CN117597082A - 用于验证用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统的主设备的完整性的方法和相关机器人系统 - Google Patents

用于验证用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统的主设备的完整性的方法和相关机器人系统 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于验证主设备的结构和/或功能完整性的方法，该主设备是手持式的且无约束的，该方法用于控制用于医疗或外科远程操作的机器人系统，其中，这种主设备包括主体，该主体包括被约束为关于公共轴线相对旋转和/或平移的两个刚性部分。该方法包括步骤：测量和/或检测至少两个点的位置向量，该至少两个点中的每个点属于主设备的前述两个刚性部分中的相应一个刚性部分；以及测量和/或检测该至少两个位置向量随时间的演变。该方法然后包括步骤：测量和/或检测该至少两个点中的每个点的取向(表示为三个数字的相应集合)，以及测量和/或检测该取向随时间的演变。定义由主设备的构造特征或结构特征施加的一个或多个约束，该一个或多个约束源自于定义主设备的状态所需的自由度的数量与检测到的信息项的数量之间的差异，其中，在主设备的完整性的情况下，每个约束与需要遵守的数学关系相关联。该方法然后包括步骤：基于前述检测和/或测量的位置向量和取向以及随时间的相应的演变，计算与所定义的每个约束相关联的数学关系；以及基于对是否遵守与所定义的每个约束相关联的数学关系的验证，利用所检测到的、与关于确定主设备的状态所需的信息冗余的自由度相关的信息，最终确定主设备的功能/结构完整性或非完整性的状态。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，该主从式机器人系统被配备为执行前述方法。

Description

用于验证用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统的主 设备的完整性的方法和相关机器人系统
本发明的技术背景
本申请的领域
本发明涉及一种用于验证用于医疗或外科远程操作(surgical teleoperation)的主从式机器人系统的主设备的结构和/或功能完整性的方法、以及用于医疗或外科远程操作的相应的主从式机器人系统，该主从式机器人系统被配备为执行前述方法。
现有技术的描述
在机器人远程操作手术的背景下，对于用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统，评估主设备是否运行良好或结构方面是否完好、以及验证用于控制从设备的位置、取向以及张开/闭合(opening/closing)测量是否一致是非常重要的。
在无约束的主设备的背景下尤其能感受到这种需求，这些主设备通过磁、光学或使用其他追踪方法进行检测，然而，在这些方法中肯定不能排除干扰或不良检测，但是这种需求也可能出现在具有机械约束接口的主设备的背景下。例如，在代表同一申请人的文献WO-2019-020407、WO-2019-020408、WO-2019-020409中、以及例如在文献US-8521331中示出了机械上不受机器人系统控制台约束的主设备的一些示例，即，无约束的主设备，或者“未接地(ungrounded)”或“自由移动(flying)”的主设备。
特别地，在通过光学和/或磁追踪系统检测无约束的主设备的情况下，感觉需要识别(identify)在读取主设备位置和/或取向时的异常，以及外部干扰可能破坏全局和局部参考三元组(reference triples)之间的关系的可能性。
此外，对于所有类型的主设备，感觉需要监控主设备接头(joint)的结构完整性。
用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统并不能为前述需求提供完全令人满意的方案，特别是考虑到非常严格的安全要求，该安全要求源自于主设备的任何结构或功能异常(特别是无约束的异常)可能决定从设备和与其相关联的手术器械的操作中的后续异常的事实，这些异常预期作用于患者并且为患者带来可能的风险。
因此，在这种背景下，强烈感觉到需要应用由用于医疗或外科远程操作的机器人的控制系统自动执行的程序来验证主设备的功能完整性，该程序高效且可靠，以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验证用于医疗或外科远程操作的主从式机器人系统的主设备的结构和/或功能完整性的方法，该方法允许至少部分地克服前述参考现有技术的缺点，并且对在所考虑的技术领域中特别感受到的前述需求做出响应。这种目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。
这种方法的另外的实施例由权利要求2至26来限定。
本发明的另一个目的是提供一种用于管理主设备的异常的方法，该方法包括执行前述用于验证主设备的完整性的方法。这种方法由权利要求27至28来限定。
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，该机器人系统被配备为执行前述控制方法。这种目的通过根据权利要求29所述的系统来实现。
这种系统的另外的实施例由权利要求30至45来限定。
附图说明
参考附图，根据本发明的系统和方法的进一步的特征和优点将从以下对优选实施例的描述中变得显而易见，该优选实施例以参考性、非限制性的示例给出，在附图中：
-图1至图8示出了由本发明的方法的一些实施例提供的、用于主设备的一些实施例的一些结构完整性检查的主要几何参数和物理参数；
-图9是示出本发明的方法的实施例的流程图；
-图10以示意图形式示出了在该方法的实施例中采用的参考系(referenceframe)的图；
-图11示出了本发明的方法和系统的实施例所涉及的主设备的示例；
-图12以示意图形式示出了根据实施例的用于外科远程操作的机器人系统；
-图13和图14以示意图形式示出了根据该方法的实施例的主设备的一些完整性检查；
-图15以示意图形式示出了根据图11中的实施例的主设备的完整性验证示例；
-图16a至图16d以示意图形式示出了根据该方法的实施例的主设备的一些完整性检查。
具体实施方式
参考图1至图16，图1至图16描述了一种用于验证主设备的结构和/或功能完整性的方法，该主设备是手持式的且是无约束的，该方法用于控制用于医疗或外科远程操作的机器人系统，其中，这种主设备包括主体，该主体包括被约束为关于公共轴线相对旋转和/或平移的两个刚性部分。例如，这样的两个刚性部分可以被约束在旋转接头中，以围绕接头轴线旋转；或者，这样的两个刚性部分可以被约束在移动接头(prismatic joint)中，以沿着接头轴线平移，或者可以处于旋转-平移关系中。
该方法包括步骤：测量和/或检测至少两个点的位置向量(在下文中，在给定的参考系或坐标系中，这样的两个点和唯一地表示这两个点的位置向量将被称为P1和P2)，每个位置向量属于主设备的前述两个刚性部分中的相应的一个刚性部分；以及测量和/或检测该至少两个位置向量随时间的演变。
该方法还包括步骤：测量和/或检测该至少两个点中的每个点的取向，其中，每个取向表示为相应的三个数字的集合(set)；以及测量和/或检测该取向随时间的演变。
该方法然后包括：定义由主设备的构造特征或结构特征施加的一个或多个约束，该约束源自于定义主设备的状态所需的自由度的数量与检测到的信息项的数量之间的差异，其中，在主设备的完整性的情况下，每个约束与需要遵守的数学关系相关联。
