CN113116519A - 一种力反馈主操作手及穿刺手术机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种力反馈主操作手及穿刺手术机器人系统,包括基座、操作装置、调姿装置和力反馈装置,所述基座具有一安装端面;操作装置包括连杆、铰接部和手柄,铰接部位于连杆的一端,连杆通过铰接部铰接于安装端面,连杆远离铰接部的一端远离安装端面设置,手柄沿连杆的轴线方向可滑动的安装于连杆;调姿装置包括姿态传动组件和深度传动组件,姿态传动组件和深度传动组件均与操作装置连接,调姿装置和力反馈装置可以帮助医生实时向从操作手传递手柄的相应调节动作并反馈从操作手进行相应调节动作时与物体的接触力,以便于给医生提供更真实的模拟实际握针时穿刺手术的感觉,提高手术成功率,保证患者生命安全。
Description
技术领域
本发明涉及穿刺手术设备技术领域,尤其涉及一种力反馈主操作手和穿刺手术机器人系统。
背景技术
近年来,X射线计算机断层扫描成像技术(CT)无论是在基本技术方面,还是在新的临床应用方面都取得了巨大的进展。CT的各个组成部分,如光管、探测器、滑环、数据获取系统和算法等方面都取得了很大的进步。自从螺旋CT和多层CT面世以来,出现了许多新的临床应用,且具备扫描时间快、图像清晰等优点,可用于多种疾病的检查。CT技术经过三十多年的发展,再次成为医学图像领域中最令人兴奋的诊断方法之一;如今CT已不再作为一项单纯的影像检查而存在。在现代医学科学不断打破各科界限、互相依存共同探索等各种多元化模式的推动下,CT也配合着临床各科实现各种检查和治疗,并取得显著的医疗效果。
CT引导下经皮穿刺就是现在临床应用较多的一项技术。它其实就是在CT扫描的精确引导下,将穿刺针准确穿入体内的病灶并获取病变组织的一项技术,CT图像引导下的穿刺术是在CT成像(人体组织和穿刺针)的前提下,可以实时判断穿刺方向并及时做出调整,大大提高了手术成功率、降低手术风险,提高患者的康复速度和生活质量。但是CT设备均采用X射线或γ射线等完成工作,在CT侧完成手术会让医生长期暴露在辐射环境中,对身体健康造成极大威胁;通过主从式机器人辅助穿刺系统可以在CT间外通过主操作手远程操作从操作手机械臂完成穿刺过程,为了尽可能的模拟医生握针时的穿刺过程,在主手端需要设置满足穿刺深度的直线移动装置(一般为100mm以上)。
主操作手作为直接操作机械臂以完成穿刺手术的系统组成部件,自然扮演了非常重要角色,从临床调研结果可知,遥操作机器人辅助穿刺手术系统中的主操作手使用过程越接近于穿刺针尺寸且穿刺过程越接近实际握针时的穿刺实况,穿刺手术的成功率越高,现有技术中,主操作手在使用过程中,不能直接模拟常规穿刺手术中医生握针穿刺的过程,进而影响手术成功率,严重的甚至危及患者生命安全。
发明内容
有鉴于此,有必要提供一种力反馈主操作手,用以解决现有技术中主操作手使用时不能有效模拟实际握针时的穿刺实况的技术问题。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种力反馈主操作手,包括基座、调姿装置、操作装置和力反馈装置;
所述基座具有一安装端面;
所述操作装置包括连杆和手柄,所述连杆一端活动连接于所述基座,所述手柄可滑动连接于所述连杆;
所述调姿装置采用并联结构,用于将所述操作装置的摆动转换为两个方向的规则运动,实现所述操作装置摆动的检测和控制;
所述力反馈装置包括姿态反馈组件和深度反馈组件,所述姿态反馈组件用于所述操作装置进行姿态调节的力反馈和调姿控制,所述深度反馈组件用于所述手柄进行深度调节的力反馈和进针控制。
优选的,所述调姿装置的并联运动机构包括第一传输条、第二传输条,所述第一传输条沿第一方向可转动的安装于所述基座,所述第二传输条沿第二方向可转动的安装于所述基座,所述第一方向和所述第二方向的转动轴线位于同一平面且相互垂直设置。
