[0018] 其中，为所述动平台的外接圆半径；根据所述静平台中心点O的位姿及所述动平台中心点O’的位姿，确定欧拉旋转变换矩阵

[0019]

[0020] 其中，、、分别表示刚体绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度；以及根据所述欧拉旋转变换矩阵 ，确定各所述第二旋转机构在所述静平台坐标系O‑XYZ的坐标表示

[0021]

[0022] 其中， 为动平台坐标原点O’在静平台坐标系O‑XYZ中的坐标表示。

[0023] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述处理器被进一步配置为：根据所述从动臂的固定长度 ，建立各所述第二旋转机构及其对应的第三旋转机构之间的约束方程 。

[0024] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述处理器被进一步配置为：将各所述电机的旋转角度分别代入对应的约束方程，使用牛顿‑拉夫逊方法计算正运动学的数值解，以确定所述操作件的位姿。

[0025] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述处理器被进一步配置为：获取所述动平台的位姿及各所述电机的对应旋转角度的多组样本数据；根据所述位姿对对应旋转角度求偏导，以获得所述动平台的位姿调整与所述旋转角度的偏移量之间的雅可比矩阵 ；响应于计算确定所述反馈力F，根据所述雅可比矩阵 计算各所述电机的转矩

[0026]

[0027] 其中， 为所述雅可比矩阵的转置矩阵；以及控制各所述电机分别提供对应的转矩 ，以经由各所述传动臂向所述操作件提供所述反馈力F。

[0028] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述操作件选自操作横杆、手术刀柄、手术钳柄、镊子柄、劈核钩手柄、超声乳化手柄中的至少一者。所述操作对象选自眼球、心脏、胃囊、肝脏、肠道中的至少一者。所述虚拟模型分别涉及所述操作件和/或所述操作对象的空间尺寸、刚度系数、阻尼系数和/或破裂极限参数。

[0029] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述操作件为所述镊子柄。所述操作对象为带有囊膜的眼球。所述处理器还被配置为：响应于所述囊膜上的任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，根据所述镊子柄的位移方向控制各所述电机提供反向力矩，以经由各所述传动臂向所述镊子柄提供撕扯所述囊膜的反向恒力。

[0030] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述操作件包括所述劈核钩手柄及所述超声乳化手柄。所述操作对象为带有晶状体核的眼球。所述处理器被进一步配置为：根据所述劈核钩手柄及所述超声乳化手柄的位姿，分别确定所述晶状体核沿垂直切面两侧关于所述劈核钩手柄及所述超声乳化手柄的多个形变质点；分别计算各所述形变质点受到的弹力；根据关于所述劈核钩手柄的多个形变质点受到的弹力的合力，确定所述劈核钩手柄的第一反馈力；根据关于所述超声乳化手柄的多个形变质点受到的弹力的合力，确定所述超声乳化手柄的第二反馈力；根据所述第一反馈力控制连接所述劈核钩手柄的各所述电机提供反向力矩，以经由各对应传动臂向所述劈核钩手柄提供所述第一反馈力；以及根据所述第二反馈力控制连接所述超声乳化手柄的各所述电机提供反向力矩，以经由各对应传动臂向所述超声乳化手柄提供所述第二反馈力。

[0031] 进一步地，在本发明一些实施例中，所述处理器还被配置为：根据所述第一反馈力及所述第二反馈力，计算所述晶状体核受到的合力；以及响应于所述晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的判断结果，同时撤销连接所述劈核钩手柄及所述超声乳化手柄的各所述电机的反向力矩，以同时向所述劈核钩手柄及所述超声乳化手柄提供所述晶状体被劈开的力感反馈。

[0032] 此外，根据本发明的第二方面提供的上述提供反馈力的方法包括以下步骤：根据多个电机的旋转角度确定操作件的位姿，其中，所述多个电机分别安装于静平台与多条传动臂的连接处，并经由多个第一旋转机构分别连接各所述传动臂，所述操作件连接动平台，所述动平台经由多个第二旋转机构分别连接各所述传动臂，并随用户的操作发生位姿调整；根据所述操作件的位姿、所述操作件的虚拟模型，以及操作对象的虚拟模型，在所述操作对象的虚拟模型上确定至少一个形变质点；判断所述至少一个形变质点受到的弹力，是否大于其破裂极限阈值；响应于各所述形变质点受到的弹力皆小于或等于其破裂极限阈值的结果，根据各所述形变质点受到的弹力计算反馈力，并根据所述反馈力控制各所述电机提供反向力矩，以经由各所述传动臂向所述操作件提供所述反馈力；以及响应于任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的结果，撤销各所述电机的反向力矩，以提供所述操作对象破裂的力感反馈。