该方法然后包括步骤：基于前述检测和/或测量的位置向量和取向以及随时间的相应的演变，计算与所定义的约束中的每个约束相关联的数学关系；以及基于对是否遵守了与所定义的约束中的每个约束相关联的数学关系的验证，利用检测到的、与关于确定主设备的状态所需的信息冗余的自由度相关的信息，最终确定主设备的结构和/或功能完整性或非完整性的状态。
根据实施例，该方法包括验证主设备的结构完整性。
根据这种实施例的实施方案，关于主设备的功能完整性的信息或结论(即，关于操作的正确性和充分性的信息或结论)源自于结构完整性验证。
根据实施例，该方法应用于用于医疗或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统包括前述主设备、至少一个从设备和控制单元。
主设备在机械上不接地，适于由外科医生在手术期间手持，并且被配置为检测外科医生的手动命令并生成相应的第一电命令信号。
该至少一个从设备或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为以受主设备控制的方式对患者的人体构造(anatomy)进行操作。
设置有计算机的控制单元被配置为接收来自主设备的前述第一电命令信号，基于第一电命令信号生成第二电命令信号，以及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。
控制单元可操作地连接到一个或多个传感器S1、S2，该一个或多个传感器被配置为执行前述检测和/或测量步骤(例如，分别位于前述点P1和P2处)。
此外，控制单元被配置为接收和处理第三电控制信号，该第三电控制信号表示前述检测和/或测量的位置向量以及随时间的相关的演变。
前述计算和确定步骤由控制单元来执行，在该控制单元中，存储有该一个或多个约束和相应的数学关系。
根据该方法的实施例，前述测量和/或检测步骤包括：关于第一参考系(x，y，z)测量和/或检测前述位置向量和前述取向以及随时间的相关的演变，该第一参考系在下文中也被称为“通用主参考(General Master Reference)”MFO，该“通用主参考”MFO与用于远程手术的机器人系统相关联并且在预设点处具有预定的轴线和原点。
根据实施方案，在该实施方案中，在包括操作控制台的用于远程操作手术的机器人系统中执行该方法，前述第一参考系(或坐标系)与机器人系统控制台集成。
在实施例中，前述操作控制台包括至少一个手术椅(surgical chair)，该第一坐标系与该手术椅集成。
根据该方法的实施例，前述测量和/或检测步骤由两个或更多个磁传感器执行。每个磁传感器被布置在属于主设备或与主设备集成的前述至少两个点中的相应一个点处，并且每个磁传感器被配置为检测由被约束到用于外科或医疗远程操作的机器人系统的一部分的磁场发生器所生成的磁场的相应局部值。
在这种情况下，前述第一参考系或通用参考系MFO的原点在磁发射器处，并且该第一参考系或通用参考系包括三个正交轴线x、y、z。
根据这种实施例的实施方案，用于外科或医疗远程操作的机器人系统还包括至少一个追踪系统，该至少一个追踪系统适合于在预定追踪体积(tracking volume)内检测主设备的输入位置和取向，使得从手术器械的致动取决于外科医生通过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，磁场发生器属于前述追踪系统。
根据该方法的另一实施例，前述测量和/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远程操作手术的机器人系统相关联和/或受约束于该用于远程操作手术的机器人系统。在这种情况下，该第一参考系MFO是光学传感器或摄像头的内部参考系或坐标系。
根据这种实施例的可能的实施方案，前述至少一个光学传感器或摄像头受约束于手术椅和/或与手术椅集成，和/或安装在外科医生可穿戴的支架上以与外科医生集成。
根据实施例，该方法还包括步骤：定义分别与主设备的该至少两个点相关联的第二参考系(x1，y1，z1)或MF#1和第三参考系(x2，y2，z2)或MF#2。
该第二参考系(x1，y1，z1)和第三参考系(x2，y2，z2)中的每个参考系包括：对应于相应的点的各自的原点；各自的第一轴线(x1；x2)，各自的第一轴线与相应的点所关联的主设备的相应的刚性部分对准；各自的第二轴线(z1，z2)，各自的第二轴线平行于主设备的两个刚性部分的旋转轴线，或者垂直于主设备的一个刚性部分关于另一个刚性部分的平移轴线；各自的第三轴线(y1；y2)，各自的第三轴线与第一轴线和第二轴线这二者正交，以形成三个轴线的左旋集合(levorotatory set)。
在这种情况下，前述测量和/或检测位置向量以及随时间的相关的演变的步骤包括：测量和/或检测第二参考系(x1，y1，z1)和第三参考系(x2，y2，z2)关于第一参考系(x，y，z)的原点的位置和随时间的相关的演变；以及测量和/或检测第二参考系(x1，y1，z1)和第三参考系(x2，y2，z2)关于第一参考系(x，y，z)的取向和/或随时间的相关的演变的前述步骤。
根据该方法的实施例，属于主设备或与主设备集成的该至少两个点包括：主设备的第一刚性部分或刚性杆或刚性臂的末端(tip)或自由端(或接近末端或自由端的部分)；以及主设备的第二刚性部分或刚性杆或刚性臂的末端或自由端(或接近末端或自由端的部分)。
前述刚性部分或刚性杆或刚性臂彼此铰接或以其他方式约束，以围绕公共轴线旋转和/或平移。
根据该方法的实施例，在该方法的实施例中，主设备包括主体，该主体包括被约束为关于公共轴线相对旋转的两个刚性部分，其中，由外科医生给出的命令对应于该两个刚性部分之间的张开角(opening angle)的变化，该方法包括另一步骤：基于前述检测到的向量，计算参考点的三个数字的位置集合和三个数字的旋转集合和主设备的张开角。
根据若干可能的实施方案，前述参考点包括以下几个点中的一个点：
-两个末端之间的中点；和/或
-主设备的重心；和/或
-主设备接头。
根据该方法的另一实施例，在该方法的另一实施例中，主设备包括“笔(pen)”主体，该笔主体包括两个刚性部分，该两个刚性部分被约束为在与主设备主体的纵向延伸部(extension)一致的方向上关于彼此(或平移接头/移动接头)平移，前述两个刚性部分在围绕该主设备主体的纵向延伸部的旋转中彼此是集成一体的，其中，由外科医生给出的命令对应于刚性部分关于另一个刚性部分的平移，该方法包括又一步骤：基于前述检测到的向量，计算与第一刚性部分上的第一参考点相关联的第一传感器和与第二刚性部分上的第二参考点相关联的第二传感器的三个数字的位置集合和三个数字的旋转集合。图11和图15以示意图的形式示出了这种实施例。
根据实施方案，在这种情况下，传感器被布置为共线(co-linear)。因此，在这种情况下，几何完整性约束然后验证传感器是共线的，并且不关于零位置相对旋转。
根据实施方案，容纳传感器的“笔”主设备主体的基座(seat)具有适当取向的支撑表面，该支撑表面用于以可重复和可预定的方式定位传感器。
根据该方法的实施例，两个刚性部分或刚性臂围绕公共轴线处于旋转-平移关系，例如，该两个刚性部分或刚性臂形成凸轮。
弹性元件可以设置在主设备的两个刚性部分之间。
根据方法的实施例，确定完整性的状态的步骤包括：如果在预定公差界限内遵守所定义的所有约束，则确认完整性的状态；以及如果即使在考虑了预定的公差界限之后，没有遵守所定义的至少一个约束，则确定(identifying)非完整性的状态。
根据该方法的不同实施例，以下将以示例的方式提供关于确定完整性的状态所需要满足的约束的进一步细节。
根据方法的实施例，前述约束包括以下约束：在共面度公差界限内，与前述至少两个点(其位置向量被测量或检测)相对应的检测点需要位于同一平面上，而无需考虑夹持轴线(gripping axis)的活动性。