优选的,所述第一传输条和所述第二传输条均为半环状结构,所述第一传输条上形成有沿其环形方向开设的第一导向孔,所述连杆穿过所述第一导向孔与所述基座连接;所述第二传输条上形成有沿其环形方向开设的第二导向孔,所述连杆还穿过所述第二导向孔与所述基座连接。
优选的,所述姿态反馈组件包括第一反馈单元和第二反馈单元,所述第一反馈单元与所述第一传输条连接;所述第二反馈单元与所述第二传输条连接。
优选的,所述第一反馈单元包括第一主动转盘、第一从动转盘和第一反馈电机,所述第一主动转盘同轴固定安装于第一传输条的转动轴,所述第一从动转盘同轴固定安装于所述第一反馈电机的输出轴,所述第一主动转盘与所述第一从动转盘传动连接;所述第二反馈单元包括第二主动转盘、第二从动转盘和第二反馈电机,所述第二主动转盘同轴固定安装于第二传输条的转动轴,所述第二从动转盘同轴固定安装于所述第二反馈电机的输出轴,所述第二主动转盘与所述第二从动转盘传动连接;所述第一反馈电机和所述第二反馈电机通过自身转角的变化,将所述手柄的调姿动作传递至所述从操作手,并根据所述从操作手所受接触力的大小调节自身转速,以实现力反馈。
优选的,所述操作装置还包括丝杆螺母机构,所述丝杆可转动的安装于所述连杆内部,所述丝杆的转动轴线与所述连杆的轴线重合,所述螺母可活动的螺纹连接于所述丝杆,所述手柄与所述螺母固定连接,当所述手柄带动所述螺母沿所述连杆的轴线滑动时,所述丝杆转动,所述深度反馈组件通过所述丝杆的转动实现力反馈。
优选的,所述深度反馈组件包括第三反馈电机,所述丝杆的一端同轴固定安装于所述第三反馈电机的输出轴,所述第三反馈电机通过自身转角的变化,将所述手柄的穿刺动作传递至所述从操作手,并根据所述从操作手所受接触力的大小调节自身转速,以实现力反馈。
优选的,所述手柄呈环形,可滑动的套设于所述连杆的外侧,所述手柄的内侧沿所述连杆的轴线方向形成有限位凸起,所述连杆的侧壁形成有沿其轴线方向开设的限位槽,所述限位凸起可活动的设置于所述限位槽内。
本申请还提供了一种穿刺手术机器人系统,其包括从操作手、通信装置和如上所述的力反馈主操作手,所述从操作手通过所述通信装置与所述力反馈装置实现力或者力矩的传递。
本发明提供的力反馈主操作手,医生在使用时,用手握持手柄,当医生推动手柄时,手柄带动连杆以铰接部为旋转中心转动,实现姿态调节,可有效模拟实际握针时角度和位置的调节动作;当医生在连杆上滑动按压手柄时,实现深度调节,可有效模拟实际握针时的穿刺动作;调姿装置和力反馈装置可以帮助医生实时向从操作手传递手柄的相应调节动作并反馈从操作手进行相应调节动作时与物体的接触力,以便于给医生提供更真实的模拟实际握针时穿刺手术的感觉,提高手术成功率,保证患者生命安全。
采用本发明提供的穿刺手术机器人系统,可以模拟出常规穿刺手术中医生实际握针时的手术过程,进而提升医生的使用体验,提高手术成功率,保证患者生命安全。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例一提供一种力反馈主操作手的结构示意图;
图2为本发明实施例一隐藏基座后的结构示意图;
图3为本发明实施例一深度传动组件和深度反馈组件的结构示意图;
图4为本发明实施例一底部视角的结构示意图;
图5为本发明实施例二穿刺手术机器人系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本申请一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理,并非用于限定本发明的范围。
实施例一
如图1所示,本实施例公开了一种力反馈主操作手100,其包括基座1、操作装置2、调姿装置3和力反馈装置4。
其中,基座1用于对整个主操作手100进行支撑和承载,其具有一安装端面11,优选的,该安装端面11位于基座的上端。
