手術機器人是如何實現操作時的「力反饋」的？

01-03

技術原理是什麼？能否達到真人操作的水平呢？

偶然看到這個問題，不太想回答，因為我還沒搞定···心塞

2017.03.14補充：哈哈哈哈我覺得我差不多搞定了，但是我才不會告訴你們這些凡人怎麼做到的自己去翻書吧哈哈哈我要盜圖了@冷哲

力反饋其實也是按照精度分級的，精度在5N級別的力反饋，靠阻抗控制差不多就能實現；

但是想實現人手操作精度等級的力反饋，基本上要用力感測器。

樓上哥們說得對，這玩意主要難在穩定性上。

我這邊的得到的私人信息是達芬奇已經搞定了力感測器做反饋，下一代產品可能會加上這個功能，前前後後花了10年······

放個 Bert Willaert （ the KU Leuven, Belgium）做的demo吧，起碼給題主一個展示。

demo裡面也是明顯的未建模的部分會對穩定性造成較大的影響（當然這哥們可能根本沒建模）

Telesurgery with reliable force feedback 打開連接應該能看，視頻估計要翻牆，youtube的。

這個問題超過我的知識範圍了，但我試試看。

手術機器人結構我不知道，但可以說說我用過的力/力矩感測器，或許手術機器人上有類似的結構：

六軸力感測器

ATI_Family_of_Force-Torque_Sensors

從上到下分別是：

1. 就是個殼。強度高，自身楊氏模量高不易形變。到時候測量的就是上下兩邊殼子的相對位移。

2. 電路板。低噪，負責測量和傳輸信號

3. 彈性梁，三段分別和上下殼體固定，當兩端受力時，三條彈性梁會產生相應形變。三個末端的形變數會被測量（2d，測量原理的我現在吃不準）。

於是乎，計算機得到六個信號。把這六個信號乘上變換矩陣（在廠家的網上可以找到各個型號的參考規範，變換矩陣也可以自己調試）後便能得到三個方向的力和力矩了。

這裡說得更清楚：ATI 工業自動化: 機器人技術術語表

力感測器的種類實在太多了，這個問主自己找找吧。

此外，除腕力外還有其他的力或力矩需要監測，比如剪切動作或者夾持動作的力度。感測器方面實在說不完。

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之後，把工具端檢測到的力以很小的延時反饋到操作者端的手柄上，和檢測操作端的作用力互動。

Asymmetric Force Feedback Control Framework for Teleoperated
Robot-Assisted Surgery

Omid Mohareri, Student member, IEEE, Septimiu E. Salcudean, Fellow, IEEE and Christopher Nguan

操作端和工具端的力經過測量和調整後進行互動，之後再分別反饋到另外一端。這個過程中，工具端的受力應該是經過放大後傳到用戶端，用戶端的操作會被過濾和縮小後體現到工具端。

這個過程的關鍵點有高採樣率和反饋速度。轉換用戶端操作的演算法想必也是難點。

據我親自在交流會上向達芬奇手術機器人的維修攻城獅詢問。在湘雅三醫院的達芬奇手術機器人是不帶有力反饋的。只是閉環控制，元器件是編碼器和精密電位器。

當時我比較震驚其實。

畢竟達芬奇貴的一逼啊。

手術機器人屬於機器人中遠程操作(tele-operation)這個細分領域。

遠程操作中，有主動機構和從動機構，之間靠通訊進行同步位置或者力。

題目中說的力反饋，指的應該不是一般機器人力控制中的力反饋迴路，而是遠程操作中，從動機構將受到的外力傳遞迴主動機構的力反饋。關鍵詞可以搜 virtual force feedback。當然，如果這裡把人類看成控制器，這裡也算是廣義的力反饋迴路。

當然，要是實現力反饋，在主從兩端都要實現力控制。這裡可以具體看力控制方面的內容，有很多答主也有提到。

在力的同步方面，兩方的力往往不是一比一傳遞的，而是按照需求調整。比如手術機器人中，可能與人體組織接觸的力可能很小，在反饋時就會放大，讓操作者更好地感覺到。當然操作方給手術機器人的力信號則會相應放大。如果從動方是功率很大的機器，比如挖掘機之類的，則要反之。

但是由於通訊延遲的存在會造成這種互相反饋機制的不穩定性，如何克服這個問題，是遠程操作中的一個核心課題。

對於回答這個問題，真的是卸腰...因為我本身只是本科參加了幾次機器人競賽，可能對於自己接觸的競賽問題有較多的發表個人意見，顯得比較活躍而被邀請，而且我一直做的是機械結構創新設計方面，所以這個問題的回答的專業性我不敢保證。