根据实施方案，该共面度公差界限规定每个点与由另一点定义的平面之间的距离小于或等于0.5mm。
根据该方法的另一实施例，在该方法的另一实施例中，主设备包括旋转接头，该约束包括以下约束：
-对应于前述至少两个点的检测点(P1，P2)需要始终以相同的预定方式投影在由法向轴线(z1，z2)定义的、平行于接头轴线的、穿过两个点(P1，P2)的正交平面上，或者，分别接合旋转接头和两个点的两个向量(x1，x2)之间的向量积需要始终与相关联于该法向轴线(z1)中的一个法向轴线的向量一致或不一致，其中，一致或不一致是基于主设备的结构特征预先确定的。
根据该方法的另一实施例，在该方法的另一实施例中，主设备包括移动接头，该约束包括以下约束：
-与前述至少两个点对应的测量点(P1，P2)需要始终以相同的预定方式投影在由轴线(y1、y2)定义的、与主设备共面并垂直于由两个刚性部分定义的方向的正交平面上。
这意味着点P2需要位于穿过点p0且以轴线y2为法向轴线的平面的正半空间中，对于P1和y1，反之亦然。
根据该方法的另一实施例，该约束包括以下约束：平行于接头轴线的、穿过该至少两个点(P1，P2)的法向轴线(z1，z2)需要在平行度可接受界限内平行且一致。
根据实施方案，该平行可接受界限由该轴线(z1，z2)定义的角的最大可接受界限8°(a maximum acceptable limit of 8°of the angle)来定义。
根据该方法的另一实施例，前述约束包括以下约束：考虑由两个点中的每个点和将点接合到接头的相应轴线组成的对(P1，x1)、(P2，x2)，并且沿着相应轴线以线性度量量(L)平移每个点，获得两个相应的平移点(P1'，P2')，这两个平移点之间的距离需要小于平移点之间的最大允许距离。
根据实施方案，对于具有旋转接头的主设备，前述最大允许距离是1cm，并且对于具有移动接头的主设备，前述最大允许距离等于两个点(P1，P2)之间的距离，裕度(margin)小于0.5cm(at less than a 0.5cm margin)。
参考前述实施例，应当注意的是，已知长度的并且铰接在点OJ的臂的构造要求：如果我们沿着表示第一臂的线移动前述第一点P1，则对于等于臂(轴线x1)的已知长度的长度，我们需要到达对应于接头OJ的点；类似地，如果我们沿着表示第二臂(轴线x2)的线移动前述第二点P2，则对于等于臂的已知长度的长度，我们需要到达对应于同一接头OJ的点。
根据方法的另一实施例，该约束包括以下约束：至少两个点(其位置向量被检测或测量)之间的距离d不能超过前述至少两个点在主设备的最大张开情况下所处的距离，以及在可应用的情况下，这种距离不能小于在主设备的最小张开下测量的最小距离。
应当注意的是，根据主设备的结构特征，前述主设备的最大张开和主设备的最小张开是预定参数。
根据该方法的实施例，凭借提供12个自由度(其中5个是冗余的)执行的测量来实时检测(例如，两个末端的位置)或计算(例如，平面、线、距离)与前述约束相关联的所有量。
实时执行验证该约束是否被遵守。
如果多个约束中的至少一个约束未被遵守，则实时检测异常。
根据该方法的实施例，考虑将所有前述约束用于验证。
根据该方法的实施例，基于对多个前述约束中的一个或多个前述约束的验证，验证主设备的结构完整性。
根据实施方案，该方法还包括基于对多个前述约束中的一个或多个前述约束的验证，检测追踪场(即，例如，由前述追踪系统生成的电磁场)的干扰和/或扭曲(distortion)。
在这种情况下，凭借基于验证与定义的每个约束相关联的数学关系是否被遵守来确定主设备的完整性或非完整性的状态的步骤，可以识别扭曲追踪场的外部干扰的存在，因为检测到传感器之间的异常数学关系可能是由于扭曲追踪场的干扰引起的，而不是由于主设备的实际结构破坏引起的。换言之，在这种情况下，因为由于追踪场的不想要的干扰而导致的非完整性的功能异常，传感器之间的数学约束被打破。
根据该方法的实施例，通过进一步提供检测/量化与检测的瞬时位置向量相关联的噪声来定义瞬时可接受性阈值的步骤，来执行验证主设备的功能完整性的步骤。
例如，通过使用磁追踪系统检测/量化与瞬时位置向量的检测相关联的噪声，来提供来自外部磁场的可能扰动的信息。
本发明还包括一种用于管理主设备的异常的方法，该方法包括执行根据前述实施例中的任何一个实施例的用于验证结构完整性的方法。
在这样的方法中，任何不遵守约束的情况都会涉及远程操作和与从设备相关联的手术器械的移动的立即中断。
根据实施方案，前述方法还包括步骤：向机器人系统控制系统提供关于验证结果的信息，和/或将所获得的信息传输到机器人系统状态机(Robotic System StateMachine)、和/或用户界面(User Interface)、和/或从设备侧端点(Slave-sideEndpoint)。
现在描述一种用于医疗或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统包括主设备、至少一个从设备和控制单元。
主设备是无约束的(即，机械上不接地)，旨在由外科医生在手术期间手持，并且被配置为检测外科医生的手动命令并且生成相应的第一电命令信号。主设备包括主体，该主体包括两个刚性部分(B1、B2；1180、1190；1380、1390；1480、1490；1580、1590；1680、1690)，这两个刚性部分被约束为关于公共轴线(ZOJ；X-X)相对旋转和/或平移。
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，该至少一个从手术器械被配置为以受主设备控制的方式对患者的人体构造进行操作。
设置有计算机的控制单元被配置为接收来自主设备的前述第一电命令信号，基于第一电命令信号生成第二电命令信号，以及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。
该系统被配置为执行以下动作：
-测量和/或检测至少两个点的位置向量(P1，P2)，每个点属于主设备的前述两个刚性部分(B1、B2；1180、1190；1380、1390；1480、1490；1580、1590；1680、1690)中的相应一个刚性部分；以及测量和/或检测该至少两个位置向量随时间的演变；
-测量和/或检测前述至少两个点中的每个点的取向，每个取向表示为相应三个数字的集合，以及测量和/或检测这种取向随时间的演变；
-定义一个或多个约束，或存储一个或多个预定约束，这种约束是由主设备的构造特征或结构特征施加的，这种约束源自于定义主设备的状态所需的自由度的数量和检测到的信息项的数量之间的差异，在主设备的完整性的情况下，每个约束与需要遵守的数学关系相关联；
-基于检测和/或测量的位置向量和取向以及随时间的相应的演变，计算与所定义的每个约束相关联的数学关系；
-基于对是否遵守与所定义的每个约束相关联的数学关系的验证，利用所检测到的、与关于确定主设备的状态所需的信息是冗余的自由度相关的信息，确定主设备的结构和/或功能完整性或非完整性的状态。
根据该系统的实施例，前述控制单元可操作地连接到一个或多个传感器S1、S2，该一个或多个传感器被配置为执行前述检测和/或测量步骤。
根据实施方案，控制单元还被配置为接收和处理第三电控制信号，该第三电控制信号表示前述检测和/或测量的位置向量以及随时间的相关的演变。
根据实施方案，前述一个或多个约束以及相应的数学关系存储在控制单元中，控制单元还被配置为执行前述计算和确定步骤。
根据不同的实施例，该系统被配置为执行根据本说明书中公开的任何实施例的用于验证主设备的结构完整性的方法。
根据该系统的实施例，主设备主体是一次性的，因此通常由塑料制成。形成接头的部分可以由一次性塑料制成。
根据实施方案，主设备主体界定用于容纳相应的传感器的基座，并且这种基座包括适当取向的传感器支撑表面，使得传感器关于主设备主体的定位是可预定的和可重复的，目的是检测传感器的相互取向。
