CN117119986A - 用于基于对速度的测量或检测来检测用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统的不受约束主设备的操作异常的方法和相关的机器人系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于识别在使用手持式、机械上不受约束的主设备时的至少一个异常状况的方法，该主设备用于控制用于医疗或外科远程操作的机器人系统。这种方法包括以下步骤：检测或计算属于该主设备或与该主设备集成的至少一个点的速度向量、或与该主设备唯一且严格关联的虚拟点的速度向量；以及基于上述至少一个检测到的速度向量、或基于至少一个检测到的位置向量的至少一个分量，识别和确认和/或区分至少一个可检测的异常状况。上述可检测的异常包括以下异常中的至少一者：该主设备的线速度过大、该主设备的角速度过大、从设备无法跟随、该主设备的过度振动、该主设备的意外开启或异常开启。上述可检测的异常中的每一个异常与至少一个系统状态改变相关联，如果检测到该异常，则执行该至少一个系统状态改变。这种状态改变包括退出远程操作状态或暂停该远程操作状态。还描述了一种用于医疗或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统被配置成执行上述方法。

Description

用于基于对速度的测量或检测来检测用于医疗或外科远程操 作的主从式机器人系统的不受约束主设备的操作异常的方法 和相关的机器人系统

本发明的技术背景

技术领域

本发明涉及一种用于检测用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统的不受约束主设备的操作异常的方法，以及相应的用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统，该主从式机器人系统被配备以执行上述方法。

背景技术

在机器人远程操作的手术的背景下，对于用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统，实时评估主设备是否运行良好并在预期条件下操作，以确保有效的动作和患者安全是非常重要的，并且实时验证主设备并未在异常状况或情况下操作也是非常重要的。

在具有不受约束的磁检测接口或光检测接口的主设备的背景下、以及在具有机械上受约束的接口的主设备的背景下，都具有这种需求。

在机械上不受约束或“不接地”的主设备(最近作为有效和有利的解决方案出现，例如在同一申请人的文件WO-2019-220407、WO-2019-220408和WO-2019-220409中所示)的背景下，上述要求提出了复杂的技术挑战。

特别地，在主从式机器人系统(其中主设备不被机械地约束或机动化)中，必须防止由于主设备的不受控制的操作情况而引起的向外科(或微外科)设备传输无意的命令，以避免对患者的风险。

已知的具有机械上不受约束的(或“不接地的(ungrounded)”或“未接地的(groundless)”)主设备的、用于医疗或外科远程操作的机器人主从式系统不能为上述需求提供完全令人满意的解决方案，特别是考虑到源于以下事实的非常严格的安全要求是如此的：主设备的操作或状况中的任何异常可以识别旨在作用于患者且具有可能的后果的、从设备和与其相关联的手术器械的操作中的后续异常。文件US-2011-118748中示出了具有不受约束的主设备的用于机器人手术的解决方案的示例，其中主设备由外科医生穿戴，并且在WO-2020-0092170中也示出了上述解决方案的示例，其中主设备的主体具有大致椭圆形状。

因此，在这种情况下，强烈感到需要应用实时验证主设备的任何异常操作状况的程序，这些程序由用于医疗或外科远程操作的机器人控制系统自动执行，并且是高效和可靠的，以便满足这种应用所要求的严格的安全要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测用于医疗或外科远程操作的机器人主从式系统的主设备的操作异常的方法，该方法允许至少部分地克服以上参照现有技术所指出的缺点，并在所考虑的技术领域中响应上述需求。这一目的通过根据权利要求1的方法实现。

这种方法的进一步实施例由权利要求2至26限定。

本发明的另一个目的是提供一种用于管理在主设备中检测到的异常的方法，该方法包括执行上述用于检测主设备的异常的方法。这种方法由权利要求27限定。

本发明还有一个目的是提供一种用于医疗或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统被装备以执行上述异常检测方法。这一目的通过根据权利要求28所述的系统实现。

这种系统的其他实施例由权利要求29至52限定。

附图说明

根据本发明的系统和方法的进一步的特征和优点将从优选实施例的以下描述中变得显而易见，这些优选实施例的以下描述是通过指示性且非限制性示例并且参考附图给出的，在附图中：

-图1和图2的(a)至图2的(b)示出了在本发明的方法中使用的几何参数和参考系统，这些几何参数和参考系统被应用于具有“夹具”结构的主设备的实施例；

-图3的(a)和图3的(b)图解地示出了在方法实施例中设想的来自主设备工作空间的输入(a)转换和输出(b)转换；

-图4图解地示出了根据本发明的远程操作系统的实施例，该远程操作系统与至少一个主设备工作空间相关联；

-图4之二(4bis)图解地示出了具有主设备工作空间的远程操作系统的另一实施例；

-图5、图5之二(5bis)、图5之三(5ter)、图6、图6之二(6bis)、图6之三(6ter)图解地示出了上述主设备工作空间的一些实施例；

-图7和图8图解地示出了根据本方法的一些实施例基于主设备的速度可检测到的一些异常；

-图9和图9之二(9bis)图解地示出了上述主设备工作空间的一些实施例；

-图10图解地示出了主设备的实施例。

具体实施方式

参照图1至图10，描述了一种用于识别(identifying)和确认(recognizing)和/或区分(discriminating)在使用手持式主设备时的至少一个异常/故障状况的方法，该手持式主设备旨在由操作者手持(支撑)并且机械上不受约束(即，机械上不接地)，用于控制用于医疗或外科远程操作的机器人系统。

这种方法包括以下步骤：由一个或多个传感器检测属于主设备或与主设备集成的至少一个点的位置向量，或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的位置向量；然后基于上述至少一个检测到的位置向量、或基于至少一个检测到的位置向量的至少一个分量，识别和确认和/或区分至少一个可检测的异常/故障状况。

上述可检测的异常/故障至少包括主设备相对于/关于主设备的预定工作空间的错误定位。

这些可检测的异常/故障中的每一个异常/故障都与至少一个系统状态改变相关联，如果检测到该异常/故障，则执行该至少一个系统状态改变，其中这样的至少一个状态改变包括退出远程操作状态。

根据一个实施方式选项，识别步骤包括基于上述检测到的位置向量的至少一个分量来识别至少一个可检测的异常/故障状况。

根据一个实施例，该方法包括如下的进一步步骤：由该一个或多个传感器检测上述位置向量随时间的演变。

根据一个实施例，该方法在用于医疗或外科远程操作的机器人系统的背景下执行，该机器人系统包括上述主设备和从设备，并且还包括控制单元。

主设备机械上不接地并且适于在手术期间由外科医生手持，并且被配置成检测外科医生的手动命令并产生相应的第一电命令信号。

该至少一个从机器人组件包括至少一个从手术器械，该从手术器械被配置成以受主设备控制的方式对患者的解剖结构进行操作，从而该主设备的运动导致从设备的期望和受控制的相应运动。

设置有计算机的控制单元被配置成从主设备接收上述第一电命令信号，基于该第一电命令信号产生第二电命令信号，并将该第二电命令信号提供给从机器人组件以致动至少一个从手术器械。

此外，控制单元可操作地连接到上述一个或多个传感器以至少接收第三电信号、或接收所述第一电信号，该第一电信号表示检测到的位置向量和/或随时间的相关演变，并且控制单元被配置成执行识别至少一个可检测的异常/故障的上述步骤。

根据一个方法实施例，其中，可检测的异常/故障包括至少检测主设备在允许的预定空间限制之外的禁止定位，该方法包括以下步骤：

-将上述属于主设备或与主设备集成的至少一个点的检测到的位置、或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的检测到的位置与预定限制表面进行比较，该预定限制表面表示上述预定空间限制；

-如果检测到的位置在上述预定限制表面之外，则识别主设备的上述禁止定位异常/故障。

应当注意的是，上述属于主设备或与主设备集成的至少一个点的位置、或与主设备唯一且严格关联的虚拟点、以及上述预定限制表面是相对于与用于远程操作手术的机器人系统相关联的参考坐标系(x，y，z)来限定的，该参考坐标系具有预定轴线(X，Y，Z)和预设点中的原点O。

根据上述方法实施例的一个实施方式选项，将上述允许的空间限制限定为球体形工作空间或体积，并且上述预定限制表面是这种球体的球面。

根据上述方法实施例的另一实施方式选项，将上述允许的空间限制定义为盒(box)或平行六面体(parallelepiped)形式的工作空间或体积，或者一般多面体(即，多个半空间的凸包交集(convex intersection))形式的工作空间或体积，并且上述预定限制表面为该盒或平行六面体、或多面体的表面。

根据一个方法实施例，其中用于医疗或外科远程操作的机器人系统包括操作控制台，上述参考坐标系与机器人系统控制台和/或与上述至少一个手术椅集成。

根据一个实施例，该操作控制台包括至少一个手术椅，该至少一个手术椅包括供外科医生在手术期间坐在其上的至少一个就坐表面，并且上述参考坐标系与该至少一个手术椅集成。

根据一个实施例，该方法应用于用于外科手术或医疗远程操作的机器人系统，该机器人系统还包括至少一个跟踪系统，该跟踪系统适于检测主设备在预定跟踪体积内的输入位置和取向，从而从手术器械的致动取决于外科医生借助于主设备给出的手动命令、和/或主设备的位置和取向。

在这种实施例的一个实施方式选项中，上述主设备工作空间包含在上述跟踪体积中，或者上述主设备工作空间是跟踪体积的子集。

根据一个方法实施例，该检测位置的步骤由一个或多个磁传感器执行。

这些磁传感器中的每个磁传感器被布置在属于主设备或与主设备集成的至少一个点中的相应一个点处，并且被配置成检测由磁场发生器产生的磁场的局部值，该磁场发生器被约束到用于远程操作的手术的机器人系统的一部分。

在这种情况下，参考坐标系在上述磁发射器处具有原点，并且具有三个正交轴线X、Y、Z。

在上文已经公开的机器人系统包括跟踪系统的情况下，上述磁场发生器属于这样的跟踪系统。

根据另一方法实施例，上述检测位置的步骤由至少一个光学传感器或相机来执行，该至少一个光学传感器或相机与用于医疗或外科远程操作的机器人系统相关联和/或被约束在该机器人系统。

在这种情况下，上述参考坐标系为光学传感器或相机的内部参考坐标系统。

根据上文公开的实施例的不同可能的实施方式选项，上述至少一个光学传感器或相机被约束在手术椅和/或与手术椅集成，和/或安装在可由外科医生穿戴的支架上，以便与外科医生集成。

根据一个方法实施例，远程操作开始空间是预先确定的，且包含在主设备的工作空间中，即，远程操作开始空间是主设备工作空间的子集。

在这种情况下，该方法包括以下步骤：仅当检测到的主设备的位置位于上述远程操作开始空间内时，才允许开始远程操作的步骤、或开始准备检查的步骤。

根据一个方法实施例，其中主设备是手持式、不受约束的主设备，该手持式、不受约束的主设备包括两个刚性部分，这两个刚性部分被约束为关于公共轴线相对旋转或平移，上述检测位置的步骤包括由相应传感器检测至少两个可检测点的位置向量和/或位置向量随时间的演变，第一点属于主设备的上述刚性部分中的一个或与之集成，且第二点属于设备的上述刚性部分中的另一个或与之集成。

事实上，例如，该方法可以应用于具有“夹具”结构(例如，在图1和图2中示出)的主设备，该主设备具有两个刚性部分，这两个刚性部分被弹性地约束为关于共同的横向轴线(与主设备的上述刚性部分中的至少一个(或两个)的纵向延伸垂直)旋转。

