CN117580532A - 基于加速度的测量和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

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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：由一个或多个传感器检测和/或计算属于主设备或与主设备集成的至少一个点的加速度向量，或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的加速度向量；然后基于所述检测到的和/或计算的加速度向量的至少一个分量或模数来识别至少一个可检测的异常状况。上述可检测的异常包括以下中的至少一者：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/或意外开启。此外，这些可检测的异常中的每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系统状态改变。还描述了一种用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统，该系统配备成执行上述方法。

Description

基于加速度的测量和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，在存在用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统的情况下，实时评估赋予从设备运动的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。文件US-2011-118748(其中主设备由外科医生穿戴)和WO-2020-0092170(其中主设备本体具有大致椭圆形形状)中示出了具有不受约束的主设备的这种方案的示例。
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甚至严重后果的、从设备和与其相关联的手术器械的操作中的后续异常。
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提及的缺点，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21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。此方法由权利要求22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23所述的系统实现。
这种方法的其它实施例由权利要求24至44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，这些几何参数和参考系被应用于具有“夹具”结构的主设备的实施例；
-图3示出了在本发明的方法中使用的几何参数和参考系，这些几何参数和参考系被应用于具有“笔”结构的主设备的实施例；
-图4和图4之二(4bis)图解地示出了根据一些实施例的远程操作手术系统；
-图4之三(4ter)图解地示出了根据一个实施例的远程操作手术系统的一部分；
-图5至图8图解地示出了通过该方法的一些实施例可检测到的一些异常；
-图9为图解地示出了主设备的意外掉落的检测的曲线图。
具体实施方式
参照图1至图9，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并且机械上不接地，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/计算属于主设备或与主设备集成的至少一个点的加速度向量，或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的加速度向量；然后基于所述检测到的和/或计算的加速度向量的至少一个分量或模数(modulus)，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/故障包括以下中的至少一者：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/或意外开启。
此外，如果检测到异常/故障，则每个可检测的异常/故障与要执行的至少一个系统状态改变相关联。
根据该方法的一个实施方式选项，如果检测到异常，则要执行的上述系统状态改变包括退出远程操作。
根据一个实施方式选项，识别步骤包括：基于上述检测到的和/或计算的加速度向量的至少一个分量来识别至少一个可检测的异常状况。
根据一个实施方式选项，识别步骤包括：基于上述检测到的和/或计算的加速度向量的模数来识别至少一个可检测的异常状况。
根据一个实施例，该方法包括如下的进一步步骤：由一个或多个传感器测量和/或检测属于主设备或与主设备集成的所述至少一个点的位置向量、以及这种位置向量随时间的演变。
在这种情况下，检测和/或计算所述加速度向量的步骤包括：基于相应测量的和/或检测的位置向量随时间的演变来检测和/或计算加速度向量。
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的演变的、向量的N个样本的浮动窗口，并且通过对于与夹持有关的自由度利用二阶多项式进行插值，以及对于与主设备平移和取向有关的自由度利用三阶多项式进行插值，来计算加速度向量。
根据这一实施例的另一实施方式选项，上述检测和计算加速度向量的步骤包括：通过卡尔曼(Kalman)型预测过滤器计算加速度向量，该卡尔曼型预测过滤器使用具有随机加速度动态(random acceleration dynamics)的运动模型，该运动模型适合于估计主设备的位置状态并且基于测量系统提供的信息来校正该估计。优选地，这一模型关于其过程噪声和关于测量的噪声被参数化。
根据这一实施例的又一实施方式选项，该实施方式选项将预测方式与延迟平滑方式相结合，该方法考虑N个样本的窗口，向前预测到该窗口的末端，然后将过去的预测校正到该窗口的中心中的点。
相对于多项式拟合选项，基于卡尔曼过滤器的解决方案具有适应不同观测噪声值的潜力，但可能受制于过滤器对输入值的适应时间。
根据一个实施方式选项，基于速度向量的检测和速度向量随时间的演变来计算加速度。
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，其中这样的一个或多个传感器是加速度计。
根据该方法的各种可能的实施例，作为检测异常的基础，对于属于主设备或与主设备集成的上述至少一个点、或与主设备唯一且严格关联的虚拟点中的每一者，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/或在笛卡尔坐标中的位置和/或极坐标或角坐标中的位置。
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，该虚拟点对应于多个传感器所在的点之间的中点。