根据若干可能的实施方案(对应于以上已经公开的方法的实施方案)，如果主设备主体的接头是旋转接头(例如，铰链)，则几何约束基于旋转轴线，而如果接头是允许在平面中平移的这种类型，则几何约束基于所属的平面。
根据实施例，根据任何前述实施例的用于医疗或外科远程操作的机器人系统被配置为执行用于管理主设备的异常的方法(进而包括执行用于验证结构完整性的方法)。
参考图1至图16，作为非限制性示例，以下将进一步详细描述先前以更通用的术语定义的方法的一些实施例。
如上所述，本方法涉及用于机器人外科远程操作系统的一大类主设备接口，其特征在于位置和取向的冗余测量。
特别地，例如，考虑可以使用铰链或铰链接头闭合的、具有两个部分或末端的主设备。每个部分都与位置测量相关联，该位置测量可以直接测量或扣除。
为了控制从设备，特别是与该从设备相关联的手术器械(或“端部执行器(end-effector)”)，可以定义相对于主测量坐标系(或“通用主系”、或“主系原点”、或x、y、z、或MFO)来表示的主参考坐标系(或主参考系或“主系(Master Frame)”，MFM)。
然后，在任何时间，主设备的一个或多个参考点的位置关于前述主参考坐标系(MFM)的坐标来定义。
如已经注意到的，在一些实施例中，在适当选择的点处，直接测量主参考坐标系MFM和主设备的相关位置，例如使用放置在主设备上的光学标记来测量。在这种情况下，使用另一种技术(例如，磁编码器)来测量“夹持器(gripper)”主设备的夹持角。
在其他实施例中，在主设备仍然是具有铰接在接头中的两个部分的“夹持器”类型的情况下，该方法包括测量主设备的前述两个部分(或相应的末端)中的每个部分的位置。在这种情况下，主设备的两个部分中的每个部分都与其参考系相关联，即，关于前述通用主系MFO的原点表示的其参考坐标系(此处分别表示为MF#1和MF#2)。
主系MFM和通用主系MFO之间的坐标变换可以通过已知的坐标变换技术、从主设备的部分的主系(MF#1和MF#2)开始、通过对位置和取向求平均值来表示。对于某些评估，引入附加的主系接头MFJ(Master Frame Joint)参考系(如主系MFM)并且定位在主设备的接头OJ处也可能是有用的(参见图10)。
前述各种实施例所共享的原则是：在主设备的两个部分上执行的测量提供12个自由度。检测到的12个自由度是：主设备的第一部分关于通用主系的三个位置；主设备的第二部分关于通用主系的三个位置；表示第一主设备坐标系MF#1关于通用主系MFO的旋转的三个值；表示第二主设备坐标系MF#2关于通用主系MFO的旋转的三个值。
另一方面，与测量的12个自由度相比，主设备的机械结构仅有7个自由度，这提供了与机械约束相关的5个自由度，因此，原则上提供了5种不同的数学关系(表示这些约束)，并且需要遵守这些数学关系，从而可以得出结论，主设备在结构上是完整的。
因此，由在其不同实施例中的方法执行的对这种数学约束关系的验证允许实现验证主设备的结构完整性的结果。
以上已经描述了被测试的约束的示例，并且在以下就如何测量这些约束以及如何将这些约束转换为主设备的完整性的验证这些方面进行了详细的公开。
图1至图8、图13至图14和图16中示出的示例指的是“夹持器(gripper)”类型(或“主夹持控制器”)的主设备110、1310、1410，该主设备通过握持手(gripping hand)的手指在铰链接头OJ和夹持器的臂B1的末端T1和臂B2的末端T2(对应于多次提到的主设备的“两个部分”)之间的或多或少的中间位置施加作用力。这种类型的主设备的特征在于总共7个自由度：三个取向自由度，三个位置自由度和夹持器臂之间的开口(opening)。如已经示出的，可以使用光学和/或磁技术来检测夹持器臂的位置。
在以下示出的示例中，将仅考虑传感器所在的臂的参考点在绝对参考坐标系中的位置。
图1和图2以示意图的形式描绘了具有两个传感器S1、S2的主设备110，这两个传感器布置在“夹持器”主体的臂B1的末端T1和臂B2的末端T2附近。
在图1的示例中，铰链接头OJ在主系接头MFJ(Master Frame Joint)的左侧，并且允许臂B1和B2以轴线ZOJ进行旋转(示出了臂B1和B2之间的角α)，该轴线平行于两个臂B1、B2的两个轴线Z1和Z2。轴线X1和X2在臂B1和B2的方向上，这两个轴线的方向远离接头OJ。
两个传感器S1、S2中的每个传感器的位置测量和旋转测量可以由三维位置向量(从而获得我们表示为P1和P2的两个向量)和由对于每个臂的旋转矩阵(从而获得两个旋转矩阵)来表示。因此，每个传感器S1、S2与相应的位置和旋转信息相关联。
应当注意的是，旋转可以优选地与三维正交子群(subgroup)SO(3)相关联，因此，在这个示出的示例中的自由度的数量始终为3(无需考虑表示的类型、该自由度的数量基于具有9个数字的旋转矩阵(如在此举例说明的)、还是基于3个欧拉角、或者基于具有4个值的四元数)。
臂B1的参考点S'1(或末端T1)的布置(即，位置和旋转)和B2的参考点S'2(或末端T2)的布置(即，位置和旋转)允许计算整个主设备110的姿势或布置(即，位置和旋转)，例如，将位置计算为传感器S1的位置P1和传感器S2的位置P2的平均值PM，以及将旋转计算为旋转的平均值。可以使用主设备110的臂B1的末端T1和臂B2的末端T2与这两个臂的已知长度之间的距离(即，接头OJ与配备有传感器S1、S2的参考点S'1、S'2中的每个参考点之间的已知距离(假设传感器被放置在距接头OJ的等距点上，前述两个距离相等))来计算“夹持器”的张开角α。
基于接头-传感器距离的已知值和所测量的平均值(位置平均值、旋转平均值)和角α，为了精确定义待验证的约束，在此处示出的示例中对以下参数进行计算：
·参数1：轴线Z1与Z2之间的平面度(planarity)，以度为单位测量(例如，如图3所示，其中，角α3是轴线Z1或转换到P2的其图像Z1'与Z2之间的角)；
·参数2：传感器之间的最大距离(d)，以mm为单位测量(例如，图5以示意图的形式示出了基于轴线Z1和Z2的相对取向计算该最大距离d的各种策略)；
·参数3：传感器的参考系原点(S1：MF#1或S2：MF#2)与另一传感器的平面之间的距离，以mm为单位测量；
·参数4：主设备的臂的两条线之间的距离，以mm为单位测量。
在此基础上，例如，以下原则约束被定义如下。
1.点P1和P2属于同一平面；特别地，由点P1和轴线Z1定义的平面π1包含点P2，由点P2和轴线Z2定义的平面包含点P1。
2.法向轴线Z1和Z2需要平行。
3.通过将点P1和P2在臂上向后移动已知长度而获得的另外的点P1'和P2'这二者需要与对应于主系接头MFJ参考系的接头和原点的点OJ重合。
4.“夹持器”的开口需要低于最大值以及两个点P1和P2之间的最大距离。
在实践中，由于结构缺陷和测量误差，需要在考虑公差的情况下放宽前述理论约束，从而得出以下相应的实践标准，例如，如图8a至图8d所示：
1.(图8a)在一定的公差内，平面(π1：P1，x1)需要包含点P2，该公差通过验证P2与该平面(π1：P1，z1)之间的绝对距离q低于给定的阈值q1来表示；对于点P1关于平面(P2，z2)，与此类似；
2.(图8b)z1和z2之间的标量积需要具有最小值，该最小值对应于方位差的预定最大角度；
3.(图8c)另外的点P1'和P2'(如以上定义的)之间的距离需要小于给定的阈值d3；
4.(图8d)点P1和P2之间的距离d4需要低于物理界限加上一定的阈值。
与各种约束相关联的前述标准中的每个标准与实时可检测的参数和可以实时计算的关系相关联，该关系用于关于主设备的结构完整性的实时估计。
如果检测到异常，还可以识别异常的类型。