例如，该方法也可以应用于具有“笔”结构(图10)的主设备，该主设备具有两个刚性部分，这两个刚性部分被弹性地约束为沿着与主设备的上述部分中的至少一个(或两个)的纵向延伸一致的纵向轴线平移。

根据该方法的各种可能实施例，该计算步骤包括计算该至少两个可检测点的位置向量，或者计算上述至少两个检测到的点中的一个检测到的点的位置向量。

根据进一步的实施方式选项，上述计算步骤还包括检测以下的其他点中的至少一者的位置向量：该两个检测到的点之间的中点和/或该主设备的重心；和/或主设备旋转接头的位置向量；和/或主设备的棱柱形接头的位置向量。

根据一个方法实施例，其中主设备主体包括两个端头或自由端部，第一端头或自由端部属于主设备的刚性部分中的一个或与之集成，第二端头或自由端部属于主设备的另一个刚性部分或与之集成，上述两个可检测点对应于主设备的上述两个端头或自由端部中的相应一个和/或与其相关联。

根据一个实施例，当确定主设备位于允许的空间限制之外时，该方法包括如下的进一步步骤：立即暂停机器人系统的远程操作。在这种情况下，由检测到异常/故障而确定的系统状态改变是机器人系统立即退出远程操作状态，或立即暂停远程操作状态。

优选地，允许的空间限制限定了专门为远程操作而构建的工作空间，该工作空间不对应于主设备的位置的物理测量空间。

根据一个实施例，当确定主设备在接近阈值(proximity threshold)ε内靠近上述空间限制和/或取向限制时，该方法包括如下的进一步步骤：通过声学和/或视觉通信信号，向操作者传达该设备与允许的空间限制的接近状况，以便允许操作者以这种方式采取行动以避免退出空间限制并因此退出远程操作。

根据一个实施方式选项，上述通信信号为声学信号，该声学信号在接近阈值ε与对应于空间限制的表面之间的间隔中，随着主设备或从设备距空间限制的距离减小而增大该声学信号的频率。

根据一个实施方式选项，上述通信信号为视觉信号，该视觉信号的通信频率在接近阈值ε与对应于空间极限的表面之间的间隔中，随着主设备或从设备距空间限制的距离减小而增加。

根据这样的实施例的各种可能的实施方式选项，该方法还包括：当实时检测到主设备已经返回到允许的空间限制时，允许重启机器人系统的远程操作；或者，可替代地，即使实时检测到主设备已经返回到允许的空间限制也禁止重启机器人系统的远程操作，并且重启用于准备和开始远程操作和/或初步重新一致(重新对准，realignment)操作的程序。上述允许的空间限制由主设备工作空间或远程操作开始空间限定。

根据一个实施例，主设备工作空间被限定为远程操作体积，在该远程操作体积中可以移动处于远程操作的从设备。

根据一个实施例，围绕上述远程操作体积，限定暂停的远程操作体积，在该暂停的远程操作体积中，机器提供受限制的远程操作。

更详细地，暂停的远程操作体积围绕主设备工作空间延伸并且大于主设备工作空间；这种暂停的远程操作体积为机器人系统提供暂停的远程操作的体积，该暂停的远程操作对应于受限制的远程操作。

优选地，这种受限制的远程操作防止控制点的平移运动。根据另一个实施方式选项，受限制的远程操作防止从设备的任何运动。

在提供暂停的远程操作的上述实施例中，该方法包括如下的进一步步骤：当主设备退出工作空间限制并进入暂停的远程操作体积时，从远程操作状态切换到暂停的远程操作状态。

在一个实施方式选项中，使用声学和/或视觉和/或触觉信号向使用者指示进入或退出暂停的远程操作体积。

根据一个实施例，在超过远程操作体积的阈值和/或在超过暂停的远程操作体积的外部阈值时，终止远程操作。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：当检测到主设备已经从暂停的远程操作体积返回到工作空间限制时，在重启远程操作的情况下，允许机器人系统返回到远程操作状态。

在一个实施例中，在将主设备从暂停的远程操作体积切换到远程操作体积时，系统进入与运动一致(alignment with motion)的步骤，在该步骤中，从设备能够进行移动以到达主设备的新姿势(位置、取向)。

在一个实施方式选项中，与运动一致的步骤仅使得从设备的手术器械的控制点的取向能够移动。

根据一个实施方式选项，可以移动从设备的手术器械的开启/闭合自由(“夹持”)的取向和自由度。

在一个实施例中，只有在一些验证检查通过的情况下才允许进入与运动一致的步骤，该验证检查包括至少以下检查：主-从取向中的不一致(未对准，misalignment)低于特定阈值，和/或主设备的取向姿势在从工作空间内是可达到的。

根据一个方法实施例，其中主设备的运动和从设备的运动按比例因子缩放，从设备的上述工作空间和/或远程操作开始空间和/或暂停的远程操作体积随着比例因子而增长。

根据一个方法实施例，其中机器人系统包括两个主设备，该方法包括：如果只有一个主设备退出允许的空间限制，则退出远程操作和/或暂停两个主设备的远程操作。

根据另一实施例，该方法包括如下的进一步步骤：验证从设备位于允许的从设备工作空间内。

在这种情况下，如果验证从设备位于允许的从设备工作空间之外，则该方法包括通知使用者从设备定位异常已经出现，并立即停止机器人系统进行的远程操作。

根据这种实施例的各种可能的实施方式选项，该方法还包括：当实时检测到在主设备的进一步运动之后，从设备已经返回到从设备的允许的空间限制时，允许重启机器人系统的远程操作；或者，可替代地，该方法包括：即使实时检测到从设备已经返回到从设备的允许的空间限制也禁止机器人系统的远程操作的重启，并且重启用于准备和开始远程操作和/或初步重新一致操作的程序。

根据该方法的实施方式选项，从设备工作空间包括所有位置的空间集合，由于从设备的铰接式手术器械(即“末端执行器”)的可能姿势和/或取向，这些位置能够由从设备的控制点到达。

根据一个实施例，该方法包括如下的进一步步骤：基于检测到的相应位置向量随时间的演变，计算属于主设备或与主设备集成的该至少一个点、或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的线速度、和/或角速度、和/或线加速度、和/或角加速度。

根据另一实施例，该方法包括如下的进一步步骤：基于检测到的相应位置向量随时间的演变，计算上述属于主设备或与主设备集成的至少一个点、或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的线速度或角速度。

现在再次参考图1至图10描述本发明的另一个方面，该方法同样涉及一种用于识别和确认和/或区分在使用手持式主设备时的至少一个异常/故障状况的方法，该手持式主设备适于由操作者手持(或支撑)，并且机械上不受约束，用于控制用于医疗或外科远程操作的机器人系统。

这种方法包括以下步骤：检测或计算属于主设备或与主设备集成的至少一个点的速度向量，或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的速度向量；以及基于上述至少一个检测到的速度向量、或基于至少一个检测到的位置向量的至少一个分量，识别和确认和/或区分至少一个可检测的异常/故障状况。

上述可检测的异常/故障包括以下异常中的至少一者：主设备的线速度过大、主设备的角速度过大、从设备无法跟随、主设备的过度振动、主设备的意外(involuntary)或异常(abnormal)开启。

上述可检测的异常/故障中的每一个异常/故障都与至少一个系统状态改变相关联，如果检测到该异常/故障，则执行该至少一个系统状态改变。这种状态改变包括退出远程操作状态或暂停远程操作状态。

根据一个方法实施例，检测或计算速度向量的步骤包括：

-检测上述属于主设备或与主设备集成的至少一个点的位置向量以及位置向量随时间的演变，或者检测上述与主设备唯一且严格关联的至少一个虚点的位置向量以及位置向量随时间的演变；

-基于检测到的上述位置向量和相应的随时间的演变，计算上述属于主设备或与主设备集成的至少一个点的速度向量，或上述与主设备唯一且严格关联的至少一个虚拟点的速度向量。

根据另一方法实施例，检测或计算速度向量的步骤包括：由一个或多个速度传感器检测速度向量。

根据一个方法实施例，检测或计算属于主设备或与主设备集成的至少一个点的线速度，或与主设备唯一且严格关联的至少一个虚拟点的线速度。

根据另一方法实施例，检测或计算属于主设备或与主设备集成的至少一个点的角速度，或与主设备唯一且严格关联的至少一个虚拟点的角速度。

根据一个实施例，该方法应用于用于医疗或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统包括：

-上述主设备，该主设备机械上不接地，适于在手术期间由外科医生手持，并被配置成检测外科医生的手动命令并产生相应的第一电命令信号；

-至少一个从机器人组件，该至少一个从机器人组件包括至少一个从手术器械，该至少一个从手术器械被配置成以受主设备控制的方式对患者的解剖结构进行操作，从而主设备的运动导致从设备的期望和控制的相应运动；

-设置有计算机的控制单元，该控制单元被配置成从主设备接收上述第一电命令信号，基于第一电命令信号产生第二电命令信号，并将第二电命令信号提供给从机器人组件以致动至少一个从手术器械。

控制单元可操作地连接到该一个或多个传感器，以接收表示该检测或计算的速度向量的至少第三电信号。

上述识别和确认和/或区分至少一个可检测的异常/故障的步骤由这样的控制单元执行。

根据一个实施例，速度向量指的是参考坐标系。

根据一个实施方式选项，用于医疗或外科远程操作的机器人系统包括操作控制台，并且上述参考坐标系与上述机器人系统控制台集成。

根据一个实施方式选项，该方法应用于用于外科或医疗远程操作的机器人系统，该机器人系统还包括至少一个跟踪系统，该至少一个跟踪系统适于检测主设备在预定跟踪体积内的输入位置和取向和/或速度，从而从手术器械的致动取决于外科医生借助于主设备给出的手动命令、和/或主设备的位置和取向。

在这种情况下，由该跟踪系统限定上述参考坐标系。

根据该方法的一个实施方式选项，其中主设备为不受约束的手持式主设备，该不受约束的手持式主设备包括被约束为关于公共轴线相对旋转或平移的两个刚性部分，上述检测和/或计算速度的步骤包括：检测和/或计算至少两个可检测点的线速度或角速度，第一点属于主设备的刚性部分中的一个或与之集成，第二点属于主设备的刚性部分中的另一个或与之集成；

根据该方法的另一实施方式选项，但是仍然参照主设备的相同配置，上述检测和/或计算速度的步骤包括检测和/或计算该至少两个可检测点的线速度或角速度，和/或以下的其他点中的至少一者的线速度或角速度：两个检测到的点之间的中点和/或主设备的重心；和/或主设备的旋转接头的线速度或角速度；和/或主设备的棱柱形接头的线速度或角速度。

根据一个实施方式选项，主设备主体包括两个自由端部或端头，第一自由端部或端头属于主设备的刚性部分中的一个或与之集成，第二自由端部或端头属于主设备的刚性部分的另一个或与之集成。在这种情况下，上述两个可检测点对应于主设备的上述两个自由端部或端头和/或分别与之相关联。

根据一个方法实施例，当仅确定上述异常/故障中的一者时，赋予系统的状态改变是机器人系统立即退出远程操作状态，或立即暂停远程操作状态。

根据上述实施例的一个实施方式选项，该方法还包括：当实时检测到先前检测到的异常/故障的终止时，允许重启机器人系统的远程操作。

根据上述实施例的一个实施方式选项，该方法提供如下的替代步骤：即使实时检测到先前检测到的异常的停止也禁止重启机器人系统的远程操作，并且重启用于准备和开始远程操作和/或初步重新一致操作的程序。

根据一个实施例，其中可检测的异常/故障是与主设备的过大线速度或角速度相关联的异常/故障，该方法包括以下步骤：将检测到的主设备的线速度或角速度与线速度阈值或角速度阈值进行比较；以及如果检测到的主设备的线速度或角速度超过该线速度阈值或角速度阈值，则识别与该主设备的过大速度相关联的上述异常/故障。