[0033] 此外，根据本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。所述计算机指令被处理器执行时，实施本发明的第二方面提供的上述提供反馈力的方法。

附图说明

[0034] 在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

[0035] 图1示出了根据本发明的一些实施例提供的力反馈设备的结构示意图。

[0036] 图2示出了根据本发明的一些实施例提供的提供反馈力的方法的流程示意图。

[0037] 图3示出了根据本发明的一些实施例提供的牛顿‑拉夫逊迭代法的示意图。

具体实施方式

[0038] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

[0039] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0040] 另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

[0041] 能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

[0042] 如上所述，本领域现有的串联形式的力反馈装置虽然已经具备初步的力交互功能，但其单力臂开链传动的力反馈方式普遍存在以下问题：（1）容易在快速重复运动中造成误差累积，从而损失力反馈机构关于位姿计算的精确度；（2）通过一根力臂承载所有的负载力，导致串联结构的整体刚度较低；（3）串联结构的主动驱动装置一般安装在杆件的末端，造成设备运动的惯性较大，增加了运动过程中控制力矩的难度，并会损失力反馈的实时性。

[0043] 为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种力反馈设备、一种提供反馈力的方法，以及一种计算机可读存储介质，能够避免快速重复运动中的误差累积、提升力反馈结构的整体刚度，并提高力矩控制的精确性和实时性。

[0044] 在一些非限制性的实施例中，本发明的第二方面提供的上述提供反馈力的方法，可以经由本发明的第一方面提供的上述力反馈设备来实施。请参考图1，图1示出了根据本发明的一些实施例提供的力反馈设备的结构示意图。

[0045] 在图1所示的实施例中，本发明提供的上述力反馈设备包括静平台11、动平台12、多条并联传动的传动臂13及处理器（未绘示）。

[0046] 该静平台11可以通过螺栓、铆钉和/或其他紧固机构，固定安装于地面、墙体、训练设备柜体等稳定场所，并经由多个第一旋转机构B1 B6分别连接各并联传动的传动臂13。进~一步地，该静平台11与各传动臂13的连接处安装有多个电机，用于驱动各传动臂13扭转，以向操作件20提供反馈力。相比于现有技术在传动杆件的末端安装电机等主动驱动装置的方案，本发明将电机安装在静平台11的轻量化设计能够有效降低各传动臂13的结构惯性，从而降低运动过程中控制力矩的难度，并会提升力反馈的实时性。

[0047] 该动平台12的上端连接用户手持的操作件20，而其下部经由多个第二旋转机构P1P6分别连接各并联传动的传动臂13。在此，针对虚拟手术训练的具体应用场景，该操作件~20可以选自操作横杆、手术刀柄、手术钳柄、镊子柄中的至少一者。响应于用户对操作件20的平移和/或旋转操作，动平台12将在操作件20的带动下，发生同步的平移和/或旋转的位姿调整。各传动臂13也将随动平台12的位姿调整而发生扭转，以调节各对应电机的旋转角度 。相应地，响应于各电机向对应传动臂13提供的反向力矩，该动平台12也将在各传动臂
13的共同带动下，向操作件20提供对应的反馈力。

[0048] 进一步地，在图1所示的实施例中，力反馈设备可以优选地包括六条沿不同方向分布的传动臂13。各传动臂之间可以均匀地保持60°的平面分布夹角。安装于各第一旋转机构B1 B6的多个电机可以分别沿对应传动臂的分布方向旋转，以支持动平台12进行沿X轴、Y~轴、Z轴平移和/或绕X轴、Y轴、Z轴转动的六自由度位姿调整，并向动平台12提供该六自由度的反馈力。

[0049] 更进一步地，针对上述六条传动臂13的设计，每条传动臂13可以优选地包括主动臂及从动臂。该主动臂经由上述第一旋转机构B1 B6连接静平台11。该从动臂经由上述第二~旋转机构P1 P6连接动平台12。该主动臂及该从动臂经由第三旋转机构C1 C6进行连接。
~ ~

[0050] 具体来说，连接该主动臂的第一旋转机构B1 B6可以选用带有电机的第一转动副。~
该第一转动副B1 B6支持在主动臂的带动作用和/或对应电机的驱动力的作用下，沿主动臂~
的分布方向旋转。该第二旋转机构P1 P6由第二转动副和虎克铰组成，支持在动平台12和/~
或从动臂的带动作用下，进行多自由度的旋转。该第三旋转机构C1 C6由第三转动副和第四~
转动副组成。该第三转动副支持在从动臂和/或主动臂的带动作用下，沿主动臂的分布方向旋转。该第四转动副支持在从动臂和/或主动臂的带动作用下，绕从动臂的分布方向旋转。

