CN117940085A - 用于手术的远程操作机器人系统 - Google Patents

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CN117940085A CN202280056032.6A CN202280056032A CN117940085A CN 117940085 A CN117940085 A CN 117940085A CN 202280056032 A CN202280056032 A CN 202280056032A CN 117940085 A CN117940085 A CN 117940085A
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迈克尔·约翰·普罗克托
朱塞佩·玛丽亚·普里斯科
马西米利亚诺·西米
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Abstract

描述了在远程操作机器人手术系统1中进行远程操作准备的方法，在非操作步骤期间被执行，其中该系统不执行远程操作。该方法适用于的上述机器人系统1包括多个电机致动器11、12、13、14、15、16和至少一个手术器械20。手术器械20还包括具有至少一个自由度(P，Y，G)的铰接末端执行器40。手术器械20还包括至少一对拮抗肌腱(31，32)、(33，34)、(35，36)，其被安装在上述手术器械20中，以便被操作地连接或可连接到电机致动器和末端执行器40的分别的连接件(或刚性连接元件)。上述一对拮抗肌腱的肌腱被配置为在上述至少一个自由度P、Y、G之间致动与其相关联的至少一个自由度，从而确定拮抗效应。该方法包括以下步骤：(i)在机器人系统1的电机致动器11、12、13、14、15、16的一组运动与手术器械20的铰接末端执行器40的分别的运动之间建立单一相关性。(ii)执行保持步骤，其依次包括：对至少一对拮抗肌腱(31，32)、(33，34)、(35，36)施加拉伸应力，并通过向肌腱施加保持力Fhold将这样的肌腱保持在拉伸应力状态，该保持力适于确定所述肌腱的加载状态；提供指示意愿的命令以进入远程操作；使手术器械(20)能够在远程操作状态下进入。此外，还描述了相应的远程操作机器人手术系统。

Description

用于手术的远程操作机器人系统
技术领域
本发明涉及一种在被远程操作的机器人手术系统中进行远程操作准备方法以及相关的机器人系统。
因此，本说明书更通常地涉及用于远程操作手术的机器人系统的操作控制的技术领域。
背景技术
在远程操作机器人手术系统中，从属手术器械的一个或多个自由度的致动通常受制于一个或多个主控制设备，该主控制设备被配置为接收由外科医生下达的命令。这种主-从控制结构典型地包括可以被容纳在自动手术机器人中的控制单元。
用于机器人手术系统的已知的铰链/铰接的手术器械包括致动肌腱或电缆以从致动器传递运动，其被操作地连接到手术器械的后端部分(致动接口)，向远侧地连接到手术器械的尖端，后者旨在在患者解剖结构上操作和/或操控手术针，例如在同一申请人下的文件WO-2017-064301和WO-2018-189729中所示出的。这样的文件公开了其中一对拮抗肌腱被配置为实现与手术器械相同的自由度的解决方案。例如，手术器械的旋转关节(俯仰自由度和偏航自由度)通过施加由上述一对拮抗肌腱所实施的张力来控制。
例如，文件WO-2014-070980示出了一种具有后端部分的手术器械，该后端部分具有绞盘，其在相反的方向上缠绕手术器械的自由度的两个拮抗运动肌腱。预加载弹簧施加弹性作用影响以保持肌腱拉紧。
还已知的是，其中同一对肌腱能够同时致动一个以上的自由度的手术器械，诸如WO-2010-009221中所示出的，其中仅两对肌腱被配置为控制手术器械的三个自由度。
通常地，用于机器人手术的肌腱以金属线(或股线)的形式制成，并缠绕在沿手术器械安装的滑轮上。每个肌腱可以被安装在已经弹性预加载的器械上，即，在组装到器械上之前进行预调节，使得每个肌腱总是处于拉伸状态，以便当由致动器激活时提供手术器械的自由度的快速致动响应，并因此，以提供对手术器械的自由度的良好控制。
一般来说，当承受载荷时所有芯线都会受制于伸长。在载荷作用下，新的缠结型芯线典型地具有塑性-弹性性质的高伸长，这至少部分地由于形成芯线的纤维的散开。
出于这个原因，在组装到手术器械上之前，通常的做法是使新肌腱承受高的初始载荷，以便移除抽拉和缠结过程或材料本身的残余塑性。
通常，芯线典型地具有三个伸长元件：
(1)弹性伸长变形，其当拉伸载荷停止时恢复；
(2)可恢复变形，即在某个时间段内逐渐恢复的相对小的变形，并且通常是缠结性质的函数，以及当不承受任何载荷时，可能花费几小时到几天之间的一段时间；
(3)不可恢复的永久伸长变形。
如上所述，永久伸长变形可以由在器械上组装之前执行的芯线断裂过程来实现，其可以包括加载和卸载周期，并且包含纤维本身的塑性伸长变形。
拉伸载荷下的粘性蠕变变形是一种与时间相关的效应，当承受疲劳时，其影响一些类型的缠结芯线并且通常取决于所施加载荷的强度而可以是可恢复的或不可恢复的。
通常，聚合物纤维的疲劳性能与金属纤维的疲劳性能的不同之处在于，聚合物纤维不会像金属纤维那样屈从于裂纹扩展破坏，尽管循环应力可能导致其他形式的破坏。
同一申请人下的WO-2017-064306示出了一种用于机器人手术的极小型的手术器械的解决方案，其使用这样这样的肌腱，该肌腱适于支撑高曲率半径并且同时适于在刚性元件(通常称为“连接件(link)”)的表面上滑动，该刚性元件形成手术器械的铰链/铰接尖端。为了允许肌腱的这种滑动，肌腱-连接件滑动摩擦系数必须保持尽可能的低，并且上述文件教导使用由聚合物纤维形成的肌腱(而不是使用钢肌腱)。
尽管从许多角度来看是有利的，但实际上作为凭借由聚合物纤维形成的上述肌腱的使用而获得了手术器械的极小型化的实际结果，在该解决方案的背景下，在手术器械的操作状态下避免肌腱伸长或缩短(收缩)的发生变得更加重要，因为在长度上具有相同变化的情况下，随着尺寸的减小，小型手术器械的不可控效应会变强。
金属肌腱具有适度的可恢复伸长，并且在外科器械上组装之前执行的上述所执行的预加载过程通常足以完全移除残余塑性，而在组装时它们所承受的预加载在使用中保持即时反应性。
例如，文件US-2018-0228563示出了一种策略，包括：在准备远程操作时，将两个拮抗肌腱独立地放置于拉伸状态，然后机械地耦合两个拮抗肌腱的致动器以得到肌腱拉紧，以便在操作状态下受到应力时提供快速响应。
另外，由于上述贡献，由聚合物材料制成的肌腱具有高伸长；此外，如果在组装之前执行预载荷过程，则不会在肌腱承受低拉伸载荷时即刻阻止肌腱迅速恢复可恢复伸长的很大一部分。如果一方面任何高的组装预载荷的预测都阻止了变形的恢复，则另一方面甚至在不使用时也会加剧聚合物肌腱的蠕变过程，迫使肌腱几乎无限期地拉伸和减弱，因此这不是一种可行的策略。
例如，由高分子量聚乙烯纤维(HMWPE、UHMWPE)形成的交织芯线通常屈从于不可恢复的变形，而芳族聚酰胺、聚酯、液晶聚合物(liquid crystal polymers，LCP)、PBO和尼龙的交织芯线由这一特征影响较小。
在手术器械的情况下，归因于上述肌腱伸长现象的肌腱长度的变化以及伸长的恢复是非常不期望的，特别是当在操作状态下时，这因为它必然会在控制中强加客观的复杂问题，以保持手术器械本身的足够水平的精度和准确性。
作为背景技术的另一示例，可以引用美国专利申请US-2020-0054403，其示出了在机器人系统的致动接口处手术器械的接合过程，其中机器人系统的机动旋转盘与手术器械的对应的旋转盘接合，后者继而被连接到手术器械的末端执行器的自由度致动电缆。所描述的接合过程允许识别手术器械是否与机器人系统可操作地接合来评估由机器人系统的机动旋转盘所感知的响应。
因此，简单的说，在使用期间或随着时间的推移需要避免或至少最小化手术器械的一个或多个自由度的致动肌腱的延长或恢复，以及避免或至少最小化在操作状态下肌腱的不期望的变长或恢复而引起的空动，诸如在远程操作期间或在非远程操作的一段时间(非强制性)之后进入新的远程操作状态，而没有为此原因强加手术器械的尺寸，特别是对于其远端铰链/铰接部分。
同时，需要提供一种解决方案，该解决方案虽然简单，但能够确保手术器械的高水平可控性，因此当操作状态中(诸如在远程操作期间)其是可靠的，并且同时不妨碍手术器械的小型化，尤其是在其末端铰链/铰接部分。
概述
本发明的目的是提供一种在远程操作机器人手术系统中进行远程操作准备的方法，该方法允许至少部分地克服以上参考背景技术所提出的缺点，并且以响应于在所考虑的技术领域中特别感受到的上述需要。这样的目的由根据权利要求1所述的方法来实现。
这种方法的进一步实施例由权利要求2-29定义。
本发明的另一个目的是提供一种能够执行和/或适应于由上述方法控制的远程操作机器人手术系统。这样的目的由根据权利要求30所述的系统来实现。
这种系统的进一步实施例由权利要求31-49定义。
更具体地，本发明的目的是提供一种符合上述技术要求的解决方案，其特征总结如下。