根据这一实施例的实施方式选项，当检测到与主设备的过大线速度或角速度相关联的所述异常/故障时，机器人系统退出远程操作。

根据这一实施例的实施方式选项，当检测到与主设备的过大线速度或角速度相关的上述异常/故障时，机器人系统进入不同的机器状态。

根据一个实施方式选项，这种不同的机器状态是暂停的远程操作状态(suspendedteleoperation state)，即，至少防止从设备的控制点的平移运动、或限制从设备的控制点的旋转运动、或防止从设备的控制点的所有运动的受限制的远程操作。

根据另一个实施方式选项，在上述受限制的远程操作步骤中，该方法包括执行与运动一致的步骤，在该步骤中，从设备在取向上移动，从而在抑制从设备的平移时使该从设备自身与主设备的取向一致。

根据一个实施例，其中可检测的异常/故障是与从设备不能跟随相关联的异常/故障，该方法包括以下步骤：将检测到的主设备的线速度或角速度与速度阈值进行比较，该速度阈值与从设备保持在正确跟随主设备的状况可容忍的最大线速度或角速度相关联；以及如果检测到的主设备的线速度或角速度超过与最大可容忍的线速度或角速度相关联的上述速度阈值，则识别与从设备不能跟随相关联的上述异常/故障。

根据一个实施例，其中可检测的异常/故障是与主设备的振动过度相关联的异常/故障，该方法包括以下步骤：检测或计数所检测或计算的主设备的速度向量的方向改变的次数或频率；然后，将该方向改变的次数或频率与相应的阈值进行比较；以及最后，如果计数或检测到的方向改变的次数或频率超过上述相应的阈值，则识别与主设备的过度振动相关联的上述异常/故障。

如上所述，在时间窗口中监视主设备的速度的方向变化可以允许检测由于外部磁场引起的任何磁场扰动，该外部磁场可以是可变的或者例如用于降低信噪比，从而以检测到的位置信号的振动的形式确定所述扰动。

该方法关于识别具有大于安全阈值的“加加速度(jerk)”(位置向量的三阶导数)的事件的优点之一是考虑用于隔离振荡事件的运动反转，而不是扰动事件或单向变化。

在一个实施方式选项中，速度反转事件的识别被约束为这样的约束：相关的加速度和加加速度向量在特定可接受阈值内。换句话说，将检测到的速度的多个方向变化与加速度向量和/或加加速度向量进行比较。

与非直观运动相关的另一种类型的异常/故障检查可以通过检测主设备沿任何方向的加加速度过大来确定。这种类型的事件可以与例如主设备对固体表面的冲击相关联。可以从主设备的位置信息(例如，通过该两个传感器)获得加加速度，然后计算三个分量的向量模数并将其与参考阈值进行比较，以发出可能的异常/故障警告。

根据一个实施例，其中同样可检测的异常/故障是与主设备的过度振动相关联的异常/故障，该方法包括以下步骤：检测速度向量模数的移动和/或变化；然后，如果速度向量模数的移动和/或变化超过相应阈值，则检测与主设备的振动过度相关联的上述异常。

根据一个实施例，其中主设备的主体包括两个刚性部分，这两个刚性部分被约束在接头(优选为弹性接头)中，以至少围绕限定主设备的主体的开启/闭合自由度的公共轴线旋转，可检测的异常/故障为主设备的意外或异常开启。

根据这一实施例的一个实施方式选项，该方法包括以下步骤：

-基于检测和/或计算的速度向量，计算该主设备的主体的两个刚性部分的开启线速度；

-将计算的开启线速度与临界线速度v_thr进行比较，该临界线速度可以取决于弹性接头的弹性刚度；

-如果上述计算的开启速度大于上述阈值线速度v_thr，则识别与主设备的意外开启相关联的异常/故障状况。

根据这一实施例的另一个实施方式选项，该方法包括以下步骤：

-基于检测和/或计算的速度向量，计算主设备的主体的两个刚性部分的开启角速度；

-将计算的开启角速度与阈值角速度ω_thr进行比较，该阈值角速度可以取决于弹性接头的弹性刚度；

-如果上述计算的开启角速度大于上述阈值角速度ω_thr，则识别与主设备的意外开启相关联的异常/故障状况。

参考上述已经描述的内容，根据一个实施方式选项，为了检测主设备从外科医生的手中的掉落，可以依靠面向下的主设备的加速度和/或速度分量的信息。

参考上述已经描述的内容，根据一个实施方式选项，主设备具有两个刚性部分，这两个刚性部分彼此约束以绕公共轴线旋转，这些刚性部分被弹性地偏置以相对远离，为了检测主设备从外科医生的手中的掉落，可以依赖于检测主设备的意外开启，即，检测由弹性偏置动作确定的两个刚性部分之间的相对距离运动(relative distancing movement)。可以通过关于角速度、和/或角加速度、和/或线速度、和/或线加速度的信息来获得意外开启的检测。

使用主设备的两个刚性部分的相对(角度和/或线性)距离速度信息在计算效率方面是有利的，例如，如果速度是从检测每个刚性部分的位置向量和/或其随时间的演变开始计算的话是如此的。

根据一个实施方式选项，使用关于两个传感器的速度之间的关系的信息来检测主设备的掉落，该两个传感器分别与主设备的两个刚性部分相关联。根据一个实施方式选项，使用关于两个传感器的加速度之间的关系的信息来检测主设备的掉落，该两个传感器分别与主设备的两个刚性部分相关联。

根据一个实施方式选项，该主设备具有两个刚性部分，这两个刚性部分被约束成绕公共轴线旋转，这些刚性部分被弹性地偏置为相对远离，在该主设备掉落期间发生两种现象(i)主设备的意外开启，以及(ii)主设备的惯性旋转；因此，在有限持续时间的至少一个瞬变期间(并且在某些情况下还在该掉落的整个持续时间内)，各个传感器的(检测和/或计算的)速度向量具有面向下的第一分量和可归因于该主设备的惯性旋转的第二分量；在这样的实施方式选项中，对两个速度向量之间的角度的检测在掉落时非常低，例如最小；通过在各个传感器的速度向量之间的比较给出的对剩余振荡的评估非常高(例如，最大)。换言之，两个传感器的速度向量之间的夹角当非常小(例如，最小)时表示在两个传感器都朝下的特定情况下速度之间的高度一致性；两个速度向量之间的比较(差异)的高度波动表示掉落事件。

根据一个实施例，其中可检测的异常/故障是与跟踪参考系的原点的移位相关联的异常/故障，该方法包括以下步骤：

-计算用于主设备的位置测量的每个真实或虚拟传感器的线速度；

-计算在给定的时间窗口内，每个速度向量是否可以使用主常数分量(primaryconstant component)来表示；

-计算所有得到的速度向量是否相互平行和相干(mutually parallel andcoherent)，或者它们是否属于适当的速度向量区；

-如果没有出现上述相互平行和相干的速度向量的情况，或者没有出现属于适当的速度向量区，则识别与参考跟踪系的原点的移位相关联的异常/故障。

根据一个实施例，该方法包括：检测以下提到的所有可检测的异常/故障：主设备的线速度过大、主设备的角速度过大、从设备无法跟随、主设备的过度振动、主设备的意外或异常开启。

根据一个实施例，其中该机器人系统包括两个主设备，该方法包括：如果只有两个主设备中的一个具有上述可检测的异常/故障中的任何一个的影响，则退出远程操作和/或暂停两个主设备的远程操作。

现在描述一种用于管理在用于外科或医疗远程操作的主从式机器人系统的主设备中识别的异常/故障的方法。

这一方法包括如下步骤：根据上述任何实施例执行用于识别至少一个异常/故障状况的方法；如果确定至少任何一个异常/故障，则该方法包括停止或立即暂停从设备的手术器械的远程操作和运动。

根据一个实施例，该方法包括如下的进一步步骤：通过加速度传感器检测属于主设备或与主设备集成的至少一个点的线加速度或角加速度，或者唯一且严格地与主设备关联的虚拟点的线加速度或角加速度。

根据上文已经提到并在此进一步详细描述的另一实施例，该方法包括：基于上述检测到的位置向量或上述检测或计算出的速度向量、或相应的随时间的演变，计算属于主设备或与主设备集成的至少一个点的线加速度或角加速度，或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的线加速度或角加速度。

根据这一实施例的一个实施方式选项，上述检测和计算加速度向量的步骤包括：通过表示位置向量随时间演变的向量的N个样本的浮动窗口，并利用二阶多项式进行插值以获得与夹持有关的自由度，以及利用三阶多项式进行插值以获得与主设备平移和取向有关的自由度，来计算加速度向量。

根据一个实施方式选项，基于速度向量的检测及其时间演变来计算加速度。

根据一个实施方式选项，由一个或多个传感器直接检测加速度，其中，该一个或多个传感器为加速度计。

根据该方法的各种可能的实施例，作为检测异常/故障的基础，对于属于主设备或与主设备集成的上述至少一个点中的每一个、或与主设备唯一且严格关联的虚拟点，计算或检测线加速度、和/或角加速度、和/或线速度、和/或角速度、和/或在笛卡尔坐标中表示的位置、和/或在极坐标或角坐标中表示的位置。

根据一个方法实施例，上述检测和/或计算加速度向量的步骤包括：由至少两个传感器检测和/或计算属于主设备或与主设备集成的至少两个点中的每一个点的加速度向量；然后计算与主设备唯一且严格关联的虚拟点的加速度向量，该虚拟点对应于传感器所在的多个点之间的中点。

例如，在“夹具”主设备中，这样的中点可以位于由“夹具”主设备的一个或多个传感器描述的开启圆弧上。

如果只有一个控制点，则可以检测到6个自由度，即3个位置自由度和3个取向自由度。

如果设置了两个控制点，则还可以检测与夹持相关联的第七自由度，第七自由度表示主设备的主体的开启/闭合角度。

根据一个实施例，该方法包括如下的进一步步骤：基于上述加速度向量检测以下提到的异常/故障中的一个或多个进一步异常/故障：主设备的意外掉落和/或主设备的过度加速和/或主设备的突然和意外开启。

根据一个方法实施例，其中可检测的异常/故障为主设备的意外掉落，该方法包括以下步骤：

-检测和/或计算两个检测到的点中的至少一个的、平行于重力轴线的竖直加速度分量ay；

-将检测或计算的竖直加速度分量ay与竖直加速度阈值ay_thr进行比较；

-如果上述竖直加速度分量ay大于上述竖直加速度阈值(ay_thr)，则根据关系：ay>ay_thr，识别与主设备的意外掉落相关联的异常/故障。

根据一个实施方式选项，竖直加速度阈值ay_thr等于重力加速度g，或者为约g的值。

根据一个实施方式选项，计算主设备的上述至少两个检测点中的每一个的加速度向量，以提供冗余验证和/或进一步验证。

事实上，上述至少两个点的计算的加速度测量的一致性使得可以提高异常确定的估计，进一步减少估计过程所需的时间窗口。

计算的两个点的加速度测量的不一致可能与主设备旋转时的掉落、或两个传感器之间的刚性约束的破坏有关。

在将两个传感器安装在主设备的同一机械部分的特定情况下，测量的行为是纯粹的冗余。

根据一个方法实施例，其中可检测的异常/故障为主设备的过度加速(例如，在使用者在处理中给予的)，该方法包括以下步骤：

-检测和/或计算上述至少两个检测到的点中的至少一个的加速度向量模数atot；

-将检测和/或计算的加速度向量模数atot与总加速度阈值atot_thr进行比较；

-如果上述加速向量模数atot大于上述总加速度阈值atot_thr，则根据关系：atot>atot_thr，检测与主设备过度加速相关联的异常。

根据一个实施方式选项，该竖直加速度阈值ay_thr小于该总加速度阈值atot_thr。

例如，可以使用关系：atot＝3·ay。

根据一个实施方式选项，总加速度阈值atot_thr(模数)属于2g与4g之间的范围。

根据一个实施例，计算主设备的两个检测点的加速度。

根据这一实施例的不同可能的实施方式选项，如果上述检测到的点中的至少一个超过阈值加速度，或者如果虚拟中点超过阈值加速度，或者如果上述两点之间的相对加速度高于阈值，则发出警报触发条件。