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本体的开启/闭合角度。
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合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生成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。
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，基于第一电命令信号生成第二电命令信号，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。
此外，控制单元可操作地连接到上述一个或多个传感器，以接收表示检测到的和/或测量的加速度向量和/或相关的随时间的演变的至少一个第三电信号，并且被配置成执行上述计算和检测至少一个可检测异常的步骤。
根据一个实施方式选项，所述第三电信号对应于所述第一电信号。
根据一个方法实施例，上述测量和/或检测步骤是相对于参考坐标系进行执行的，该参考坐标系与用于远程操作手术的机器人系统相关联，并且具有预定轴线和在预定点的原点。
例如，限定了一组固定的三个笛卡尔坐标x、y、z，其具有在预设点的原点O。
特别地，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集成。
在一个方法实施例中，这一操作控制台包括至少一个手术椅，该手术椅包括至少一个供外科医生在手术期间坐在其上的就坐表面，上述参考坐标系与上述至少一个手术椅集成，例如与所述手术椅的座部集成。参考坐标系可以与用于手术椅的座部的支撑件集成，该座部可相对于用于该座部的支撑件旋转。
根据一个实施例，用于医疗或外科远程操作的机器人系统包括跟踪系统，该跟踪系统适用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发出的手动命令和/或主设备在跟踪体积内的位置和取向。
在一个方法实施例中，所述操作控制台包括显示从工作空间的至少一个显示器。
操作控制台可以是相对于从设备位于远处的控制台，或操作控制台可以是与从设备一起位于手术室中的控制台。
根据一个方法实施例，所述测量和/或检测步骤由一个或多个磁传感器执行。
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被约束到用于远程操作手术的机器人系统的一部分的磁场发生器产生的磁场的局部值。
在这种情况下，参考坐标系起源于上述磁发射器，并且具有三个正交轴线x、y、z。
根据一个实施方式选项，所述磁场发生器属于所述跟踪系统。
根据另一方法实施例，上述测量和/或检测步骤由至少一个光学传感器或摄像头来执行，该至少一个光学传感器或摄像头与用于医疗或外科远程操作的机器人系统相关联和/或受其约束。立体配置中可以包括多个摄像头。
在这种情况下，上述参考坐标系是光学传感器或摄像头的内部参考坐标系。
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摄像头被约束到手术椅和/或与手术椅集成，和/或安装在可由外科医生穿戴的支撑件上，以便与外科医生集成。
根据一个方法实施例，其中主设备是手持的、无约束的主设备，该主设备包括被约束为相对于公共轴线相对旋转或平移的两个刚性部分，上述检测和/或计算步骤包括：由各自的传感器检测和/或计算至少两个可检测点的加速度向量和/或加速度向量随时间的演变，第一点属于主设备的上述刚性部分中的一个或与之集成，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)的纵向延伸部垂直)旋转。
例如，该方法也可以应用于具有“笔”结构的主设备，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)的纵向延伸部一致的纵向轴线平移。
根据该方法的各种可能实施例，所述计算步骤包括：计算所述至少两个可检测点的加速度向量和/或速度向量，或者计算所述至少两个检测到的点中的一个的加速度向量和/或速度向量。
根据进一步的实施方式选项，所述计算步骤还包括：计算以下另外的点中的至少一个的加速度向量和/或速度向量和/或位置向量：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、和/或主设备的棱柱形接头。
根据一个方法实施例，其中主设备本体包括两个端头或自由端，第一端头或自由端属于主设备的刚性部分中的一个或与之集成，第二端头或自由端属于该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和/或与主设备的上述两个端头或自由端中的相应一者相关联。
根据一个方法实施例，其中可检测到的异常/故障是主设备的意外掉落，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；
-将检测到的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，或者是大约为g的值(例如，g的80％)。
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，测量的行为是纯粹冗余的。
参照以上已经描述的内容，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掉落，可以依赖面向下的主设备的加速度和/或速度分量的信息。
参照以上已经描述的，根据一个实施方式选项，主设备具有彼此约束以绕公共轴线旋转的两个刚性部分，所述刚性部分被弹性地偏置以相对移开，为了检测主设备从外科医生的手中掉落，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。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对意外开启的检测。
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，所述两个传感器分别与主设备的两个刚性部分相关联。例如，两个传感器的加速度之间的关系函数可以比较加速度之间的相对方向。根据一个实施方式选项，关系函数处理相应传感器的两个加速度向量之间的标量积以给出主设备的掉落的指示；在这样的实施方式选项中，可以求助于两个传感器之间的标量积的位置或位置随时间的演变的多项式估计器，所述多项式估计器在主设备的掉落事件下具有峰值。
根据如图9中图解所示的实施方式选项，主设备具有被约束为绕公共轴线旋转的两个刚性部分，所述刚性部分被弹性地偏置以相对移开，在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，各个(检测到的和/或计算的)传感器的加速度向量具有至少一个有限持续时间的瞬变(但在某些情况下也针对在掉落的整个持续时间)，第一分量面向下，第二分量可归因于主设备的惯性旋转。