一般来说，用于准备远程操作的可能过程如图10所示，其中提到了接合手术器械、调节(也被称为“预调节”步骤)以及交替保持和远程操作步骤。本公开特别关注后者。例如，接合、调节和保持的步骤可以是机器人系统自主工作的状态，即非远程操作。
事实上，通过所提出的解决方案，可以执行包括远程操作准备保持过程的远程操作准备步骤。
在下文中，将参考准备步骤的“保持过程”，也使用术语(就本公开而言相当于)“保持步骤”。
包括保持过程的上述远程操作准备步骤优选地在其中从设备的至少一个手术器械完全跟随(即，完全从属跟踪)至少一个主设备的每个远程操作步骤之前被执行。
保持过程可以在包括手术器械被接合到从机器人平台的初始接合过程的初始化步骤之后和远程操作步骤之前被执行。
保持过程可以在包括手术器械承受其肌腱的调节(也被称为“预拉伸”)的初始调节步骤的初始化步骤之后和远程操作步骤之前被执行。
保持过程可以在两个相邻的远程操作步骤之间被执行，诸如在一个远程操作步骤的结束和下一个远程操作步骤的开始之间被执行。
例如，在两个相邻的远程操作步骤之间，可以插入中间步骤，在该步骤中从设备的手术器械不跟随主设备，诸如暂停的远程操作步骤和/或受限的远程操作步骤和/或调整步骤和/或者休息步骤。
鉴于以上内容，可以在包括调节步骤的初始化步骤之后和在第一远程操作步骤之前执行第一保持步骤；此外，可以在上述第一远程操作步骤和跟随第一远程操作步骤的第二远程操作步骤之间执行第二保持步骤。因此，本领域技术人员将理解，可以在每个远程操作步骤的结束时和在随后的连续远程操作步骤之前执行进一步的保持步骤。在远程操作机器人手术操作期间可执行的连续和相邻的远程操作步骤的数量可以取决于各种偶然和特定的需求。
换句话说，在包括接合过程和调节过程的初始化步骤之后，执行一个或多个周期，其包括保持步骤和保持步骤之后的远程操作步骤。
执行至少一个保持步骤允许手术器械的肌腱在进入远程操作步骤时保持在拉伸应力状态，从而确保肌腱的快速响应。
例如，在包括上述调节过程的初始化步骤的结束时，保持步骤的执行允许避免了由于远程操作步骤造成的肌腱的松弛，从而保持在调节步骤(“预拉伸”)期间所达到的肌腱的调节水平。
通过保持步骤，可以在远程操作步骤(在其期间例如由于滑动摩擦和/或可恢复变形的恢复而造成手术器械的肌腱可改变了其长度)的结束时重新平衡从机器人系统的致动器和/或手术器械的传动元件的参考位置。
事实上，在手术器械完全跟随主设备的远程操作步骤期间，可能发生的是，至少一些肌腱的性能由于手术器械的自由度的强烈致动而经历退化，如可能需要肌腱描述高曲率半径(诸如参考俯仰/偏航的自由度)的致动。
可替换地或额外地，肌腱子集(例如，一对或两对拮抗肌腱，用以在手术针和/或生物组织上保持手术器械的尖端的长期抓握状态或“抓握”)的长期且相对高的拉伸水平可在远程操作步骤期间发生。这除了连接到抓握自由度的两个拮抗肌腱的性能退化之外，还会由于肌腱总数的子集承受更强烈的致动的事实而造成运动学不平衡。
性能退化可能随着远程操作步骤的持续时间的增加以及长期抓握状态的持续时间增加而增加。
在肌腱上施加相对高的张力可产生致使肌腱的横截面变平的不期望的效果，并且这可能导致在滑动表面(例如，铰接手术器械的连接件的表面)上的肌腱的接触表面的增加，这继而致使摩擦力的增加，更显著地致使肌腱性能的退化。
保持步骤优选地有序地以施加相对低力来结束，以避免在进入远程操作步骤之前肌腱的这种压扁/压碎。
否则，在保持步骤期间，手术器械优选地不跟随主设备，并且因此根据运动学观点，手术器械可以被保持在静止状态。
通过所提出的解决方案，可以消除或至少最小化来自至少一个肌腱的用以致动手术器械的自由度的可恢复伸长，并且即使远程操作被中断和/或暂停，也可以获得施加在肌腱上的致动动作的精确转移。
通过所提出的解决方案，可以消除或至少最小化至少一个肌腱的用以致动手术器械的自由度的可恢复伸长的恢复，并且即使远程操作之前已被中断和/或暂停，也可以在随后的远程操作步骤期间获得致动动作的精确且稳定的转移。
通过所提出的解决方案，在远程操作期间以及在两个相邻的远程操作步骤期间，提供了主设备和从设备之间的运动学对应的改进的精度。
通过所提出的解决方案，避免了在操作状态下由于肌腱的不期望的延长而引起的空转，或者至少将其减少到最小。
通过所提出的解决方案，提供了手术器械的物理特征的令人满意的稳定性。
通过所提出的解决方案，提供了对手术器械的自由度的改进的控制。
附图说明
根据本发明的方法的进一步的特征和优点将通过参考附图以非限制性指示的方式给出的优选示例性实施例的以下描述而变得明显，其中：
-图1显示了根据一个实施例的用于远程操作手术的机器人系统的轴测图；
-图2显示了用于图1的远程操作手术的机器人系统的一部分的轴测图；
-图3显示了根据一个实施例的机器人操纵器的远端部分的轴测图；
-图4显示了根据一个实施例的手术器械的轴测图，其中肌腱以虚线示意性示出；
-图5示意性地显示了根据可能的操作模式的手术器械的铰接末端执行器设备(或末端执行器)的自由度的致动的平面图和部分剖视图，以便于清晰；
-图6是以图5所示的示例为例，显示了根据可能的操作模式的远程操作准备的方法的可能的调节步骤的示意图；
-图7示意性地显示了根据可能的操作模式的手术器械的铰接末端执行器设备的自由度的致动；
-图8A、图8B、图8C和图8D分别显示了根据操作模式的对电机致动器施加力的时间趋势在各种步骤序列下作为时间的函数的曲线；
-图9显示了根据可能的操作模式的手术器械的自由度的致动的手术器械的一部分和机器人操纵器的一部分的示意截面图；
-图10是显示了根据可能的操作模式的包括用于远程操作的准备和远程操作的方法的步骤的流程图；
-图11和图12是显示了根据两种分别的可能的操作模式的包括用于远程操作准备和远程操作的方法的步骤的两个流程图；
-图13显示了根据本发明的一个实施例的手术器械的末端设备的轴测图，以及根据可能的操作模式的由两对拮抗肌腱执行的抓握动作。
具体实施方式
参考图1-图13，描述了一种在手术远程操作机器人系统1中的远程操作准备的方法，该方法要在非操作步骤期间被执行，其中系统不执行远程操作。
该方法所适用的上述机器人系统1包括多个电机致动器11、12、13、14、15、16和至少一个手术器械20。
手术器械20还包括具有至少一个自由度(P，Y，G)的铰接末端执行器设备40(即，铰接尖端40)。铰接末端执行器设备40也通常被称为“铰接式终端设备”或“铰接式末端执行器”或“铰链末端执行器”(这样的定义将在下文中被用作同义词)。
手术器械20还包括至少一对拮抗肌腱(31，32)、(33，34)、(35，36)，其被安装在上述手术器械20中，以便可操作地连接或可连接到电机致动器和末端执行器设备40的相应连接件(或刚性连接元件)。上述成对拮抗肌腱中的肌腱被配置为致动/实施在上述至少一个自由度P、Y、G当中的、与其相关的至少一个自由度，从而确定拮抗效应。
该方法包括以下步骤：
(i)在机器人系统1的电机致动器11、12、13、14、15、16的一组运动与外科器械20的铰接末端执行器设备40的相应运动之间建立单一相关性；
(ii)依次执行保持步骤，包括：
-通过拉伸应力对至少一对拮抗肌腱(31，32)、(33，34)、(35，36)施加应力，并通过向肌腱施加适于确定肌腱的加载状态的保持力Fhold(例如，借助反馈控制回路)将这样的肌腱保持在拉伸应力状态；上述施加应力步骤由电机致动器确定；
-提供指示意愿进入远程操作的命令；
-使手术器械20能够进入远程操作状态。
根据实施例，该方法被应用于手术器械20，该手术器械还包括多个传动元件21、22、23、24、25、26，每个传动元件可操作地与相应的至少一个电机致动器11、12、13、14、15、16连接。
在这种情况下，上述应力步骤由传动元件21、22、23、24、25、26执行，该传动元件由相应的电机致动器操作和控制。
换句话说，用于传送由电机致动器施加的动作的手术器械20的传动系统包括所述肌腱，并且优选地还包括与机器人操纵器的各自的电机致动器对接的所述传动元件。
传动元件优选地是刚性元件。从而电机致动器的动作在没有衰减/失真的情况下被传送到各自的肌腱，该衰减/失真否则可能被引入，例如如果传递元件是弹性和/或阻尼元件的话。
根据实施方案，在手术器械的肌腱和各自的电机致动器之间的操作连接可以是可释放的连接。
根据实施方案，在手术器械的肌腱和各自的电机致动器之间的操作连接可以是直接或间接连接，例如通过插入可被连接到肌腱的各自的传动元件。
根据实施例，在步骤(i)-(ii)之后，该方法包括借助于机器人系统(1)的手术器械20执行远程操作的步骤(iii)。
根据该方法的实施方案，重复保持(ii)和远程操作(iii)步骤，使得在两个相邻的远程操作步骤(iii)之间执行保持步骤(ii)。
根据该方法的实施例，其中定义了电机致动器11、12、13、14、15、16的每一个的运动学零位，在保持步骤(ii)期间以及在对至少一对拮抗肌腱施加应力的上述步骤之后，该方法包括：存储每个电机致动器11、12、13、14、15、16相对于相应的所存储的运动学零位的可能位置偏移的进一步步骤。