根据一个实施方式选项，上述总加速度阈值atot_thr被限定为随主设备与从设备之间的运动的比例因子的减小而增加，和/或随着用户选择并应用于远程操作的主从式运动的比例因子的减小而增加。

根据一个应用示例，在机器人微手术领域，比例因子可以定义在7倍至20倍的范围内。显然，这样的比例因子越大(例如，从运动被缩放20倍)，触发阈值就越大。

应当注意的是，在典型的实施方式选项中，比例因子可以由用户根据具体情况来设置。

根据一个方法实施例，其中主设备包括以弹性接头相互连接的两个刚性部分，当不被按压或牢牢握在用户手中时，弹性接头倾向于至少成角度地打开这些部分，可检测的异常/故障是主设备的意外开启。这种情况尤其可能发生在外科医生失去控制的情况下，例如因为主设备从外科医生的手中脱离，并且主设备在掉落中由于接头的弹簧作用而通过崩断开启。

在这种情况下，该方法包括以下步骤：

-检测和/或计算加速度向量(如前所述)和/或该两个可检测点中的每一个的各自随时间的演变；

-基于上述检测和/或计算的加速度向量，计算主设备的两个刚性部分的开启角速度ω；

-将计算的开启角速度ω与阈值角速度ω_thr进行比较，该阈值角速度取决于弹性接头的弹性刚度；

-如果上述计算的开启角速度ω大于上述阈值角速度(ω_thr)，则识别与主设备的意外开启相关联的异常/故障状况。

根据类似的实施方式选项，上述计算、比较和识别的步骤不是针对角速度执行的，而是针对角加速度或线加速度执行的。

根据另一个实施方式选项，再次参考这样的情况：其中主设备由以弹性接头相互连接的两个刚性部分组成，当不被按压或牢牢握在用户的手中时，该弹性接头倾向于至少成角度地开启这些部分，并且可检测的异常/故障为主设备的意外开启，该方法包括以下步骤：

-检测位置向量以及两个可检测点中的每一个的各自随时间的演变；

-基于检测到的位置向量随时间的演变，计算上述两个可检测点之间的距离随时间的演变；

-基于上述距离随时间的演变，计算主设备的开启线速度v；

-将计算的开启线速度v与阈值线速度v_thr进行比较；

-如果v>v_thr，则识别上述异常状况。

根据一个方法实施例，检测主设备在预定空间限制之外的禁止定位、检测从设备在预定空间限制之外的禁止定位、主设备的速度过快、从设备无法跟随、主设备的过度振动、以及主设备的进一步意外掉落、主设备的过度加速和主设备的突然和意外开启的上述异常/故障都被检测到，并且同时检测到这些异常/故障。

有利的是，这样的实施例允许获得广泛范围的检查，以达到最大可能的安全性。

本发明还包括一种用于管理在用于外科或医疗远程操作的主从式机器人系统的主设备中识别的异常的方法。

这种方法包括执行根据上述任何一个实施例的用于识别至少一个异常状况的方法。

这种方法还包括：如果确定了上述异常/故障中的至少一个，则立即中断或暂停远程操作和从设备的手术器械(即“末端执行器”)的运动，以保障患者的安全性的步骤。

本发明中还包括了一种用于医疗或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统包括至少一个主设备、至少一个从设备和控制单元。

该至少一个主设备机械上不接地，并且适于在手术期间由外科医生手持，并且被配置成检测外科医生的手动命令并产生相应的第一电命令信号。

该至少一个从设备或从机器人组件包括至少一个从手术器械，该从手术器械被配置成以受相应的至少一个主设备控制的方式对患者的解剖结构进行操作。

设置有计算机的控制单元被配置成从主设备接收上述第一电命令信号，基于该第一电命令信号产生第二电命令信号，并将第二电命令信号提供给从机器人组件以致动该至少一个从手术器械。

该控制单元还被配置成执行根据本说明书所示的任一实施例的用于识别至少一个异常状况的方法。

根据机器人系统的一个实施例，该机器人系统控制单元被配置成通过执行以下步骤来识别至少一个异常/故障状况：

-检测或计算属于主设备或与主设备集成的至少一个点的速度向量，或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的速度向量；

-基于上述至少一个检测到的速度向量，或基于至少一个检测到的位置向量的至少一个分量，识别和确认和/或区分至少一个可检测到的异常/故障状况。

上述可检测的异常/故障至少包括以下异常：主设备的线速度过大、主设备的角速度过大、从设备无法跟随、主设备的过度振动、主设备的意外开启或异常开启。

上述可检测的异常中的每一个异常都与至少一个系统状态改变相关联，如果检测到该异常，则执行该至少一个系统状态改变。这样的状态改变包括例如退出远程操作状态或暂停远程操作状态。

根据一个实施例，其中可检测的异常/故障是与主设备的过度振动相关联的异常/故障，机器人系统被配置成：检测或计数检测到的或计算的主设备的速度向量的方向改变的次数或频率；将该方向改变的次数或频率与相应的阈值进行比较；如果计数或检测到的该方向改变的次数或频率超过相应的阈值，则识别与主设备的过度振动相关联的上述异常/故障。

根据一个实施例，也旨在检测与主设备的过度振动相关联的异常/故障，机器人系统被配置成检测速度向量模数的移动和/或变化，并且如果速度向量模数的上述移动和/或变化超过相应阈值，则识别与主设备的过度振动相关联的异常/故障。

根据机器人系统的一个实施例，主设备的主体包括两个刚性部分(180、190)、(780、790)，这两个刚性部分被约束在接头OJ、优选为弹性接头中，以至少围绕限定主设备的主体的开启/闭合自由度的公共轴线旋转。机器人系统被配置成基于检测到的和/或计算的速度向量来计算主设备的主体的两个刚性部分的开启线速度或角速度，并且将计算的开启线速度或角速度与相应的阈值线速度或阈值角速度进行比较，该阈值线速度或阈值角速度可以取决于弹性接头的弹性刚度。

根据一个实施方式选项，机器人系统被配置成：如果计算的开启速度大于该阈值线速度，或者如果计算的开启角速度大于该阈值角速度，则检测与主设备的意外开启相关联的异常/故障状况。

根据另一实施方式选项，机器人系统被配置成：如果上述计算的开启速度大于阈值线速度，或者如果上述计算的开启角速度大于阈值角速度，则检测与主设备的掉落相关联的异常/故障状况。

根据机器人系统的一个实施例，主设备的主体包括两个刚性部分(180、190)、(780、790)，这两个刚性部分被约束成围绕限定主设备的主体的开启/闭合自由度的公共轴线旋转；这些刚性部分通过弹性偏置动作被弹性偏置以相对远离。

机器人系统被配置成：基于对主设备的意外开启的检测，和/或基于对主设备的主体的两个刚性部分之间的相对距离运动的检测，检测与主设备的掉落相关联的异常/故障状况，该距离由上述弹性偏置动作确定。

根据这种实施例的不同可能的实施方式选项，基于利用两个刚性部分的角速度、和/或角加速度、和/或线速度、和/或线加速度获得的信息来执行对主设备的意外开启的检测。

根据一个实施方式选项，机器人系统包括分别与主设备的两个刚性部分相关联的两个传感器，并且这两个传感器被配置成检测两个刚性部分的各自速度。在这种情况下，机器人系统被配置成基于关于由两个传感器检测到的速度之间的关系的信息来确认主设备的掉落。

在该系统的一个实施方式选项中，主设备的主体包括座椅，该座椅用于在相应的预定位置接纳一个或多个传感器。

根据一个系统实施例，主设备的主体是一次性的，因此通常由塑料制成。

根据该系统的另一实施例，主设备的主体由金属(例如，钛)制成并且是可灭菌的。

参照图1至图10，作为非限制性示例，下文将进一步详细描述先前以更一般的术语限定的该方法的一些实施例。

将主设备的异常检查引入机器人系统以进行远程操作，以便以相对于实际运动的最小延迟进行干预。

在一个实施例中，所执行的操作动作序列包括获取关于主设备的所有运动自由度的信息，例如关于加速度；然后，过滤所获得的信号；评估关于主设备的一个或多个异常/故障检查；基于被执行的检查来检测主设备的任何故障或异常；利用用户界面UI和从设备的端点与机器人系统的机器状态的控制单元通信。

下文将以非限制性示例的方式提供关于在该方法(已经提到)的一些实施例中执行的异常/故障检查的更多细节。

主设备的掉落(“主掉落”)

这项检查的目的是识别主设备是否从外科医生手中意外掉落。这种检查是基于对主设备的加速度(或位置)的检测(不需要另外的传感器来检测其他量，例如压敏表面)。

其原理在于检测加速度，或从位置信息(即使受噪声影响)推导出加速度，并计算沿重力向量(向下)的方向的加速度的瞬时值。

当这样的加速度达到与重力加速度相当的阈值时，针对该检查发出异常警告。

下面假定，在全球参考系(Global Reference System)中，引力场沿Y轴定向。

例如，加速度估计基于使用Y轴的多项式拟合，然后通过操纵其系数对多项式进行二重求导。

在不同的可用拟合技术中，例如，可以提到基于Solezky-Golay过滤器的解决方案。该解决方案的特征在于：它表示了如有限脉冲响应(finite impulse response，FIR)过滤器中导出的多项式，其可操作地包括取2W+1个样本的窗口并将其乘以一个矩阵。这样的矩阵取决于两个参数：窗口的大小(具有半宽W)和多项式的阶数。

窗口的大小取决于采样时间、计算中所需的延迟和信号噪声。

多项式的阶数取决于位置信号的性质。

该过滤器是低通过滤器，其截止频率可以根据文献中已知的关系来表示，例如：

截止频率(Hz)＝DT×(阶数+1)/(3.2×窗口-4.6)

根据一个实施方式选项，主设备具有两个检测位置(即，两个传感器)。在这种情况下，当其中任何一个超过阈值时，发出异常警告。

应当注意的是，利用上述算法，用于估计的窗口越宽，估计本身就越好。另一方面，窗口越窄，反应时间越快。

用于在上述需要之间选择适当折衷的标准为被控制的从设备在主设备的非直观和不期望的运动(例如，主设备的掉落运动)期间行进的空间量。被控制的从设备在非直观运动期间允许到达路径的最大距离定义为D，并且主设备在这种情况下的最大速度定义为M，则最大窗口宽度W使用以下关系进行表示：

W＝2D/M/T+1，

其中，T是采样时间。

超过最大加速度

与非直观的运动有关的另一种类型的异常检查为主设备沿任何方向上的过度加速。该事件可以基于对逐个部件的加速度进行检测或估计、使用与上文针对“主掉落”情况所描述的技术相同的技术来识别。

在这种情况下，将三个分量的向量模数与阈值进行比较，以发出任何异常警告。

主设备的突然开启

在主设备具有与夹持相关的自由度的情况下，可以对主设备夹持的可能的突然开启(即，相对于由操作者命令开启时发生的情况而言，速度过快)进行进一步的检查，这被认为指示例如操作者失去对主设备的控制的异常状况，或失操作者失去对主设备上的夹具的控制的异常状况。

