CN117653351A - 一种外科手术系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种外科手术系统，其包括手术器械、驱动装置及输入装置，驱动装置包括用于驱动手术器械执行开合运动的第一马达和第二马达；输入装置包括握持件和力反馈装置，其中握持件用于控制夹持部的开合角度；力反馈装置与握持件耦接，力反馈装置基于由第一、第二马达的运行数据确定的手术器械的夹持力向握持件提供反馈力。

Description

一种外科手术系统

技术领域

本申请涉及医疗器械领域，特别是涉及一种主从操作的远程操作外科手术系统。

背景技术

微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。

随着科技的进步，微创医疗机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创医疗机器人辅助手术系统通常包括主控制台及从操作设备，医生通过控制主控制台的输入设备控制从操作设备，从操作设备用于响应主控制台发送的控制命令，并执行相应的手术操作。器械与从操作设备的驱动装置连接，用于执行外科手术，器械的远端包括用于执行手术操作的末端执行器和与末端执行器连接的可以多个自由度动作的关节组件。

而在医生远程操作手术机器人辅助手术系统时，不能直观地感受到手术器械施加到人体组织的力，从而可能引发意外情况，例如手术器械夹持力过大，破坏了组织。

发明内容

基于此，本申请在第一方面提供一种外科手术系统，其包括手术器械、渠道装置及输入装置，其中手术器械，包括长轴，其包括近端部分和远端部分；末端执行器，其包括腕部和夹持部，所述腕部与所述远端部分转动连接，所述夹持部与所述腕部转动连接；

驱动装置，其包括多个马达，所述多个马达中的第一马达和第二马达用于驱动所述夹持部执行开合动作，所述多个马达中的第三马达用于驱动所述腕部执行俯仰动作，在所述第三马达驱动所述腕部执行俯仰动作时，所述第一、第二马达可维持不动，以维持所述夹持部的开合角度不变；

输入装置，包括握持件，其用于控制所述夹持部的开合角度；力反馈装置，其与所述握持件耦接，所述力反馈装置基于所述夹持部的夹持力向所述握持件提供反馈力，所述夹持部的夹持力是基于所述第一、第二马达的运行数据所确定。

在一个具体的实施例中，所述力反馈装置基于所述第一、第二马达的运行数据和力反馈模型确定所述夹持部的夹持力，并基于所述夹持力向所述握持件提供反馈力。

在一个具体的实施例中，所述力反馈模型包括所述第一、第二马达的运行数据与所述夹持部的夹持力之间的关系模型。

在一个具体的实施例中，所述力反馈模型包括所述第一、第二马达的电流、电压、转速中的一种与所述夹持部的夹持力之间的关系模型。

在一个具体的实施例中，所述反馈装置还基于由所述第三马达的运行数据确定的所述夹持部的切向力，向所述握持件提供反馈力。

在一个具体的实施例中，所述力反馈模型还包括第三马达的运行数据与所述夹持部的切向力之间的关系模型。

在一个具体的实施例中，所述手术器械还包括容纳器械盒中的多个绞盘和解耦机构，所述多个绞盘的第一、第二绞盘分别用于接受所述第一、第二马达的动力输入，所述第一绞盘通过第一对缆绳与所述夹持部连接，所述第二绞盘通过第二对缆绳与所述夹持部连接，所述第一对缆绳和所述第二对缆绳绕在所述解耦机构上，在所述第三马达驱动所述腕部执行俯仰动作时，所述解耦机构运动以增加所述第一对缆绳和所述第二对缆绳中的一对缆绳在所述器械盒中的长度并减少其中另一对缆绳在所述器械盒中的长度，从而维持所述夹持部的开合角度不变。

在一个具体的实施例中，所述力反馈装置包括致动器和连杆组件，所述连杆组件一端连接所述致动器，另一端与所述握持件连接，所述致动器基于所述夹持力并通过所述连杆机构向所述握持件提供反馈力。

在一个具体的实施例中，其特征在于所述连杆机构组件第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的一端与所述握持件转动连接，另一端与所述第二连杆的一端转动连接，所述第二连杆的另一端与所述致动器连接。

在一个具体的实施例中，所述输入装置包括壳体、力反馈马达及与力反馈马达耦接的第一绳轮，所述第一绳轮通过第一销与所述壳体转动连接，所述第一绳轮与所述握持件通过第一缆绳连接，所述力反馈马达基于所述夹持力并通过所述第一缆绳向所述握持件提供反馈力。

在一个具体的实施例中，所述握持件通过第二销与所述壳体转动连接，所述第二销平行于所述第二销。

在一个具体的实施例中，所述输入装置还包括第一编码器，所述第一编码器与所述第一绳轮同轴设置，所述第一编码器用于检测所述握持件的开合角度。

在一个具体的实施例中，所述输入装置还包括第二编码器，所述第二编码器用于检测检测所述力反馈马达的转动数据。

在一个具体的实施例中，所述输入装置还包括张紧机构，所述力反馈马达通过第二缆绳与所述第一绳轮连接，所述张紧机构抵接所述第二缆绳，通过移动所述张紧机构调节所述第二缆绳的张力。

本申请在第二方面提供了一种外科手术系统，包括手术器械、驱动装置及输入装置，其中手术器械包括长轴，包括近端部分和远端部分；末端执行器，其包括腕部和夹持部，所述腕部与所述远端部分转动连接，所述夹持部与所述腕部转动连接；

驱动装置，其包括多个马达，所述多个马达的第一马达和第二马达用于驱动夹持部执行开合动作，在所述多个马达的第三马达用于驱动所述腕部执行俯仰动作时，在所述第三马达驱动所述马达执行俯仰动作时，所述第一、第二马达可维持不动，以维持所述夹持部的开合角度不变；

输入装置，包括握持件，其用于控制所述夹持部的开合角度；力反馈装置，其与所述握持件耦接，所述力反馈装置基于所述夹持部的切向力向所述握持件提供反馈力，所述夹持部的切向力是基于所述第三马达的运行数据所确定。

附图说明

图1为本申请一个实施例用于外科手术的远程操作外科手术系统的俯视图；

图2为本申请一个实施例的器械的示意图；

图3A为本申请的一个实施例的外科手术系统的主控制台的示意图；

图3B为本申请的一个实施例的主控制台的输入装置的示意图；

图4为本申请一个实施例的外科手术系统的从操作设备的示意图；

图5为本申请一个实施例的从操作设备的机械臂示意图；

图6A-6D为本申请一个实施例的手术器械的末端执行器的示意图；

图7A-7B为图6A-6D所示的实施例的末端执行器执行俯仰动作的示意图；

图8A为图6A-6D所示的手术器械的器械盒内部结构示意图；

图8B-8C为图8A所示的器械盒解耦过程示意图；

图9A-9B为本申请另一实施例的手术器械的末端执行器的示意图；

图10A为图9A-9B所示的手术器械的器械盒内部结构示意图；

图10B-10C为图10A所示的器械盒解耦过程示意图；

图11A为本申请的一个实施例输入装置的手柄示意图；

图11B为图11A所示的手柄的一个视角的剖视图；

图11C为图11A所示的手柄的另一个视角的剖视图；

图12为本申请一个实施例的末端执行器夹持件的施加力分析示意图；

图13A为本申请一个实施例的输入装置的手柄示意图；

图13B为图13A所示的实施例手柄的立体图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面，并非对本申请的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，也可指两个元件通过信号进行交互相连。当一个元件被认为是“耦合”/“耦接”另一个元件，它可以是直接耦合到另一个元件或者可能同时存在居中元件，也可指两个元件通过信号进行交互。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上方”、“下方”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式，应理解的是，这些与空间相关的术语旨在除了附图中描绘的取向之外还涵盖设备在使用中或在操作中的不同取向，例如，如果设备在附图中被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件或特征将被取向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以包括上方和下方两种取向。