在这样的实施方式选项中，两个加速度向量之间的检测到的角度非常小，例如在掉落时最小；由各个传感器的加速度向量之间的差给出的残余振荡的评估非常高(例如，最高)。换言之，当两个传感器的加速度向量之间的夹角非常小(例如，最小)时表示当二者都朝下时的特定情况下的加速度之间的高度一致性；两个加速度向量之间的比较(差异)的高度波动表示掉落事件。
根据一个实施方式选项，主设备具有被约束为绕公共轴线旋转的两个刚性部分，所述刚性部分被弹性地偏置为相对移开。在主设备掉落期间，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，相应(检测到的和/或计算的)传感器的速度向量具有至少一个有限持续时间的瞬变(但在某些情况下也针对在掉落的整个持续时间)，第一分量面向下，第二分量可归因于主设备的惯性旋转。
在这样的实施方式选项中，两个速度向量之间的检测到的角度非常小，例如在掉落时最小；由各个传感器的速度向量之间的差给出的残余振荡的评估非常高(例如，最高)。换言之，当两个传感器的速度向量之间的夹角非常小(例如，最小)时表示在二者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。
根据一个方法实施例，其中可检测到的异常/故障是主设备的(例如，在使用者处理过程中施加的)过度加速，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；
-将检测到的和/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；
-如果上述加速度向量模数atot大于上述总加速度阈值atot_thr，则根据关系：atot>atot_thr，检测与主设备的过度加速相关联的异常/故障。
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5g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，则引起警报触发条件。
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大，和/或随着使用者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大。
根据一个应用示例，在机器人微手术领域，比例因子可以限定在5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，以允许加速运动。
例如，atot_th1是针对比例因子S1选择的阈值，而T是系统识别加速度并因此中断远程操作所花费的时间。在这种情况下，接受等于D＝1/2S1 atot_thr1 T2的从设备的最大不受控制移动。然后，针对比例因数S2，设置相同的行进距离D和时间T，atot_th2＝atot_thr1S1/S2。
应当注意的是，在典型的实施方式选项中，比例因子可以由使用者根据具体情况来设置，并且即使在从设备移动期间也可以由使用者改变、重置。
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使用者手中时，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；
-基于上述检测到的和/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加速度ω；
-将计算的开启角速度ω与阈值角加速度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，阈值角加速度值ω_thr取决于与弹性接头相关联的弹簧的弹性刚度，并且随着刚性部分之间的张开程度的增加而减小。
根据其它实施方式选项，上述计算、比较和识别的步骤不是针对角加速度执行的，而是针对角速度或线速度执行的。
例如，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使用者的手中时，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：
-检测两个可检测点中的每一个的位置向量以及各自随时间的演变；
-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，其中主设备具有两个刚性部分，这两个刚性部分被弹性约束以沿着与主设备的上述部分中的至少一个部分的纵向延伸部相一致的纵向轴线平移，该方法包括以下步骤：
-检测和/或计算两个可检测点中的每一个点的加速度向量和/或各自随时间的演变；
-基于上述检测到的和/或计算的加速度向量，计算主设备的两个刚性部分的距离/接近线加速度；
-将计算的距离/接近线加速度与阈值线加速度进行比较，该阈值线加速度取决于约束的弹性刚度(elastic rigidity)；
-如果计算的距离/接近线加速度大于阈值线加速度，则识别与主设备的意外开启相关联的异常/故障状况。
根据一个方法实施例，同时检测以下全部的上述异常：主设备的意外掉落、主设备的过度加速、以及主设备的突然和/或意外开启。
这一实施例允许获得广泛范围的控制，以达到最大可能的安全性。
根据一个优选的实施方式选项，检测主设备的意外掉落、主设备的过度加速、以及主设备的突然和/或意外开启的上述异常受制于主设备位于分配给主设备的预定工作体积内的进一步限制。这一工作体积可以被限定，使得其位于外科医生在远程操作期间采取的位置周围。
根据一个实施例，该方法包括进一步的步骤：检测属于主设备或与主设备集成的至少一个点的位置。在这种情况下，通过在绝对参考系X、Y、Z中将属于主设备或与主设备集成的至少一个点的检测位置相对于限制表面进行比较，可以检测与检测到主设备位于允许极限之外的进一步异常/故障。
在几种可能的实施方式选项中，这一限制表面是球或盒(平行六面体)，或者通常是多面体或多个半空间的凸包交集(convex intersection)。
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/故障的方法。
这种方法包括执行根据上述实施例中的任何一个实施例的用于识别和确认和/或区分至少一个异常/故障状况的方法。
这种方法还包括：如果确定了上述异常/故障中的至少一个，则立即中断远程操作和从设备的手术器械(或“末端执行器”)的运动，以保障患者的安全性的步骤。
本发明还包括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。
控制单元还被配置成执行根据前文公开的实施例中的任意实施例的用于识别和确认和/或区分至少一个异常/故障状况的方法。
根据一个实施方式选项，控制单元还被配置成执行根据前文描述的用于管理异常/故障方法的实施例中的任何一个实施例的用于管理识别到的异常/故障的方法。