结合图2所示,该操作装置2包括连杆21、铰接部22和手柄23,所述铰接部22位于所述连杆21的一端,所述连杆21远离所述铰接部22的一端远离所述安装端面11设置,所述连杆21可以所述铰接部22为旋转中心在所述安装端面11上转动;在本实施例中,铰接部22位于连杆21的下端;所述连杆21通过所述铰接部22铰接于所述安装端面11,在一些实施例中,铰接部22可以为一个万向转动节,在另一些实施例中,铰接部也可以为球形铰接部,在本实施例中,铰接部优选为后者,即所述铰接部22为球形,所述安装端面11上形成有球形槽11a,所述铰接部22与所述球形槽11a之间形成球铰结构,其中,为了防止铰接部22从球形槽11a中脱离,所述球形槽11a的开口直径小于所述铰接部22的直径。
所述手柄23沿所述连杆21的轴线方向可滑动的安装于所述连杆21。
在本申请的实施例中,所述手柄23包括滑套231,所述滑套231可滑动的套设于所述连杆21的外侧,在本申请优选的实施例中,所述滑套231的内侧沿所述连杆21的轴线方向的两端形成有限位凸起232,所述连杆21的侧壁形成有沿其轴线方向开设的限位槽21a,所述限位凸起232可活动的设置于所述限位槽21a内,限位槽21a的设置既可以实现手柄23滑动的导向,又可以有效限制手柄23滑动的距离。
所述手柄23可在外力作用下沿所述铰接部22转动实现姿态调节或者沿所述连杆21滑动实现深度调节,具体而言,当手柄23可在外力作用下沿所述铰接部22转动,可有效模拟实际握针时角度和位置的调节动作;当手柄23可在外力作用下沿所述连杆21滑动,可有效模拟实际握针时的穿刺动作。
所述调姿装置3包括姿态传动组件31和深度传动组件32,所述姿态传动组件31和所述深度传动组件32均与所述操作装置2连接,以分别将所述手柄23进行姿态调节和深度调节的受力传递至所述力反馈装置4。
所述力反馈装置4包括姿态反馈组件41和深度反馈组件42,所述姿态反馈组件41和姿态传动组件31连接,用于所述手柄23进行姿态调节的力反馈;所述深度反馈组件42与所述深度反馈组件42连接,用于所述手柄23进行深度调节的力反馈。
其中,本申请实施例中所指的力反馈包括向从操作手传递所述手柄的相应调节动作并反馈所述从操作手进行相应调节动作时与物体的接触力。
在本申请的实施例中,如图1和图2所示,所述姿态传动组件31包括并联运动机构311,其中,所述并联运动机构311包括第一滑轮3111、第一传输条3112、第二滑轮3113和第二传输条3114。
所述第一滑轮3111围绕第一方向可转动的安装于所述基座1,所述第二滑轮3113围绕第二方向可转动的安装于所述基座1,所述第一传输条3112连接所述第一滑轮3111和所述连杆21,所述第二传输条3114连接所述第二滑轮3112和所述连杆21,当所述连杆21转动时,所述第一滑轮3111与所述第二滑轮3113分别绕所述第一方向和所述第二方向转动,所述姿态反馈组件用于产生与所述第一滑轮3111和所述第二滑轮3112的转动趋势相反且大小可调的阻力,所述第一方向和所述第二方向的转动轴线位于同一平面且相互垂直设置。
为便于叙述,在本申请的实施例中,第一方向的转动轴线设定为X轴,第二方向的转动轴线设定为Y轴,X轴和Y轴均与安装端面11平行,所述第一滑轮3111绕X轴转动,第二滑轮3113沿Y轴转动。
在本申请的一些实施例中,所述第一传输条3112和所述第二传输条3114均为半环状结构,第一滑轮3111固定安装于第一传输条3112的两端,第二滑轮3113固定安装于第二传输条3114的两端,所述连杆21远离所述铰接部22的一端穿过所述第一传输条3112,所述第一传输条3112上形成有沿其环形方向开设的第一导向孔311a;所述连杆221远离所述铰接部22的一端穿过所述第二传输条3114,所述第二传输条3114上形成有沿其环形方向开设的第二导向孔311b。
