控制用于医疗远程操作或外科远程操作的机器人系统的方法以及使用该方法控制局部参考坐标系和机器人系统，该机器人系统具有通过操作员可运动的机械上无约束的主设备

本发明的技术背景

本申请的领域

本发明涉及一种用于控制用于医疗远程操作或外科远程操作的机器人系统的方法和系统。

特别地，本发明涉及一种用于启动通过用于主从式(master-slave)类型的外科远程操作的机器人系统执行的远程操作的方法和系统，该机器人系统具有主设备，该主设备在机械上无约束并且通过操作员可运动。

现有技术的描述

在用于医疗远程操作或外科远程操作的主从式机器人系统的领域，已知的主控制台具有在机械上被约束的、机动化的腿，该主控制台作为“主控制器”设备。

在这种情况下，当退出远程操作状态时，主设备的取向被锁定并保持经常与从设备对准；也可能发生主设备通过马达(motor)运动，以确保主设备的取向与从设备的取向完全对应。

如果不执行主设备与从设备之间的取向对准，则对从设备的控制将很难是直观的，并且不符合人体工程学。

例如，文献US-2020-0179068中示出了主从式机器人系统的示例，该主从式机器人系统将主设备约束到控制台，这必然使迫使主设备运动的能力有限。

除此之外，最近出现了一些方案，这些方案的主设备在机械上未被约束到机器人系统的“主控制器”站，即，“机械上未接地的”或“机械上无约束的”或“手持式”设备，或者，例如如代表同一申请人的文献WO-2019-020407、WO-2019-020408、WO-2019-020409中所示类型的设备，以及例如如文献US-8521331中所示的类型的设备。

在这种方案中，在缺少与主控制台的机械约束和由这种控制台的马达确保的从属状态(enslavement)的情况下，如何确保远程操作启动程序，特别是如何确保主设备与从设备之间的对准的问题仍未得到解决。

因此，在所考虑的技术领域，强烈需要有效地执行主从对准程序和对远程操作启动的检查，这很不容易(在没有与主控制台的机械约束的情况下)，另一方面，这是绝对必要的，并且必须执行，以满足通过机器人系统在远程操作手术或显微手术领域中强制实行的非常严格的安全要求、以及易于使用的要求，每位外科医生都认为这些要求非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制机器人系统的方法，该机器人系统用于医疗远程操作或外科远程操作，该方法允许至少部分地克服以上参考现有技术声明的缺点，并对在所考虑的技术领域中特别感受到的上述需求做出响应。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在权利要求2至22中限定。

本发明的另一个目的是提供一种通过上述方法控制的用于医疗远程操作或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统允许至少部分地克服以上参考现有技术所声明的缺点，并对在所考虑的技术领域中特别感受到的上述需要做出响应。这种目的通过根据权利要求23所述的系统来实现。

这种系统的另外的实施例在权利要求24至39中限定。

凭借所提出的方案，可以安全且可靠地实现至少一个无约束的主设备与至少一个(从设备的)可从属的手术器械之间的满意的对准水平，而不会因此对主设备施加预定运动，和/或为操作员保持一定可接受的水平的控制和直观性。

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的实施例的描述中变得显而易见，该优选的实施例是以表明性的、非限制性的示例给出的，在附图中：

-图1示出了方法实施例中包括的主设备(master device)与从设备(slavedevice)之间的交互的示例；

-图2以示意图形式示出了根据实施例的从手术器械、以及根据可能的操作模式的方法的一些步骤；

-图3是根据可能的操作模式示出了方法实施例的流程图；

-图4以示意图形式示出方法实施例中使用的参考系以及上述参考系之间的变换；

-图5以示意图形式进一步示出了根据一种实施方案的图4中提到的参考系、以及上述参考系之间的变换；

-图6以示意图形式示出了根据可能的操作模式的方法实施例中包括的一些步骤；

-图6bis以示意图形式示出了根据可能的操作模式的方法实施例中包括的一些步骤；

-图7以示意图形式示出了根据实施例的远程操作系统(或机器人远程操作系统)；

-图8以示意图形式示出了根据实施例的远程操作系统(或机器人远程操作系统)的一部分、以及根据可能的操作模式的方法的一些步骤；

-图9以示意图形式示出了根据实施例的远程操作系统(或机器人远程操作系统)的一部分、以及根据可能的操作模式的方法的一些步骤；

-图10以示意图形式示出了根据实施例的远程操作系统(或机器人远程操作系统)的一部分、以及根据可能的操作模式的方法的一些步骤。

具体实施方式

参考图1至图10，描述了一种控制用于医疗远程操作或外科远程操作的机器人系统的方法。

上述机器人系统包括至少一个主设备以及至少一个从设备，该至少一个主设备是手持式的、机械上无约束并且适于通过操作员而运动，该至少一个从设备包括适于由主设备控制的显微手术器械。该主设备相对于主设备的可预定的单个纵向轴线(X)是功能对称的。