开启速度的估计例如是使用与上文描述的“主掉落”情况相同的多项式拟合法来进行的，但是具有与该特定条件相关联的不同参数。

通过拟合得到的开启角(或“夹持角”)的估计速度用于评价这一异常。

主设备在空间限制之外

另一项异常检查与针对操作者运动所规定的的空间限制有关。这些限制是基于特定手术目标的可用性考虑和用于计算主设备位置的传感器系统的局限性而定义的。

两个主要场景可以被识别为与这些限制相关：以工作空间中心为中心的球体；或平行六面体或盒形的表面。

当主设备达到这些体积的限制时，向使用者提供异常通知。

在具有受约束的机械接口的主设备的情况下，这些限制取决于机械接口的限制。

在具有不受约束的机械接口的主设备的情况下，如果考虑光学检测，则工作空间是每个相机的锥形干线的交点，考虑到识别被跟踪的特征所需的最低分辨率而构建。当考虑磁跟踪系统时，工作空间的限制取决于磁场衰减。

优选地，“工作空间”是专门针对远程操作而构建的工作空间。因此，“工作空间”并不旨在表示超过其就不可能检测到测量信息的物理空间，而是专门为外科远程操作的活动限定和可接受的较窄空间。

例如，“工作空间”为这样的空间区域，在该空间区域内，信号质量标准(噪声)在可接受阈值内，和/或“工作空间”是关于可用性的选择的工作区域，例如相对于操作者占用的位置的周围位置。

根据一个实施例，限定了与主设备相关的三个工作空间，其中上述三个工作空间优选地至少部分地相互穿透：

1、“主可测量工作空间”：这是这样的一个工作体积，在该工作体积内，即使受到远程操作不可接受的误差值的影响，也可以获得主设备的有效位置或旋转信息。这样的工作体积具有任意的几何形状，参照测量系统的原点。形状可以取决于测量的类型，例如：在光学测量系统的情况下为圆锥体，在磁测量系统的情况下为切割的半球体。

2、“操作者可用工作空间”：这是操作者能够远程操作的“主可测量工作空间”内的工作空间。这样的体积对远程操作活动必须具有足够的精确值，同时与操作者的人体工程学保持一致。优选地，在不能通过显示系统或物理引导来限定体积的情况下，该体积还具有操作者可理解的形状。事实上，对于可用性标准，重要的是工作空间被成形为以便操作者感知到该空间的限制。

换言之，优先地选择上述“操作者可用工作空间”，以使其：

(i)对操作者可理解，因而指的是控制台而不是测量系统，

(ii)缩小尺寸，以避免“主可测量工作空间”中对人体工程学没有用处的区域(这对于还渗透人体的磁性系统尤其重要，不同于光学跟踪系统)；

(iii)根据远程操作质量标准缩小尺寸；

(iv)减小对于因操作场无菌而不能放置主设备的区域。

优选地，就本专利而言，术语“主设备工作空间”旨在表示该“操作者可用工作空间”。

3、“开始工作空间”：这是进入远程操作时主设备所在的“操作者可用工作空间”内的工作体积。关于“操作者可用工作空间”的这种限制的原因在于这样一个事实，即从靠近边缘的位置开始，操作者可以快速退出工作空间。根据一个实施方式选项，可以基于具有“开始工作空间”的主从式比例因子动态地构建“开始工作空间”。

关于空间阈值的考虑(如下所述)适用于退出操作者可用工作空间和进入开始工作空间。

因此，根据一个实施方式选项，系统在进入远程操作时，验证主设备是否位于“开始工作空间”内，并且在远程操作期间，验证主设备不会退出“操作者可用工作空间”。

工作空间的边界可以根据偶然和特定状况而变化：例如，工作空间必须排除袋部，这些袋部专门用于存放主设备，即使它们靠近操作者的位置也是如此的。

根据一个实施方式选项，在第一次进入远程操作时，每个主设备的位置是独立固定的，并且这导致从设备的适当比例的平移，以避免在工作空间的边缘附近开始远程操作。

根据例如图3中示出的示例性实施例，如果限定了空间参考阈值T(该空间参考阈值用于进入和退出由阈值T划定的工作空间区域315的安全评估)，则必须考虑测量误差，以便正确地评估阈值并最小化振荡。

因此，设Z为受最大噪声E影响的位置X的测量值，因此：Z＝X+-E。

设X<T被定义为“在阈值内”，X>T被定义为“在阈值外”。

假设操作者，即主设备310位于工作空间区域315之外(X>>T)的情况，并且根据测量值Z来考虑误差幅度，以估计稳定的进入条件。

因此，通过设置Z<T–E，可以观察到，通过替换两种情况，我们获得了操作者肯定位于工作空间区域315内的稳定判据。Z任何其他大多数值都不满足X<T的判据。

X+E<T–E或X<T-2E

X-E＜T-E或X＜T

再次根据该示例，假设操作者，即主设备310位于工作空间区域315内(X<<T)，然后Z>T+E为寻求替换X>T的判据。通过关于T和E作用于条件Z，可以根据可用性或安全标准选择延迟进入或退出。

如果始终选择内边缘(T-E)，则退出更安全，且进入更易用。图3示出了主设备310从工作空间315进入/退出边缘区域317，其中边缘区域317由来自考虑噪声E的阈值T限定。

主设备的过度振动

根据一个实施例，其中检测到与主设备的过度振动相关联的进一步异常/故障，该方法包括以下步骤：

-检测速度向量在某一阈值以上的运动；

-检测或计数所检测或计算的主设备的速度向量的方向改变的次数或频率；

-将上述方向改变的次数或频率与各自的阈值进行比较；

-如果上述计数或检测到的方向变化的次数或频率超过上述各自的阈值，则识别与主设备的过度振动相关联的上述异常/故障。

对速度向量的方向改变的次数或频率的计数例如在给定的时间段(例如0.2秒)内发生。因此，由于外科医生-机器人系统的频带通常为5 Hz，因此该系统通过主设备确认是否提供10 Hz运动命令作为输入。该特征旨在将这种情况识别为异常状况，而不是像应用分步过滤器那样将其移除。

主设备速度的监视允许识别预定时间间隔中足够大数量的振荡，例如识别速度何时反转方向，并在(浮动或固定)时间窗口中计数超过预定阈值以上的给定幅度的振荡数量。

尤其是在磁跟踪系统的情况下，该功能对于检测由于以检测到的主设备的位置信号的振动形式检测到的外部磁场而引起的任何磁场扰动也是有用的。

这里将详细讨论单向情况。连续信号的速度反转可以作为其随时间的导数的最小点或最大点来获得。给定具有固定采样dT(秒)的单轴位置信号，我们可以在以下多种模式下评估该点：(i)使用多项式过滤和拟合，(ii)对长度为2W+1的浮动窗口进行表决。

在“(i)拟合”的情况下：使用至少二次多项式对位置进行拟合，并计算加速度是否为零；然后，在给定速度的情况下在窗口中对其进行估计。在“(ii)浮动窗口”的情况下：瞬时变换速度的局部样本插入三个象征(P、Z、N)上，该三个象征对应于大于阈值V0的相对速度值，介于[-V0，V0]的相对速度值，以及小于-V0的相对速度值。该算法将在零速度(最多也是0)具有LZ样本的第一个点视为反转点，该点之前是非负值的均匀序列，之后是非正值，或者情况相反。

第一实施方式基于具有正规表达式的模式识别，例如：[NZ]{L1，}[PZ]{L1，}或[PZ]{L1，}[NZ]{L1，}。反转点是第一种情况下的最后一个符号N与第一个符号P之间的中点，以及第二种情况下P与N之间的中点。应当注意的是，没有必要有一个速度为零的点。

在第二实施方式中，将P、N的序列存储在浮动窗口中，该浮动窗口对每个P和N的连续出现的次数进行计数。长度为W的浮动窗口意味着，当P和N交替时，最多有W个元素都是1，或者当它们都是P或N时，最多有1个元素。对这种出现的序列C1...CK使用最大滚动算法获得最大点，并假设其为Ci。然后，如果Ci>＝L1且C(i-1)>＝L1或C(i+1)>＝L1，则得到一个反转点。

优选地，如果测量系统出于任何原因没有提供样本，则系统重置并开始填充浮动窗口。

此时，系统随着时间积累反转点。如果最后两个反转点的时间距离大于预定阈值，则重置反转计数。然后评估两个反转点之间的距离，如果该距离大于给定阈值，则增加反转次数。

将上述情况扩展到三维情况，一种可能的解决方案是通过独立的轴线工作，并具有三个不同的速度方向改变标识符(每个轴线一个)。

参考三维情况的另一个实施例是以组合的方式工作，如下所述，参考已经讨论的一维情况：然后基于三维位置估计反转点，并且使用向量之间的距离来估计振荡的幅度。

在通过“(i)拟合”估计点的情况下，应用上述多项式拟合的相同方法，但将其推广到三维情况。其思想是使用多项式或多项式序列(样条)表示位置，然后计算切向相对速度，最后将其用作值Vr。一种可能的技术是B样条拟合(B-Spline fitting)。该问题可用最小二乘优化方法求解，并主要由期望控制点的数量来控制。优先的假设是基于过滤的拟合的连续估计。否则，反转的估计是基于三维轨迹的曲线表示，该三维轨迹将相对于具有切向和法向运动分量的先前向量分解每个新的速度向量，如下所述：给定时间P1、P2中的两个点，我们将速度向量定义为V2＝P2-P1。在给定第三点P3的情况下，可以估计新的速度向量V3＝P3-P2相对于先前的分量V3＝V3t V3+V3N具有什么作用。分量v3t是相对速度，因此可用作单轴解中的Vr。

例如，假设有一个自然振荡高达5Hz的信号，采样频率为100Hz，精度为0.1mm。

主设备的意外开启

根据一个实施方式选项，主设备的主体包括两个刚性部分，这两个刚性部分被约束在接头(优选为弹性接头)中，以至少围绕限定主设备的主体的开启/闭合自由度的公共轴线旋转，并且该方法包括步骤：基于检测和/或计算的速度向量，计算主设备的主体的两个刚性部分的开启角速度ω。

因此，根据该实施方式选项，该方法还包括以下步骤：

将计算的开启角速度ω与阈值角速度ω_thr进行比较，该阈值角速度可以取决于弹性接头的弹性刚度；

-如果上述计算的开启角速度ω大于上述阈值角速度(ω_thr)，则根据关系ω>ω_thr，识别与主设备的意外开启相关联的异常/故障状况。

根据一个实施方式选项，阈值角速度值ω_thr属于0.15rad/s与0.50rad/s之间的范围。

根据类似的实施方式选项，上述计算、比较和识别的步骤不是针对角速度执行，而是针对角加速度或线加速度执行，该角加速度和线加速度可以例如通过监控速度向量和/或位置向量随时间的演变来获得的。

根据另一实施方式选项，参照主设备由弹性接头中相互连接的两个刚性部分组成的情况，当不被按压或牢牢握在用户的手中时，该弹性接头倾向于至少成角度地开启这些部分，并且可检测的异常/故障为主设备的意外开启，该方法包括以下步骤：

-检测位置向量以及两个可检测点中的每一个各自随时间的演变；

-基于检测到的位置向量随时间的演变，计算上述两个可检测点之间的距离随时间的演变；

-基于上述距离随时间的演变，计算主设备的开启线速度v；

-将计算的开启线速度v与阈值线速度v_thr进行比较；

-如果v>v_thr，则识别上述异常/故障状况。

阈值速度可以是两个刚性部分之间的接近速度阈值和/或距离速度阈值。

例如，当在操作条件下并且根据这样的一个实施例：该实施例提供主设备的主体具有适于控制从属的开启/闭合自由度的线性平移自由度，主设备的主体上的径向压力作用确定两个刚性部分的距离，从而给予手术器械夹持动作(开启/闭合)。