本文所使用的术语“远端”、“近端”作为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离外科医生的一端，“近端”表示手术过程中靠近外科医生的一端。

术语“工具”在文中被用来描述医疗设备，该医疗设备用于插入患者身体并用于执行外科手术或诊断程序，该工具包括末端执行器，末端执行器可以是用于执行外科手术相关的外科手术器械，例如电烧灼器、钳夹器、吻合器、剪割器、成像设备(例如内窥镜或超声探头)以及类似物。本申请实施例中使用的一些工具进一步包括为末端执行器提供了铰接部件(例如关节组件)，使得末端执行器的位置和取向能够以相对于器械轴一个或多个机械自由度被操控而运动。进一步地，末端执行器包括还包括功能性机械自由度，例如打开和闭合的钳夹。工具还可以包括可以被外科手术系统更新的存储信息，借此该存储系统可以提供工具与一个或多个系统元件之间的单向或双向通信。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”和“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请一个实施例的远程操作的外科手术系统如图1所示，远程操作的外科手术系统包括主控制台10和从操作设备20，主控制台10远程通信地连接到从操作设备20，从操作设备50包括多个机械臂21，多个器械和/或成像设备分别可拆卸地安装在不同的机械臂21上。外科医生S可在主控制台10上远程操作控制器械和/或成像设备，主控制台10被配置为根据外科医生S的操作向从操作设备20发送控制信号和显示从操作设备20获取的影像，外科医生S通过主控制台10可以观察到影像系统提供的患者体内的三维立体成像，外科医生S通过观察患者体内三维的影像，能以沉浸式的感觉控制从操作设备10执行相关操作(例如执行外科手术或获取患者体内影像)。主控制台10和从操作设备设备20可以放置在同一个房间远程操作，也可以放置在不同的房间，甚至可以位于不同的城市。

主控制台10还远程通信地与电子设备推车C连接，电子设备推车C远程通信地与主控制台10、从操作设备20相连接，电子设备推车30可包括能量发生装置、图像信号处理装置等电子设备。本实施例中，主控制台10与从操作设备20、电子设备推车C之间采用有线以太网通讯方式进行远程通信，但远程通信并不限于有线以太网通讯，也可以是其他有线方式，例如包括但不限于串口、CAN、RS485、RS232、USB、SPI等，或者以及无线通讯方式，例如包括但不限于WiFi、NB、Zigbee、蓝牙、RFID等。

远程操作的外科手术系统通常还包括使操作者能够从患者身体外部观察手术部位的影像系统。该影像系统通常包括具有视频图像采集功能成像设备(例如内窥镜)和用于显示被采集图像的一个或多个视频显示设备。一般地，成像设备包括将获取患者身体内图像的一个或多个成像传感器(例如CCD或CMOS传感器)的光学器件。该一个或多个成像传感器可以被放置在的具有成像设备的远端处，并且该一个或多个传感器产生的信号可以沿电缆或通过无线传输以在视频显示设备上处理和显示。

一个或多个套管连接于机械臂21的远端，套管插入躺在手术床T的患者P的身体上。助手A根据手术状况将工具30安装到机械臂21上，或从机械臂21上更换/重新装载工具30，工具30安装到机械臂21上后，通过套管插入患者P的体内。外科医生S、助手A以及麻醉师B组成基本的外科手术团队。

工具30可以是用于执行手术操作的电烧灼器、钳夹器、吻合器、超声刀等手术器械，也可以是获取影像的成像设备(例如内窥镜)或者其他外科工具。在一些实施例中，如图2所示，工具30包括传动盒31、长轴32及末端执行器33，传动盒用于接收机械臂21上的动力输入，并传递给末端执行器33，末端执行器33可以是执行手术的装置，例如钳夹，超声刀等；也可以是成像装置，例如图像传感器。

本申请的一个实施例的主控制台如图3A所示，主控制台100包括显示设备101、扶手、第一、第二输入设备102，103、观察装置104以及多个踏板105，两个输入设备102，103分别用于控制不同的器械或成像设备。显示设备101用于显示上述影像系统所获取图像，例如，显示设备101为三维成像显示设备。外科医生S通过观察装置104观察显示设备101所显示的图像。扶手11用于放置外科医生的胳膊及/或手部，在一些实施例中，根据实际需要，也可以省略扶手，或省略观察装置104，此时可直接观察。

外科医生S通过操作第一、第二输入设备102，103控制从操作设备20的工具运动，主控制台10的控制信号处理系统处理输入设备102的输入信号后向从操作设备20发出控制信号，从操作设备20响应主控制台100的控制信号，并进行相应的操作，即主从控制。在一些实施例中，控制信号处理系统也可以设置在从操作设备20中，例如设置在从设操作设备20的基座中。

在一些实施例中，如图3B所示，第一输入设备102包括手柄1021、腕部关节组件1030和肘部关节组件1040，手柄1021用于外科医生握持，腕部关节组件1030的运动用于改变第一输入设备102的姿态，例如手柄1021的姿态。肘部关节组件1040用于改变第一输入设备102的位置，例如手柄1021的位置。

腕部关节组件1030包括多个腕关节1301，1032，1033，1034，各腕关节1301，1032，1033，1034之间通过L型连杆相互转动连接，其中腕关节1031围绕轴其线X1旋转，腕关节1032围绕其轴线X2旋转，腕关节1033围绕其轴线X3旋转，腕关节1034围绕其轴线X4旋转，各腕关节1301，1032，1033，1034围绕各自的轴线转动从而改变输入设备102的姿态。在一些实施例中，输入设备102的姿态包括轴线X1、轴线X2、轴线X3、以及轴线X4交点的姿态。

肘部关节组件1040包括多个肘关节1041，1042，1043，肘关节1041围绕其轴线X5旋转，肘关节1042围绕其轴线X6旋转，肘关节1043围绕其轴线X7旋转，各肘关节1041，1042，1043围绕各自的轴线转动从而改变输入设备102的位置。

腕部关节组件1030和肘部关节组件1040包括多个电动机，该多个电动机用于驱动腕部关节组件1030和肘部关节组件1040运动。在一些实施例中，控制器250通过控制腕部关节组件1030的一个或多个电动机运动，进而控制腕部关节组件1030运动，从而使第一输入设备102和/或第二输入设备103的姿态跟随器械末端的姿态；或者，使第一输入设备102和/或第二输入设备103的姿态与器械末端的姿态对齐。