为保证连杆向各个方向转动的一致性,所述第一导向孔311a以所述第一传输条3112的中部位置呈两侧对称;所述第二导向孔311b以所述第二传输条3114的中部位置呈两侧对称。
其中,第一传输条3112的两端可转动的安装在基座相对的两侧,第二传输条3114的两端可转动的安装在基座相对的另外两侧,当外力推动手柄23使连杆21沿铰接部22以X轴为轴转动时,连杆21穿过第二传输条3114的部分在第二导向孔311b内运动,同时连杆21穿过第一传输条3112的部分推动第一传输条3112与连杆21做同步转动,进而实现了第一滑轮3111的转动;当外力推动手柄23使连杆21沿铰接部22以Y轴为轴转动时,连杆21穿过第一传输条3112的部分在第一导向孔311a内运动,同时连杆21穿过第二传输条3114的部分推动第二传输条3114与连杆21做同步转动,进而实现了第二滑轮3114的转动;由于上述结构的存在,在外力作用下推动手柄23,使连杆21沿铰接部22沿任意方向转动时,均可以按照垂直分解的方式分解为以X轴为轴转动的第一分运动和以Y轴为轴转动的第二分运动,进而带动第一滑轮3111和第二滑轮3113转动相应角度。
相应的,所述姿态反馈组件41包括第一反馈单元411和第二反馈单元412,所述第一反馈单元411与所述第一传输条3112连接,用于产生与所述第一滑轮3111转动趋势相反且大小可调的阻力;所述第二反馈单元412与所述第二传输条3114连接,用于产生与所述第二滑轮3113转动趋势相反且大小可调的阻力。
在不同的实施例中,上述阻力的产生可以采用不同的方式实现,如可以采用定子与转子之间的电磁转动产生,也可以采用气压的伸缩膨胀产生,还可以采用液压挤压产生;在本实施例中,上述阻力采用第一种方式产生,其中,所述第一反馈单元411包括第一主动转盘4111、第一从动转盘4112和第一反馈电机4113,所述第一主动转盘4111安装在第一传输条3112上,并与第一滑轮3111同轴固定安装,所述第一从动转盘4112同轴固定安装于所述第一反馈电机4113的输出轴,所述第一主动转盘4111与所述第一从动转盘4112传动连接;所述第二反馈单元412包括第二主动转盘4121、第二从动转盘4122和第二反馈电机4123,所述第二主动转盘4121安装在第二传输条3114上,并与所述第二滑轮3113同轴固定安装,所述第二从动转盘4122同轴固定安装于所述第二反馈电机4123的输出轴,所述第二主动转盘4121与所述第二从动转盘4122传动连接。
所述手柄23的调姿动作通过并联运动机构311按照垂直分解的方式分解为以X轴为轴转动的第一分运动和以Y轴为轴转动的第二分运动,第一分运动和第二分运动分别驱使第一主动转盘4111和第二主动转盘4121转动,进而带动第一从动转盘4112和第二从动转盘4122的转动,由于第一从动转盘4112同轴固定安装于第一反馈电机4113的输出轴,第二从动转盘4122同轴固定安装于第二反馈电机4123的输出轴,因而第一从动转盘4112和第二从动转盘4122的转动会分别驱使第一反馈电机4113的输出轴和第二反馈电机4123的输出轴转动;而当第一反馈电机4113和第二反馈电机4123的定子通电时,定子与转子之间的电磁作用施加定子一个转动的电磁力,该电磁力驱动其对应的输出轴具有另一个转动趋势,即形成了阻碍第一滑轮3111和第二滑轮3113转动的阻力;其中,所述第一反馈电机4113和所述第二反馈电机4123被配置为其定子电流大小与从操作手姿态调节时所受接触力的大小相关,且该定子电流的大小由一控制系统50控制,进而实现阻力的大小可调。