說到手術機器人，肯定想到的最成熟的達芬奇手術機器人，可以看下達芬奇手術機器人系統技術分析。至於實現操作時的力反饋的技術原理的話，目前主要是通過在夾持器械上集成多維力感測裝置的方法來解決。其實就是在夾持手指末端裝上力感測裝置，這樣可以第一時間檢測到手指夾持力的信息，通過控制終端的信號處理實現力反饋控制。要達到真人操作的水平其實只要控制力反饋的零延時就基本就行了，當然體驗可能會稍微差點。不過從達芬奇、ZEUS等機器人獲得的認可來講，水平早就超過了真人，因為真人的抖動、長時間高度集中導致的精力下降都沒法跟機器相比的。還有很多優勢可以參照達芬奇手術機器人的優勢部分。

謝邀。

手術機器人不太了解，單論力反饋的話，這是目前的一大難題

基礎的實現形式有兩種

一是震動，因為本質上觸摸是不同頻率的震動。但如何持續地模擬真實的觸感還是一大難題。

二是直接的卡位，比如現在正在kickstarter上的dexmo。不過這種說到底局限性很大，無論是方向還是真實感覺。

其它的一些形式，基本還存在於科幻小說中。

看到有基友回答此問，我也猜一下～

力的反饋不就是感測器嗎？

測力的感測器啥樣的都有啊～

想知道什麼位置的力就在什麼位置裝個感測器就好了嘛～

哈哈哈

然後要達到真人操作水平～只要感測器夠了，就是編程的問題了～

人的水平靠個人經驗緩慢提升

機器的話，一個升級就大家都可以直接升級了～總能比人靠譜的～

現在已經有比人靠譜的了吧

謝邀，

對於手術過程，作為一名理工科工作者，我幾乎沒有一點了解。而對於題主所問的「手術過程中的力反饋」，我所想的是：這裡的力反饋到底是反映的什麼醫學信息或者手術信息，也就是說，力反饋的目的是什麼？對於不同的作用對象，反饋的品質要求是否相同？對於「實時」的界定是什麼（事實上人也是有延遲的，而且不小）？這些都是未曾確定的，因此在以上還用更多問題沒有確定之前，這個問題時無從作答的，對於這是否是個好問題我也表示懷疑。

另，有一個小故事可以提一下，在汽車被發明之前，人們想到的只是找更快的馬。而對於遠程醫療系統，我想，通過系統單純的去模仿人（醫生）的行為，這不是一個好的方向，可以嘗試著提煉一些更加抽象化的醫學參數，然後轉變為物理參數。

以上。

首先謝邀，但是這個問題我完全不會，離我的本行當太遙遠了，本身也不是工科生，而是文科生。

不過我就日常折騰數碼產品的一點經驗來猜想下吧。

手柄玩遊戲的振動，很多人應該都有感受吧，可以簡單理解為這是一種力回饋，不過這種力回饋是程序固話好的，滿足了條件直接觸發。這個流程里，信號的接收簡單的就是程序的固定設置。

類比到手術機器人的力回饋問題的話，肯定有對應的演算法來保證力回饋的精確度，相應感測器接受到了之後，經由接收端電腦處理編碼，最後再由操作端的電腦解碼還原……

觸類旁通的話，我個人覺得，這個打電話的原理一樣，對方的聲音編碼，傳輸，再在我們的聽筒里還原……當然，由於感測器的精度，電話里語音還原的保真度要差一點，手術機器人的話，應該是有更為精確的手段（比如更先進的感測器，更高級的演算法，更快速的信號傳輸）等等來保證操作者獲取更為真實的力回饋

額... 先謝謝邀請...

本科做過一些力反饋的東西. 到頭來的基本就是壓感器件MEMS. 但是由於壓感器件精度有限, 在手術台上的壓感器件會通過一些放大來實現 (液壓放大或者電氣端放大) 來達到更好的反饋.

其實主要難點還在於精度上.. 比如說怎麼確定切一個毫米而不是一個半毫米這樣的. 精度調節主要依賴伺服電機, 具體的系統就是伺服電機 - 處理器 - 感測器. 技術難點主要在於以下三個:

1. 反饋速度: 一刀切下去的速度, 切太慢了病人流太多血玩兒脫了... 切太快了萬一反饋跟不上(已經切了血管才反應過來)就掛了.

2. 反饋精度: 這一刀是切下去, 受到多大的阻力就停止切割?

3. 模型精度(操作精度): 如何確定切得是1毫米, 而不是1.5毫米; 萬一切的時候病人動了一下怎麼辦?

所以大多數商用醫療器械(尤其是手術機械)都是要人工操作的. 目前機械的精度尚不足以取代專業醫生.