在一些实施例中，如图4所示，从操作设备200包括多个机械臂210，220，230，240和控制器2500，多个机械臂210，220，230，240可以是相同的构型，也可以是不同的构型，多个工具310，320，330，340安装在多个机械臂210，220，230，240上，具体地，多个工具中的第一器械310可拆卸地安装在多个机械臂中的第一机械臂210，第二器械320可拆卸地安装在第三机械臂230上，第三器械330可拆卸地安装在第四机械臂240上，多个工具中的成像设备340可拆卸地安装在第二机械臂220上。在其它的一些实施例中，器械和图像设备可以互换所安装的机械臂，例如第三器械330和成像设备320可以互换所安装的机械臂，互换后第三机械臂230上安装成像设备340，第二机械臂220上安装第二器械320。

控制器2500被配置为响应于来自主控制台100或从操作设备20的控制信号，控制驱动机械臂210，220，230，240的关节运动，以及器械310、320、330和成像设备340的运动。控制器2500可以设置在从操作设备200的底座中，在一些实施例中，控制器2500也可以设置在各个机械臂上，可以理解，控制器2500也可以设置在主控制台100中。在一些实施例中，控制器2500与上述控制信号处理系统是同一控制装置，或者控制器2500和上述控制信号处理系统是分别设在从操作设备20和主控制台10内的不同控制装置。

如图5所示，以多个机械臂中的第一机械臂210为例，机械臂210包括平行四边形机构211和持械臂212，驱动装置213滑动设置在持械臂212上，驱动装置213用于驱动手术器械310的末端执行器313动作，平行四边形机构211用于是手术器械310围绕一个远程运动中心转动。驱动装置213包括多个马达213a、213b，213c，213d，器械盒311安装到驱动装置213上后，多个马达213a、213b，213c，213d对接到器械盒311中的传动装置，多个马达213a、213b，213c，213d通过驱动传动装置而驱动长轴312和末端执行器313动作,其中，第一马达213a和第二马达213b用于驱动末端执行器313执行开合动作，第三马达213c用于驱动末端执行器313执行俯仰动作，第四马达213d用于驱动长轴312自转。在一些实施例中，驱动装置213和器械盒311中间也可以通过无菌适配器连接。

现有的手术器械的末端执行器存在着运动耦合，在驱动装置驱动末端执行器动作时，需要两个或更多个马达参与驱动末端执行器的一个自由度的运动，例如驱动末端执行器313的夹持部开合的马达不仅需要驱动夹持部开合，还可能需要在末端执行器313执行俯仰运动时配合进行解耦运动，本发明一个实施例提供一种机械解耦的手术器械，通过机械解耦，驱动夹持部开合运动的马达仅驱动夹持部开合运动。

手术器械的末端执行器的运动解耦

在一个实施例中，如图6A所示，末端执行器150包括第一支架210和腕部220，第一支架210的远端包括第一支柱314和第二支柱315，第一支架210的近端包括底架316，底架316的一端与长轴连接，从底架316的另一端朝末端执行器150的远端延伸形成第一支柱314和第二支柱315，第一支柱314、第二支柱315以及底架316形成大致U型夹的结构。

在第一支柱314与第二支柱315之间设置有第一销311和第二销312，第一销311和第二销312并排固定连接在第一支柱314和第二支柱315上，其中第一销311比第二销312更靠近第一支架210的底架316。

为更好的展示末端执行器150的近端的结构，在图6B和图6C中没有显示第一支架210，如图6B和图6C所示，第一销311上设置有第一滑轮组，第一滑轮组包括依次设置在第一销311上的第一滑轮211、第二滑轮212、第三滑轮213和第四滑轮214，第二销312上设置有第二滑轮组，第二滑轮组包括依次设置在第二销312上的第五滑轮215、第六滑轮216、第七滑轮217以及第八滑轮218，第一滑轮211至第八滑轮218都是用于引导驱动缆绳，由于用于引导驱动缆绳的滑轮都设置在第一支架上210，腕部220上没有滑轮，因此腕部220的体积可以制造的更小，使得末端执行器150的体积更小，并且不会存在滑轮脱落的风险。

腕部220上设置有第三支柱317、第四支柱318以及俯仰轮319，从俯仰轮319上沿末端执行器150的远端延伸形成第三支柱317和第四支柱318，第三支柱317、第四支柱318以及俯仰轮319构成大致U型架的形状，俯仰轮319安装在第二销312上，腕部220可以围绕第二销312的轴线的AA’旋转以实现末端执行器150的俯仰运动。

第三支柱317和第四支柱318之间设置有第三销313,第三销313与第一销311、第二销312相互垂直。末端执行器150的夹持部260包括第一夹持件261和第二夹持件262，第一夹持件261和第二夹持件262通过第三销313可转动地设置在腕部220上，第一夹持件261和第二夹持件262可以围绕第三销313的轴线BB’旋转，以实现夹持部260的开合和偏航运动，第一夹持件261和第二夹持件262可以是用于夹持组织的钳夹，或用于缝合的吻合器、或者用于电烧灼的烧灼器等。

设置在末端执行器150的驱动缆绳包括用于操纵末端执行器150开合和偏航运动第一对缆绳151和第二对缆绳152，用于操纵末端执行器150俯仰运动第三对缆绳153，第一对缆绳151包括第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B。第二对缆绳152包括第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B，第三对缆绳153包括第五驱动缆绳153A以及第六驱动缆绳153B。

如图6C、6D所示，在末端执行器150一侧上，第一对缆绳151在第一滑轮组和第二滑轮组上的绕线方式与第二对缆绳152在第一滑轮组和第二滑轮组上的绕线方式相反，第一对缆绳151的第一驱动缆绳151A在第一滑轮组和第二滑轮组上的绕线方式与第二驱动缆绳151B在第一滑轮组和第二滑轮组上的绕线方式相同，第二对缆绳152的第三驱动缆绳152A在第一滑轮组和第二滑轮组上的绕线方式相同与第四驱动缆绳152B在第一滑轮组和第二滑轮组上的绕线方式相同。具体地，第一驱动缆绳151A的近端连接到器械盒170内的传动装置上，第一驱动缆绳151A的远端经过第一滑轮211的前部的导向后朝末端执行器150的远端延伸，并经过第五滑轮215的后部后导向后继续沿末端器械150的远端延伸并最后固定在第一夹持件261上。第二驱动缆绳151B经过第四滑轮214的前部导向后朝末端执行器150的远端延伸，并经过第八滑轮218的后部导向后继续朝末端执行器150的远端延伸并最后固定在第一夹持件261上。第三驱动缆绳152A的远端经过第二滑轮212后部的导向后朝末端执行器150的远端延伸，并经过第六滑轮216的前部导向后继续朝末端器械150的远端延伸并固定在第二夹持件262上，第四驱动缆绳152B的远端经过第三滑轮213的后部导向后朝末端执行器150的远端延伸，并经过第七滑轮217的前部导向后继续朝末端器械150的远端延伸并过渡在第二夹持件262上。