图4至图7以示例的方式示出了与一些可检测到的异常相对应的情况，即，分别不超过最大距离L1、L2、L3(图4，在示出的示例中，距离L1：静止(resting)配置中的传感器之间的预期距离，L2：静止配置中的传感器之间允许的最大距离，L3：指示结构损坏的传感器之间的阈值距离)；轴线Z1和Z2之间的角(图5a至图5c)；两个臂的相交处(intersection)(图6)；右臂与左臂之间的反转(图7)。
根据实施方案，假设测量系统可能会出现错误，并且考虑到主设备的完整性的任何结构问题随时间反复出现，引入随时间对接收的来自识别系统的信息进行评估可能是有用的。
这种随时间的评估可以输入在第一非时间级(non-temporal level)的下游。例如，浮动窗口评估可以与识别阈值(例如，100ms窗口内60％的结构误差)一起使用。
根据实施例，图9所示的流程图中示出了识别算法与随时间的评估的组合。在这种随时间进行的评估中所涉及的参数的选择可以基于特定的远程操作系统的安全考虑，评估从设备的手术器械的无效移动的最大可接受时间。
在图12所示的实施例中，示出了远程操作机器人手术系统1200，该远程操作机器人手术系统包括至少一个具有分配的工作空间415、425的无约束主设备410、420(在所示的示例中，两个无约束的主设备1210、1220被以示意图的形式示出由外科医生1250握持)、控制单元(此处示出为属于控制台1255)和从设备1240(在示出的示例中，示出了两个从手术器械1260、1270)。
图13示出了无约束的主设备1310的实施例，该主设备位于分配至其的工作空间1315内，其中，主设备1310的主体由被约束为围绕公共轴线ZOJ旋转的两个刚性部分1380、1390形成，其中，对完整性的验证包括验证两个传感器S1和S2的共面度，即，传感器S1、S2这二者是否位于平面π上(在示出的示例中，传感器S1、S2被示出为非共面的，指示异常情况)。
图14示出了无约束的主设备1410的实施例，该主设备位于分配至其的工作空间1415内，其中，主设备1410的主体由被约束为围绕公共轴线ZOJ旋转的两个刚性部分1480、1490形成，其中，对完整性的验证包括验证两个传感器S1、S2的平行情况(在示出的示例中，刚性部分1480围绕其纵向轴线X1旋转角β，因此，传感器S1和S2彼此不平行，这指示异常情况)。
图16以示意图的形式示出了无约束的主设备1610，该主设备具有由两个刚性部分1680、1690形成的主体，这两个刚性部分被约束为围绕公共轴线ZOJ旋转，其中，对完整性的验证包括验证：(a)两个刚性部分1680、1690位于平面π中；(b)由两个刚性部分1680、1690以及优选地由与这两个刚性部分相关联的传感器S1、S2确定的(identified)平面π1、π2彼此平行，并且在接头OJ的轴线ZOJ中交叉(incident)；(c)传感器S1、S2处于预定的相互配置(mutual configuration)中；(d)由两个传感器S1、S2定义的张开/闭合轨迹(opening/closing)与用曲线1689以示意图的形式示出的预定轨迹对应。
图11示出了其中主设备1110具有如前所述的笔状主体的实施例，该主体包括两个刚性部分1180、1190，这两个刚性部分被约束为沿着公共轴线X-X共线地平移。
图15示出了无约束的主设备1510的实施例，该主设备位于分配至其的工作空间1515内，其中，主设备1510的主体由被约束为沿着公共轴线X-X共线地平移的两个刚性部分1580、1590形成，其中，对完整性的验证包括验证两个传感器S1、S2的平行度(在示出的示例中，刚性部分1580围绕其纵向轴线X1旋转角γ，因此，传感器S1和S2彼此不平行，这指示异常情况)。
可以看出，如之前提及的本发明的目的通过上述方法、凭借以上详细公开的特征而完全实现。
事实上，所描述的方法和系统允许对主设备的功能和结构完整性进行有效的和实时的验证，因此，还允许实时检测任何异常，并且识别异常的类型。
如上所述，前述各种实施例所共享的原则是：测量的自由度的数量大于设备允许的自由度的数量。
例如，在主设备的两个部分上执行的测量提供12个自由度(用于主设备的第一部分的3个位置、用于主设备的第二部分的3个位置、表示与第一点相关联的第一主设备坐标系的旋转的3个值、表示与第二点相关联的第二主设备坐标系的旋转的3个值。
另一方面，与测量的12个自由度相比，主设备的机械结构仅有7个自由度，这提供了与机械约束相关的5个自由度，因此，原则上提供了5种不同的数学关系(表示这些约束)，并且需要遵守这些数学关系，从而可以得出结论，主设备在结构上是完整的。
因此，由在其不同实施例中的方法执行的对这种数学约束关系的验证允许实现验证主设备的结构完整性的结果。
因此，本公开的方法和系统满足自动且实时地运行有效且可靠的程序来验证主设备的功能完整性的需求。
一旦识别了主设备的结构或功能异常，就可以立即且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中，该异常预期作用于患者，对患者自身造成可能的甚至严重的后果。
因此，达到了改善患者安全的目标，满足了在所考虑的操作环境中需要遵守的非常严格的安全要求。
为了满足可能的需要，本领域技术人员在不脱离以下权利要求的范围的情况下，可以对上述方法的实施例进行改变和调整，或者元件可以用功能等同的其他元件来替代。上述属于可能的实施例的所有特征都可以被实施，而无需考虑所描述的其他实施例。

Claims (45)

1.一种用于验证主设备(110；1110；1210、1220；1310；1410；1510；1610)的结构和/或功能完整性的方法，所述主设备是手持式的并且是无约束的，所述方法用于控制用于医疗或外科远程操作的机器人系统，其中，所述主设备包括主体，所述主体包括被约束为关于公共轴线(ZOJ；X-X)相对旋转和/或平移的两个刚性部分(B1、B2；1180、1190；1380、1390；1480、1490；1580、1590；1680、1690)，
其中，所述方法包括：
-测量和/或检测至少两个点的位置向量(P1，P2)，所述至少两个点中的每个点属于所述主设备的所述两个刚性部分(B1、B2；1180、1190；1380、1390；1480、1490；1580、1590；1680、1690)中的相应一个刚性部分；以及测量和/或检测所述至少两个位置向量随时间的演变；
-测量和/或检测所述至少两个点中的每个点的取向，每个取向表示为三个数字的相应集合，以及测量和/或检测所述取向随时间的演变；
-定义由所述主设备的构造特征或结构特征施加的一个或多个约束，所述一个或多个约束源自于定义所述主设备的状态所需的自由度的数量与检测到的信息项的数量之间的差异，在所述主设备的完整性的情况下，每个约束与需要遵守的数学关系相关联；
-基于所述检测和/或测量的位置向量和取向以及随时间的相应的演变，计算与所定义的每个约束相关联的所述数学关系；
-基于对是否遵守与所定义的每个所述约束相关联的所述数学关系的验证，利用所检测到的与关于确定所述主设备的状态所需的信息是冗余的所述自由度相关的信息，确定所述主设备的结构和/或功能完整性或非完整性的状态。
2.根据权利要求1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(110；1110；1210、1220；1310；1410；1510；1610)，所述主设备在机械上不接地并且适于由外科医生在手术期间手持，所述主设备被配置为检测所述外科医生的手动命令并且生成相应的第一电命令信号；
-至少一个从设备(1240)或从机器人组件，所述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(1260、1270)，所述至少一个从手术器械被配置为以受所述主设备控制的方式对患者的人体构造进行操作；