哈哈，居然有自己研究方向的問題，簡單說一下。手術機器人的力反饋主要分為遙操作主端力反饋和基於虛擬現實的力反饋。按照力的觸覺類型又可以分為皮膚感知型(溫度，紋理，粗糙)和肌肉感知型(運動知覺型的即單純的力力矩)。遙操作的力反饋主要基於末端的力/力矩感測器，將測量到的數據經處理反饋到操作端。去年，在醫療器械展上試過達芬奇四，無力反饋。另一種基於虛擬現實的主要是做模擬器，培訓醫生用。這個更加偏向於計算機圖形學，在構建人體組織模型後，根據圖形間碰撞和力渲染演算法計算反饋力大小，通過力反饋設備反饋在操作端，整個流程難點不少。不過現在美國歐洲技術都比較成熟了，商業化的產品也很多。對了，這些都是基於運動知覺的，皮膚感知型應該都還在實驗室里呢。

可以查相關的論文和專利：

·1.描述了一種通過彈簧和阻尼實時反饋力大小的設備

開發研究與設計技術· 文章編號：1000—3428(2008)21—0262—03 文獻標識碼：A 中圖分類號：N945.13支持力反饋的肝臟外科虛擬手術模擬系統

2.描述了一種通過角度感測器和模擬計算反饋力的設備

http://www.google.com/patents/CN103831832A?cl=zh

據我了解，很難達到真人操作的水平。手術這種細微操控的活兒，每個人的感覺都不一樣，每個病人的情況也都不一樣，所以醫師才需要長時間手術的聯繫，機器目前和真人還是有差距的。

要想實現力反饋，整體結構沒有特別複雜和特別，其他回答已經談到不少這裡就不說了。

但是這樣一個系統難點在哪裡？我覺得主要在感測器。力感測器都蠻大的，但是微創手術和內窺鏡都很小，最小的大約也就幾個毫米。比較難做這麼小。而且一般手術機器人要高溫消毒，還要穩定可靠，大大提升難度。這就是為什麼達芬奇花了近十年來進行這方面的研發。

我接觸過一些這方面的研究，目前了解有幾種：1.視覺檢測傳遞桿的變形

2. 光纖變形感測器

3. 貼應變片。

有感興趣的我再具體說。

瀉藥……我不是學自動化的所以這個我是真不知道

不過我去查了查相關的資料和文獻，發現了一篇關於這方面的論文，題主可以看看：具有力反饋的手術機器人遙操作手控制系統的研究

感謝邀請，不過我真不知道

不過似乎很難哦，有的人皮厚，是不是要多用力，有的人皮薄，就不能多用力。需要通過視覺反饋吧，比如一刀下去，有的人直接就把肚皮切開了，但有的胖子還需要第二刀。

MEMS類的壓力感測器量程和耐用性都不高吧。達芬奇手術機器人據我了解應該是沒有力反饋的，但是有力模擬和力放大。

被邀請了。。。其實上面@尤某已經給出比較全面的解釋了。。。目前研究界的做法就是大概如此。話說那force sensor太tmd敏感了。。。

題主問的是如何實現力反饋，並沒有著眼於如何獲取手術工具和操作對象之間的力。前者的答案是這樣子滴，是根據末端的力映射到主操作端，而這個力你是怎麼樣感受的呢？力矩電機啊親，根據末端映射的力根據動力學模型反算到機器人的各個關節上，關節上的力矩電機輸出力，就像你的肌肉使勁兒一樣，然後你在操作端就可以感受了。

能否達到真人水平，這個理論上不難達到，，但是實際以我實驗結果看，困難點，因為人的觸覺刷新頻率很高，而我的系統能給出的力反饋頻率我覺得實際達不到要求，這個跟平台，電機，通訊都有很大關係。反正最直觀的感覺就是假假的，極不平滑，體驗不咋好 (雖然是自己搞得，但不只自己學渣，很多東西都渣嘛)

至於動力學建模以及末端力的獲取過程，那就是一篇長文了，而且不會有趣

我可以負責人的告訴樓主，模型簡化的好，硬體好，時延很小的，但是自己手術機器人操作上，控制的穩定性和安全性很重要，還有很多邊界問題要考慮，這個才是難點〒_〒

你們都想得太複雜了。

真正得手術機器人我沒見過，但是讓我來設計的話，咱們可以這麼想。

輸入操作，計算機轉化，輸出結果。

我用手從上往下划了一刀。

計算機驅動機械臂做了同樣的動作。

機械臂到達指定位置。動作停止。

從這三個步驟來看，由於我們都知道力是相互作用的。我只需要知道我驅動機械臂花了多少驅動力，就知道有多少力了。

那麼假如我來設計一個遠程手術機器人。我只要把機器這麼設計就好了。

實操機械臂，位置由遠程機械臂的位置進行定位。

操作機械臂是一個不斷增加驅動力的過程。

如果驅動力足夠，遠程機械臂就會移動，那麼實操機械臂也會跟著移動。

如果驅動力不夠，那麼本地實操機械臂也不會動，你繼續增加驅動力，於是就感覺到費力了。

驅動力可以是液壓或者電流大小，根據實際情況轉換就行了。