[0051] 相比于现有技术通过一根力臂承载所有的负载力的串联开链传动形式，本发明通过采用多根并联传动的传动臂13来提升反馈结构的整体刚度，并通过各并联传动的传动臂13之间的相互约束来避免快速重复运动中的误差累积，从而提高力矩控制的精确性。

[0052] 本领域的技术人员可以理解，图1所示的由六条传动臂13构成的并联传动机构只是本发明提供一种优选的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一种兼具较高结构刚度、较高运动控制精确性及较小结构惯性的优选方案，而非用于限制本发明的保护范围。

[0053] 可选地，在另一些实施例中，本领域的技术人员也可以基于本发明提供的上述技术构思，选用三条、四条或五条传动臂13来构成的并联传动机构，并辅以对应形式的旋转机构，牺牲部分结构刚度及运动控制精确性，以同样达到并联传动的基础技术效果。

[0054] 可选地，在另一些实施例中，本领域的技术人员也可以基于本发明提供的上述技术构思，选用六条以上的传动臂13来构成的并联传动机构，并辅以对应形式的旋转机构，增大结构复杂度及结构惯性，以获得更高的结构刚度及并联传动的运动控制精确性。

[0055] 此外，配置于力反馈设备的处理器还可以连接本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，并通过执行其上存储有计算机指令，实施本发明的第二方面提供的上述提供反馈力的方法，以高精确性、高实时性地向操作件20提供反馈力。

[0056] 以下将结合一些提供反馈力的方法的实施例来描述上述力反馈设备的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些提供反馈力的方法只是本发明提供一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制该力反馈设备的全部功能或全部工作方式。同样地，该力反馈设备也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些提供反馈力的方法中各步骤的执行主体构成限制。

[0057] 请参考图2，图2示出了根据本发明的一些实施例提供的提供反馈力的方法的流程示意图。

[0058] 如图2所示，在本发明的一些实施例中，响应于用户对操作件20的平移和/或旋转操作，处理器可以首先根据各电机的旋转角度 确定操作件20的位姿。具体来说，在确定操作件20位姿的过程中，处理器可以首先基于静平台11的固定位姿对力反馈设备进行几何建模，以确定各旋转机构B1 B6、P1 P6、C1 C6的坐标表示。~ ~ ~

[0059] 例如，处理器可以将静平台11的中心点O作为坐标原点，建立静平台的笛卡尔坐标系O‑XYZ，并确定各第一旋转机构B1 B6的坐标表示 ，以及各第三旋转机构C1 C6的坐标表~ ~示 ：

[0060]

[0061]

[0062] 其中，R为静平台11的外接圆半径，为主动臂的长度，为电机的旋转角度。

[0063] 此外，处理器还可以将动平台12的中心点O’作为坐标原点，建立动平台12的笛卡尔坐标系O’‑X’Y’Z’，并确定各第二旋转机构P1 P6的坐标表示：~

[0064]

[0065] 其中，为动平台12的外接圆半径。

[0066] 之后，处理器可以根据静平台中心点O的位姿及动平台中心点O’的位姿，确定欧拉旋转变换矩阵：

[0067]

[0068] 其中，、、分别表示刚体绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度，再根据该欧拉旋转变换矩阵 ，确定各第二旋转机构P1 P6在静平台坐标系O‑XYZ的坐标表示~

[0069]

[0070] 其中， 为动平台坐标原点O’在静平台坐标系O‑XYZ中的坐标表示。

[0071] 再之后，基于各旋转机构B1 B6、P1 P6、C1 C6之间传动臂13长度不变的实际约束，~ ~ ~处理器可以根据各传动臂13的固定长度，建立各旋转机构之间的约束方程。例如，基于动平台铰点 与对应传动臂13上的关节点 的距离始终不变的实际约束，处理器可以根据从动
臂的固定长度 ，建立各第二旋转机构P1 P6及其对应的第三旋转机构C1 C6之间的约束方~ ~
程

[0072]

[0073] 如此，处理器即可通过将各铰点（ ）的 值和 值分别代入上式，以得到六个六元非线性方程，并通过这些方程求出动平台中心点O’在静平台坐标系O‑XYZ中的坐标表示 和欧拉角 、、的值，以确定欧拉旋转变换矩阵T。