该方法包括以下步骤：相对于主设备工作空间的主参考系(main referenceframe)(MFO)检测主设备的局部参考系(local reference frame)(MF)及其纵向轴线(X)；然后，定义多个局部参考系，该多个局部参考系与检测到的局部参考系功能等同，其中，这种局部参考系围绕主设备的该纵向轴线(X)旋转各自的角度。

随后，该方法包括对于主设备的在功能上等同于检测到的局部参考系的上述多个局部参考系中的每个上述局部参考系，在从设备的工作空间中映射对应的目标参考系。

最后，该方法包括根据用于优化从设备的轨迹的标准，从功能等同于检测到的局部参考系的上述多个局部参考系中选择操作参考系的步骤。

根据方法实施例，检测步骤还包括检测主设备的纵向轴线X的取向MF；映射步骤还包括在从设备的工作空间中，映射对应的目标取向MFS；选择步骤还包括选择操作参考系，使得相关联的目标姿势是最佳的，以趋同于该对应的目标取向MFS。

根据实施方案，多个局部参考系包括与主设备集成的局部参考系。

根据实施方案，多个局部参考系包括具有与纵向轴线X平行的分量的局部参考系。

根据方法实施例，检测步骤包括还检测主设备的姿势，其中，该姿势包括位置信息和取向信息。

根据实施例，该方法在主设备与从设备之间的通用的对准步骤中执行。

根据实施例，该方法在从设备的手术器械与主设备尚未对准的条件下执行。

根据实施例，在从设备的手术器械与主设备尚未对准的条件下，在主设备与从设备之间的有运动的对准步骤或无运动的对准步骤期间，执行该方法，其中，从设备能够运动，以便将手术器械的取向对准主设备的取向。

在这种情况下，该方法还包括以下步骤：基于如映射在从设备的工作空间中的主设备的取向和从设备的取向，执行一个或多个对准检查；然后，表示主设备相对于所选择的上述操作参考系的取向；然后，将相对于所选择的操作参考系表示的主设备的上述取向映射到从设备的工作空间中的对应目标取向，即，在主设备的取向与从设备的手术器械的目标取向之间建立一对一的关联；最后，基于通过映射相对于所选择的操作参考系表示的主设备的取向而获得的从设备的上述目标取向，执行从设备与主设备之间的对准。

根据方法实施例，不同的局部参考系之间的旋转角相同，即，提供N个局部参考系，该N个局部参考系之间的旋转角等于2π/N。

根据实施方案，该方法提供两个局部参考系；第一局部参考系(MF-ID)，该第一局部参考系与主设备集成在一起；以及第二局部参考系(MF-FLIP)，该第二局部参考系与主设备集成并且相对于第一局部参考系围绕主设备的上述纵向轴线X旋转180°。在这种情况下，局部参考系的数目N等于2。

根据实施方案，上述定义第一局部参考系(MF-ID)和第二局部参考系(MF-FLIP)的步骤包括：基于检测到的主设备的取向，定义第一局部参考系，并将恒等变换函数(identity transformation function)ID与其相关联；通过将旋转变换函数(rotationtransformation function)FLIP应用于第一局部参考系，定义第二第一局部参考系，该旋转变换函数由相对于纵向轴线X的180°的旋转矩阵表示。

在这种情况下，上述选择操作参考系的步骤包括在上述恒等函数ID和旋转函数FLIP中选择待应用于参考系的函数。

根据方法实施例，主设备相对于上述纵向轴线X具有轴对称性，机器人系统对于主设备围绕纵向轴线X的任何旋转不需要相对于纵向轴线X对准，因而使得能够进入远程操作步骤和/或在远程操作步骤中操作。