在本申请进一步的实施例中,如图4所示,为了便于第一反馈电机4113和第二反馈电机4123的安装,基座1外侧具有挡边12,第一主动转盘4111和第二主动转盘4121分别安装在挡边的外侧,第一反馈电机4113和第二反馈电机4123安装在挡边12内部并位于基座1下端,第一反馈电机4113和第二反馈电机4123分别从挡边12的内部伸出并安装对应的第一从动4112转盘和第二从动转盘4122,挡边12的空余部分可以安装上述集成有上述控制系统50的芯片。
可以理解的是,所述第一主动转盘4111与所述第一从动转盘4112传动连接以及所述第二主动转盘4121与所述第二从动转盘4122传动连接可以采用精密齿轮之间的配合,也可以采用其他方式配合传动,在本实施例中,以第一主动转盘4111与所述第一从动转盘4112传动连接为例,所述第一主动转盘4111为弧形夹角大于180°的弧形边和一直边围合而成的片状结构,其弧形边沿其长度方向设置有钢丝绳4114,所述钢丝绳4114的两端分别经过一张紧轮4115固定在直边上,钢丝绳的外侧与第一从动转盘4112的外侧耦合;第二主动转盘4121与所述第二从动转盘4122传动连接也采用上述结构,在此不作赘述。
如图3所示,所述深度传动组件32包括丝杆螺母机构,所述丝杆螺母机构包括丝杆321和螺母322,所述丝杆321可转动的安装于所述连杆21内部,所述丝杆321的转动轴线与所述连杆21的轴线重合,所述螺母322可活动的螺纹连接于所述丝杆321,所述手柄23与所述螺母322固定连接,当所述手柄23带动所述螺母322沿所述连杆21的轴线滑动时,所述丝杆321转动,所述深度反馈组件42用于产生与所述丝杆321转动方向相反且大小可调的阻力。
手柄23与所述螺母322固定连接具体为:滑套231内部形成容置腔,螺母322固定嵌设在容置腔内部。
由于上述结构的存在,在外力作用下按压手柄23,使螺母322向下运动与丝杆321之间发生螺纹配合,丝杆321在螺母驱动下转动,丝杆转动方向由螺母322的运动方向决定。
在本申请的实施例中,所述深度反馈组件42包括第三反馈电机421,所述丝杆321的一端同轴固定安装于所述第三反馈电机421的输出轴。
所述手柄23的深度调节动作通过丝杆螺母机构转化为丝杆321的转动,由于丝杆321同轴固定安装于所述第三反馈电机421的输出轴上,因而丝杆的转动会驱使第三反馈电机421的输出轴具有一个转动趋势,而当第三反馈电机421的定子通电时,定子与转子之间的电磁作用施加定子一个转动的电磁力,该电磁力驱动其输出轴具有另一个转动趋势,形成阻碍丝杆321转动的阻力,其中,所述第三反馈电机421被配置为其定子电流大小与从操作手深度穿刺时所受接触力的大小相关,进而实现阻力的大小可调。
本申请实施例在使用时,医生用手握持手柄23,当医生推动手柄23时,手柄23带动连杆21以铰接部22为旋转中心转动,实现姿态调节,可有效模拟实际握针时角度和位置的调节动作;当医生在连杆23上滑动按压手柄23时,实现深度调节,可有效模拟实际握针时的穿刺动作;调姿装置3和力反馈装置4可以帮助医生实时向从操作手传递手柄的相应调节动作并反馈从操作手进行相应调节动作时与物体的接触力,以便于给医生提供更真实的模拟实际握针时穿刺手术的感觉,提高手术成功率,保证患者生命安全。
实施例二
如图1和图5所示,本实施例公开了一种穿刺手术机器人系统,其包括如实施例记载的主操作手100、从操作手200和通信装置300,其中所述从操作手200通过所述通信装置300与所述力反馈装置4实现力或者力矩的传递。
结合图2在一些实施例中,上述第一反馈电机4113、第二反馈电机4123和第三反馈电机421均通过一个控制系统50与通信装置300连接,使用者施加在主操作手100手柄23上的力通过分解后分别传递到第一反馈电机4113、第二反馈电机4123和第三反馈电机421上,同时从操作手200实施手术操作时的阻力又通过第一反馈电机4113、第二反馈电机4123和第三反馈电机421产生的阻力力矩反馈到手柄23上,进而实现了手术操作的力反馈。