优选地，提供计算在平移中彼此约束的主设备的两个刚性部分的平移的相对线速度的该实施方式选项允许识别指示主设备的不受控制的行为的异常/故障状况，该实施方式类似于参考上述在两个刚性部分之间具有旋转接头的主设备中的意外开启的实施方式。

因此，总而言之，根据一个方法实施例，通过测量或计算向量加速度，即，在主设备的模数和线方向或角方向上，获得至少以下信息：

-主设备掉落：如果加速度等于g并指向下，则机器人系统立即停止，以防止从设备也向下，因此，可能是向下朝向患者；

-主设备在任何方向上的加速度过大(例如，等于或大于3g)；在这种情况下，立即停止机器人系统；

-主设备的意外开启：如果主设备的两个点的相对加速度大于上述两个点(其间有一个接头，以及一个适于开启接头的弹簧)之间的弹性返回加速度。

主设备的向量加速度要么由一个或多个加速计直接检测，要么从监视位置向量的演变而得到，进而被检测。

如上所公开的，本方法涉及用于外科远程操作的机器人系统的主设备接口的广义类别，该机器人系统的特征在于位置和取向测量。

特别地，例如考虑了具有两个部分或端头的主设备，两个部分或端头使用铰链或铰链接头闭合。每个部分都与一个位置测量相关联，该位置测量可以直接测量或扣除。

为了控制从设备，尤其是与从设备相关联的显微手术器械(或“末端执行器”)，可以定义主参考坐标系(或“主系”)和相应的原点(或“主系原点(master frame origin，MFO)”)。

因此，在任何时候，主设备的一个或多个参考点的位置都是相对于上述主参考坐标系的坐标、相对于这种坐标系的原点(MFO)来限定的。

如上述已经注意到的，在一些实施例中，例如使用放置在主设备上的光学标记，在适当选择的点处直接测量主设备的主参考坐标系和相关位置。在这种情况下，使用另一种技术(例如，磁编码器)来测量主设备的夹持角。

在其他实施例中，在主设备总是被“夹持”(其中两个部分铰接在接头中)的情况下，该方法包括测量主设备的上述两个部分(或相应端头)中的每一个的位置。在这种情况下，主设备的两个部分中的每一个都与其参考坐标系(在此分别表示为MF#1和MF#2)相关联，参考坐标系相对于上述的通用主系的原点(MFO)表示。

通用主系(具有原点MFO)与主设备的各部分的主系MF#1和MF#2之间的坐标变换可以通过已知的坐标转换技术来表示，例如通过对位置和取向进行平均来表示为两个主系MF#1与MF#2之间的平均值。

在这种情况下，在主设备的两个部分上执行的测量可以提供多达12个检测到的自由度：用于第一主设备部分的3个位置坐标和3个取向值；用于第二主设备部分的3个位置坐标和3个取向值。

这种检测总是允许(也具有冗余)检测主设备的机械结构的7个自由度。

关于图中所示并在该方法中使用的坐标系，应当注意的是，被表示为MFO的参考系是用于主设备的通用参考系(或者说，“主系”或“主系原点”)(例如，与主设备工作空间相关联)；被表示为MF#1和MF#2(图1)的参考系是与主设备的两个部分集成的局部参考系(或者“主系”)；参考系MFM(图1中)、MF1和MF2(图4、图4之二和图6之三)是与主设备集成的局部参考系(例如，与主设备集成的两个传感器所在的点之间的虚拟中点相关联)；参考系SFO(图4之二中)为从设备的通用参考系(或“从系原点”)(例如，与从设备的工作空间相关联)。

图1、图2和图7中所示的示例指的是“夹具”型主设备，该主设备涉及在铰链接头与夹具的两个臂(对应于上文多次提到的主设备的“两个部分”)的端头之间的大致中间位置处施加夹持手部的手指的力。该类型的主设备的特点是共有7个自由度：三个取向自由度、三个位置自由度、以及夹具臂之间的开启。如已经示出的，可以使用光学技术或磁技术来检测夹具臂的位置。

图1和图2描绘了具有两个传感器S1、S2的主设备110，其中两个传感器S1、S2布置在由主设备110形成的夹具的臂180、190的端头附近。

在图1中，铰链接头OJ位于左侧，并允许臂以平行于两个臂的两个轴线z1和z2的轴线旋转。轴线x1和轴线x2位于臂的方向，其方向背离接头。

两个传感器中的每一个的位置和旋转测量可以由位置的一个三维向量(从而获得两个向量，我们表示为p1和p2)和每个臂的旋转矩阵(从而获得两个旋转矩阵，我们表示为R1和R2)来表示。然后，每个传感器与各自的位置和旋转信息(p1，R1)和(p2，R2)相关联。

应当注意的是，旋转可以与三维正交子群SO(3)相关联，因此自由度数始终为3(无论描绘的类型如何，无论它是基于这里例示的具有9个数字的旋转矩阵，还是基于3个欧拉角(3)，或者基于四元数)。

臂的参考点(或端头)的布置(即，位置和旋转)允许计算整个主设备的布置(即，位置和旋转)，例如，将位置计算为两个位置p1和p2的平均值pM，并将旋转计算为旋转的平均值(即，具有R1和R2的相应元素的平均值作为元素的矩阵RM)。可以使用端头之间的距离和主设备臂的已知长度，即接头与设置有传感器的每个参考点之间的已知距离(假设传感器S1、S2放置在距接头OJ的等距点处，上述两个距离相等)来计算夹具的开启角α。

在图3的(a)所示的示例中，在进入主工作空间315的转变期间图解地示出了不受约束的主设备310，其中在工作空间315的限制T周围限定了边缘带317；例如，边缘带317可以由误差或噪声E来确定，该误差或噪声E源自跟踪系统对主设备310的检测质量，因此边缘带317由位置T+E和T-E来界定。

在图3的(b)所示的示例中，在退出主工作空间315的转变期间图解地示出了不受约束的主设备310，其中在工作空间315的限制T周围定义了边缘带317；例如，边缘带317可以由误差或噪声E确定，该误差或噪声E源自跟踪系统对主设备310的检测质量，因此边缘带317由位置T-E和T+E来界定。

根据图4中所示的实施例，机器人远程操作手术系统400包括具有分配的工作空间415、425的至少一个不受约束的主设备410、420(在所示的示例中，图解地示出了由外科医生450手持的两个不受约束的主设备410、420)、与控制台455集成的控制单元和从设备440(在所示的示例中示出了两个从手术器械460、470)。

根据图4之二所示的实施例，机器人远程操作手术系统400包括具有分配的工作空间415的至少一个不受约束的主设备(在所示的示例中，图解地示出了由外科医生450手持的两个不受约束主设备410、420)、控制台455和从设备440(在所示的示例中，示出了两个从手术器械460、470)，其中控制台455与参考系MFO集成并且优选地包括控制单元。

图5图解地示出了工作空间515内的为其分配的不受约束的主设备510，其中示出了远程操作开始空间区域516，该远程操作开始空间区域在此完全包含在工作空间515中，并且其中，在所示的示例中，主设备510设置有一对识别传感器或标记585、595；例如，仅当主设备510位于远程操作开始空间区域516内时，该系统被配置成能够开始远程操作。

根据例如图5之二所示的实施例，参考系MFO与包括椅子554的控制台集成(在所示示例中，参考系MFO与椅子554的一部分集成)。例如，跟踪源被放置成与限定工作体积515的椅子554的一部分集成，其中远程操作开始空间区域516在这里被示为完全包含在工作空间515中；例如，仅当主设备510位于远程操作开始空间区域516内时，系统才被配置成能够开始远程操作。

根据例如图5之三中所示的实施例，参考系MFO与限定工作体积515的主控制台555集成，工作体积515与主控制台555集成；在所示的示例中，图解性地示出了由外科医生550手持并通过数据链路511、512有线连线到控制台555的两个不受约束的主设备510、520；在所示的示例中，控制台555包括屏幕557，屏幕557用于显示手术区和/或系统和/或手术区状态参数。

根据例如图6所示的实施例，存在与控制台655集成的两个体积615、618，两个体积615、618包括工作体积615和装载或休息体积618，其中当主设备615、625位于装载体积618内时，系统不允许进入远程操作状态。例如，装载体积618可以位于控制台655处或其附近，和/或在不使用时，位于用于存储主设备610、620的元件处或元件内。

根据例如图6之二所示的实施例，限定了与控制台655集成的两个工作体积615、625，两个工作体积615、625包括左侧工作体积615和右侧工作体积625，并且其中优选地，如果左侧主设备610位于左侧工作体积615内并且右侧主设备620位于右侧工作体积625内，则系统能够进入远程操作状态。

根据例如图6之三中示出的实施例，如果左侧主设备610和右侧主设备620均位于工作体积615内，并且如果左侧主设备610位于右侧主设备625的左侧，则系统能够进入远程操作状态。

图7和图8示出了一些异常/故障，这些异常/故障可以基于工作空间715、815内为其分配的不受约束主设备710、810的至少一个点的速度信息来识别。

在图7所示的示例中，对主设备710的两个点的角速度ω的监视允许检测主设备的意外开启(在这里所示的示例中，主设备710在两个刚性部分780、790中的每一个上设置有识别传感器或标记785、795)，该两个点分别是约束在接头775中以绕公共轴线旋转的刚性部分780、790的标识符。

作为替代或此外，速度监测可以是对主设备的两个点的线速度监测的监测。

在图8所示的示例中，速度监测允许检测主设备的过度振动(在这里所示的示例中，主设备810设置有一对识别传感器或标记885、895)，这例如基于监测速度v的方向和/或对工作体积815内检测到的速度向量v的方向变化进行计数来实现。

根据例如图9所示的实施例，存在与控制台集成的三个体积915、919、914，这三个体积包括：工作体积915、暂停的远程操作体积919和跟踪体积914，其中，当主设备910位于工作体积915中时，系统能够进行远程操作(例如命令从手术器械960)；当主设备910位于暂停的远程操作体积919内并且同时位于工作体积915之外时，系统暂停远程操作；跟踪体积914表示检测极限，当主设备910位于跟踪体积914内并且同时位于暂停的远程操作体积919之外时，系统排除远程操作(即，主设备910退出远程操作)。

根据例如图9之二所示的实施例，存在与控制台集成的三个体积915、919、914，这三个体积包括：工作体积915、暂停的远程操作体积919和跟踪体积914；其中，工作体积915由极限阈值或表面T限定，当主设备910位于工作体积915内时，系统能够进行远程操作(例如，命令从手术器械960)；暂停的远程操作体积919由极限阈值或表面T’限定，当主设备910位于暂停的远程操作体积919内并且同时位于工作体积915之外时，系统暂停远程操作；跟踪体积914由极限阈值或表面T”限定、表示检测极限，当主设备910位于跟踪体积914内并且同时位于暂停的远程操作体积919之外时，系统排除远程操作(即，主设备910退出远程操作)。极限阈值或表面T、T’和T”可以受到上述参照图3的(a)至(b)所提及的测量或噪声误差E的影响。