在该系统的一个实施方式选项中，主设备的本体包括座部，所述座部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，主设备的本体是一次性的，因此通常由塑料制成。
根据该另一系统实施例，主设备的本体由金属(例如，钛)制成并且是可灭菌的。
参照图1至图8，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，例如就加速度而言；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检查；基于所执行的检查来检测主设备的任何故障或异常；利用使用者界面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(已经在上文提到)的一些实施例中执行的异常检查的更多细节。
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。
在不同的能够进行使用的拟合技术中，可能提及的是，例如，基于Solezky-Golay过滤器的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常数矩阵。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，可以对主设备的夹持的可能的突然开启(即，相对于在操作员自主控制的正常情况下所能预期相比速度过快)进行进一步的检查，突然开启被认为指示意外开启，例如操作者失去对主设备的控制的异常状况，或失去对主设备的夹持的控制的异常状况，其中主设备的夹持的自由度在开启或关闭时被弹性预加载。
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执行的，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。
在一种情况下，估计开启加速度：例如，使用上文针对“主掉落”情况描述的相同的多项式拟合，但以与该特定条件相关联的不同参数来执行开启加速度的估计。开启加速度取决于预加载弹性(例如，可以在被约束旋转的两个刚体部分之间包括弹簧)。通过拟合得到的开启角(或“夹持角”)的估计加速度被用来评估这种异常。
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；或平行六面体形状的表面；或者高效地计算一个点是否在其中的几何形状。
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(未接地)的机械接口的主设备的情况下，如果考虑光学检测，则工作空间是每个摄像头的锥形干线的交点，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。
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，主设备的模数和方向、线加速度或角加速度，获得至少以下信息：
-主设备掉落：如果加速度等于g或约等于g(例如，g的80％)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。
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)来检测主设备的机械结构的7个自由度。
图1、图2、图7和图8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”)的端头之间的大约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。如已经描述的，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，其中两个传感器S1、S2布置在夹具臂180、190的端头T1、T2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刚性臂或部分180、190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，其方向远离接头。
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(从而获得两个位置向量，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(无论表示的类型如何，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(即姿态，即位置和旋转)允许计算整个主设备的布置(即姿态，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OJ与设置有传感器S1、S2的每个参考点之间的已知距离(假设传感器放置在距接头OJ的等距点处，上述两个距离相等，并在本文中称为D)来计算夹具的开启角α。
根据例如图3所示的一个实施方式选项，所述主设备310具有两个刚性部分380、390，这两个刚性部分优选地彼此共线，弹性地约束在部分375中，例如棱柱形接头，以沿着与主设备310的上述部分380、390中的至少一个或两个的纵向延伸部相一致的纵向轴线平移。例如，径向按压部分375确定两个部分380、390的相对距离。
在这种情况下，如已经观察到的，该方法包括：检测和/或计算所述两个可检测点中的每一个的加速度向量和/或各自随时间的演变；基于所述检测到的和/或计算的加速度向量，计算主设备的两个刚性部分的、被约束为弹性平移的平移的相对线加速度；将计算的平移的相对线加速度与取决于约束的弹性刚度的阈值线加速度进行比较；以及如果计算的平移的相对线加速度大于阈值线加速度，则最后识别异常状况。
该阈值线性加速度可以是两个刚性部分之间的接近的加速度阈值和/或距离加速度阈值。例如，在操作条件下，主设备本体上的径向压力作用导致两个刚性部分移开，从而使外科从器械具有夹持动作(开启/关闭)。
优选地，提供计算主设备的两个刚性部分的、在平移中彼此约束的平移的相对线性加速度的这种实施方式选项允许识别主设备的不受控制的行为的指示性异常状况，类似于上文参考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所描述的的实施方式。
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手持的两个图解示出的不受约束的主设备410、420)、与工作空间415、425集成的控制台455、控制单元430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在工作空间415中手持的两个不受约束的主设备)、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限定了与工作空间415集成的通用参考系，并且其中每个主设备限定了局部参考系MFM1和MFM2。