根据该方法的实施例，在保持步骤(ii)期间，对至少一对拮抗肌腱施加应力的步骤包括至少一个加载和卸载周期，其中每个加载和卸载周期包括施加高力Fhold以确定该对肌腱的加载状态，以及施加低力Flow以确定该对肌腱的卸载状态。
在这种情况下，这样高力对应于所述保持力Fhold，并且这样低力Flow是比所述保持力Fhold低的力。
根据实施方案，在上述加载和卸载周期的每一个中，首先施加低力Flow，然后施加高力或保持力Fhold。
根据实施方案，在保持步骤(ii)期间，在提供指示意愿进入远程操作的命令的步骤和使能进入远程操作状态的步骤之间，提供了将上述低力Flow施加到肌腱的进一步步骤，以便根据上述加载和卸载周期的卸载状态对肌腱施加拉伸应力。
根据实施例，该方法包括以下进一步步骤：在退出远程操作步骤时检测施加到所有肌腱的力，在检测到的力当中识别最小力Fmin，然后使所有肌腱处于与所述最小力值Fmin对应的中间应力状态。
应该注意的是，这样的力Fmin(之所以称为Fmin，因为它是从远程操作退出时检测到的所有力当中的较低的力)对应于中间应力状态，然后其使所有肌腱处于低力值和高力值之间的中间力值Fmin：Flow＜Fmin＜Fhold
如已经注意的，也如图8B示例中所示出的，在退出远程操作时记录中间应力Fmin。
因此，保持着保持力“低”且彼此相等，避免了在保持步骤期间不经意地移动铰接末端执行器40的“俯仰”、“偏航”和“抓握”的自由度的缺点。
根据可能的实施方案，该方法还优选地包括：使所有肌腱处于对应于低力Flow的卸载应力状态的后续步骤；和/或使所有肌腱处于对应于高保持力Fhold的加载应力状态的后续步骤。
根据实施方案，使所有肌腱处于对应于最小力值Fmin的中间应力状态的上述步骤是：遵循用于每个肌腱的特定和/或不同的加载和/或卸载曲线作为针对每个肌腱检测到的起始力值的函数而执行。
根据实施方案，将保持力Fhold施加到肌腱的上述步骤包括：
-使所有肌腱处于对应于上述最小力值Fmin的中间应力状态，其中每个肌腱根据取决于相应检测到的起始力值的相应特定载荷曲线，使得载荷在一对或多对拮抗肌腱的拮抗肌腱之间相等分配；
-然后使所有肌腱处于对应于上述保持力Fhold的加载应力状态。
根据该方法的实施例，远程操作步骤开始于被施加到肌腱的可预先确定的远程操作起始力Fwork，该起始力Fwork低于上述高保持力值Fhold。
根据实施方案，上述可预先确定的远程操作起始力Fwork基本上等于低保持力Flow，即Fwork＝Flow。
根据实施方案，高保持力Fhold和远程操作起始力Fwork之间的过渡优选地由用户通过激活控制踏板来控制。
这种应力序列在图8A中示出，其中可以观察到，在每个保持步骤之后，力降低到远程操作起始的水平Flow。从高力Fhold到低力Flow的用以启动远程操作的下降前沿由被用户激活的控制踏板控制，使得远程操作的进入始终是有意的。相反地，从远程操作退出可以是有意的由用户借助踏板激活，或者由机器人独立地控制，例如在由检查检测到异常之后。
还应注意的是，在这个实施例中，当承受各种拉伸状态时，从肌腱行为的视角来看，低力和高力确定了以下效果：
-低力Flow理想地是最小接触力，该最小接触力可以在电机致动器11和相应的肌腱31之间(或者在电机致动器和相应的传动元件21之间)被记录，从而感测接触；然而，低力Flow不像上述这样来确定末端执行器设备的自由度的致动；
-高力Fhold是为了避免松弛(即肌腱变形状态的恢复)而被提供和保持的保持力。
根据该方法的实施例，对肌腱施加应力的上述步骤包括测量或检测在加载周期期间作用在肌腱上的力，并且基于检测到或测量出的作用在肌腱上的实际力通过反馈力控制过程，由电机致动器达到保持力值Fhold。
例如，作用在肌腱上的有效力由放置在电机致动器的远端接口处的力传感器17、18检测或测量，以便检测电机致动器和传动元件之间在提供时的接触力。
根据该方法的实施例，对肌腱施加应力的上述步骤包括测量或检测在卸载周期期间作用在肌腱上的力，并且基于检测到或测量出的作用在肌腱上的实际力通过反馈力控制过程，由电机致动器达到低力值Flow。
根据该方法的另一个实施例，对肌腱施加应力的上述步骤包括测量或检测传动元件21、22、23、24、25、26或电机致动器11、12、13、14、15、16相对于在先前远程操作步骤结束时预先确定或存储的相应初始值的位置偏移，和基于检测到、测量出或所存储的上述位置偏移通过反馈位置控制过程，由电机致动器执行加载周期。
根据该方法的实施例，对肌腱施加应力的上述步骤包括测量或检测传动元件21、22、23、24、25、26或电机致动器11、12、13、14、15、16相对于在先前远程操作步骤结束时预先确定或所存储的相应初始值的位置偏移，和基于检测到、测量出或所存储的上述位置偏移通过反馈位置控制过程，由电机致动器执行卸载周期。
根据该方法的实施例，在保持步骤(ii)期间，借助对应于手术器械20的末端执行器设备40的抓握动作的加载状态来对至少一对肌腱施加应力，使得在保持步骤期间手术器械处于抓握状态。
该实施例(可被定义为“保持挤压(hold squeeze)”，即握持)优选地在两个相邻的远程操作步骤之间发生的保持步骤中执行，其中在第一远程操作步骤的退出时，手术器械20以紧握或抓握状态例如在手术针和/或生物组织上，这种抓握也必须在为下一远程操作步骤做准备的后续保持步骤期间被保持(在这一点上参见图8C和图8D的示出)。
根据该方法的实施例，包括加载和卸载周期的上述步骤(ii)仅在不涉及抓握自由度的致动的肌腱子集上执行。
优选地，该方案与上述“保持挤压”实施例结合实施，该实施例包括在铰接末端执行器40正抓握针头或组织时退出远程操作。
通常地，抓握动作影响四个肌腱(即两对拮抗肌腱，诸如图13所示的33-34和35-36)，但根据可能的变化，受影响的肌腱可能只有两个。
根据如图8C所示的实施方案，不执行加载和卸载周期，而是简单地使涉及抓握的肌腱的电机致动器失效(“电机冻结”)-致使了力的减小，如图8C所示，使得肌腱在被抓握物体上保持抓握。
根据另一个优选的实施方案，如图8D所示，在所执行的抓握状态下，抓握力的施加也保持在从远程操作退出时。
根据该方法的实施例，机器人系统1包括控制装置9，该控制装置9被配置为优选地借助传动元件21、22、23、24、25、26控制电机致动器11、12、13、14、15、16以对肌腱施加受控的运动和施加受控的力。
根据这样的实施例的实施方案，其中定义了每个电机致动器11、12、13、14、15、16的运动学零位，并且其中该方法适用于机器人系统1的两个远程操作时段之间的非操作步骤，在非操作步骤开始时该方法包括以下进一步的步骤：
-将末端执行器设备40在先前的远程操作步骤的结束时相对于运动学零位所处的位置，存储为手术器械20的末端执行器设备40的已知运动学位置，其中每个传动元件POSkin-off的已知运动学位置对应于该位置；
-缩回电机致动器11、12、13、14、15、16，以针对每个传动元件21、22、23、24、25、26移除在先前的远程操作步骤中产生的相应位置偏移；
-在手术器械的整个非操作步骤中，借助被配置为保持重新校准力F恒定的反馈控制，在每个传动元件21、22、23、24、25、26上连续地施加相应的重新校准力F，以便在每个传动元件21、22，23、24、25、26上确定由于上述相应的重新校准力F的施加而产生的相应位置偏移POSFC(t)
在这种情况下，在非操作步骤结束时，在下一个远程操作步骤开始时，该方法还包括以下进一步的步骤：
-停止对每个传动元件21、22、23、24、25、26施加重新校准力F；
-在非操作步骤的结束时测量并存储在每个传动元件21、22、23、24、25、26上确定的位置偏移POSFC-off，在非操作步骤刚刚结束期间跟随施加重新校准力，并且将为每个传动元件21、22、23、24、25、26记录的位置偏移POSFC-off关联到末端设备40的上述已知运动学位置；
-施加由控制装置9所命令的操作和移动力，该控制装置9被配置为基于操作者的命令并考虑到每个传动元件21、22、23、24、25、26的上述所存储的位置偏移POSFC-off来确定控制力。
根据实施方案，上述重新校准力F对应于保持力Fhold。
根据实施例，在每个传动元件上施加重新校准力的步骤包括：借助反馈回路将力施加到传动元件，其中反馈信号对应于施加到传动元件上的、由可操作地连接或可连接到传动元件的相应的力传感器实际检测到的力。
根据实施方案，上述运动学零位包括固定偏移Prestrechoff，该固定偏移是由在使用手术器械之前执行的预调节手术器械的另一步骤致使的。
根据具体的实施方案，上述预调节步骤提供了：
(i)锁定末端执行器设备40的上述至少一个自由度P、Y、G中的至少一个自由度；
(ii)通过根据至少一个时间周期将调节力Fref施加到与要被施加拉伸应力的相应肌腱相连接的相应传动元件21、22、23、24、25、26，来对可操作地连接到至少一个被锁定自由度的相应至少一个肌腱施加拉伸应力。由相应电机致动器执行调节力Fref的施加，以对相应肌腱施加应力。