根据方法实施例，主设备相对于上述纵向轴线X是几何对称的。

根据方法实施例，从设备(特别是从设备的控制点)相对于从设备的轴线可移动。这样的从设备轴线根据预定的相关性与主设备的上述纵向轴线X相关。

根据方法实施例，从设备(特别是从设备的手术器械)相对于从设备的上述轴线是几何对称的和/或功能对称的。

根据方法实施例，该方法用于启动和/或准备和/或执行由机器人系统执行的远程操作，该机器人系统用于医疗远程操作或外科远程操作。

根据实施例，在远程操作步骤期间，在由于操作员在短时间(低于预定时间阈值)内发生的操纵而存在围绕纵向轴线X的旋转运动的情况下，该方法包括将操作参考系从上述局部操作参考系中的一者切换到另一者。

根据另一实施例，还涉及这样的情况：在远程操作步骤期间，在由于操作员在短时间(低于预定时间阈值)内发生的操纵而存在围绕纵向轴线X的旋转运动的情况下，该方法包括仅涉及从属于由主设备的纵向轴线X控制的那些运动的运动，将从设备的从属运动的解耦，直到主设备的滚动速度(rolling velocity)下降到上述时间阈值以下。

根据实施例，在有限的远程操作的阶段和/或暂停(suspended)远程操作的阶段期间，其中，从设备仅对于一些可控自由度从属于主设备，该方法包括在由于操作员在短时间(低于预定时间阈值)内发生的操纵而存在围绕纵向轴线X的旋转运动的情况下，重新评估多个局部操作参考系中的哪一个用于计算主设备的目标取向。

根据该方法的实施方案，由于操作员的操纵，使得上述围绕纵向轴线X的旋转运动与180°旋转对应。

根据实施例，基于对准检查的结果，基于一个或多个预定义的选择标准，执行上述选择操作参考系的步骤。

根据这种实施例的各种可能的实施方案，上述一个或多个选择标准基于主设备和从设备的绝对取向和/或相互取向的值、和/或主设备与从设备之间的取向差的值，和/或还包括基于机器人系统的内部状态和/或外部状态验证其他条件，和/或包括与患者安全有关的标准。

根据方法实施例，其中，从设备包括接头(joint)，该接头适于允许关于一个或多个自由度的旋转和/或移动，上述一个或多个选择标准包括：

-计算从设备的接头的取向和/或位置与主设备的目标取向之间的第一距离，该第一距离映射在从设备的工作空间中，相对于该第一局部参考系来表示；

-计算从设备的接头的取向和/或位置与主设备的目标取向之间的第二距离，该第二距离映射在从设备的工作空间中，相对于该第二局部参考系来表示；

-根据第一距离较短还是第二距离较短，分别选择主设备的第一局部参考系或第二参考系。

根据实施方案，上述选择步骤包括选择局部参考系，该局部参考系使映射在从设备的工作空间中的、从设备的接头的取向和/或位置与主设备的目标取向之间的距离的加权函数最小化。

应当注意的是，从空间中的目标姿势和/或目标参考系具有从设备接头的预定义的关联位置和/或取向。

可选地，这种关联是唯一的关联。

可选地，上述接头仅旋转。

根据方法实施例，上述一个或多个选择标准包括选择局部参考系，该局部参考系确定映射在从设备的工作空间中的主设备的结果(resulting)姿势和/或取向，如此以使从设备的工作空间中相对于与从设备相关联的参考系的轴线角(axis-angle)误差最小化。

根据另一个方法实施例，上述一个或多个选择标准包括选择局部参考系，该局部参考系确定映射在从设备的工作空间中的主设备的结果姿势和/或取向，如此以使与从设备的工作空间的预定义界限的距离最大化。

根据方法实施例，上述一个或多个选择标准包括选择局部参考系，该局部参考系确定映射在从设备的工作空间中的主设备的结果姿势和/或取向，使得从设备向主设备的上述结果姿势和/或取向趋同(converge)所需的轨迹在行进的角距离和/或需要的对准时间方面是最短的，和/或优化与患者安全相关的标准。

根据实施方案，从设备向主设备的最终姿势和/或取向趋同所需的上述轨迹考虑了靠近从设备的任何障碍物和/或关键区域。

根据方法实施例，对准步骤包括多个控制循环，选择局部参考系的步骤在对准步骤的上述每个控制循环都执行，或者仅在对准步骤开始时执行。

根据另一个方法实施例，对准步骤包括无运动对准的子步骤，在该无运动对准的子步骤中，从设备的手术器械不能运动；以及有运动对准的子步骤，在该有运动对准的子步骤中，从设备的手术器械能够运动，并且仅在无运动对准的子步骤期间执行选择局部参考系的步骤。