关于图中所示并在该方法中使用的坐标系，应当注意的是，表示为MFO的参考系是主设备的通用参考系(例如，与主设备的工作空间相关联)；表示为MF#1和M2(图1)的参考系是与主设备的两个部分集成的局部参考系；参考系MFM(在图1中)、MFM1和MFM2(图4和图4之二)是与主设备集成(例如，与位于与主设备集成的两个传感器所处的点之间的虚拟中点相关联)的局部参考系；参考系SFO是从设备(例如，与从设备的工作空间相关联)的通用参考系。
根据图4之三所示的实施例，用于机器人远程操作手术系统的主控制台455包括屏幕457和与工作体积415集成的跟踪源456；在工作体积415内示出了两个不受约束的主设备410、420，每个不受约束的主设备410、420经由数据链路411、421有线连线到控制台455。
图5、图6、图7和图8示出了可以基于不受约束的主设备的至少一个点的加速度信息来识别的一些异常。
特别地，图5示出了位于为其分配的工作空间或工作体积515内的不受约束(未接地)的主设备510，该主设备510设置有两个传感器585、595或标记585、595，其中主设备510被示出为经受高于阈值的竖直加速度ay。
图6示出了位于为其分配的工作空间或工作体积515内的不受约束(未接地)的主设备510，该主设备510在相应部分580、590上设置有两个传感器585、595或标记585、595，其中主设备510被示为经受高于阈值的加速度atot。
图7示出了位于为其分配的工作空间或工作体积515内的不受约束(未接地)的主设备510，其中主设备510的本体由两个刚性部分580、590形成，这两个刚性部分被约束在弹性接头575中，以绕公共轴线相对旋转，其中所述两个刚性部分580、590中的每一个都设置有传感器585、595或标记585、595，其中主设备510被示为经受意外开启(在所示实施例中，弹性接头575偏置刚性部分580、590的自由端以移开，其中角加速度ω取决于弹性接头575的弹性)。代替检测角加速度ω，或除了检测角加速度ω之外，(还)可以检测线加速度。
图8示出了位于为其分配的工作空间或工作体积515内的不受约束(未接地)的主设备510，该主设备510在相应部分580、590上设置有两个传感器585、595或标记585、595，其中主设备510被示为经受在通用参考系MFO的每个轴线上的角加速度ω。
下面描述一种用于医疗或外科远程操作的机器人系统400，该系统包括主设备、至少一个从设备、以及控制单元。
主设备(110；310；410、420；510)机械上不接地，并且适于在手术期间由外科医生450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。
所述至少一个从设备440或从机器人组件包括至少一个从手术器械460、470，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。
设置有计算机的控制单元被配置成从主设备接收所述第一电命令信号，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。
控制单元被配置成在可检测的异常/故障集合中识别和确认和/或区分至少一个异常/故障状况，该异常/故障集合包括以下中的至少一者：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/或意外开启。
如果检测到异常，则这些可检测的异常/故障中的每一者都与要执行的至少一个系统状态改变相关联。
为了识别和确认和/或区分至少一个异常/故障状况，控制单元被配置成执行以下动作：
-基于可操作地连接到控制单元的机器人系统的一个或多个传感器(S1、S2)、(585、595)发送的信息，检测和/或计算属于主设备或与主设备集成的至少一个点的加速度向量，或与主设备唯一且严格关联的虚拟点的加速度向量；
-基于所述检测到的和/或计算的加速度向量的至少一个分量或模数来识别和确认和/或区分至少一个可检测到的异常/故障状况。
根据机器人系统的一个实施例，上述主设备包含以弹性接头相互连接的两个刚性部分580、590，当使用者未按压或牢牢手持这些部分时，弹性接头倾向于至少成角度地打开这些部分。
待检测的异常为主设备的意外开启，并且控制单元被配置成：检测和/或计算两个可检测点中的每一个点的加速度向量和/或各自随时间的演变；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加速度ω；将计算的开启角加速度ω与各自取决于弹性接头的弹性刚度的阈值角加速度进行比较；如果上述计算的开启角加速度ω大于所述阈值角加速度，则根据关系ω>阈值角加速度来识别与主设备的意外开启相关联的异常状况。
根据机器人系统的一个实施例，上述主设备包括两个刚性部分380、390，这两个刚性部分被弹性约束以沿着与主设备的上述部分中的至少一个部分的纵向延伸部相一致的纵向轴线平移。
控制单元被配置成检测和/或计算所述两个可检测点中的每一个点的加速度向量和/或各自随时间的演变；基于上述检测到的和/或计算的加速度向量计算主设备的两个刚性部分的距离/接近线加速度；将计算的距离/接近线加速度与取决于约束375的弹性刚度的阈值线速度进行比较；如果上述计算的距离/接近线加速度大于上述阈值线加速度，则识别与主设备的意外开启相关联的异常/故障状况。
根据机器人系统的一个实施例，上述主设备包括以弹性接头相互连接的两个刚性部分580、590，当这些部分未按压或牢牢握住在使用者的手中时，弹性接头倾向于至少成角度地打开所述部分。
待检测的异常是主设备的掉落，并且控制单元被配置成基于分别与主设备的上述两个刚性部分相关联的两个传感器的加速度之间的关系来检测主设备的掉落。
根据机器人系统的不同实施例，控制单元被配置成通过执行根据本说明书中公开的这种方法的实施例中的任何实施例的方法来识别和确认和/或区分至少一个异常状况。
根据机器人系统的实施例，控制单元被配置成管理通过执行根据本说明书中公开的这种方法的实施例中的任何实施例的方法而发现的异常。
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内容：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，以及确认异常的类型。
因此，满足了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。
这是通过如下方式实现的：测量或计算可以与主设备相关联的至少一个点的线加速度和/或角加速度(优选地当所述不受约束的或者“浮空”的主设备位于某一工作体积内时)，并且将一个或多个检测到的量与一个或多个相应的预定阈值进行比较。
由于主设备旨在由外科医生在远程操作期间机械地手持，因此当主设备位于分配给该主设备的工作空间内时，检测到主设备的加速度超出允许的限制是异常的指示。
一旦识别了主设备的结构或功能异常，就可以立即迅速地中断远程操作，从而避免这种异常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 (44)