这样的至少一个时间周期包括：至少一个低载荷时段，其中低调节力Flow被施加到传动元件，这在相应肌腱上导致了相应低拉伸载荷；以及至少一个高载荷时段，其中高调节力Fhigh被施加到传动元件，这在相应肌腱上导致了相应高拉伸载荷。
高调节力Fhigh可以在两个相邻的时间周期中呈现增大的值。换句话说，提供了多个所述的时间周期，其中，在至少两个相邻的时间周期中，高调节力Fhigh的相应值增长。
在调节(预调节)步骤中，可以提供多个N时间周期，以便确定在接续的低载荷时段Flow和高载荷时段Fhigh之间的交替，其中在第n个周期的低载荷时段期间施加相应的低调节力Flow_n，并且其中在第n个周期的高载荷时段期间施加相应的高调节力Fhigh_n。
根据实施方式，不同时间周期的所述低调节力Flow_n对应于相同的预先确定的低调节力值Flow，并且所述高调节力Fhigh_n对应于逐渐增加的高调节力值，直到达到最大高力值Fhigh_max为止。
根据实施方式，根据以下公式计算第n个时间周期的高调节力值：
其中，n是当前周期，N是周期总数，Nc是恒定Fhigh下的周期数，Fhigh_max是可设置值。
根据实施方案，在所述时间周期中：(i)至少一个低载荷时段中的每一个都具有第一持续时间，并且包括具有第一保持持续时间的第一保持子步骤，在该持续时间期间施加对应于所述低调节力Flow的第一力值；(ii)至少一个高载荷时段中的每一个都具有第二持续时间，并且包括具有第二保持持续时间的第二保持子步骤，在该持续时间期间施加对应于所述高调节力Fhigh的第二力值。根据实施方案，除了具有第一保持持续时间的第一保持子步骤以外，所述第一持续时间还包括具有第一斜坡持续时间的第一斜坡子步骤，使得所述第一保持持续时间和第一斜坡持续时间的总和对应于所述第一持续时间；并且，所述第二持续时间除了具有第二保持持续时间的第二保持子步骤以外，还包括具有第二斜坡持续时间的第二斜坡子步骤，使得所述第二保持持续时间和第二斜坡持续时间的总和对应于所述第二持续时间，并且其中所述第一保持持续时间大于所述第一斜坡持续时间并且所述第二保持持续时间大于所述第二斜坡持续时间。根据实施例，所述第一持续时间在0.2秒至30.0秒的范围内，并且所述第二持续时间在0.2秒至5.0秒的范围内。优选地，所述第一持续时间在1.0秒至3.0秒的范围内，并且所述第二持续时间在1.0秒至3.0秒的范围内。根据实施例，所述第一斜坡持续时间在0.2秒至10.0秒的范围内，并且所述第二斜坡持续时间在0.2秒至2.0秒的范围内。根据实施例，所述第一保持时间在0.2秒至20.0秒的范围内，并且所述第二保持时间在0.2秒至3.0秒的范围内。
根据实施方案，在预调节步骤中，所述低调节力Flow具有在0.2N至3.0N的范围内的值，并且所述高调节力Fhigh具有在8.0N至50.0N的范围内的值。优选地，所述低调节力Flow具有在1.0N至3.0N的范围内的值，并且所述高调节力Fhigh具有在10.0N至20.0N的范围内的值。
预调节步骤的时间周期的数量N在1至30的范围内，并且优选地，时间周期的所述数目N在1至15的范围内，例如小于10，和/或更优选地，时间周期的所述数量N在3至8的范围内。
如上所述，在不提供传动元件的实施方案中，将低调节力Flow和高调节力Fhigh施加到肌腱上。
根据该方法的实施例，上述缩回电机致动器的步骤包括移除由传送系统的进一步可能的补偿步骤产生的任何位置偏移。
根据实施方案，保持力Fhold和/或重新校准力F在0.1N至5N的范围内。
根据实施方案，所述位置偏移必须小于最大可允许位置偏移dxA，例如在1mm至5mm的范围内。
根据实施例，该方法适用于肌腱是由交织或编织的聚合物纤维制成的聚合物肌腱的情况。
根据实施方案，肌腱是非弹性变形的。
根据实施例，该方法适用于由用于微型手术远程操作的机器人系统组成的机器人系统，其中手术器械是微型手术器械。
再次参考图1-图13，下面将提供应用本发明方法的手术器械的进一步示出，这有助于更好地理解方法本身，以及通过非限制性示例的方式提供方法的一些实施例上的进一步细节。
这里提供了关于上述预调节步骤或“预拉伸”的一些说明性细节。
如图所示，例如，在图5和图6的序列中，约束体37(这里显示为可沿手术器械20的轴或杆27缩回)可被适配在铰接末端执行器设备40上以锁定一个或多个自由度(在所示示例中，俯仰自由度P被锁定)，以便促进调节过程的执行。
根据实施方案，约束体37被提供用于将铰接尖端40临时锁定在预先确定的构造中。约束体37可以沿着手术器械20的轴27缩回。约束体37可以是不能沿着手术器械20的轴27缩回的插头37或盖37，并且例如可以相对于铰接末端执行器设备(末端执行器)40的自由端向远端移除。
根据实施方案，至少一个致动器11、12、13、14、15、16是线性致动器。在这种情况下，至少一个传动元件21、22、23、24、25、26可以是线性传动元件，诸如适于沿基本直线路径x-x移动的活塞，如图9所示。
根据另一实施方案，至少一个致动器是旋转致动器，例如绞盘。至少一个传动元件可以是旋转传动元件，诸如凸轮和/或滑轮。
铰接末端执行器设备40优选地包括多个连接件41、42、43、44(例如刚性连接元件)。至少一些这样的连接件(例如图13中的连接件42、43、44)被连接到配对的拮抗肌腱31、32；33、34；35、36。
如图13的实施示例所示，一对拮抗肌腱31、32被机械地连接到连接件42，以使连接件42相对于连接件41绕俯仰轴线P移动，其中所示的连接件41与手术器械20的轴27集成；另一对拮抗肌腱33、34被机械地连接到连接件43(这里所示出的具有自由端)以使这样的连接件43相对于连接件42绕偏航轴线Y移动；又一对拮抗肌腱35、36被机械地连接到连接件44(这里所示出的具有自由端)以使这样的连接件44相对于连接件42绕偏航轴线Y移动；连接件43和连接件44绕偏航轴线Y的适当的联合激活可致使打开/闭合或抓握自由度G。本领域技术人员将理解肌腱和连接件以及铰接末端执行器40的自由度的构造，可相对于图13中所示的那些变化，同时保持在本公开的范围内。
根据实施方案，提供三对拮抗肌腱(31，32)、(33，34)、(35，36)以致动三个自由度(例如，俯仰P、偏航Y和抓握G的自由度)。在这种情况下，手术器械20可以包括六个传动元件21、22、23、24、25、26(例如六个活塞，如图4所示，其中肌腱以虚线示出)，即三对拮抗传动元件(21、22)、(23、24)、(25、26)，例如旨在与三对相应的拮抗电机致动器(11，12)(13，14)、(15，16)协作。
根据实施方案，在至少电机致动器和传动元件之间插入无菌屏障19，诸如由塑料片制成的无菌布或其他手术无菌布材料，诸如织物或无纺织物。
该无菌屏障19和被放置在无菌屏障19上游的电机致动器上的传感器17、18的共同包含是特别有利的，因为它允许在非无菌环境中安装控制系统的活动部件(这里也指传感器)，从而能够将它们重新用于不同的干预，从而避免将这样的部件组装在手术器械20上，其可以是一次性的并且在无菌屏障19下游的无菌环境中工作。
根据实施方案，至少一对拮抗聚合物肌腱(31，32)、(33，34)、(35，36)中的每个聚合物肌腱优选地是非弹性变形的，尽管其也可以是弹性变形。
根据优选的实施例，手术器械20的至少一对拮抗肌腱中的每个肌腱由聚合物材料制成。
优选地，根据实施方案，至少一对拮抗肌腱中的每个肌腱包括多个聚合物纤维交织和/或编织以形成聚合物股线。根据实施例，至少一对拮抗肌腱中的每个肌腱包括多个高分子量聚乙烯纤维(HMWPE、UHMWPE)。
根据实施方案，所述至少一个肌腱可以包括多种芳族聚酰胺纤维和/或聚酯和/或液晶聚合物(liquid crystal polymers，LCP)和/或PBO和/或尼龙和/或高分子量聚乙烯和/或上述的任何组合。
根据实施方案，至少一对拮抗聚合物肌腱的每个聚合物肌腱部分地由金属材料制成，并且部分地由聚合物材料制成，例如，由金属纤维和聚合物纤维的交织形成。
根据本发明的方法的特定实施例，如图11的流程图所示，以非限制性示例的方式在下面更详细地示出。
在这种情况下，该方法包括按优选的执行顺序所报告的以下步骤。
首先，提供初始化步骤，该初始化步骤包括以下步骤：
-将手术器械20插入到机器人操纵器10的适当的连接器或口袋件28中；
-接合手术器械20，其中机器人操纵器10的电机致动器11、12、13、14、15、16同时移动以邻接手术器械20的每个相应的传动元件21、22、23、24、25、26，以避免移动手术器械20的铰接尖端40(即末端执行器设备40)，从而避免致动铰接尖端40的自由度P、Y；
-执行预拉伸肌腱31、32、33、34、35、36的步骤；
-可选择地，在预拉伸步骤结束时存储电机致动器11、12、13、14、15、16的偏移位置(Prestrechoff)。对该参数Prestrechoff的存储优选地发生在手术器械20(即，手术器械20的铰接尖端40的自由度)处于运动学零点时，并且这允许在第一远程操作之前具有初始位置的恒定参考。由于电机致动器11、12、13、14、15、16的后续位置校正，所以这样的位置可以被用于追踪电机致动器与手术器械20的自由度P、Y、G之间的运动学一致性位置。