-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为接收来自所述主设备的所述第一电命令信号，基于所述第一电命令信号生成第二电命令信号，以及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一个或多个传感器(S1、S2)，所述一个或多个传感器被配置为执行所述检测和/或测量步骤；
其中，所述控制单元被配置为接收和处理第三电控制信号，所述第三电控制信号表示所述检测和/或测量的位置向量以及随时间的相关的演变，
其中，所述计算和确定步骤由所述控制单元执行，所述控制单元中存储有所述一个或多个约束和相应的所述数学关系。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述测量和/或检测步骤包括：
-关于第一参考系(x，y，z)测量和/或检测所述位置向量和取向以及随时间的相关的演变，所述第一参考系与用于外科或医疗远程操作的所述机器人系统相关联并且在预设点处具有预定的轴线和原点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，用于外科或医疗远程操作的所述机器人系统还包括至少一个追踪系统，所述至少一个追踪系统适合于在预定追踪体积内检测所述主设备的输入位置和取向，使得所述从手术器械的致动取决于所述外科医生通过所述主设备给出的所述手动命令和/或所述主设备的位置和取向。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述测量和/或检测步骤由两个或更多个磁传感器执行，所述两个或更多个磁传感器中的每个磁传感器布置在属于所述主设备或与所述主设备集成的所述至少两个点中的相应一个点处，并且被配置为检测由被约束到用于外科或医疗远程操作的所述机器人系统的一部分的磁场发生器所生成的磁场的相应局部值，
其中，所述第一参考系具有位于所述磁发射器处的原点，所述第一参考系包括三个正交轴线(x，y，z)，
其中，优选地，所述磁场发生器属于所述追踪系统。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述测量和/或检测步骤由至少一个光学传感器或摄像头来执行，所述至少一个光学传感器或摄像头与用于远程操作手术的所述机器人系统相关联和/或受约束于用于远程操作手术的所述机器人系统，
其中，所述第一参考系是所述光学传感器或摄像头的内部参考系，
其中，优选地，所述光学传感器或摄像头属于所述追踪系统。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
-定义分别与所述主设备的所述至少两个点相关联的第二参考系(x1，y1，z1)和第三参考系(x2，y2，z2)，其中，所述第二参考系(x1，y1，z1)和所述第三参考系(x2，y2，z2)中的每个参考系包括：
-各自的原点，各自的所述原点对应于相应的点；
-各自的第一轴线(x1；x2)，各自的所述第一轴线与所述相应点相关联的所述主设备的相应的刚性部分对准；
-各自的第二轴线(z1，z2)，各自的所述第二轴线平行于所述主设备的所述两个刚性部分的旋转轴线、或者垂直于所述主设备的一个刚性部分关于另一个刚性部分的平移轴线；
-各自的第三轴线(y1；y2)，各自的所述第三轴线与所述第一轴线和所述第二轴线这二者正交，以形成三个轴线的左旋集合；
其中：
-所述测量和/或检测所述位置向量和随时间的相关的演变的步骤包括：测量和/或检测所述第二参考系(x1，y1，z1)和第三参考系(x2，y2，z2)关于所述第一参考系(x，y，z)的原点的位置和随时间的相关的演变；
-所述测量和/或检测所述取向和随时间的相关的演变的步骤包括：测量和/或检测所述第二参考系(x1，y1，z1)和第三参考系(x2，y2，z2)关于所述第一参考系(x，y，z)的取向和随时间的相关的演变。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，属于所述主设备或与所述主设备集成的所述至少两个点包括：
-所述主设备的第一刚性部分或刚性杆或刚性臂的末端或自由端；
-所述主设备的第二刚性部分或刚性杆或刚性臂的末端或自由端，
其中，所述刚性部分或刚性杆或刚性臂彼此铰接或以其他方式约束，以围绕公共轴线旋转或平移。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述主设备包括主体，所述主体包括两个刚性部分(B1、B2；1380、1390；1480、1490；1580、1590；1680、1690)，所述两个刚性部分被约束为关于公共轴线相对旋转，其中，由所述外科医生给出的命令与所述两个刚性部分之间的张开角的变化对应，
其中，所述方法包括另一步骤：基于前述检测到的向量，计算参考点的三个数字的位置集合和三个数字的旋转集合和所述主设备的所述张开角，
其中，所述参考点包括以下点中的一个点：
-两个末端之间的中点；和/或
-所述主设备的重心；和/或
-主设备接头。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述主设备包括两个刚性部分(1180；1190)，所述两个刚性部分被约束为在与主设备主体的纵向延伸部一致的方向上关于彼此平移，所述两个刚性部分在围绕所述主设备主体的所述纵向延伸部的旋转中彼此是集成一体的，其中，由所述外科医生给出的命令对应于一个刚性部分关于另一个刚性部分的平移，
其中，所述方法包括另一步骤：基于前述检测到的向量，计算与第一刚性部分上的第一参考点相关联的第一传感器和与第二刚性部分上的第二参考点相关联的第二传感器的三个数字的位置集合和三个数字的旋转集合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定完整性的状态的步骤包括：
-如果在预定的公差界限内遵守所定义的所有约束，则确认所述完整性的状态；
-如果即使在考虑了预定的所述公差界限之后，没有遵守所定义的至少一个约束，则确定所述非完整性的状态。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述约束包括：
-在共面度公差界限内，与所述至少两个点相对应的检测点(P1，P2)需要位于同一平面上，所述至少两个点的位置向量被测量或检测。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述共面度公差界限规定每个点与由另一点定义的平面之间的距离小于或等于0.5mm。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述主设备包括旋转接头，其中，所述约束包括：
-对应于所述至少两个点的所述检测点(P1，P2)需要始终以相同的预定方式投影在由法向轴线(z1，z2)定义的、平行于接头轴线的、穿过所述两个点的正交平面上，即，分别接合所述旋转接头和所述两个点的两个向量(x1，x2)之间的向量积需要始终与和所述法向轴线(z1)中的一个法向轴线相关联的向量一致或不一致，其中，所述至少两个点的位置向量被测量或检测，其中，一致或不一致情况是基于所述主设备的结构特征预先确定的。
15.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述主设备包括移动接头，其中，所述约束包括：
-与所述至少两个点对应的所述测量点(P1，P2)需要始终以相同的预定方式投影在由轴线(y1、y2)定义的、与所述主设备共面并且垂直于由所述两个刚性部分定义的方向的正交平面上，所述至少两个点的位置向量被测量或检测。