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)时的至少一个异常状况的方法，所述主设备是手持式的、旨在由操作员手持、并且机械上不接地、用于控制用于医疗或外科远程操作的机器人系统，其中，所述方法包括：
-通过一个或多个传感器(S1、S2；585、595)检测和/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加速度向量，或与所述主设备唯一且严格关联的虚拟点的加速度向量；
-基于检测到的和/或计算的所述加速度向量的至少一个分量或模数来识别和确认和/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中的至少一者：所述主设备的意外掉落、和/或所述主设备的过度加速、和/或所述主设备的突然和/或意外开启，
并且其中，所述可检测的异常中的每个异常与至少一个系统状态改变相关联，如果检测到所述异常，则执行所述系统状态改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果检测到所述异常，则要执行所述系统状态改变包括：退出远程操作。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括进一步的步骤：由一个或多个传感器测量和/或检测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位置向量，以及所述位置向量随时间的演变；
并且其中，检测和/或计算所述加速度向量的步骤包括：基于相应测量的和/或检测到的所述位置向量随时间的演变来检测和/或计算所述加速度向量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述检测和计算所述加速度向量的步骤包括：
-通过表示所述位置向量随时间的演变的、向量的N个样本的可移动窗口，并且通过对于与夹持有关的自由度利用二阶多项式进行插值，以及对于与所述主设备的平移和取向有关的自由度利用三阶多项式进行插值，来计算所述加速度向量，或者
-通过卡尔曼型预测过滤器计算所述加速度向量，所述卡尔曼型预测过滤器使用具有随机加速度动态的运动模型，所述运动模型适于估计所述主设备的位置状态并且基于测量系统提供的信息来校正所述估计。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述检测和/或计算所述加速度向量的步骤包括：
-通过至少两个传感器检测和/或计算属于所述主设备或与所述主设备集成的至少两个点中的每一个点的加速度向量；
-计算与所述主设备唯一且严格关联的虚拟点的加速度向量，所述虚拟点对应于所述传感器所在的点之间的中点。
6.根据前述权利要求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(440)，所述至少一个从机器人组件包括至少一个从手术器械(460、470)，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；
-设置有计算机的控制单元，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从机器人组件，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所述检测到的和/或测量的加速度向量和/或随时间的相关演变；
并且其中，所述计算和识别至少一个可检测的异常的步骤由所述控制单元执行。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量和/或检测步骤相对于参考坐标系来执行，所述参考坐标系与用于远程操作手术的所述机器人系统相关联，并且具有预定轴线和在预定点中的原点。
8.根据权利要求7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)，
其中，所述参考坐标系与所述机器人系统的控制台集成。
9.根据权利要求7或8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跟踪系统，所述跟踪系统适用于检测所述主设备在预定跟踪体积内的输入位置和取向，从而所述从手术器械的致动取决于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。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述主设备是手持式且不接地的主设备，所述手持式且不接地的主设备包括两个刚性部分(180、190；380、390；580、590)，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/或计算步骤包括由相应传感器检测和/或计算至少两个可检测点的加速度向量和/或所述加速度向量随时间的演变，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，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。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述计算步骤包括：计算所述至少两个可检测点的加速度向量和/或速度向量，
或计算至少两个检测到的所述点中的一个的加速度向量和/或速度向量，并进一步计算以下另外的点中的至少一个的加速度向量和/或速度向量和/或位置向量：
两个检测到的所述点之间的中点和/或所述主设备的重心，
和/或所述主设备的旋转接头、和/或所述主设备的棱柱形接头。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，待检测的异常为所述主设备的意外掉落，并且其中，所述方法包括：
-检测和/或计算至少一个检测到的所述点的、平行于重力轴线的竖直加速度分量(ay)；
-将检测到的或计算的所述竖直加速度分量(ay)与竖直加速度阈值进行比较；
-如果所述竖直加速度分量(ay)大于所述竖直加速度阈值，则根据关系：ay>竖直加速度阈值，识别与所述主设备的意外掉落相关联的异常。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，计算所述主设备的所述至少两个检测点中的每一个的加速度向量以提供冗余和/或进一步验证。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，待检测的异常为所述主设备的过度加速，特别是由所述使用者在所述运动中施加的所述主设备的过度加速，并且其中，所述方法包括：
-检测和/或计算至少两个检测到的所述点中的至少一个的加速度向量模数(atot)；
-将检测到的和/或计算的所述加速度向量模数(atot)与总加速度阈值进行比较；