在上述初始化步骤之后，该方法提供了包括第一保持步骤应用的远程操作准备步骤。
第一保持步骤包括以下动作：
-独立地在六个电机致动器11、12、13、14、15、16上使用反馈力控制，即在每个电机致动器上单独地使用，以保持在预拉伸步骤和/或接合步骤期间达到的电机致动器和与其邻接的传动元件21、22、23、24、25、26的位置；
-电机致动器施加等于最小力值Flow的施加力Fref；
-如果借助力传感器17、18的检测到的力Fsens对应于最小力值Flow，则电机致动器施加等于保持力值Fhold(其大于最小力值Flow)的施加力Fref以保持相应的肌腱上的张力并避免其松弛；保持力值Fhold优选地通过实验确定，并且可根据所使用的手术器械的类型而变化；这样的保持力值Fhold被确定以便在第一预拉伸过程之后允许将伸长保持尽可能恒定，即，为了防止由于先前所承受的应力的肌腱的伸长变形的恢复而造成的肌腱经历缩短，同时防止由于肌腱结构的重新构造现象而造成的肌腱经历进一步伸长；
-在这时，系统验证：操作员已指示意愿以进入远程操作(“操作＝＝真”)，例如通过按压控制踏板；
-电机致动器再次施加所述最小力值Flow；重新施加最小水平的力允许力被释放到手术器械内部的运动传递关节；这允许要在远程操作期间减少由肌腱-关节耦合产生的摩擦，并且继而，在远程操作期间，摩擦的减小减少了机器人系统的主设备和从设备之间的不匹配效应；
-如果由力传感器17、18检测到的力Fsens对应于最小力值Flow，则系统能够进入第一远程操作步骤；
-在预拉伸步骤(Prestrechoff)结束时存储电机致动器11、12、13、14、15、16的偏移位置。
在上述第一保持步骤之后，该方法提供执行第一远程操作步骤，其中：
-在远程操作步骤期间的进入和/或进入启用受制于远程操作请求命令(“操作
＝＝真”)，诸如由操作员按压控制踏板；
-远程操作步骤包括使电机致动器受制于(即，跟随)相应主设备3，其中电机致动器可以根据运动学定律被移动，并且力控制可以被禁用。
随后，第一远程操作步骤被中断，并且该方法提供了执行第二远程操作准备步骤的系统，其中第二保持步骤被应用。
第二保持步骤包括以下动作：
-在六个电机致动器11、12、13、14、15、16上独立地使用反馈力控制，以便在预拉伸步骤结束时电机致动器的位置相对于相应的所存储的偏移位置的构造改变之后平衡施加在每个传动元件21、22、23、24、25、26上的力，根据以下关系：
Mpos(t)＝Prestretchoff+PosKinoff+PosFC(t)
其中：
Mpos(t)是每个电机致动器相对于机动参考系统的位置，例如被定位在每个电机致动器的远端处；
Prestretchoff是在相对于上述机动参考系统完成预拉伸过程后的所存储的偏移量；
PosKinoff是在上述第一远程操作步骤退出时所存储的由运动学定律产生的偏移；
PosFC(t)是由力控制产生的电机致动器的作为时间的函数的位移。
在该第二保持步骤期间，存储相对于在预拉伸步骤结束时所存储的相应偏移位置的机动制动器位置偏移，即：
Mpos(t)＝Prestretchoff+PosFCoff+PosKin(t)
其中：
PosKin(t)是由运动学控制产生的电机致动器的位移。
因此，在第二保持步骤之后所存储的电机致动器的位置偏移由以下公式表示：
PosFCoff＝Mpos(Tteleop ON)-Prestretchoff-PosKinoff
如以上参考第一保持步骤所述，在第二保持步骤期间执行以下动作：
-电机致动器施加等于最小力值Flow的施加力Fref；
-如果由力传感器17、18检测到的力Fsens对应于最小力值Flow，则电机致动器施加等于保持力值Fhold(其大于最小力值Flow)的施加力Fref，以在相应的肌腱上保持张力并避免其松弛；
-此时，系统验证：操作员已指示意愿以进入远程操作(“操作＝＝真”)，例如通过按压控制踏板；
-电机致动器再次施加上述最小力值Flow；
-如果由力传感器17、18检测到的力Fsens对应于最小力值Flow，则系统能够进入第一远程操作步骤。
在上述第二保持步骤之后，执行第二远程操作步骤，其可以基本上类似于第一远程操作步骤。
在执行保持过程之后进入远程操作步骤使得手术器械20准备好在任何方向上移动，从而减少在电机致动器以不同的力坚持在传动元件上的构造中由手术器械的锁定而可能产生的“空转”。
准备步骤(其每个都包括上述保持步骤)和远程操作步骤之间的交替可以以确定或不确定的方式继续。
在远程操作步骤结束时、并且在每个远程操作步骤结束时、以及在保持步骤之前，可以包括释放步骤(“释放电机偏移”)，其中借助退出远程操作的命令(“操作＝＝假”)进入该释放步骤，例如由用户施加的控制踏板的释放，其中远程操作手术器械20的可能性被禁用。
在这个释放步骤中，移除了所存储的电机致动器位置偏移(PosFCoff)。该释放步骤允许重置先前在保持步骤中累积的任何定位误差，从而允许删除可能的位置漂移，即：
Mpos(t)＝Prestretchoff+PosKinoff
根据实施方案，最小力值Flow是电机致动器与传动元件接触(即，邻接)的最小力值。
根据实施方案，保持力值Fhold是大于最小力值Flow的力值，并且被用于在相应的肌腱31、32、33、34、35、36上保持张力并防止其松弛。
根据该方法的几种可能的实施方案，可以预先确定上述值Fhold，即，通过对所使用的特定类型的肌腱进行实验测试来计算。
两个力值Flow和Fhold可以被交替，以便在保持步骤期间避免末端执行器设备40的可能的不期望位移。例如，这些力值Flow和Fhold交替出现，如图11和图12所示。
根据该方法的另一个实施例(如上所述)，任何保持步骤，或者甚至所有保持步骤，使用位置控制来代替反馈力控制。
根据该方法的实施方案，在远程操作步骤退出处存在抓握自由度(抓握，G)的密集致动时，系统考虑到抓握自由度的这种密集致动而执行保持步骤，以便确保保持运动学匹配，从而补偿由于相对长时间的相对非常高的抓握力的施加而造成的肌腱的伸长。由此，可以避免由于只有一些肌腱受到(例如，六个肌腱中的二至四个肌腱的子集)比其他肌腱更大的应力并因此可能承受比其他肌腱更大程度的伸长这一事实而引起的可能的运动学不平衡。
例如，如图13所示，抓握自由度(G)由两对拮抗肌腱(33，34)和(35，36)施加的动作激活，以在主体45上保持抓握，该主体45可以是例如生物组织或手术针头。
如上所述，保持步骤不一定包括加载和卸载周期，而可以仅包括加载状态的施加(力Fhold)。
根据该方法的实施方案，其中手术器械20在抓握状态(主动的抓握自由度G，该状态也被称为“挤压”)下退出远程操作步骤，这种抓握自由度的致动肌腱受到拉伸应力。在这种情况下，保持步骤包括施加加载状态，其中保持力至少等于抓握力。从而避免了失去抓握状态。
根据实施方案，保持力对应于抓握力。
根据实施方案，如果远程操作系统的主设备识别出“挤压”状态，则系统识别出在抓握状态下退出远程操作步骤的上述状态(主动的抓握自由度G)。
根据实施方案，如果在可操作地与抓握自由度的致动肌腱相关联的电机致动器和/或传动装置上测得的力大于预定阈值，则系统识别出在抓握状态下从远程操作步骤退出的上述状态(主动的抓握自由度G)。
根据实施方案，保持力可以至少等于(例如，对应于)仅在抓握自由度的致动肌腱上的抓握力。因此，如果抓握自由度的致动肌腱是一对拮抗肌腱，则系统在这样的一对拮抗肌腱上施加加载状态，包括施加保持力、避免施加加载和卸载周期。
另一方面，如果抓握自由度的致动肌腱是两对拮抗肌腱，则系统在这样的两对拮抗肌腱上施加加载状态，包括保持力Fhold的施加、避免加载和卸载周期的施加。
可替换地，保持力可以至少等于(例如，对应于)手术器械20的所有肌腱上的抓握力。
根据不同的实施方式，其中手术器械20在抓握状态(主动的抓握自由度G，“挤压”状态)下退出远程操作步骤、并且因此这种抓握自由度的致动肌腱受到拉伸应力，机器人避免在包括抓握自由度的上述致动肌腱的肌腱子集上执行保持过程/步骤(图12中的“电机冻结”)。在这种情况下，保持步骤包括施加如先前所描述的加载和卸载周期。
如果抓握自由度的致动肌腱是一对拮抗肌腱，则避免在这对拮抗肌腱上的保持步骤。
另一方面，如图13的示例所示，如果抓握自由度的致动肌腱是两对拮抗肌腱，则避免在这两对拮抗肌腱上的保持步骤，而在其他肌腱(图13的肌腱31和32)上执行保持步骤。
优选地，该系统适于存储在抓握状态(主动的抓握自由度G)下发生的从远程操作步骤的退出，以便随后补偿(例如在从远程操作步骤的下一个退出处)在抓握的自由度的致动肌腱上执行保持步骤的失败，从而执行保持步骤。
再次参考图1-图13，下文描述了包括多个电机致动器11、12、13、14、15、16、至少一个手术器械20和控制装置9的远程操作机器人手术系统1。