16.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述约束包括：
-平行于接头轴线的、穿过所述至少两个点的法向轴线(z1，z2)需要在平行度可接受性界限内平行且一致，所述至少两个点的位置向量被测量或检测。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述平行度可接受性界限由所述轴线(z1，z2)定义的角的最大可接受界限8°来定义。
18.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述约束包括：
-考虑由所述两个点中的每个点和将所述点接合到接头的相应轴线组成的对(P1，x1)、(P2，x2)，并且沿着所述相应轴线以线性度量量(L)平移每个点，获得两个相应的平移点(P1'，P2')，所述平移点之间的距离需要小于平移点之间的最大允许距离。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，对于具有旋转接头的主设备，所述最大允许距离是1cm，对于具有移动接头的主设备，所述最大允许距离等于所述两个点之间的距离减去0.5cm的裕度。
20.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述约束包括：
-所述至少两个点(P1，P2)之间的距离不能超过在所述主设备的最大张开情况下所述至少两个点所处的距离，其中，所述至少两个点的位置向量被测量或检测，在可应用的情况下，这种距离不能小于在所述主设备的最小张开下测量的最小距离，
其中，根据所述主设备的结构特征，所述主设备的所述最大张开和所述主设备的所述最小张开是预定参数。
21.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，凭借提供12个自由度执行的测量来实时检测或计算所述约束的所有量，所述12个自由度中的5个自由度是冗余的，
其中，实时验证是否遵守了所述约束；
如果未遵守至少一个所述约束，则实时检测异常。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所有所述约束被考虑用于完整性验证。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括步骤：基于所检测到的量计算以下参数：
-轴线Z1与Z2之间的平面度，以度为单位测量；
-传感器之间的最大距离(d)；
-传感器的参考系(MF#1或MF#2)的原点与另一个传感器的平面之间的距离；
-主设备臂的两条线之间的距离。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，待验证的所述约束为：
-所述至少两个点(P1，P2)属于同一平面，所述至少两个点的位置向量被测量或检测；
-法向轴线(Z1，Z2)需要平行；
-通过使所述至少两个点(P1，P2)在所述臂上向后移动已知长度而分别获得的另外的点(P1'、P2')这二者需要与对应于主系接头(MFJ)参考系的接头和原点的点(OJ)重合；
-所述主设备的张开角需要小于最大值；
-所述至少两个点(P1，P2)之间的最大距离需要小于最大值。
25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，验证所述主设备的所述结构完整性。
26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过进一步包括检测/量化与检测的瞬时位置向量相关联的噪声以了解是否存在由外部磁场引起的扰动，和/或定义瞬时可接受性阈值的步骤，来执行验证所述主设备的所述功能完整性的步骤。
27.一种用于管理主设备的异常的方法，所述方法包括执行根据权利要求1至25中任一项所述的用于验证所述结构完整性的所述方法。
其中，任何不遵守所述约束的情况都会涉及所述远程操作和与所述从设备相关联的手术器械的移动的立即中断。
28.根据权利要求27所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-向所述机器人系统的控制系统提供关于验证的结果的信息，和/或
-将所获得的信息传输至机器人系统状态机、和/或用户界面和/或从设备侧端点。
29.一种机器人系统，所述机器人系统用于医疗或外科远程操作，所述机器人系统包括：
-主设备(110；1110；1210、1220；1310；1410；1510；1610)，所述主设备在机械上不接地并且适合于由外科医生在手术期间手持，所述主设备被配置为检测所述外科医生的手动命令并且生成相应的第一电命令信号，所述主设备包括主体，所述主体包括两个刚性部分(B1、B2；1180、1190；1380、1390；1480、1490；1580、1590；1680、1690)，所述两个刚性部分被约束为关于公共轴线(ZOJ；X-X)相对旋转和/或平移；
-至少一个从设备(1240)或从机器人组件，所述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(1260、1270)，所述至少一个从手术器械被配置为以受所述主设备控制的方式对患者的人体构造进行操作；
-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为接收来自所述主设备的所述第一电命令信号，基于所述第一电命令信号生成第二电命令信号，以及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，所述系统被配置为执行以下动作：
-测量和/或检测至少两个点的位置向量(P1，P2)，所述至少两个点中的每个点属于所述主设备的所述两个刚性部分(B1、B2；1180、1190；1380、1390；1480、1490；1580、1590；1680、1690)中的相应一个刚性部分；以及测量和/或检测所述至少两个位置向量随时间的演变；
-测量和/或检测所述至少两个点中的每个点的取向，每个取向表示为三个数字的相应集合，以及测量和/或检测所述取向随时间的演变；
-定义一个或多个约束，或存储一个或多个预定约束，所述约束是由所述主设备的构造特征或结构特征施加的，所述约束源自于定义所述主设备的状态所需的自由度的数量与检测到的信息项的数量之间的差异，在所述主设备的完整性的情况下，每个约束与需要遵守的数学关系相关联；
-基于所述检测和/或测量的位置向量和取向以及随时间的相应的演变，计算与定义的每个所述约束相关联的所述数学关系；
-基于对是否遵守与定义的每个所述约束相关联的所述数学关系的验证，利用所检测到的、与关于确定所述主设备的状态所需的信息是冗余的所述自由度相关的信息，确定所述主设备的结构和/或功能完整性或非完整性的状态。
30.根据权利要求29所述的机器人系统，其中，所述控制单元可操作地连接到一个或多个传感器(S1、S2)，所述一个或多个传感器被配置为执行所述检测和/或测量步骤；
其中，所述控制单元还被配置为接收和处理第三电控制信号，所述第三电控制信号表示所述检测和/或测量的位置向量以及随时间的相关的演变，
其中，所述一个或多个约束和相应的数学关系存储在所述控制单元中，所述控制单元还被配置为执行所述计算和确定步骤。
31.根据权利要求29或30所述的机器人系统，其中，所述测量和/或检测步骤包括：关于第一参考系(x，y，z)测量和/或检测所述位置向量和所述取向以及随时间的相关的演变，所述第一参考系与用于外科或医疗远程操作的所述机器人系统相关联并且在预设点处具有预定的轴线和原点。