-如果所述加速度向量模数(atot)大于所述总加速度阈值，则根据关系：atot>总加速度阈值，识别与所述主设备的过度加速相关联的异常。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述竖直加速度阈值小于所述总加速度阈值。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，计算所述主设备的两个所述检测点的加速度，
并且其中，如果检测到的所述点中的至少一个超过阈值加速度，则引起警报触发条件，
或者，如果虚拟中点超过所述阈值加速度，则引起警报触发条件
或者，如果所述两个点之间的相对加速度超过阈值，则引起警报触发条件。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，所述总加速度阈值被限定为随所述主设备与所述从设备之间的运动的比例因子的减小而增大，和/或，随着使用者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大。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，所述主设备包括以弹性接头相互连接的两个刚性部分(580、590)，当使用者未按压或牢牢手持所述部分时，所述弹性接头倾向于至少成角度地打开所述部分，并且待检测的异常为所述主设备的意外开启，
并且其中，所述方法包括：
检测和/或计算所述两个可检测点中的每一个的加速度向量和/或各自随时间的演变；
基于所述检测到的和/或计算的加速度向量，计算所述主设备的所述两个刚性部分的开启角加速度(ω)；
将计算的所述开启角加速度(ω)与相应的阈值角加速度进行比较，所述阈值角加速度取决于所述弹性接头的弹性刚度；
如果计算的所述开启角加速度(ω)大于所述阈值角加速度，则根据关系：ω>阈值角加速度来识别与所述主设备的意外开启相关联的异常状况。
19.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，所述主设备包括两个刚性部分(380、390)，所述两个刚性部分(380、390)被弹性约束以沿着与所述主设备的所述部分中的至少一个的纵向延伸部一致的纵向轴线平移，并且其中，所述方法包括：
检测和/或计算所述两个可检测点中的每一个的加速度向量和/或各自随时间的演变；
基于所述检测到的和/或计算的加速度向量，计算所述主设备的所述两个刚性部分的距离/接近线加速度；
将所述计算的距离/接近线加速度与取决于约束(375)的弹性刚度的阈值线速度进行比较；
如果所述计算的距离/接近线加速度大于所述阈值线加速度，则识别与所述主设备的意外开启相关联的异常状况。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，同时检测以下全部的所述异常：所述主设备的意外掉落、所述主设备的过度加速、以及所述主设备的突然和/或意外开启。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检测所述主设备的意外掉落、所述主设备的过度加速、以及所述主设备的突然和/或意外开启的所述异常经受所述不受约束的主设备位于可预定的工作体积(415；415、425；515)内的进一步约束。
22.一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：
执行用于识别和确认和/或区分至少一个异常状况的、根据权利要求1至21中任一项所述的方法；
如果确定所述异常中的至少任一异常，则立即停止远程操作以及所述从设备的手术器械的运动。
23.一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)，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(450)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)或从机器人组件，所述从设备或从机器人组件包括至少一个从手术器械(460、470)，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；
-设置有计算机的控制单元，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从机器人组件，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通过执行以下动作来识别和确认和/或区分至少一个异常状况：
-基于可操作地连接到所述控制单元的所述机器人系统的一个或多个传感器(S1、S2；585、595)发送的信息，检测和/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加速度向量，或与所述主设备唯一且严格关联的虚拟点的加速度向量；
-基于所述检测到的和/或计算的加速度向量的至少一个分量或模数来识别和确认和/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中的至少一者：所述主设备的意外掉落、和/或所述主设备的过度加速、和/或所述主设备的突然和/或意外开启，
并且其中，所述可检测的异常中的每个异常与至少一个系统状态改变相关联，如果检测到所述异常，则执行所述系统状态改变。
24.根据权利要求23所述的机器人系统，其中，如果检测到所述异常则要的执行所述系统状态改变包括：退出远程操作。
25.根据权利要求23或24所述的机器人系统，其中，所述控制单元还被配置成基于由一个或多个传感器发送的信息来测量和/或检测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位置向量以及所述位置向量随时间的演变；
并且其中，所述控制单元被配置成基于相应测量和/或检测到的位置向量随时间的演变来检测和/或计算所述加速度向量。
26.根据权利要求25所述的机器人系统，其中，所述控制单元被配置成通过以下步骤检测和计算所述加速度向量：
-通过表示所述位置向量随时间的演变的、向量的N个样本的可移动窗口，并且通过针对与夹持有关的自由度利用二阶多项式进行插值，以及针对与所述主设备的平移和取向有关的自由度利用三阶多项式进行插值，来计算所述加速度向量，或者
-通过卡尔曼型预测过滤器计算所述加速度向量，所述卡尔曼型预测过滤器使用具有随机加速度动态的运动模型，所述运动模型适于估计所述主设备的位置状态并且基于测量系统提供的信息来校正所述估计。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的机器人系统，其中，所述控制单元被配置成通过以下步骤检测和计算所述加速度向量：
-通过至少两个传感器检测和/或计算属于所述主设备或与所述主设备集成的至少两个点中的每一个点的加速度向量；
-计算与所述主设备唯一且严格关联的虚拟点的加速度向量，所述虚拟点对应于所述传感器所在的点之间的中点。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的机器人系统，其中，所述控制单元被配置成相对于参考坐标系来执行所述测量和/或检测步骤，所述参考坐标系与用于远程操作手术的所述机器人系统相关联，并且具有预定轴线和在预定点中的原点。