第三对缆绳153的第五驱动缆绳153A和第六驱动缆绳153B的近端到器械盒170，两者的远端被容纳在俯仰轮319的环形槽319A内，两者的末端分别固定在腕部220内，第五驱动缆绳153A和第六驱动缆绳153B一起驱动腕部220沿轴线AA’旋转，进而腕部220带动第一夹持部230和第二夹持部240一起沿轴线AA’进行俯仰运动。

以下详细说明末端器械150的第三对缆绳153和第一、第二对缆绳151，152之间的耦合关系，当欲使末端执行器150执行俯仰运动时，则需器械盒170收拉第三对缆绳153的第五驱动缆绳153A或第六驱动缆绳153B，使得腕部220带动第一夹持部230和第二夹持部240一起围绕第一轴线AA’俯仰运动，如图7A和7B所示，器械盒170内的绞盘171收拉第六驱动缆绳153B，使得腕部220以及第一夹持部230和第二夹持部240围绕第一轴线AA’俯仰运动，若末端执行器150只执行俯仰运动，则需要维持第一对缆绳151、第二对缆绳152在第二滑轮组与夹持部之间的缆绳部分长度不变，否则会引起末端执行器150的偏航或开合运动。

在末端执行器150从图6A-6D所示的笔直状态旋转到图7A-7B所示的俯仰状态的过程中，在器械盒170收拉第六驱动缆绳153B时，假若末端执行器150需要转过的目标俯仰角度是α，则平面a需要从图6D中的位置也旋转α角度到图7A的平面b的位置，假若第一滑轮组和第二滑轮组的滑轮的半径均为r1，为了使末端执行器150成功旋转目标的俯仰角度α，此时必须使得第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B分别在第五滑轮215和第八滑轮218上的包角长度同时增加长度L，其中L＝α*r1，而相应的第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B分别在在第六滑轮216和第七滑轮217上的包角长度同时减少了长度L。

若要使末端执行器150的执行俯仰运动必须要使得第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B在末端执行器150上的长度同时增加或减少，第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B的在末端执行器上的长度必须同时减少或增加，故第三对缆绳153的运动受限制于第一对缆绳151、第二对缆绳152。

将这种一个元件的变化受另一个元件的影响/限制的关系称之为耦合关系，即一个元件与另一元件之间存在耦合关系。对于第一对缆绳151、第二对缆绳152以及第三对缆绳153而言，这种耦合关系使得第二对缆绳152和第三对缆绳153之间的任一条缆绳运动，都会引发其他缆绳不期望的运动，从而导致末端执行器也发生不期望的运动。这种耦合关系导致末端执行器的俯仰运动与开合和/或偏移运动相互影响，末端执行器的俯仰运动与开合和/或偏移运动相互不独立，使得末端执行器150无法正确的执行手术操作。因此需要解除第三对缆绳153和第一对缆绳151和/或第二对缆绳152之间的这种耦合关系，使第三对缆绳153的运动不再受限制于第一对缆绳151和/或第二对缆绳152，两者之间的运动能相互独立、互不干扰或影响，将这种解除第三对缆绳153和第一对缆绳151和/或第二对缆绳152之间这种耦合关系称之为解耦。

对于如何解除上述耦合关系，一种现有的解耦方法是使用软件算法进行解耦，但是现有的软件解耦方法是无法解耦本发明这种类型的末端执行器的，本发明提出了一种机械解耦的方案，在手术器械120的器械盒170中设置一种机械解耦机构，从而解除第一对缆绳151和第二对缆绳152及第三对缆绳153之间耦合关系。

如图8A所示为本发明一实施例的器械盒170的示意图，该器械盒170适用于接收动力输入并驱动图6A所示的末端执行器。器械盒170包括用于驱动末端执行器150执行开合和/或偏航运动的第一绞盘171和第二绞盘172，用于驱动末端执行器150俯仰运动的第三绞盘173，以及用于驱动长轴160自转运动的第四绞盘174。第一对缆绳151的第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B分别以相反的缠绕方式绕在第一绞盘171上，第二对缆绳152的第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B分别以相反的缠绕方式绕在第二绞盘172上，第三对缆绳153的第五驱动缆绳153A和第六驱动缆绳153B分别以相反的缠绕方式绕在第三绞盘173上，第七驱动缆绳154A和第八驱动缆绳154B分别以相反的缠绕方式绕在第四绞盘174上。

当驱动装置132内的第一马达213a驱动第一绞盘171旋转时，第一绞盘171收拉或释放第一驱动缆绳151A或第二驱动缆绳151B以使第一夹持件261围绕其第三销313旋转，当驱动装置132内的第二马达驱动213b第二绞盘172旋转时，第二绞盘172收拉或释放第二驱动缆绳152A、第三驱动缆绳152B以使第二夹持件262围绕第三销313旋转。当驱动装置132内的第三马达驱动213c第三绞盘173旋转时，第三绞盘173收拉或者释放第五驱动缆绳153A、第六驱动缆绳153B时以使腕部220围绕第二销312的轴线AA’旋转从而实现末端执行器150执行俯仰运动。当驱动装置132内的第四马达驱动第四绞盘174随其轴174A旋转时，第四绞盘174收拉或释放第七驱动缆绳154A或第八驱动缆绳154B实现驱动长轴160的自转运动。

器械盒170还包括用于解除第三对缆绳153与第一对缆绳151、第二对缆绳152之间在末端执行器150一侧的耦合关系的解耦机构，解耦机构包括解耦轮1761和滑架176，滑架176包括支撑架1762和连接在支撑架1762两端的第一导向部1763、第二导向部1764，第一、第二驱动缆绳151A，151B绕在第一导向部1763上，第三、第四驱动缆绳152A、152B绕在第二导向部1764上，解耦轮1761通过第一解耦缆绳1767和第二解耦缆绳1768与支撑架1762连接，解耦轮1761通过驱动第一解耦缆绳1767和第二解耦缆绳1768进而操纵滑架176的运动。

解耦轮1761与第三绞盘173可以设置在同一轴173A上，解耦轮1761与第三绞盘173同轴旋转。解耦轮1761和第三绞盘173具有不同的半径，解耦轮1761的半径为r2，第三绞盘173的半径为R2，其中r2<R2，解耦轮1761通过收拉或释放第一解耦缆绳1767或第二解耦缆绳1768使得滑架176运动。

解耦过程如图8B所示，当第三绞盘173沿逆时针(第一方向)旋转时，第三绞盘173收拉第六驱动缆绳153B并同时释放第五驱动缆绳153A，使得末端执行器150的腕部220如图7A和7B围绕第二销312的轴线AA’旋转，整个末端执行器150执行俯仰运动。由于解耦轮1761与第三绞盘173同轴旋转，此时解耦轮1761收拉第二解耦缆绳1768并同时释放第一解耦缆绳1767，假如解耦轮1761转过的弧长为L/2，则滑架176在第二解耦缆绳1768的拉动下沿A方向运动L/2距离，此时由于滑架176的运动，使得第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B在器械盒170内的长度将同时减少L，相应地，第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B在器械盒170内的长度将同时增加L。