[0074] 再之后，响应于用户对操作件20的平移和/或旋转操作，处理器可以经由各电机的编码器获取电机偏转数据，将其转换为旋转角度 ，并代入到各约束方程中进行并联机构的正运动学解算。进一步地，在一些实施例中，由于并联机构正运动学解析解的计算较为困难，处理器可以使用牛顿‑拉夫逊方法，通过迭代逼近的方式求出方程的数值解，并以此作为操作件20的位姿。

[0075] 具体请参考图3，图3示出了根据本发明的一些实施例提供的牛顿‑拉夫逊迭代法的示意图。如图3所示，在使用牛顿‑拉夫逊方法进行正运动学解算的过程中，处理器可以首先使用牛顿‑拉夫逊方法求解函数 的零点，将其设定为起始点 。之后，处理器可以计算 的切线与坐标X轴的交点，并将其设为 。再之后，处理器可以计算 的切线与X
轴的交点，并将其设为 。以此类推，经过n次迭代，直至 与0的差小于规定数值。如此，处理器可以即可使用 作为该方程的数值解，即操作件20的位姿。牛顿‑拉夫逊迭代法的数学表述如下：

[0076]

[0077] 如图2所示，在确定操作件20的位姿之后，处理器可以结合操作件20的位姿及虚拟模型，以及操作对象的虚拟模型，计算反馈力F。如上所述，针对虚拟手术训练的具体应用场景，该操作件20可以选自操作横杆、手术刀柄、手术钳柄、镊子柄中的至少一者。对应地，该操作件20的虚拟模型可以选自操作横杆、手术刀柄、手术钳柄、镊子柄等手术器械的虚拟模型，涉及这些手术器械的空间尺寸、刚度系数等参数。对应地，该操作对象可以选自眼球、心脏、胃囊、肝脏、肠道等人体器官和/或生物组织中的至少一者，其虚拟模型可以涉及这些人体器官和/或生物组织的空间尺寸、刚度系数、阻尼系数和/或破裂极限等参数。这些虚拟模型的具体建模方法不涉及本发明的技术改进，在此不做赘述。

[0078] 在计算反馈力F的过程中，处理器可以首先根据操作件20的位姿、其虚拟模型的空间尺寸，以及操作对象（例如：眼球）的虚拟模型的空间尺寸，进行碰撞判断。若判断结果指示虚拟手术器械与虚拟眼球组织的模型未发生空间重叠，则处理器可以判定两者之间未发生碰撞，并确定反馈力F = 0。反之，若判断结果指示虚拟手术器械与虚拟眼球组织的模型发生了空间重叠，则处理器可以判定两者之间发生碰撞，并根据该虚拟模型的空间尺寸、刚度系数、阻尼系数和/或破裂极限等参数，计算对应该空间重叠位置及空间重叠程度的反馈力F。计算反馈力F的具体步骤不涉及本发明的技术改进，在此不做赘述。

[0079] 如图2所示，在计算确定反馈力F之后，处理器可以根据该反馈力F控制各电机提供反向力矩 ，以经由各传动臂13向操作件20提供该反馈力F。

[0080] 在一些实施例中，各电机提供的反向力矩 可以基于预先标定的雅可比矩阵来计算。在此，雅可比矩阵 表示动平台12在空间直角坐标系中的运动速度（包括平移和旋转）与各电机运动速度之间的关系，可以写作 。在标定雅可比矩阵 的过程中，
处理器可以预先获取动平台12位姿x及各电机的对应旋转角度 的多组样本数据( )，并
根据位姿x对对应旋转角度x求偏导，以获得动平台12的位姿调整 与旋转角度偏移 之间
的雅可比矩阵 。之后，响应于计算确定反馈力F，处理器即可根据以下公式计算
各电机的转矩

[0081]

[0082] 其中， 为雅可比矩阵 的转置矩阵。再之后，处理器可以将各电机转矩 分别转换为对应的电流控制信号，并分别发送到各电机，以控制其分别堵转来提供对应的转矩 ，并经由各传动臂13相互配合地向操作件20提供对应的反馈力F。

[0083] 进一步地，在一些实施例中，为了针对生物组织受力破裂的实际情景进行正确的力感反馈，本发明提供的上述力反馈设备还可以在根据各电机的旋转角度确定操作件的位姿之后，根据操作件的位姿、操作件的虚拟模型，以及操作对象的虚拟模型，在操作对象的虚拟模型上确定至少一个形变质点。之后，处理器可以从操作对象的虚拟模型读取各形变质点的破裂极限阈值参数，并根据该破裂极限阈值参数判断该至少一个形变质点受到的弹力是否大于其破裂极限阈值。