图10图解示出的实施例示出了不受约束的主设备1010，该主设备包括被约束在接头1075中以沿公共轴线X-X相对平移的两个部分1080、1090，其中，例如两个部分1080、1090被约束为彼此共线，其中传感器S1、S2被放置为与两个部分1080、1090中的每一个集成。根据一个实施方式选项，监视每个传感器S1、S2的线速度或角速度允许检测异常/故障状况。例如，通过按压接头1075(优选为弹性接头)，两个部分1080、1090移开，并且在外科医生失去对主设备1010的控制的情况下，两个部分1080、1090相对接近，并且其中，例如，如果相对接近速度大于速度阈值，对相对接近速度的监视允许检测异常状况。根据一个实施方式选项，该系统监视至少一个传感器S1、S2的角速度，以检测和识别异常/故障状况，例如过度振动。

可以看出，如上所述的本发明的目的是通过上述详细公开的特征所描述的方法而完全实现的。

事实上，所描述的方法和系统允许有效且实时地验证以下项：检测主设备的一些可能的操作异常/故障或主设备的可能的异常情形，以及识别异常的类型。

因此，可以满足应用如下程序的需要：所述程序用于实时验证主设备的任何异常操作状况，这由用于医疗或外科远程操作的机器人控制系统自动执行，这些程序是高效且可靠的，以便满足这种应用所要求的严格的安全要求。

这是通过检测与主设备相关联的至少一个点的至少一个位置向量并将一个或多个检测到的量与一个或多个相应的可预定阈值进行比较而获得的。

一旦识别了主设备的结构或功能异常/故障，就可以立即迅速地中断远程操作，从而避免这种异常/故障反映在从设备和与其相关联的手术器械的操作中的后续异常/故障中，这些异常/故障意图作用于患者并对患者本身造成可能严重的后果。

因此，实现了提高患者安全的目标，满足了在所考虑的操作环境中必须遵守的非常严格的安全要求。

为了满足偶然需要，本领域技术人员可以在不脱离以下权利要求的范围的情况下，对上述方法的实施例进行改变和适调，或者可以用功能上等价的其他元素替换这些元素。以上描述为属于可能的实施例的所有特征可以被实现，而与所描述的其他实施例无关。

Claims (52)

1.一种用于识别和确认和/或区分在使用主设备(110；310；410、420；510；510、520；610、620；710；810；910；1010)时的至少一个异常状况的方法，所述主设备为手持式的，适于由操作者手持，并且机械上不受约束，用于控制用于医疗或外科远程操作的机器人系统，其中，所述方法包括：

-检测或计算属于所述主设备或与所述主设备集成的至少一个点的速度向量、或与所述主设备唯一且严格关联的虚拟点的速度向量；

-基于至少一个检测到的所述速度向量、或基于至少一个检测到的位置向量的至少一个分量，识别和确认和/或区分至少一个可检测的异常状况，

其中，所述可检测的异常包括以下异常中的至少一者：所述主设备的线速度过大、所述主设备的角速度过大、从设备无法跟随、所述主设备的过度振动、所述主设备的意外开启或异常开启，

并且其中，所述可检测的异常中的每个异常与至少一个状态系统改变相关联，如果检测到所述异常，则执行所述至少一个状态系统改变，所述至少一个状态改变包括退出所述远程操作状态或暂停所述远程操作状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测或计算速度向量的步骤包括：

-检测属于所述主设备或与所述主设备集成的至少一个点的位置向量以及所述位置向量随时间的演变，或者检测与所述主设备唯一且严格关联的所述至少一个虚拟点的位置向量以及所述位置向量随时间的演变；

-基于检测到的所述位置向量和相应的随时间的演变，计算属于所述主设备或与所述主设备集成的至少一个点的速度向量、或与所述主设备唯一且严格关联的所述至少一个虚拟点的速度向量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测或计算速度向量的步骤包括：

-通过一个或多个速度传感器检测所述速度向量。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检测或计算属于所述主设备或与所述主设备集成的所述至少一个点的线速度，或者检测或计算与所述主设备唯一且严格关联的所述至少一个虚拟点的线速度，

并且/或者其中，检测或计算属于所述主设备或与所述主设备集成的所述至少一个点的角速度，或者检测或计算与所述主设备唯一且严格关联的所述至少一个虚拟点的角速度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，用于医疗或外科远程操作的所述机器人系统包括：

-所述主设备，所述主设备机械上不接地并且适于在手术期间由外科医生手持，并且被配置成检测所述外科医生的手动命令并产生相应的第一电命令信号；

-至少一个机器人从组件，所述至少一个机器人从组件包括至少一个从手术器械(460、470；960)，所述从手术器械被配置成以受所述主设备控制的方式对患者的解剖结构进行操作，从而所述主设备的运动导致所述从设备的期望和受控制的相应运动；

-控制单元，所述控制单元设置有计算机，所述控制单元被配置成从所述主设备接收所述第一电命令信号，基于所述第一电命令信号产生第二电命令信号，并且将所述第二电命令信号提供给所述机器人从组件以致动所述至少一个从手术器械；

其中，所述控制单元可操作地连接到所述一个或多个传感器以接收至少第三电信号，所述第三电信号表示检测到的或计算的所述速度向量，

并且其中，所述识别和确认和/或区分至少一个可检测的异常的步骤由所述控制单元执行。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述速度向量参考参考坐标系。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，用于医疗或外科远程操作的所述机器人系统包括操作控制台(455；555；655)，并且其中，所述参考坐标系与所述机器人系统控制台集成。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中，用于医疗或外科远程操作的所述机器人系统还包括至少一个跟踪系统，所述至少一个跟踪系统适于检测所述主设备在预定跟踪体积内的输入位置和取向和/或速度，从而所述从手术器械的致动取决于所述外科医生借助于所述主设备给出的手动命令，

其中，所述参考坐标系由所述跟踪系统限定。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述主设备为手持式的且不受约束的主设备，所述手持式的且不受约束的主设备包括两个刚性部分(180、190；780、790；1080、1090)，所述两个刚性部分被约束成关于公共轴线相对旋转和/或平移，其中，所述检测和/或计算速度的步骤包括：

-检测和/或计算至少两个可检测点的线速度或角速度，第一点属于所述主设备的所述刚性部分中的一个或与之集成，且第二点属于所述设备的所述刚性部分中的另一个或与之集成；

并且/或者

-检测和/或计算所述至少两个可检测点的线速度或角速度；和/或以下的另外点中的至少一者的线速度或角速度：

所述两个检测到的点之间的中点和/或所述主设备的重心；

和/或所述主设备的旋转接头(OJ；775)；和/或所述主设备的棱柱形接头(1075)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述主设备的主体包括两个自由端头或端部，第一自由端头或端部属于所述主设备的所述刚性部分中的一个或与之集成，且第二自由端头或端部属于所述设备的所述刚性部分中的另一个或与之集成，

并且其中，所述两个可检测点分别对应于所述主设备的所述两个自由端头或端部和/或与之相关联。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当即使仅确定了所述异常中的一者时，所述系统状态改变是所述机器人系统立即退出所述远程操作状态，或者是立即暂停所述远程操作状态。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括：

-当实时检测到先前检测到的异常的停止时，允许重启所述机器人系统的所述远程操作，

或者

-即使实时检测到先前检测到的异常的停止也抑制所述机器人系统的远程操作的重启，并且重启用于准备和开始远程操作和/或初步重新一致操作的程序。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述可检测的异常是与所述主设备的线速度过大或角速度过大相关联的异常，所述方法包括：

-将检测到的所述主设备的线速度或角速度与线速度阈值或角速度阈值进行比较；

-如果由所述主设备检测到的所述线速度或所述角速度超过所述线速度阈值或角速度阈值，则识别与所述主设备的速度过大相关联的所述异常。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，当检测到与所述主设备的线速度或角速度过大相关联的所述异常时，所述机器人系统退出所述远程操作。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，当检测到与所述主设备的线速度或角速度过大相关联的所述异常时，所述机器人系统进入不同的机器状态。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述不同的机器状态是暂停的远程操作状态，即受限制的远程操作，所述受限制的远程操作至少防止所述从设备的控制点的平移运动、或者限制所述从设备的控制点的旋转运动、或者防止所述从设备的控制点的所有运动。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述受限制的远程操作步骤中，所述方法提供了执行与运动一致的步骤，在所述与运动一致的步骤中，所述从设备在取向上移动，从而在抑制所述从设备的平移时使所述从设备自身与所述主设备的取向一致。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述可检测的异常是与所述从设备无法跟随相关联的异常，并且其中，所述方法包括：

-将测量的所述主设备的线速度或角速度与速度阈值进行比较，所述速度阈值与所述从设备为保持在正确跟随所述主设备的状况下可容忍的最大线速度或角速度相关联；

-如果检测到的所述主设备的线速度或角速度超过与最大可容忍线速度或角速度相关联的所述速度阈值，则识别与所述从设备无法跟随相关联的所述异常。

19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述可检测的异常是与所述主设备的过度振动相关联的异常，其中，所述方法包括：

-检测或计数检测到的或计算的所述主设备的速度向量的方向改变的次数或频率；

-将所述方向改变的次数或频率与相应的阈值进行比较；

-如果计数或检测到的方向改变的所述次数或频率超过所述相应的阈值，则识别与所述主设备的过度振动相关联的所述异常。

20.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述可检测的异常是与所述主设备的过度振动相关联的异常，其中，所述方法包括：

-检测速度向量模数的移动和/或变化；

-如果所述速度向量模数的移动和/或变化超过相应的阈值，则识别与所述主设备的过度振动相关联的所述异常。

21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述主设备的主体包括两个刚性部分(180、190；780、790)，所述两个刚性部分被约束在接头(OJ；775)中，所述接头优选为弹性接头，以至少围绕限定所述主设备的主体的开启/闭合自由度的公共轴线旋转，并且其中，所述可检测的异常是所述主设备的意外开启或异常开启。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

-基于检测到的和/或计算的速度向量，计算所述主设备的主体的所述两个刚性部分的开启线速度；

-将计算的所述开启线速度与阈值线速度进行比较，所述阈值线速度能够取决于所述弹性接头的弹性刚度；

-如果计算的所述开启速度大于所述阈值线速度，则识别与所述主设备的意外开启相关联的异常状况。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

-基于检测到的和/或计算的速度向量，计算所述主设备的主体的所述两个刚性部分的开启角速度；

-将计算的所述开启角速度与阈值角速度进行比较，所述阈值角速度能够取决于所述弹性接头的弹性刚度；

-如果计算的所述角速度大于所述阈值角速度，则识别与所述主设备的意外开启相关联的异常状况。

24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述可检测的异常是与跟踪参考系的原点的移位相关联的异常，其中，所述方法包括：

-计算用于所述主设备的位置测量的每个真实传感器或虚拟传感器的线速度；

-计算在给定的时间窗口内，每个速度向量是否能够由主常数分量来表示；

-计算所有得到的速度向量是否相互平行和相干，或者所有得到的速度向量是否属于适当的速度向量区；

如果并未出现相互平行和相干的速度向量、或者属于适当的速度向量区的情况，则识别与所述跟踪参考系的原点的移位相关联的所述异常。

25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检测到所有以下可检测的异常：所述主设备的线速度过大、所述主设备的角速度过大、所述从设备无法跟随、所述主设备的过度振动、所述主设备的意外开启或异常开启。

26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述机器人系统包括两个主设备，并且其中，所述方法包括：如果所述主设备中仅有一个主设备具有所述可检测的异常中的任何一者，则退出所述远程操作和/或暂停所述两个主设备的远程操作。

27.一种用于管理在用于外科或医疗远程操作的主从式机器人系统的主设备中识别的异常的方法，所述方法包括以下步骤：

执行用于识别至少一个异常状况的根据权利要求1至26中任一项所述的方法；

如果确定所述异常中的至少任何一个异常，则立即停止或暂停所述远程操作和所述从设备的手术器械的运动。

28.一种用于医疗或外科远程操作的机器人系统(400)，所述机器人系统包括：

-主设备(110；310；410、420；510；510、520；610、620；710；810；910；1010)，所述主设备机械上不接地并适于在手术期间由外科医生手持，并且被配置成检测所述外科医生的手动命令并产生相应的第一电命令信号；