由此第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B在器械盒170内的长度减少量与第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B分别在第五滑轮215和第八滑轮218上包角长度需要的增加量相等，第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B在器械盒170内的长度增加量与第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B在第六滑轮216和第七滑轮217上的包角长度需要的减少量相等。相反地，如图8C所示，当第三绞盘173和解耦轮1761一起顺时针(第二方向)旋转时，第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B在器械盒170内的长度增加量与第一驱动缆绳151A和第二驱动缆绳151B分别在第五滑轮215和第八滑轮218上包角长度需要的减少量相等，第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B在器械盒170内的长度减少量与第三驱动缆绳152A和第四驱动缆绳152B在第六滑轮216和第七滑轮217上的包角长度需要的增加量相等。由此第一对缆绳和第二缆绳在因末端执行器俯仰运动而引起的在末端执行器一侧上长度变化量全部由第一对缆绳和第二缆绳在器械盒170内的长度变化提供，因此第三对缆绳的运动将不再受第一对缆绳、第二对缆绳的限制，解耦机构实现了解除第三对缆绳与第一对缆绳、第二对缆绳之间的耦合关系。

为了使在解耦机构能精确可控地解除第三对缆绳153与第一对缆绳151、第二对缆绳152之间的耦合关系，解耦机构的解耦轮1761驱动滑架176始终沿直线运动，并且使得从解耦件176运动引起的第一驱动缆绳151A、第二驱动缆绳151B、第三驱动缆绳152A以及第四缆绳152B的长度变化始终是线性的。

如图9A所示，为本发明一实施例的末端器械250的结构示意图，末端器械250包括大致呈U形结构的腕部410、第一支架510，以及夹持部610和驱动缆绳。第一对缆绳251的远端安装在夹持部610的第一夹持件611上，其近端连接到器械盒270内的第一绞盘上，第二对缆绳252的远端安装在夹持部610的第二夹持件612上，其近端连接到器械盒270内的绞盘上，第一对缆绳251和第二对缆绳252配合操纵第一夹持件611和第二夹持件612绕第一销512的轴线BB’旋转，实现末端器械250的开合和偏航运动。第三对缆绳253的远端安装在腕部410上，近端连接到器械盒270内的第三绞盘上。

第一对缆绳251包括第一驱动缆绳251A和第二驱动缆绳251B，第二对缆绳包括252第三驱动缆绳252A和第四驱动缆绳252B。第一滑轮组320固定在腕部410上，第二滑轮组330安装在在第一支架510上，其中第一滑轮组320包括第一、第二、第三、第四滑轮321，322，323，324，第二滑轮组330包括第五、第六、第七、第八滑轮325，326，327，328。

第一对缆绳251和第二对缆绳252在第一滑轮组320和第二滑轮组320上的绕线方式相同，但第一对缆绳251的第一驱动缆绳251A和第二驱动缆绳251B在第一滑轮组320和第二滑轮组330上的绕线方式相反，第二对缆绳252的第三驱动缆绳252A和第四驱动缆绳252B在第一滑轮组320和第二滑轮组330上的绕线方式相反。具体地，第一驱动缆绳251A经过第一滑轮321前部的导向然后再经过第五滑轮325的后部导向然后穿过第一支架510延伸至长轴160内；第二驱动缆绳251B经过第三滑轮323后部的导向然后再经过第七滑轮327的前部的导向后然后穿过第一支架510延伸至长轴160内。第三驱动缆绳252A经过第二滑轮322前部的导向然后再经过第六滑轮326的后部导向后穿过腕部210延伸至长轴160内，第四驱动缆绳352B经过第四滑轮324的后部的导向后然后再经过第八滑轮228的前部的导向后穿过腕部410延伸至末端长轴160内。

本实施例中的第三对缆绳253与第一对缆绳251、第二对缆绳252之间也存在耦合关系。具体地，如图9B所示，当手术器械的器械盒270释放第三对缆绳253的第五驱动缆绳253A并收拉第三对缆绳253的第六驱动缆绳253B时，期望的末端执行器250俯仰运动是末端执行器250的腕部410和夹持部610一起绕第二销511的轴线AA’顺时针方向旋转，并且在旋转的过程中夹持部610不绕第一销412运动。

但是由于驱动缆绳经过上述绕线方式后，腕部410和夹持部610一起绕第二销412的轴线AA’逆时针旋转的过程中，使得第一对缆绳351的第一驱动缆绳251A和第二对缆绳252的第三驱动缆绳252B分别在第五滑轮325和第六滑轮326上的包角长度将增加，同时第二驱动缆绳252B和第四驱动缆绳252B分别在第七滑轮227和第八滑轮228上的包角长度将减少，从而促使夹持部610绕第一销412的轴线BB’逆时针旋转，从图中虚线位置旋转到图中实线位置，这是不期望发生的，第三对缆绳253与第一对缆绳251、第二对缆绳252之间也存在耦合关系。

因此本发明还提供了一种可以解除上述手术器械250的耦合关系的器械盒，如图10A所示，该器械盒270包括用于驱动末端器械250执行开合、偏航的第一绞盘271和第二绞盘272，用于驱动末端器械250执行俯仰运动的第三绞盘273，以及用于驱动长轴160自转运动的第四绞盘274。第一对缆绳251的第一驱动缆绳251A和第二驱动缆绳251B的近端以相反的缠绕方式绕在第一绞盘271上，第二对缆绳252的第三驱动缆绳252A和第四驱动缆绳252B的近端分别以相反的缠绕方式绕在第二绞盘272上，第三对缆绳253的第五驱动缆绳253A和第六驱动缆绳253B分别以相反的缠绕方式绕在第三绞盘273上，第四对缆绳的第六驱动缆绳254A和第七驱动缆绳254B分别以相反的缠绕方式绕在第四绞盘元274上。

器械盒270还包括用于解除第三对缆绳253与第一对缆绳251、第二对缆绳252之间在末端执行器250一侧的耦合关系的解耦机构，解耦机构包括解耦轮275和滑架276，解耦轮275与第三绞盘273同轴设置，滑架276包括支撑架2761和设置在支撑架2761两端的导向轮2763，2764。第一驱动缆绳251A和第三驱动缆绳252A通过第一导向部2763的导向后然后进入长轴160内，第二驱动缆绳251B和第四驱动缆绳152B通过第二导向部2764的导向后然后进入长轴内。解耦轮275用于驱动从滑架276移动以改变第一对缆绳251和第二对缆绳252在器械盒内的长度，从而解除第三对缆绳与第一对缆绳、第二对缆绳之间的耦合关系。

如图10B所示，当第三绞盘273沿第一方向(逆时针)旋转时，第三绞盘273收拉第五驱动缆绳253B并同时释放第四驱动缆绳253A，从而使得末端器械250的腕部220沿第二销511的轴线AA’旋转。由于解耦轮275与第三绞盘273同轴设置，解耦轮275沿第一方向旋转时释放第一解耦缆绳2765并同时收拉第二解耦缆绳2766从而牵引滑架276的支撑架2761在器械盒270内沿A方向移动，从而使得第一驱动缆绳251A和第三驱动缆绳252A在驱动装置内的长度同时减少，第二驱动缆绳251B和第四驱动缆绳252B在驱动装置内的长度同时增加。