上述至少一个手术器械20包括具有至少一个自由度P、Y、G和至少一对拮抗肌腱31、32；33、34；35、36的铰接末端执行器设备40，其被安装在手术器械20中，以便可操作地连接到相应的电机致动器和末端设备40的相应连接件，以致动与其相关联的至少一个自由度(在上述至少一个自由度P、Y、G之间)，从而确定拮抗效应。
系统1的控制装置9被配置为控制以下动作的执行：
(i)在机器人系统1的电机致动器11、12、13、14、15、16的一组运动与手术器械20的铰接末端执行器设备40的相应运动之间建立单一相关性；
(ii)执行保持步骤，该保持步骤包括：
-通过拉伸应力对至少一对拮抗肌腱31、32；33、34；35、36施加应力，并且通过向肌腱施加保持力Fhold来将肌腱保持在拉伸应力状态，所述保持力Fhold适于确定肌腱的加载状态；
-使手术器械20能够在接收到指示意愿进入远程操作的命令时进入远程操作状态。
根据系统1的各种可能的实施例，控制装置被配置为控制机器人系统，以便根据这种方法的任何先前示出的实施例来执行远程操作准备方法。
可以看出，如先前所表明的本发明的目的通过上述方法完全实现，该方法借助于以上详细公开的特征，并且如以上在本发明的概述中已经公开的。
为了满足偶然的需要，在不偏离以下权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可以对上述方法的实施例进行改变和调整，或者可以用功能等效的其他元件代替元件。上述属于可能实施例的所有特征都可以实现，而与所描述的其他实施例无关。
参考标号列表
1 用于远程手术的机器人系统
2 机器人系统的从组件
3 主控制台
9 控制器，即控制单元
10 机器人系统操纵器
11,12,13,14,15,16 操纵器的电机致动器
17,18 力传感器或载荷单元
19 无菌屏障
20 手术器械
21,22,23,24,25,26 手术器械传动元件
27 轴
28 口袋件
29 手术器械后端，或传动接口部分
31,32,33,34,35,36 肌腱
37 约束体，或插头，或盖
40 手术器械的末端执行器设备，或铰接尖端，或末端执行器
41,42,43,44 铰接尖端的连接件
45 主体
x-x 直线方向
r-r 中心线
P,Y,G 末端执行器设备的自由度：相应的俯仰、偏航、抓握
Fref 施加的力
Fsens 由力传感器检测到的力
Flow 低力值
Fhigh 高力值

Claims (49)

1.一种在远程操作机器人手术系统(1)中的远程操作准备的方法，所述方法要在其中所述系统不执行远程操作的非操作步骤期间被执行，
其中所述机器人系统(1)包括多个电机致动器(11，12，13，14，15，16)和至少一个手术器械(20)，
其中所述至少一个手术器械(20)包括：
-具有至少一个自由度(P，Y，G)的铰接末端执行器(40)；
-至少一对拮抗肌腱(31，32；33，34；35，36)，其被安装在所述手术器械(20)中以便能操作地连接到相应电机致动器和所述末端执行器(40)的相应连接件以致动所述至少一个自由度(P，Y，G)当中的与其相关联的至少一个自由度，从而确定拮抗效应；
其中所述方法包括所述步骤：
(i)在所述机器人系统(1)的电机致动器(11，12，13，14，15，16)的一组运动与所述手术器械(20)的所述铰接末端执行器(40)的相应运动之间建立单一相关性；
(ii)执行保持步骤，包括：
-通过拉伸应力对至少一对拮抗肌腱(31、32；33、34；35、36)施加应力并且通过向所述肌腱施加保持力(Fhold)来将所述肌腱保持在拉伸应力状态，所述保持力(Fhold)适于确定所述肌腱的加载状态；
-提供指示意愿进入远程操作的命令；
-使能所述手术器械(20)进入远程操作状态。
2.根据权利要求1所述的方法，在步骤(i)-步骤(ii)之后，包括所述步骤：
(iii)借助于所述机器人系统(1)的所述手术器械(20)进行远程操作。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述保持(ii)和远程操作(iii)步骤被重复，使得在两个相邻的远程操作步骤(iii)之间执行保持步骤(ii)。
4.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其中所述手术器械(20)还包括：
多个传动元件(21，22，23，24，25，26)，每个传动元件能操作地连接到相应的至少一个电机致动器(11，12，13，14，15，16)；
其中施加应力的步骤由所述传动元件(21，22，23，24，25，26)执行，由相应电机致动器操作和控制；
以及其中，所述传动元件优选地是刚性的。
5.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其中定义了每个所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)的运动学零位，并且所述方法包括：在所述保持步骤(ii)期间在对至少一对拮抗肌腱施加应力的所述步骤之后，以下进一步步骤：
-存储每个电机致动器(11，12，13，14，15，16)相对于相应的所存储的运动学零位的可能位置偏移。
6.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其中在所述保持步骤(ii)期间，对至少一对拮抗肌腱施加应力的所述步骤包括至少一个加载和卸载周期，其中每个加载和卸载周期包括施加高力(Fhold)以确定所述一对肌腱的加载状态，以及施加低力(Flow)以确定所述一对肌腱的卸载状态，
其中所述高力对应于所述保持力(Fhold)，并且所述低力(Flow)是比所述保持力(Fhold)低的力。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述加载和卸载周期的每一个中，首先施加所述低力(Flow)，然后施加所述高或保持力(Fhold)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，在所述保持步骤(ii)中，在提供指示意愿进入远程操作的命令的步骤和使能进入远程操作状态的步骤之间，提供以下进一步步骤：
将所述低力(Flow)施加到所述肌腱，以便根据加载和卸载周期的所述卸载状态使所述肌腱处于拉伸载荷下：
9.根据权利要求6-8中任何一个所述的方法，包括进一步步骤：
-检测在远程操作步骤的退出时施加到所有肌腱的力；
-识别在检测到的力当中的最小力(Fmin)；
-使所有所述肌腱处于对应于最小力值(Fmin)的中间拉伸应力状态；
所述方法优选地还包括步骤：
-然后使所有所述肌腱处于对应于所述低力(Flow)的卸载应力状态；
和/或
-然后使所有所述肌腱处于对应于所述高保持力(Fhold)的加载应力状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，使所有所述肌腱处于对应于所述最小力值(Fmin)的中间应力状态的所述步骤，是遵循用于每个肌腱的特定和/或不同的加载和/或卸载曲线作为针对每个肌腱检测到的起始力值的函数而执行的。
11.根据权利要求9或10中任何一个所述的方法，其中将所述保持力(Fhold)施加到所述肌腱的所述步骤包括：
-使所有所述肌腱处于对应于所述最小力值(Fmin)的中间应力状态，其中每个肌腱根据取决于相应检测到的起始力值的相应特定载荷曲线，使得所述载荷在一对或多对拮抗肌腱的拮抗肌腱之间相等分配；
-然后使所有所述肌腱处于对应于所述保持力(Fhold)的加载应力状态。
12.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其中所述远程操作步骤开始于施加到所述肌腱的可预先确定的远程操作起始力(Fwork)，所述起始力(Fwork)低于所述高保持力值(Flow)，
其中，优选地，所述可预先确定的远程操作起始力基本上等于所述低保持力(Flow)，
并且其中，优选地，在所述高保持力(Fhold)和所述远程操作起始力之间的过渡由所述用户通过激活控制踏板来控制。
13.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其中对所述肌腱施加应力的所述步骤包括：在所述加载周期期间测量或检测作用在所述肌腱上的力，并且基于检测到或测量出的作用在所述肌腱上的实际力通过反馈力控制过程由所述电机致动器达到所述保持力值(Fhold)。
14.根据权利要求5-11中任何一个所述的方法，其中对所述肌腱施加应力的所述步骤包括：在所述卸载周期期间测量或检测作用在所述肌腱上的力，并且基于检测到或测量出的作用在所述肌腱上的实际力通过反馈力控制过程由所述电机致动器达到所述低力值(Flow)。
15.根据权利要求1-12中任何一个所述的方法，其中对所述肌腱施加应力的所述步骤包括：测量或检测所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)相对于在先前远程操作步骤的结束时预先确定或存储的相应初始值的位置偏移，以及基于检测到的或测量出的或所存储的所述位置偏移通过反馈位置控制过程由所述电机致动器执行加载周期。