-至少一个从设备(440)或机器人从组件，所述至少一个从设备或机器人从组件包括至少一个从手术器械(460、470；960)，所述至少一个从手术器械被配置成以受所述主设备控制的方式对患者的解剖结构进行操作；

-控制单元，所述控制单元设置有计算机，所述控制单元被配置成从所述主设备接收所述第一电命令信号，基于所述第一电命令信号产生第二电命令信号，并将所述第二电命令信号提供给所述机器人从组件以致动所述至少一个从手术器械；其中，所述控制单元被配置成识别至少一个异常状况，从而执行以下步骤：

-检测或计算属于所述主设备或与所述主设备集成的至少一个点的速度向量、或与所述主设备唯一且严格关联的虚拟点的速度向量；

-基于至少一个检测到的所述速度向量、或基于至少一个检测到的位置向量的至少一个分量，识别和确认和/或区分至少一个可检测的异常状况，

其中，所述可检测的异常至少包括以下异常中的至少一者：所述主设备的线速度过大、所述主设备的角速度过大、所述从设备无法跟随、所述主设备的过度振动、所述主设备的意外开启或异常开启，

并且其中，所述可检测的异常中的每个异常与至少一个状态系统改变相关联，如果检测到所述异常，则执行所述至少一个状态系统改变，所述至少一个状态改变包括退出所述远程操作状态或暂停所述远程操作状态。

29.根据权利要求28所述的机器人系统，其中，所述检测或计算速度向量的步骤包括：

-检测属于所述主设备或与所述主设备集成的至少一个点的位置向量以及所述位置向量随时间的演变，或者检测与所述主设备唯一且严格关联的所述至少一个虚拟点的位置向量以及所述位置向量随时间的演变；

-基于检测到的所述位置向量和相应随时间的演变，计算属于所述主设备或与所述主设备集成的至少一个点的速度向量，或与所述主设备唯一且严格关联的所述至少一个虚拟点的速度向量；

或者其中，所述检测或计算速度向量的步骤包括：

-通过一个或多个速度传感器检测所述速度向量。

30.根据权利要求28或29中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统被配置成检测或计算属于所述主设备或与所述主设备集成的所述至少一个点的线速度，或者检测或计算与所述主设备唯一且严格关联的所述至少一个虚拟点的线速度，

和/或所述机器人系统被配置成检测或计算属于所述主设备或与所述主设备集成的所述至少一个点的角速度，或检测或计算与所述主设备唯一且严格关联的所述至少一个虚拟点的角速度。

31.根据权利要求28至30中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统还包括传感器或检测器，所述传感器或检测器被配置成检测或计算所述速度向量并产生第三电信号，所述第三电信号表示检测到的或计算的所述速度向量，并且其中，所述控制单元可操作地连接到一个或多个所述传感器或检测器以接收至少一个所述第三电信号。

32.根据权利要求28至31中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统包括操作控制台(455；555；655)，其中，所述速度向量参考与所述机器人系统控制台集成的参考坐标系。

33.根据权利要求28至32中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统还包括至少一个跟踪系统，所述至少一个跟踪系统适于检测所述主设备在预定跟踪体积内的输入位置和取向和/或速度，使得所述从手术器械的致动取决于所述外科医生借助于所述主设备给出的手动命令、和/或所述主设备的位置和取向，其中，所述速度向量参考由所述跟踪系统限定的参考坐标系。

34.根据权利要求28至33中任一项所述的机器人系统，其中，所述主设备是手持式且不受约束的主设备，所述手持式且不受约束的主设备包括两个刚性部分(180、190；780、790；1080、1090)，所述两个刚性部分被约束成关于公共轴线相对旋转和/或平移，其中，所述检测和/计算速度的步骤包括：

-检测和/或计算至少两个可检测点的线速度或角速度，第一点属于所述主设备的所述刚性部分中的一个或与之集成，且第二点属于所述设备的所述刚性部分中的另一个或与之集成；

并且/或者

-检测和/或计算所述至少两个可检测点的线速度或角速度；和/或以下的另外点中的至少一者的线速度或角速度：

所述两个检测到的点之间的中点和/或所述主设备的重心；

和/或所述主设备的旋转接头(OJ；775)；和/或所述主设备的棱柱形接头(1075)。

35.根据权利要求34所述的机器人系统，其中，所述主设备的主体包括两个自由端部或端头，第一自由端部或端头属于所述主设备的所述刚性部分中的一个或与之集成，且第二自由端部或端头属于所述设备的所述刚性部分中的另一个或与之集成，并且其中，所述两个可检测点分别对应于所述主设备的所述两个自由端部或端头和/或与之相关联。

36.根据权利要求28至35中任一项所述的机器人系统，其中，当仅确定所述异常中的一者时，所述系统状态改变是所述机器人系统立即退出所述远程操作状态，或者是立即暂停所述远程操作状态。

37.根据权利要求36所述的机器人系统，其中，所述方法还包括：

-当实时检测到先前检测到的异常的停止时，允许重启所述机器人系统的所述远程操作，

或者

-即使实时检测到先前检测到的异常的停止也抑制所述机器人系统的远程操作的重启，并且重启用于准备和开始远程操作和/或初步重新一致操作的程序。

38.根据权利要求28至37中任一项所述的机器人系统，其中，所述可检测的异常是与所述主设备的线速度或角速度过大相关联的异常，其中，所述机器人系统被配置成：

-将检测到的所述主设备的线速度或角速度与线速度阈值或角速度阈值进行比较；

-如果由所述主设备检测到的所述线速度或所述角速度超过所述线速度阈值或角速度阈值，则识别与所述主设备的速度过大相关联的所述异常。

39.根据权利要求38所述的机器人系统，其中，当检测到与所述主设备的线速度或角速度过大相关联的所述异常时，所述机器人系统被配置成：

退出所述远程操作，或者

进入不同的机器状态，所述不同的机器状态对应于暂停的远程操作状态，即受限制的远程操作，所述受限制的远程操作至少防止所述从设备的控制点的平移运动、或者限制所述从设备的控制点的旋转运动、或者防止所述从设备的控制点的所有运动。

40.根据权利要求39所述的机器人系统，其中，在所述受限制的远程操作步骤中，所述系统被配置成执行与运动一致的步骤，在所述与运动一致的步骤中，所述从设备在取向上移动，从而在抑制所述从设备的平移时与所述主设备的取向一致。

41.根据权利要求28至40中任一项所述的机器人系统，其中，所述可检测的异常是与所述从设备无法跟随相关联的异常，其中，所述机器人系统被配置成：

-将测量的所述主设备的线速度或角速度与速度阈值进行比较，所述速度阈值与所述从设备为保持在正确跟踪所述主设备的状况下可容忍的最大线速度或角速度相关联；

-如果检测到的所述主设备的线速度或角速度超过与最大可容忍的线速度或角速度相关联的所述速度阈值，则识别与所述从设备无法跟随相关联的所述异常。

42.根据权利要求28至41中任一项所述的机器人系统，其中，所述可检测的异常是与所述主设备的过度振动相关联的异常，其中，所述机器人系统被配置成：

-检测或计数检测到的或计算的所述主设备的速度向量的方向改变的次数或频率；

-将所述方向改变的次数或频率与相应的阈值进行比较；

-如果计数或检测到的方向改变的所述次数或频率超过所述相应的阈值，则识别与所述主设备的过度振动相关联的所述异常。

43.根据权利要求28至42中任一项所述的机器人系统，其中，所述可检测的异常是与所述主设备的过度振动相关联的异常，其中，所述机器人系统被配置成：

-检测速度向量模数的移动和/或变化；

-如果所述速度向量模数的移动和/或变化超过相应的阈值，则识别与所述主设备的过度振动相关联的所述异常。

44.根据权利要求28至43中任一项所述的机器人系统，其中，所述主设备的主体包括两个刚性部分(180、190；780、790)，所述两个刚性部分被约束在接头(OJ；775)中，所述接头优选为弹性接头，以至少围绕限定所述主设备的主体的开启/闭合自由度的公共轴线旋转，并且其中，所述机器人系统被配置成：

-基于检测到的和/或计算的速度向量，计算所述主设备的主体的所述两个刚性部分的开启线速度；以及将计算的所述开启线速度与阈值线速度进行比较，所述阈值线速度能够取决于所述弹性接头的弹性刚度；

或者

-基于检测到的和/或计算的速度向量，计算所述主设备的主体的所述两个刚性部分的开启角速度；以及将计算的所述开启角速度与阈值角速度进行比较，所述阈值角速度能够取决于所述弹性接头的弹性刚度。

45.根据权利要求44所述的机器人系统，其中，所述可检测的异常是所述主设备的意外开启或异常开启，并且其中，所述机器人系统被配置成：如果计算的所述开启速度大于所述阈值线速度，或者如果计算的所述开启角速度大于所述阈值角速度，则检测与所述主设备的意外开启相关联的异常状况。

46.根据权利要求44所述的机器人系统，其中，所述可检测的异常是所述主设备的掉落，并且其中，所述机器人系统被配置成：如果计算的所述开启速度大于所述阈值线速度，或者如果计算的所述开启角速度大于所述阈值角速度，则检测与所述主设备的掉落相关联的异常状况。

47.根据权利要求28至46中任一项所述的机器人系统，其中，所述主设备的主体包括两个刚性部分(180、190；780、790)，所述两个刚性部件被约束成围绕限定所述主设备的主体的开启/闭合自由度的公共轴线旋转，所述刚性部件通过弹性偏置动作被弹性偏置以相对远离，

其中，所述机器人系统被配置成：基于对所述主设备的意外开启的检测，和/或基于对由所述弹性偏置动作确定的所述主设备的主体的两个刚性部分之间的相对距离运动的检测，检测与所述主设备的掉落相关联的异常状况。

48.根据权利要求47所述的机器人系统，其中，基于所获得的所述两个刚性部分的角速度、和/或角加速度、和/或线速度、和/或线加速度的信息来执行对所述主设备的意外开启的检测。

49.根据权利要求47或48所述的机器人系统，所述机器人系统包括分别与所述主设备的所述两个刚性部分相关联的两个传感器，所述两个传感器被配置成检测所述两个刚性部分的各自速度，其中，所述机器人系统被配置成基于关于由所述两个传感器检测到的速度之间的关系的信息来确认所述主设备的掉落。

50.根据权利要求28至49中任一项所述的机器人系统，其中，所述可检测的异常是与所述跟踪参考系的原点的移位相关联的异常，其中，所述机器人系统被配置成：

-计算用于所述主设备的位置测量的每个真实传感器或虚拟传感器的线速度；

-计算在给定的时间窗口内，每个速度向量是否能够由主常数分量来表示；

-计算所有得到的速度向量是否相互平行和相干，或者所有得到的速度向量是否属于适当的速度向量区；

如果并未出现相互平行和相干的速度向量、或者属于适当的速度向量区的情况，则识别与所述跟踪参考系的原点的移位相关联的所述异常。

51.根据权利要求28至50中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统包括两个主设备，并且其中，所述机器人系统被配置成：如果所述主设备中的一个主设备受到所述可检测的异常中的任何一者的影响，则退出远程操作和/或暂停所述两个主设备的远程操作。

52.根据权利要求28至51中任一项所述的机器人系统，机器人系统被配置成执行用于识别和确认和/或区分至少一个异常状况的根据权利要求1至26中任一项所述的方法，或者执行用于管理主设备中识别的异常的根据权利要求27所述的方法。