如图10C所示，当第三绞盘273和解耦轮275一起沿与第一方向相反的第二方向旋转时，整个解耦过程和上述第三绞盘273和解耦轮275沿第一方向旋转的过程相反，因此所引起的驱动缆绳和解耦缆绳的变化也和上述沿第一方向运动相反。

由此末端执行器250俯仰运动所需要第一对缆绳251的第一驱动缆绳151A和第二对缆绳的第三驱动缆绳152A分别在第五滑轮225和第六滑轮226上的包角长度的变化量，以及第二驱动缆绳151B和第四驱动缆绳152B分别在第七滑轮227和第八滑轮228上的包角长的变化量，全部由解耦机构的从解耦件176运动引起的第一驱动缆绳151A和第三驱动缆绳152A在驱动装置内的长度的变化量，以及第二驱动缆绳152B和第四驱动缆绳152B在驱动装置内的长度的变化量提供，从而使得第三对缆绳的运动不再受第一对缆绳、第二对缆绳的限制，实现第三对缆绳和第一对缆绳、第二对缆绳之间的精确解耦。

经过上述机械解耦后，驱动夹持部运动的驱动马达仅驱动夹持部运动，不需要参与解耦运动，换而言之，在第三马达213c驱动手术器械的腕部俯仰运动时，第一、第二马达213a,213b可以不动，从而末端执行器的夹持部的开合角度也维持不变。此时驱动夹持件运动的第一、第二马达213a,213b的运行数据的改变(例如电流的突然改变)，只可能是因为夹持到人体组织产生，因此可以通过该运行数据确定夹持部施加到人体组织的夹持力，并基于该夹持力为输入装置提供力反馈。

本发明的一个实施例还提供一种具有力反馈的输入装置，如图11A所示，输入装置的手柄1130与腕关节1031转动连接，手柄1130包括外壳1131和握持件1133，握持件1133转动安装在壳体1131上，外壳1131还包括把手1132，操作者在使用手柄1130时，像握枪一样握住把手1132，手指握住握持件1133。

如图11B、11C所示，手柄1130还包括力反馈装置，力反馈装置包括力反馈马达1201、传动缆绳1203以及第一绳轮1204，力反馈马达1201通过传动缆绳1203与第一绳轮1204连接。握持件1133的支架1134通过第二绳轮1205与第一绳轮1204相连接，第二绳轮1205与第一绳轮1204设置在同一销轴1135上，编码器1207固定在第一绳轮1204下方，并与第一、第二绳轮1204，1205同轴设置，用于检测第一、第二绳轮1204，1205的转动角度。在一些实施例中，第一绳轮1204和第二绳轮1205也可以不设置在同一销轴上，例如，第一绳轮1204和第二绳轮1205设置在不同的销轴上，第一绳轮1204和第二绳轮1205直接通过缆绳或者齿轮相连接。

支架1134通过第一致动缆绳1206a和第二致动缆绳1206b与第二绳轮1205相连接，第一、第二致动缆绳1206a，1206b沿着支架1134的相对的侧面延伸，第一致动缆绳1206a的一端和第二致动缆绳1206b的一端分别固定在支架1134的两侧，第一、第二致动缆绳1205a,1206b以相反的方式缠绕在第二绳轮1205上，并且第一致动缆绳1206a的另一端和第二致动缆绳1206b的另一端固定在第二绳轮1205上。在一些实施例中，第一致动缆绳1206a和第二致动缆绳1206b在支架1134的两侧侧壁的凹槽中延伸。

在一个实施例中，握持件1133通过第二销轴1136与壳体1131转动连接，第二销轴1136和第一销轴1135平行，这样可以使握持件1133在转动时，第一驱动缆绳1206a和第二驱动缆绳1206b在支架1133的侧壁的凹槽内不易滑出。

当操作者按压握持件1133，握持件1133的支架1133沿图示顺时针方向CW转动，在第一致动缆绳1206a的拉动下，第二绳轮1205逆时针转动，当操作者拉握持件1133，握持件1133围绕第二销轴1133沿逆时针CCW方向转动，第二致动缆绳1206b拉动第一绳轮1135顺时针转动。编码器1207可以检测到第二绳轮1205转动角度，从而得到握持件1133的转动角度，手术系统的控制器根据握持件1133的转动角度来控制手术器械的末端执行器的夹持部的开合角度。

在一些实施例中，在握持件1133的支架1134和外壳1131之间设有被压缩的弹簧(图未示出)，在操作者释放握持件1133后，弹簧恢复使得握持件1133沿逆时针CCW方向转动。

在手术器械的夹持部260夹持到人体组织R后，夹持部260的夹持动作的施加到组织R的力情况如图12所示，手术器械在夹持人体组织操作过程中，与人体组织的相互作用力通常被认为是夹持操作力，被可以沿末端工具坐标系分解为三维轴向作用力F_g、F_s、F_t，其中，F_g表示手术器械对于人体组织作用的齿面夹持力，F_s表示径向切向力，F_t表示轴向拉伸力。由于夹持部260中的第一夹持部件261和第二夹持部件262由缆绳单独控制，且与人体组织接触过程中均产生相互作用力，因此，可以将三维轴向作用力F_g、F_s、F_t进一步分解到第一夹持部件261齿面上且为三维轴向分力F_g′、F_s′、F_t′和第二夹持部件262齿面上且为三维轴向分力F_g″、F_s″、F_t″,力分解关系可以通过下式进行表达

其中，表示力F_t的矢量形式，同理到力矢量/>和/> 表示矢量力/>的标量数值，同理到力标量值/>和/>

在手术器械150，250的夹持部260，610夹持到人体组织后，会引起驱动夹持部运动的驱动缆绳产生拉伸形变，进而导致驱动夹持部转动的第一马达213a和第二马达213b的电流产生突然较大的变化，而经过上述机械解耦后，第一马达213a和第二马达213b不再参与解耦运动，该两个马达分别独立驱动夹持部第一夹持件和第二夹持件，该两个马达的电流突然产生变化则表示夹持部夹持到人体组织，通过将该电流变化量输入到预先存储的“夹持部的操作力-电流变化量”的力反馈模型，其中操作力包括了夹持部的夹持力，即可以得到夹持到组织时的夹持部的夹持力的大小。

在一个实施例中，“夹持部的操作力-电流变化量”力反馈模型还包括夹持部的两个夹持件切向力F_s与第三马达213c的电流变化量之间的关系，手术器械150，250的夹持部260，610夹持到人体组织后，也能使夹持部261，610的两个夹持件受到齿面切向力，齿面切向力垂直上述夹持力，齿面切向力的存在将使第三马达213c的电流产生突然变化，将第三马达213c的电流变化量输入到力反馈模型中即可得到夹持不的齿面切向力大小。

在一些实施例中，通过标定设备对第一马达213a、第二马达213b和第三马达213c的电流变化量与压力传感器测量的夹持部的夹持力进行数学关系标定，根据数学关系最终得到“夹持部的操作力-电流变化量”力反馈模型。