16.根据权利要求6-12或15中任何一个所述的方法，其中对所述肌腱施加应力的所述步骤包括：测量或检测所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)相对于在先前远程操作步骤的结束时预先确定或存储的相应初始值的位置偏移，以及基于检测到的或测量出的或所存储的所述位置偏移通过反馈位置控制过程由所述电机致动器执行所述卸载周期。
17.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述保持步骤(ii)期间，借助对应于所述手术器械(20)的末端执行器(40)的抓握动作的加载状态来对至少一对肌腱施加应力，使得在所述保持步骤期间所述手术器械处于抓握状态。
18.根据权利要求5-15中任何一个所述的方法，其中包括加载和卸载周期的所述保持步骤(ii)仅在不涉及抓握自由度的致动的肌腱子集上执行。
19.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其中所述机器人系统(1)包括控制装置(9)，所述控制装置被配置为优选地借由能操作地连接到相应肌腱的传动元件(21，22，23，24，25，26)来控制所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)对肌腱(31，32，33，34，35，36)施加受控运动并施加受控力。
20.根据权利要求19所述的方法，其中定义了每个所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)的运动学零位，所述方法适用于在所述机器人系统(1)的两个远程操作时段之间的非操作步骤，
其中在非操作步骤的开始时，所述方法包括以下进一步步骤：
-将末端执行器(40)在先前的远程操作步骤的结束时相对于所述运动学零位所处的位置存储为所述手术器械(20)的末端执行器(40)的已知运动学位置，其中，每个所述传动元件(POSkin-off)的已知运动学位置对应于该位置；
-缩回所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)，以针对传动元件(21，22，23，24，25，26)中的每一个移除在先前远程操作步骤中产生的相应位置偏移；
-在所述手术器械的非操作步骤的整个过程中，借助被配置为保持所述重新校准力(F)恒定的反馈控制，在每个传动元件(21，22，23，24，25，26)上连续地施加相应的重新校准力(F)，以便在每个传动元件(21，22，23，24，25，26)上确定由于所述相应的重新校准力(F)的施加而产生的相应位置偏移(POSFC(t))；
并且其中在所述非操作步骤的结束时在下一个远程操作步骤的开始时，所述方法还包括：
-停止对每个传动元件(21，22，23，24，25，26)的重新校准力(F)的施加；
-在所述非操作步骤的结束时测量并存储在每个传动元件(21，22，23，24，25，26)上确定的位置偏移POSFC-off，在所述非操作步骤刚刚结束期间跟随所述重新校准力的施加，并且将为每个传动元件(21，22，23，24，25，26)记录的位置偏移(POSFC-off)关联到所述末端执行器(40)的所述已知运动学位置；
-施加由控制装置(9)命令的操作和移动力，其中所述控制装置(9)被配置为基于所述操作者的命令并考虑到每个传动元件(21，22，23，24，25，26)的所存储的位置偏移POSFC-off来确定所述控制力。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述重新校准力(F)对应于所述保持力(Fhold)。
22.根据权利要求20或21中任何一个所述的方法，其中在每个传动元件上施加重新校准力的步骤包括：借助反馈回路将力施加到所述传动元件，其中反馈信号对应于被施加到传动元件上的、由能操作地连接到所述传动元件的相应的力传感器实际检测到的力。
23.根据权利要求20-22中任何一个所述的方法，其中所述运动学零位包括固定偏移(Prestrechoff)，所述固定偏移是由在使用所述手术器械之前执行的预调节所述手术器械的另一步骤致使的。
24.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，还包括预调节步骤，所述预调节步骤包括：
(i)锁定所述末端执行器(40)的所述至少一个自由度(P，Y，G)中的至少一个自由度；
(ii)通过根据至少一个时间周期将调节力(Fref)施加到与要被施加拉伸应力的相应至少一个肌腱相连接的相应传动元件(21，22，23，24，25，26)，来对能操作地连接到至少一个被锁定自由度的相应至少一个肌腱施加拉伸应力。
其中所述至少一个时间周期包括：
-至少一个低载荷时段，其中低调节力(Flow)被施加到所述相应传动元件，其在相应肌腱上导致了相应低拉伸载荷；
-至少一个高载荷时段，其中高调节力(Fhigh)被施加到所述相应传动元件，其在相应肌腱上导致了相应高拉伸载荷。
25.根据权利要求24所述的方法，其中提供了多个所述时间周期，并且其中，在至少两个相邻的时间周期中，所述高调节力(Fhigh)的相应值增加。
26.根据权利要求24或25中任何一个所述的方法，其中提供了多个N时间周期，以便确定在接续的低载荷时段和高载荷时段之间的交替，其中在所述第n个周期的所述低载荷时段期间施加相应低调节力(Flow_n)，并且其中在所述第n个周期的所述高载荷时段期间施加相应高调节力(Fhigh_n)。
其中不同时间周期的所述低调节力(Flow_n)对应于相同的预先确定的低调节力值(Flow)，并且其中所述高调节力(Fhigh_n)对应于逐渐增加的高调节力值(Flow)，直到达到最大高力值(Fhigh_max)。
27.根据权利要求21-26中任何一个所述的方法，其中缩回所述电机致动器的步骤包括：移除由所述传送系统的进一步弹性或塑性补偿步骤产生的任何位置偏移。
28.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其中所述保持力(Fhold)和/或所述重新校准力(F)在0.1N至5N的范围内。
29.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其中所述位置偏移必须小于最大可允许位置偏移(dxA)，
其中，优选地，所述最大可允许偏移(dxA)是在1mm至5mm的范围内。
30.一个包括多个电机致动器(11，12，13，14，15，16)、至少一个手术器械(20)以及控制装置(9)的远程操作机器人手术系统(1)，
其中所述至少一个手术器械(20)包括：
-具有至少一个自由度(P，Y，G)的铰接末端执行器(40)；
-至少一对拮抗肌腱(31，32；33，34；35，36)，其被安装在所述手术器械(20)中以便能操作地连接到相应电机致动器和所述末端执行器(40)的相应连接件以致动所述至少一个自由度(P，Y，G)当中的与其相关联的至少一个自由度，从而确定拮抗效应；
其中所述控制装置(9)被配置为控制以下动作的执行：
(i)在所述机器人系统(1)的电机致动器(11，12，13，14，15，16)的一组运动与所述手术器械(20)的所述铰接末端执行器(40)的相应运动之间建立单一相关性；
(ii)执行保持步骤，包括：
-通过拉伸应力对至少一对拮抗肌腱(31、32；33、34；35、36)施加应力并且通过向所述肌腱施加保持力(Fhold)来将所述肌腱保持在拉伸应力状态，所述保持力(Fhold)适于确定所述肌腱的加载状态；
-使所述手术器械(20)能够在接收到指示意愿进入远程操作的命令时进入远程操作状态。
31.根据权利要求30所述的系统(1)，在动作(i)-动作(ii)之后，被配置为执行进一步步骤：
(iii)借助于所述机器人系统(1)的所述手术器械(20)进行远程操作，
其中保持(ii)和远程操作(iii)步骤被重复，使得在两个相邻的远程操作步骤(iii)之间执行保持步骤(ii)。
32.根据权利要求30-31中任何一个所述的系统(1)，其中所述手术器械(20)还包括：
多个传动元件(21，22，23，24，25，26)，每个传动元件可操作地连接到相应的至少一个电机致动器(11，12，13，14，15，16)；
其中所述传动元件(21，22，23，24，25，26)由相应的电机致动器操作和控制，并且被配置为执行施加应力动作；
以及其中，所述传动元件优选地是刚性的。
33.根据权利要求30-32中任何一个所述的系统(1)，其中定义了所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)的每一个的运动学零位，并且其中所述控制装置(9)进一步被配置为在保持步骤(ii)期间以及在对至少一对拮抗肌腱的施加应力动作之后执行以下进一步动作：
-存储电机致动器(11，12，13，14，15，16)的每一个相对于相应的所存储的运动学零位的可能位置偏移。