[0084] 此时，若判断结果指示各形变质点受到的弹力皆小于或等于其破裂极限阈值，则力反馈设备可以如上所述地根据各形变质点受到的弹力计算反馈力，再根据该反馈力控制各电机提供反向力矩，以经由各传动臂13向操作件20提供对应的反馈力。反之，若判断结果指示任意一个形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值，则力反馈设备可以判定生物组织的对应位置会发生破裂，从而撤销各电机的反向力矩，提供该操作对象破裂的力感反馈，以真实、准确地模拟生物组织受力破裂的实际情景。

[0085] 例如，在一些白内障手术的撕囊操作的手术模拟过程中，操作件20可以选用镊子柄，而操作对象可以具体为带有囊膜的眼球。在此，力反馈设备可以在各形变质点受到的弹力皆小于或等于其破裂极限阈值，如上所述地根据各形变质点受到的弹力计算反馈力，以模拟并提供夹取囊膜的力感反馈。之后，响应于囊膜上的任一形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，处理器可以判定囊膜破裂，从而消除上述弹力，并根据镊子柄的位移方向控制各电机提供反向力矩，经由各传动臂13向镊子柄提供微小的反向恒力。此时，由于环形撕囊的反馈力较弱，处理器可以不再考虑各质点的形变量，而是根据虚拟镊子的位移方向提供微小的反向恒力来作为反馈力，从而降低反馈力计算的数据处理负荷，以优先保障力反馈的实时性和方向性。

[0086] 又例如，在一些白内障手术的劈核操作的手术模拟过程中，可以配置两台力反馈设备，并分别连接劈核钩手柄及超声乳化手柄。对应的，操作对象可以具体为带有晶状体核的眼球。在此，各力反馈设备的处理器可以根据劈核钩手柄及超声乳化手柄的位姿，分别确定晶状体核沿垂直切面两侧关于劈核钩手柄及超声乳化手柄的多个形变质点，并分别计算各形变质点受到的弹力。之后，第一力反馈设备可以根据关于劈核钩手柄的多个形变质点受到的弹力的合力，确定劈核钩手柄的第一反馈力，并根据该第一反馈力控制连接劈核钩手柄的各电机提供反向力矩，以经由各对应传动臂向劈核钩手柄提供所述第一反馈力。同理，第二力反馈设备可以根据关于超声乳化手柄的多个形变质点受到的弹力的合力，确定超声乳化手柄的第二反馈力，并根据该第二反馈力控制连接超声乳化手柄的各电机提供反向力矩，以经由各对应传动臂向超声乳化手柄提供第二反馈力。进一步，各力反馈设备的处理器还可以根据该第一反馈力及该第二反馈力，计算晶状体核受到的合力。响应于晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的判断结果，两台力反馈设备可以同时撤销连接劈核钩手柄及超声乳化手柄的各电机的反向力矩，以同时向劈核钩手柄及超声乳化手柄提供晶状体被劈开的力感反馈。

[0087] 如此，本发明即可在模拟生物组织受力发生弹性形变的基础上，进一步针对生物组织受力破裂的实际情景来提供正确的力感反馈，从而通过突出手术过程中的手感来加深用户对手术的理解，并帮助用户快速提高手术实操技能。

[0088] 综上，通过采用多条并联传动的传动臂13来进行相互约束，并采用上述雅可比矩阵  来进行开环控制的力反馈，本发明可以兼顾力反馈的控制精度和运算效率，尤其适合虚拟手术模拟等小范围、高精度的实时力反馈场景。进一步地，通过采用六台电机及六条传动臂来进行并联力反馈，本发明高精度的产生六自由度的力反馈，克服了市面上大多数产品只有三自由度力反馈，且无法准确模拟力觉的弊端，能够有效提升手术模拟的真实性和沉浸感，并快速提高用户的手术实操水平。

[0089] 尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

[0090] 本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位（比特）、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

[0091] 本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

[0092] 尽管上述的实施例所述的处理器可以通过软件与硬件的组合来实现。但是可以理解，该处理器也可以单独在软件或硬件中加以实施。对于硬件实施而言，该处理器可在一个或多个专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实施。对软件实施而言，该处理器可通过在通用芯片上运行的诸如程序模块（procedures）和函数模块（functions）等独立的软件模块来加以实施，其中每一个模块执行一个或多个本文中描述的功能和操作。

[0093] 结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

[0094] 提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。