力反馈马达1201基于通过第一马达213a和第二马达213b的电流所检测到夹持部的夹持力大小向握持件1133提供反馈力，例如，力反馈装置的控制器根据检测到的夹持部240，610的夹持力转化为力反馈马达1201的输入电流，力开反馈马达1201根据该输入电流输出相应的阻力，该阻力可以和夹持部260，610的夹持力相等，也可以和该夹持力的大小成比例。由于第一绳轮1204和第二绳轮1205设置在同一销轴，反馈马达1201输出的阻力将通过传递缆绳1203、第一绳轮1204和第二绳轮1205传递到握持件1133上去，从而使操作者操作手柄时感受到反馈马达1201提供的阻力，这样操作者就能直观的感受到器械的末端执行器夹持到组织时的阻力大小，使得手术更加安全。

在一个实施例中，如图13A、13B所示的手柄2130，手柄2130包括壳体2131和两个握持件2133a,2133b，两个握持件2133a,2133b分别通过两个第一销轴2134a，2134b与壳体2131转动连接，操作通过捏压两个握持件2133可以实现对手术器械的末端执行器的夹持部的开合角度进行控制。

手柄2130还包括力反馈装置，力反馈装置包括连杆组件和力反馈致动器2201，连杆组件包括两个第一连杆2201a,2201b，两个第一连杆2201a,2201b的一端通过分别通过两个第二销轴2135a,2135b与两个握持件2133a,2133b转动连接，两个第一连杆2201a,2201b的另一端通过第三销轴2136与第二连杆2202一端转动连接，第二连杆2202的另一端连接力反馈致动器2201。

和上述缆绳驱动的实施例类似，力反馈装置的控制器通过第一马达213a和第二马达213b的电流来检测到夹持部的夹持力大小，在力反馈装置的控制器根据检测到的夹持部的夹持力转化为力反馈制动器2201的输入电流，力反馈致动器根据该输入电流通过所述连杆组件向所述握持夹2133a,2133b输入阻力，以为操作者提供力反馈。

在一个实施例中，力反馈致动器2201通过第三连杆2203与第二连杆2202相连接，第二连杆2202沿直线运动，其运动方向与第一销轴2134a,2134b、第二销轴2135a,2135b及第三销轴2136垂直，第二连杆2202的直线运动带动第三连杆2203运动，从而将第二连杆2202的运动传递到力反馈致动器2201，藉此力反馈致动器2201可以检测到第二连杆2202的运动量，由此力反馈致动器2201检测到握持件2133a和握持件2133b的开合角度。

在一个施例中，两个握持件2133a，2133b之间还设有弹簧2205，在操作者松开握持件2133a,2133b后，弹簧2205提供弹性回复力，使的两个握持件2133a,2133b彼此远离。

在一个实施例中，力反馈装置的控制器通过第三马达的电流来检测到夹持部的切向力大小，力反馈装置的控制器将检测到的夹持部的夹持力转化为力反馈马达1201或力反馈制动器2201的输入电流，力反馈致动器根据该输入电流通过所述连杆组件向所述握持件1133或握持件2133a,2133b输入阻力，以为操作者提供包含夹持部切向力的力反馈。

可以理解，在一些实施例中，也可以利用第一马达213a和第二马达213b的其它运行数据来建立夹持部的夹持力与运行数据的数学模型，例如可以建立“夹持部的夹持力-转速变化量”、“夹持部的夹持力-力矩变化量”、“夹持部的夹持力-电压变化量”等数学模型。

在一个实施例中，力反馈装置根据与握持件1133的开合角度相关的力反馈模型来为握持件1133提供力反馈。具体地，力反馈装置基于手术器械的末端执行器是否夹持到人体组织而启用力反馈模型，例如，外科手术系统预先存储有与第一马达213a和第二马达213b的相关的阈值电流，当力反馈装置检测到第一马达213a和第二马达213b的电流大于该第一阈值电流时，则启动力反馈模型。该力反馈模型和手柄的握持件1133，2133的开合角度相关，力反馈装置的控制器在检测到第一马达213a和第二马达213b的电流大于该第一阈值电流时，获取此时握持件1133，2133的第一转动角度，并实时获取握持件1133，2133从该第一转动角度运动后的第二转动角度,其中第二转动角度小于第一转动角度，转动角度是指握持件与手柄的中心线之间的夹角，以图11C为例，转动角度是指握持件1133与手柄1130的中心线X1的夹角γ。力反馈装置的反馈马达1201或力反馈致动器2201基于握持件第一转动角度和第二转动角度向握持件提供给反馈力。其中，基于将第一转动角度和第二转动角度得到反馈力，即将第一转动角度和第二转动角度输入到力反模型中，从而得到反馈力。力反馈模型如下：

F_mg＝k₁(θ_mg-θ_grip)+k₂(θ_mg-θ_grip)²+…+k_n(θ_mg-θ_grip)ⁿ

上述力反馈模型中F_mg为反馈力，θ_mg为握持件第一转动角度，θ_grip为握持件第二转动角度，k₁、k₂、…、k_n表示常值系数，在建模过程中由测量标定得到。反馈马达1201或力反馈致动器2201根据反馈力F_mg向握持件输出反馈力。

力反馈装置的控制器可以置于输入装置内，也可以设置在主控制台10，或从操作设备20中，例如使用从操作设备20内控制器2500实现力反馈装置的控制器功能，可以理解的是，力反馈装置的控制器可以设置在手术系统的任何地方。

在一个实施例中，力反馈装置根据与器械的夹持部260，610的两个夹持件开合角度相关的力反馈模型来为握持件1133提供给反馈力。具体地，当力反馈装置的控制器在检测到第一马达213a和第二马达213b的电流大于该第一阈值电流时，获取此时夹持部的第一开合角度，并实时获取夹持部从该第一开合角度运动后的实际的第二开合角度，其中第二开合角度小于第一开合角度，开合角度是指夹持部的两个夹持件之间的开合角度，在夹持间闭合时开合角度为零。反馈马达1201基于该第一开合角度和第二开合角度向手柄提供反馈力，即将第一开合角度和第二开合度输入到力反模型中，从而得到夹持部的夹持力，力反馈装置根据该夹持力向握持件输出反馈力，本实施例中力反馈模型如下：

F_ug＝k₁(θ_ug-θ_tool)+k₂(θ_ug-θ_tool)²+…+k_n(θ_ug-θ_tool)ⁿ

上述力反馈模型中F_ug为夹持部的夹持力，θ_ug为夹持部的第一开合角度，θ_tool为第二开合角度，k₁、k₂、…、k_n表示常值系数，在建模过程中由测量标定得到。反馈马达1201或力反馈致动器2201根据夹持力F_ug向握持件输出反馈力。

可以理解，在一些实施例中，也可以通过检测第一马达213a和第二马达213b的其它运行数据来判断器械的夹持部是否夹持到组织，例如第一马达213a和第二马达213b的电压、转速、力矩等运行数据来判断器械的夹持部是否夹持到组织。