34.根据权利要求30-33中任何一个所述的系统(1)，其中在所述保持步骤(ii)期间，对至少一对拮抗肌腱施加应力的动作包括至少一个加载和卸载周期，其中每个加载和卸载周期包括施加高力(Fhold)以确定所述一对肌腱的加载状态，以及施加低力(Flow)以确定所述一对肌腱的卸载状态，
其中所述高力对应于保持力(Fhold)，并且所述低力(Flow)是比所述保持力(Fhold)低的力，
以及其中，在每个所述加载和卸载周期中，首先施加所述低力(Flow)，然后施加所述高力或保持力(Fhold)。
35.根据权利要求34所述的系统(1)，其中，在所述保持步骤(ii)中，在提供指示意愿进入远程操作的命令的步骤和使能进入远程操作状态的步骤之间，所述控制装置(9)被配置为执行以下进一步步骤：
-将所述低力(Flow)施加到所述肌腱，以便根据所述加载和卸载周期的所述卸载状态使所述肌腱处于拉伸载荷下。
36.根据权利要求34或35中任何一个所述的系统(1)，其中所述控制装置(9)被配置为执行以下进一步步骤：
-检测在远程操作步骤的退出时施加到所有所述肌腱的力；
-识别在检测到的力当中的最小力(Fmin)；
-使所有所述肌腱处于对应于所述最小力值(Fmin)的中间应力状态，遵循用于每个肌腱的特定的和/或不同的加载和/或卸载曲线作为针对每个肌腱检测到的起始力值的函数；
并且优选地还执行以下步骤：
-然后使所有所述肌腱处于对应于所述低力(Flow)的卸载应力状态；
和/或
-然后使所有所述肌腱处于对应于所述高保持力(Fhold)的加载应力状态。
37.根据权利要求36所述的系统(1)，其中所述控制装置(9)被配置为在施加所述保持力(Fhold)到所述肌腱的所述步骤期间执行以下动作：
-使所有所述肌腱处于对应于所述最小力值(Fmin)的中间应力状态，每个肌腱根据取决于相应检测到的起始力值的相应的特定载荷曲线，使得所述载荷在一对或多对拮抗肌腱中的拮抗肌腱之间相等分配；
-然后使所有所述肌腱处于对应于所述保持力(Fhold)的加载应力状态。
38.根据权利要求30-37中任何一个所述的系统(1)，被配置为用施加到所述肌腱的、低于所述高保持力值(Flow)的可预先确定的远程操作起始力(Fwork)开始远程操作，
其中，优选地，所述可预先确定的远程操作起始力基本上等于低保持力(Flow)，
并且其中，优选地，所述高保持力(Fhold)和所述远程操作起始力之间的所述过渡由所述用户通过激活控制踏板来控制。
39.根据权利要求30-38中任何一个所述的系统(1)，其中对所述肌腱施加应力的所述步骤包括：在所述加载周期期间测量或检测作用在所述肌腱上的力，并且基于检测到或测量出的作用在所述肌腱上的实际力通过反馈力控制过程由所述电机致动器达到所述保持力值(Fhold)，
和/或其中对所述肌腱施加应力的所述步骤包括：在所述卸载周期期间测量或检测作用在所述肌腱上的力，并且基于检测到或测量出的作用在所述肌腱上的实际力通过反馈力控制过程由所述电机致动器达到所述低力值(Flow)，
和/或其中对所述肌腱施加应力的所述步骤包括：测量或检测所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)相对于在先前远程操作步骤的结束时预先确定或存储的相应初始值的位置偏移，以及基于检测到的或测量出的或所存储的所述位置偏移通过反馈位置控制过程由所述电机致动器执行加载周期，
和/或其中对所述肌腱施加应力的所述步骤包括：测量或检测所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)相对于在先前远程操作步骤的结束时预先确定或存储的相应初始值的位置偏移，以及基于检测到的或测量出的或所存储的所述位置偏移通过反馈位置控制过程由所述电机致动器执行卸载周期。
40.根据权利要求30-39中任何一个所述的系统(1)，其中所述控制装置(9)被配置为优选地借由可操作地连接到相应肌腱的传动元件(21，22，23，24，25，26)来控制所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)对所述肌腱(31，32，33，34，35，36)施加受控运动并施加受控力。
41.根据权利要求40所述的系统(1)，其中定义了所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)的每一个的运动学零位，适用于所述机器人系统(1)的两个远程操作时段之间的非操作步骤，
其中所述控制装置(9)被配置为在非操作步骤的开始时执行以下进一步步骤：
-将末端执行器(40)在先前的远程操作步骤的结束时相对于所述运动学零位所处的位置存储为所述手术器械(20)的末端执行器(40)的已知运动学位置，其中每个所述传动元件POSkin-off的已知运动学位置对应于该位置；
-缩回所述电机致动器(11，12，13，14，15，16)，以针对每个传动元件(21，22，23，24，25，26)移除在先前远程操作步骤中产生的相应位置偏移；
-在所述手术器械的非操作步骤的整个过程中，借助被配置为保持所述重新校准力(F)恒定的反馈控制，在每个传动元件(21，22，23，24，25，26)上连续地施加相应的重新校准力(F)，以便在每个传动元件(21，22，23，24，25，26)上确定由于相应的重新校准力(F)的施加而产生的相应位置偏移(POSFC(t))；
并且其中所述控制装置(9)被配置为在所述非操作步骤的结束时在所述下一个远程操作步骤的开始时执行以下进一步动作：
-停止对每个传动元件(21，22，23，24，25，26)的重新校准力(F)的施加；
-在所述非操作步骤的结束时测量并存储在每个传动元件(21，22，23，24，25，26)上确定的位置偏移POSFC-off，在所述非操作步骤刚刚结束期间跟随所述重新校准力的施加，并且将为每个传动元件(21，22，23，24，25，26)记录的位置偏移(POSFC-off)关联到所述末端执行器(40)的所述已知运动学位置；
-施加由控制装置(9)命令的操作和动力，其中所述控制装置(9)被配置为基于所述操作者的命令并考虑到每个传动元件(21，22，23，24，25，26)的所存储的位置偏移POSFC-off来确定所述控制力。
42.根据权利要求41所述的系统(1)，其中所述重新校准力(F)对应于所述保持力(Fhold)，
和/或其中在每个传动元件上施加重新校准力的步骤包括：借助反馈回路将力施加到所述传动元件，其中所述反馈信号对应于被施加到传动元件上的、由能操作地连接到所述传动元件的相应的力传感器实际检测到的力，
和/或其中所述运动学零位包括固定偏移(Prestrechoff)，所述固定偏移是由在使用所述手术器械之前执行的预调节所述手术器械的另一步骤致使的。
43.根据权利要求30-42中任何一个所述的系统(1)，其中所述控制装置(9)被配置为控制预调节步骤，所述预调节步骤包括：
(i)锁定所述末端执行器(40)的所述至少一个自由度(P，Y，G)中的至少一个自由度；
(ii)通过根据至少一个时间周期将调节力(Fref)施加到与要被施加拉伸应力的相应至少一个肌腱相连接的相应传动元件(21，22，23，24，25，26)，来对能操作地连接到至少一个被锁定自由度的相应至少一个肌腱施加拉伸应力。
其中所述至少一个时间周期包括：
-至少一个低载荷时段，其中低调节力(Flow)被施加到所述相应传动元件，其在相应肌腱上导致了相应低拉伸载荷；
-至少一个高载荷时段，其中高调节力(Fhigh)被施加到所述相应传动元件，其在相应肌腱上导致了相应高拉伸载荷。
44.根据权利要求43所述的系统(1)，其中提供了多个所述时间周期，并且其中，在至少两个相邻的时间周期中，所述高调节力(Fhigh)的相应值增加。
45.根据权利要求43或44中任何一个所述的系统(1)，其中提供了多个N时间周期，以便确定在接续的低载荷时段和高载荷时段之间的交替，其中在所述第n个周期的所述低载荷时段期间施加相应低调节力(Flow_n)，并且其中在所述第n个周期的所述高载荷时段期间施加相应高调节力(Fhigh_n)。
其中不同时间周期的所述低调节力(Flow_n)对应于相同的预先确定的低调节力值(Flow)，并且其中所述高调节力(Fhigh_n)对应于逐渐增加的高调节力值(Flow)，直到达到最大高力值(Fhigh_max)为止。
46.根据权利要求41-45中任何一个所述的系统(1)，其中缩回所述电机致动器的步骤包括：移除由所述传送系统的进一步弹性或塑性补偿步骤产生的任何位置偏移。
47.根据权利要求30-46中任何一个所述的系统(1)，其中所述保持力(Fhold)和/或所述重新校准力(F)在0.1N至5N的范围内。
48.根据权利要求30-47中任何一个所述的系统(1)，其中所述位置偏移必须小于最大可允许位置偏移(dxA)，其中，优选地，所述最大可允许偏移(dxA)是在1mm至5mm的范围内
49.根据权利要求30-49中任何一个所述的系统(1)，其中所述肌腱是由编织聚合物纤维制成的聚合物肌腱。
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