29.根据权利要求28所述的机器人系统，所述机器人系统包括操作控制台(455)，其中，所述参考坐标系与所述机器人系统的控制台集成。
30.根据权利要求28或29所述的机器人系统，所述机器人系统包括至少一个跟踪系统，所述跟踪系统适用于检测所述主设备在预定跟踪体积内的输入位置和取向，从而所述从手术器械的致动取决于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。
31.根据权利要求23至30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；380、390；580、590)，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，所述控制单元被配置成通过相应的传感器检测和/或计算至少两个可检测点的加速度向量和/或加速度向量随时间的演变，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，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。
32.根据权利要求31所述的机器人系统，其中，所述控制单元被配置成计算所述至少两个可检测点的加速度向量和/或速度向量，
或计算至少两个检测到的所述点中的一个的加速度向量和/或速度向量，并进一步计算以下另外的点中的至少一个的加速度向量和/或速度向量和/或位置向量：
两个检测到的所述点之间的中点和/或所述主设备的重心，
和/或所述主设备的旋转接头、和/或所述主设备的棱柱形接头。
33.根据权利要求23至32中任一项所述的机器人系统，其中，待检测的异常为所述主设备的意外掉落，并且其中，所述控制单元被配置成：
-检测和/或计算至少一个检测到的所述点的、平行于重力轴线的竖直加速度分量(ay)；
-将检测到的或计算的所述竖直加速度分量(ay)与竖直加速度阈值进行比较；
-如果所述竖直加速度分量(ay)大于所述竖直加速度阈值，则根据关系：ay>竖直加速度阈值，识别与所述主设备的意外掉落相关联的异常。
34.根据权利要求33所述的机器人系统，其中，所述控制单元被配置成计算所述主设备的所述至少两个检测点中的每一个的加速度向量以提供冗余和/或进一步验证。
35.根据权利要求23至34中任一项所述的机器人系统，其中，所述主设备包括以弹性接头相互连接的两个刚性部分(580、590)，当使用者未按压或牢牢手持所述部分时，所述弹性接头倾向于至少成角度地打开所述部分，并且待检测的异常为所述主设备的掉落，
并且其中，所述控制单元被配置成基于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的加速度之间的关系来检测所述主设备的掉落。
36.根据权利要求23至35中任一项所述的机器人系统，其中，待检测的异常为所述主设备的过度加速，特别是由所述使用者在运动中施加的所述主设备的过度加速，并且其中，所述控制单元被配置成：
-检测和/或计算至少两个检测到的所述点中的至少一个的加速度向量模数(atot)；
-将检测到的和/或计算的所述加速度向量模数(atot)与总加速度阈值进行比较；
-如果所述加速度向量模数(atot)大于所述总加速度阈值，则根据关系：atot>总加速度阈值，识别与所述主设备的过度加速相关联的异常。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的机器人系统，其中，所述竖直加速度阈值小于所述总加速度阈值。
38.根据权利要求33至37中任一项所述的机器人系统，其中，计算所述主设备的两个所述检测点的加速度，
并且其中，如果检测到的所述点中的至少一个超过阈值加速度，则引起警报触发条件，
或者，如果虚拟中点超过所述阈值加速度，则引起警报触发条件
或者，如果所述两个点之间的相对加速度超过阈值，则引起警报触发条件。
39.根据权利要求36至38中任一项所述的机器人系统，其中，所述总加速度阈值被限定为随所述主设备与所述从设备之间的运动的比例因子的减小而增大，和/或随着使用者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大。
40.根据权利要求23至39中任一项所述的机器人系统，其中，所述主设备包括以弹性接头相互连接的两个刚性部分(580、590)，当使用者未按压或牢牢手持所述部分时，所述弹性接头倾向于至少成角度地打开所述部分，并且待检测的异常为所述主设备的意外开启，
其中，所述控制单元被配置成：
检测和/或计算所述两个可检测点中的每一个的加速度向量和/或各自随时间的演变；
基于所述检测到的和/或计算的加速度向量，计算所述主设备的所述两个刚性部分的开启角加速度(ω)；
将计算的所述开启角加速度(ω)与相应的阈值角加速度进行比较，所述阈值角加速度取决于所述弹性接头的弹性刚度；
如果计算的所述开启角加速度(ω)大于所述阈值角加速度，则根据关系：ω>阈值角加速度来识别与所述主设备的意外开启相关联的异常状况。
41.根据权利要求23至39中任一项所述的机器人系统，其中，所述主设备包括两个刚性部分(380、390)，所述两个刚性部分被弹性地约束以沿着与所述主设备的所述部分中的至少一个部分的纵向延伸部一致的纵向轴线平移，并且其中，所述控制单元被配置成：
检测和/或计算所述两个可检测点中的每一个的加速度向量和/或各自随时间的演变；
基于所述检测到的和/或计算的加速度向量，计算所述主设备的两个刚性部分的距离/接近线加速度；
将所述计算的距离/接近线加速度与取决于约束(375)的弹性刚度的阈值线速度进行比较；
如果所述计算的距离/接近线加速度大于所述阈值线加速度，则识别与所述主设备的意外开启相关联的异常状况。
42.根据权利要求23至41中任一项所述的机器人系统，其中，同时检测以下全部的异常：所述主设备的意外掉落、所述主设备的过度加速、以及所述主设备的突然和/或意外开启。
43.根据权利要求23至42中任一项所述的机器人系统，其中，检测所述主设备的意外掉落、所述主设备的过度加速、以及所述主设备的突然和/或意外开启的所述异常经受所述不受约束的主设备位于可预定的工作体积(415；415、425；515)内的进一步约束。
44.根据权利要求23至43中任一项所述的机器人系统，其中，所述控制单元被配置成通过执行根据权利要求1至21中任一项的方法来识别和确认和/或区分至少一个异常状况和/或通过执行根据权利要求22所述的方法来管理识别到的异常。
CN202280027991.5A 2021-02-16 2022-02-14 基于加速度的测量和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 Pending CN117580532A (zh)

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