32.根据权利要求31所述的机器人系统，所述机器人系统还包括至少一个追踪系统，所述至少一个追踪系统适合于在预定追踪体积内检测所述主设备的输入位置和取向，使得所述从手术器械的致动取决于所述外科医生通过所述主设备给出的所述手动命令和/或所述主设备的位置和取向。
33.根据权利要求31或32所述的机器人系统，其中，所述测量和/或检测步骤由两个或更多个磁传感器来执行，所述两个或更多个磁传感器中的每个磁传感器布置在属于所述主设备或与所述主设备集成的所述至少两个点中的相应一个点处，并且被配置为检测由被约束到所述系统的一部分的磁场发生器所生成的磁场的相应局部值，其中，所述第一参考系源自于所述磁发射器，所述第一参考系包括三个正交轴线(x，y，z)，其中，优选地，所述磁场发生器属于所述追踪系统。
34.根据权利要求31或32所述的机器人系统，所述机器人系统还包括至少一个光学传感器或摄像头，所述至少一个光学传感器或摄像头与用于远程操作手术的所述机器人系统相关联和/或受约束于用于远程操作手术的所述机器人系统，其中，所述测量和/或检测步骤由所述至少一个光学传感器或摄像头来执行，其中，所述第一参考系是所述光学传感器或摄像头的内部参考系，其中，优选地，所述光学传感器或摄像头属于所述追踪系统。
35.根据前述权利要求中任一项所述的机器人系统，其中，属于所述主设备或与所述主设备集成的所述至少两个点包括：
-所述主设备的第一刚性部分或刚性杆或刚性臂的末端或自由端；
-所述主设备的第二刚性部分或刚性杆或刚性臂的末端或自由端，
其中，所述刚性部分或刚性杆或刚性臂彼此铰接或以其他方式约束，以围绕公共轴线旋转或平移。
36.根据权利要求29至35中任一项所述的机器人系统，其中，所述主设备包括主体，所述主体包括两个刚性部分(B1、B2；1380、1390；1480、1490；1580、1590；1680、1690)，所述两个刚性部分被约束为关于公共轴线相对旋转，其中，由所述外科医生给出的命令与所述两个刚性部分之间的张开角的变化对应，其中，所述系统被配置为执行另一步骤：基于前述检测到的向量，计算参考点的三个数字的位置集合和三个数字的旋转集合和所述主设备的所述张开角，其中，所述参考点包括以下点中的一个点：两个末端之间的中点、和/或主设备重心、和/或主设备接头。
37.根据权利要求29至35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(1180；1190)，所述两个刚性部分被约束为在与主设备主体的纵向延伸部一致的方向上关于彼此平移，所述两个刚性部分在围绕所述主设备主体的所述纵向延伸部的旋转中彼此是集成一体的，其中，由所述外科医生给出的命令对应于所述刚性部分关于另一个刚性部分的平移，其中，所述系统被配置为执行另一步骤：基于前述检测到的向量，计算与第一刚性部分上的第一参考点相关联的第一传感器和与第二刚性部分上的第二参考点相关联的第二传感器的三个数字的位置集合和三个数字的旋转集合。
38.根据权利要求29至37中任一项所述的机器人系统，其中，确定完整性的状态的步骤包括：
-如果在预定的公差界限内遵守所定义的所有约束，确认所述完整性的状态；
-如果即使在考虑了所述预定的公差界限之后，没有遵守所定义的至少一个约束，则确定所述非完整性的状态。
39.根据权利要求29至38中任一项所述的机器人系统，其中，所述约束包括：在共面度公差界限内，与所述至少两个点相对应的检测点(P1，P2)需要位于同一平面上，所述至少两个点的位置向量被测量或检测，
和/或，其中，所述主设备包括旋转接头，其中，所述约束包括：对应于所述至少两个点的所述检测点(P1，P2)需要始终以相同的预定方式投影在由法向轴线(z1，z2)定义的、平行于接头轴线的、穿过所述两个点的正交平面上，即，分别接合旋转接头和所述两个点的两个向量(x1，x2)之间的向量积需要始终与和所述法向轴线(z1)中的一个法向轴线相关联的向量一致或不一致，其中，所述至少两个点的位置向量被测量或检测，其中，一致或不一致情况是基于所述主设备的所述结构特征预先确定的；
和/或，其中，所述主设备包括移动接头，其中，所述约束包括：与所述至少两个点对应的所述测量点(P1，P2)需要始终以相同的预定方式投影在由轴线(y1、y2)定义的、与所述主设备共面的、并且垂直于由所述两个刚性部分定义的方向的正交平面上，所述至少两个点的位置向量被测量或检测；
和/或，其中，所述约束包括：平行于接头轴线的、穿过所述至少两个点的所述法向轴线(z1，z2)需要在平行度可接受性界限内平行且一致，所述至少两个点的所述位置向量被测量或检测；
和/或，其中，所述约束包括：考虑由所述两个点中的每个点和将所述点接合到接头的相应轴线组成的对(P1，x1)、(P2，x2)，并且沿着所述相应轴线以线性度量量(L)平移每个点，获得两个相应的平移点(P1'，P2')，所述平移点之间的距离需要小于平移点之间的最大允许距离；
和/或，其中，所述约束包括：所述至少两个点(P1，P2)之间的距离不能超过在所述主设备的最大张开情况下所述至少两个点所处的距离，其中，所述至少两个点的位置向量被测量或检测，在可应用的情况下，这种距离不能小于在所述主设备的最小张开下测量的最小距离，其中，根据所述主设备的结构特征，所述主设备的所述最大张开和所述主设备的所述最小张开是预定参数；
和/或，其中，凭借提供12个自由度执行的测量来实时检测或计算所述约束的所有量，所述12个自由度中的5个自由度是冗余的，其中，实时验证是否遵守所述约束的事实；如果未遵守至少一个所述约束，则实时检测异常。
40.根据权利要求29至39中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统还被配置为执行步骤：基于所检测到的量计算以下参数：
-轴线Z1与Z2之间的平面度，以度为单位测量；
-传感器之间的最大距离(d)；
-传感器的参考系(MF#1或MF#2)的原点与另一个传感器的平面之间的距离；
-主设备臂的两条线之间的距离。
和/或，其中，待验证的所述约束为：
-所述至少两个点(P1，P2)属于同一平面，所述至少两个点的位置向量被测量或检测；
-所述法向轴线(Z1，Z2)需要平行；
-通过使所述至少两个点(P1，P2)在所述臂上向后移动已知长度而分别获得的另外的点(P1'、P2')这二者需要与对应于主系接头(MFJ)参考系的接头和原点的点(OJ)重合；
-所述主设备的张开角需要小于最大值；
-所述至少两个点(P1，P2)之间的最大距离需要小于最大值。
41.根据权利要求29至40中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统被配置为基于所述约束中的一个或多个约束，验证所述主设备的所述结构完整性。
42.根据权利要求41所述的机器人系统，其中，通过进一步包括检测/量化与检测的瞬时位置向量相关联的噪声以了解是否存在由外部磁场引起的扰动，和/或定义瞬时可接受性阈值的步骤，来执行验证所述主设备的所述功能完整性的步骤。
43.根据权利要求32和权利要求41或42中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统还被配置为检测由所述追踪系统生成的电磁追踪场的干扰和/或扭曲。
44.根据权利要求29至43中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统被配置为执行根据权利要求1至26中任一项所述的用于验证主设备的所述结构完整性的方法。
45.根据权利要求29至43中任一项所述的机器人系统，所述机器人系统还被配置为管理主设备的异常，管理主设备的异常包括执行根据权利要求27至28中任一项所述的用于管理异常的所述方法。
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