在一个实施例中，力反馈装置根据与腕部220的俯仰角度相关的力反馈模型来为握持件1133，2133提供包括夹持部切向力相关的反馈力。外科手术系统预存储有与第三马达213c相关的第二电流阈值，当力反馈装置的控制器在检测到第三马达213c的电流超过第二电流阈值时，获取此时握持件1133，2133的第一转动角度，并实时获取握持件1133，2133从该第一转动角度运动后的第二转动角度，其中第二转动角度小于第一转动角度。力反馈装置的力反馈马达1201或力反馈致动器2201基于握持件1133，2133的第一转动角度和第二转动角度向握持件提供给包含切向力的反馈力。如何通过力反馈模型和握持件的第一、第二转动角度得到反馈力，可以参照上述实施例，这里不再赘述。

在一个实施例中，力反馈装置根据与器械的腕部220，410的俯仰角度相关的力反馈模型来为握持件1133，2133提供给反馈力。具体地，当力反馈装置的控制器在检测到第三马达213c的电流大于该第二阈值电流时，获取此时腕部220，410的第一俯仰角度，并实时获取腕部从腕部第一俯仰角度运动后的实际的第二俯仰角度，其中第一俯仰角度小于第二俯仰角度。力反馈马达1201或制动器2201基于该腕部的第一俯仰角度和夹持部第二俯仰角度向握持件提供反馈力。即将腕部第一俯仰角和第二俯仰角输入到力反模型中，从而得到夹持部的切向力，力反馈装置根据该夹切向力向握持件输出反馈力，本实施例中力反馈模型如下：

F_vg＝k₁(θ_vg-θ_wrist)+k₂(θ_vg-θ_wrist)²+…+k_n(θ_vg-θ_wrist)ⁿ

上述力反馈模型中F_vg为夹持部的切向力，θ_vg为腕部的第一俯仰角度，θ_wrist为腕部第二俯仰角度，k₁、k₂、…、k_n表示常值系数，在建模过程中由测量标定得到。反馈马达1201或力反馈致动器2201根据切向力F_vg向握持件输出反馈力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种外科手术系统，其特征在于，包括：

手术器械，包括

长轴，其包括近端部分和远端部分；

末端执行器，其包括腕部和夹持部，所述腕部与所述远端部分转动连接，所述夹持部与所述腕部转动连接；

驱动装置，其包括多个马达，所述多个马达中的第一马达和第二马达用于驱动所述夹持部执行开合动作，所述多个马达中的第三马达用于驱动所述腕部执行俯仰动作，在所述第三马达驱动所述腕部执行俯仰动作时，所述第一、第二马达可维持不动，以维持所述夹持部的开合角度不变；

输入装置，包括

握持件，其用于控制所述夹持部的开合角度；

力反馈装置，其与所述握持件耦接，所述力反馈装置基于所述夹持部的夹持力向所述握持件提供反馈力，所述夹持部的夹持力是基于所述第一、第二马达的运行数据所确定。

2.如权利要求1所述的外科手术系统，其特征在于，所述力反馈装置基于所述第一、第二马达的运行数据和力反馈模型确定所述夹持部的夹持力，并基于所述夹持力向所述握持件提供反馈力。

3.如权利要求2所述的外科手术系统，其特征在于，所述力反馈模型包括所述第一、第二马达的运行数据与所述夹持部的夹持力之间的关系模型。

4.如权利要求3所述的远程操作外科手术系统，其特征在于，所述力反馈模型包括所述第一、第二马达的电流、电压、转速中的一种与所述夹持部的夹持力之间的关系模型。

5.如权利要求3所述的外科手术系统，其特征在于，所述反馈装置还基于由所述第三马达的运行数据确定的所述夹持部的切向力，向所述握持件提供反馈力。

6.如权利要求5所述的外科手术系统，其特征在于，所述力反馈模型还包括第三马达的运行数据与所述夹持部的切向力之间的关系模型。

7.如权利要求1所述的外科手术系统，其特征在于，所述手术器械还包括容纳器械盒中的多个绞盘和解耦机构，所述多个绞盘的第一、第二绞盘分别用于接受所述第一、第二马达的动力输入，所述第一绞盘通过第一对缆绳与所述夹持部连接，所述第二绞盘通过第二对缆绳与所述夹持部连接，所述第一对缆绳和所述第二对缆绳绕在所述解耦机构上，在所述第三马达驱动所述腕部执行俯仰动作时，所述解耦机构运动以增加所述第一对缆绳和所述第二对缆绳中的一对缆绳在所述器械盒中的长度并减少其中另一对缆绳在所述器械盒中的长度，从而维持所述夹持部的开合角度不变。

8.如权利要求1所述的外科手术系统，其特征在于，所述力反馈装置包括致动器和连杆组件，所述连杆组件一端连接所述致动器，另一端与所述握持件连接，所述致动器基于所述夹持力并通过所述连杆机构向所述握持件提供反馈力。

9.如权利要求8所述的外科手术系统，其特征在于，其特征在于所述连杆机构组件第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的一端与所述握持件转动连接，另一端与所述第二连杆的一端转动连接，所述第二连杆的另一端与所述致动器连接。

10.如权利要求1所述的外科手术系统，其特征在于，所述输入装置包括壳体、力反馈马达及与力反馈马达耦接的第一绳轮，所述第一绳轮通过第一销与所述壳体转动连接，所述第一绳轮与所述握持件通过第一缆绳连接，所述力反馈马达基于所述夹持力并通过所述第一缆绳向所述握持件提供反馈力。

11.如权利要求10所述的外科手术系统，其特征在于，所述握持件通过第二销与所述壳体转动连接，所述第二销平行于所述第二销。

12.如权利要求11所述的外科手术系统，其特征在于，所述输入装置还包括第一编码器，所述第一编码器与所述第一绳轮同轴设置，所述第一编码器用于检测所述握持件的开合角度。

13.如权利要求12所述的外科手术系统，其特征在于，所述输入装置还包括第二编码器，所述第二编码器用于检测检测所述力反馈马达的转动数据。

14.如权利要求10述的外科手术系统，其特征在于，所述输入装置还包括张紧机构，所述力反馈马达通过第二缆绳与所述第一绳轮连接，所述张紧机构抵接所述第二缆绳，通过移动所述张紧机构调节所述第二缆绳的张力。

15.一种外科手术系统，其特征在于，包括：

手术器械，包括

长轴，包括近端部分和远端部分；

末端执行器，其包括腕部和夹持部，所述腕部与所述远端部分转动连接，所述夹持部与所述腕部转动连接；

驱动装置，其包括多个马达，所述多个马达的第一马达和第二马达用于驱动夹持部执行开合动作，在所述多个马达的第三马达用于驱动所述腕部执行俯仰动作时，在所述第三马达驱动所述马达执行俯仰动作时，所述第一、第二马达可维持不动，以维持所述夹持部的开合角度不变；

输入装置，包括

握持件，其用于控制所述夹持部的开合角度；

力反馈装置，其与所述握持件耦接，所述力反馈装置基于所述夹持部的切向力向所述握持件提供反馈力，所述夹持部的切向力是基于所述第三马达的运行数据所确定。