采用本发明提供的穿刺手术机器人系统,可以模拟出常规穿刺手术中医生实际握针时的手术过程,进而提升医生的使用体验,提高手术成功率,保证患者生命安全。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种力反馈主操作手,其特征在于,包括:基座、调姿装置、操作装置和力反馈装置;
所述基座具有一安装端面;
所述操作装置包括连杆和手柄,所述连杆一端活动连接于所述基座,所述手柄可滑动连接于所述连杆;
所述调姿装置采用并联结构,用于将所述操作装置的摆动转换为两个方向的规则运动,实现所述操作装置摆动的检测和控制;
所述力反馈装置包括姿态反馈组件和深度反馈组件,所述姿态反馈组件用于所述操作装置进行姿态调节的力反馈和调姿控制,所述深度反馈组件用于所述手柄进行深度调节的力反馈和进针控制。
2.根据权利要求1所述的力反馈主操作手,其特征在于,所述调姿装置的并联运动机构包括第一传输条、第二传输条,所述第一传输条沿第一方向可转动的安装于所述基座,所述第二传输条沿第二方向可转动的安装于所述基座,所述第一方向和所述第二方向的转动轴线位于同一平面且相互垂直设置。
3.根据权利要求2所述的力反馈主操作手,其特征在于,所述第一传输条和所述第二传输条均为半环状结构,所述第一传输条上形成有沿其环形方向开设的第一导向孔,所述连杆穿过所述第一导向孔与所述基座连接;所述第二传输条上形成有沿其环形方向开设的第二导向孔,所述连杆还穿过所述第二导向孔与所述基座连接。
4.根据权利要求3所述的力反馈主操作手,其特征在于,所述姿态反馈组件包括第一反馈单元和第二反馈单元,所述第一反馈单元与所述第一传输条连接;所述第二反馈单元与所述第二传输条连接。
5.根据权利要求4的力反馈主操作手,其特征在于,所述第一反馈单元包括第一主动转盘、第一从动转盘和第一反馈电机,所述第一主动转盘同轴固定安装于第一传输条的转动轴,所述第一从动转盘同轴固定安装于所述第一反馈电机的输出轴,所述第一主动转盘与所述第一从动转盘传动连接;所述第二反馈单元包括第二主动转盘、第二从动转盘和第二反馈电机,所述第二主动转盘同轴固定安装于第二传输条的转动轴,所述第二从动转盘同轴固定安装于所述第二反馈电机的输出轴,所述第二主动转盘与所述第二从动转盘传动连接;所述第一反馈电机和所述第二反馈电机通过自身转角的变化,将所述手柄的调姿动作传递至所述从操作手,并根据所述从操作手所受接触力的大小调节自身转速,以实现力反馈。
6.根据权利要求1所述的力反馈主操作手,其特征在于,所述操作装置还包括丝杆螺母机构,所述丝杆可转动的安装于所述连杆内部,所述丝杆的转动轴线与所述连杆的轴线重合,所述螺母可活动的螺纹连接于所述丝杆,所述手柄与所述螺母固定连接,当所述手柄带动所述螺母沿所述连杆的轴线滑动时,所述丝杆转动,所述深度反馈组件通过所述丝杆的转动实现力反馈。
7.根据权利要求6所述的力反馈主操作手,其特征在于,所述深度反馈组件包括第三反馈电机,所述丝杆的一端同轴固定安装于所述第三反馈电机的输出轴,所述第三反馈电机通过自身转角的变化,将所述手柄的穿刺动作传递至所述从操作手,并根据所述从操作手所受接触力的大小调节自身转速,以实现力反馈。
8.根据权利要求1所述的力反馈主操作手,其特征在于,所述手柄呈环形,可滑动的套设于所述连杆的外侧,所述手柄的内侧沿所述连杆的轴线方向形成有限位凸起,所述连杆的侧壁形成有沿其轴线方向开设的限位槽,所述限位凸起可活动的设置于所述限位槽内。
9.根据权利要求1所述的力反馈主操作手,其特征在于,所述连杆的一端通过球面副连接于所述基座。
10.一种穿刺手术机器人系统,其特征在于,包括从操作手、通信装置和如权利要求1~9任一项所述的力反馈主操作手,所述从操作手通过所述通信装置与所述力反馈装置实现力或者力矩的传递。
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