根据方法实施例，在对准步骤结束之后，基于在对准步骤期间选择的操作参考系，通过表示目标设备的当前取向以及由此表示从设备的从属取向，执行远程操作步骤。

根据另一种实施方案，在对准步骤期间选择的最后一个变换函数被用在随后的远程操作的整个持续时间内。

根据实施方案，上述可预定的纵向轴线X是由主设备的两个彼此正交的对称平面的交线定义的轴线。

根据另一种实施方案，上述从设备的功能对称的轴线也是从设备的几何对称轴线，即，相对于两个对称的从平面的对称轴线。

现在描述根据本发明的另一个方面的用于启动和/或准备由机器人系统执行的远程操作的另一种方法，其中，该机器人系统用于医疗远程操作或外科远程操作。这种机器人系统包括至少一个主设备以及至少一个从设备，该至少一个主设备是手持式的、在机械上无约束并且适于通过操作员而运动，该至少一个从设备包括显微手术器械，该显微手术器械适于由主设备控制。该主设备的主体是不接地的，旨在于远程操作期间由外科医生手持。该主设备可以被布线，以与机器人系统的一部分进行数据连接。

机器人系统还包括远程操作准备第一控制装置。例如，远程操作准备第一控制装置包括人机界面，该人机界面允许操作员将想要进入远程操作的意图传达给机器人。

该方法包括以下步骤：通过操作上述远程操作准备第一控制装置，启动远程操作准备步骤；然后，执行主设备与从设备之间的对准步骤，在该步骤中，从设备能够运动，以便使手术器械的取向与主设备的取向对准；然后，在完成上述的主设备与从设备之间的对准步骤之后，进入远程操作。

在准备步骤期间和在对准步骤之前，该方法包括执行用于进入对准步骤的一个或多个第一检查，仅当所有的一个或多个第一检查都成功通过时，才能够开始对准步骤。

此外，在进入远程操作步骤之前，该方法包括执行用于启用对准步骤的一个或多个第二检查，仅当所有的一个或多个第二检查都成功通过时，才能够进入远程操作。

根据方法实施例，对准步骤包括：无运动的对准子步骤，在该子步骤中，从设备的手术器械不能运动；以及有运动的对准子步骤，在该子步骤中，从设备的手术器械能够运动。

在这种情况下，该方法包括执行对准动作，该对准动作适于获得从设备相对于主设备的对准，该方法还包括执行一个或多个第三检查，该一个或多个第三检查适于检查上述的无运动对准的子步骤与有运动对准的子步骤之间的变换。

根据实施方案，上述有运动的对准子步骤与无运动对准的子步骤循环往复。

在这种情况下，在每个循环结束时，该方法包括检查第一检查的结果，如果所有的第一检查都提供正面的结果，则保持在对准步骤中，如果第一检查中的至少一个没有提供正面的结果，则退出对准步骤，以返回准备步骤；进一步检查第二检查的结果，如果所有的第二检查都提供正面的结果，则进入远程操作步骤。

根据该方法的各种可能的实施例，上述第一检查包括以下检查中的一者或多者：

-检查对主设备的握持是否正确；和/或

-检查主设备位置的可接受性；和/或

-检查主设备的结构完整性；和/或

-检查主设备的信号质量；和/或

-检查显微手术器械是否正确安装在机器人设备上。

根据主设备具有相对运动的自由度的方法实施例，上述对主设备的握持是否正确的检查包括验证相对运动的自由度是否超过可定义阈值，该可定义阈值定义为静止(resting)位置。

根据实施方案，上述相对运动的自由度为张开(opening)/闭合的自由度，验证步骤包括验证上述张开/闭合的自由度是否以低于张开角阈值的张开角略微闭合。

根据另一种实施方案，上述相对运动的自由度是线性位移的自由度，验证步骤包括验证该线性位移是否为超过某一(certain)接近/远离阈值的接近/远离的线性位移。

根据另一种实施方案，上述相对运动的自由度是扭转的自由度，验证步骤包括验证扭转是否高于某一扭转阈值。

根据方法实施例，在该方法实施例中，主设备包括接触传感器(例如，电容传感器和/或压力传感器)，上述对主设备的握持是否正确的检查包括处理由接触传感器检测到的信息，以例如确定主设备是否与用户接触。

根据方法实施例，上述对主设备的位置的可接受性的检查包括验证主设备是否处于预定义的或可预定的工作空间区域内，例如，由追踪系统确定的空间区域内。

根据另一个方法实施例，上述对主设备的位置的可接受性的检查包括验证主设备是否未处于静止配置中，其中，这种静止配置与例如主设备在工作空间区域中的位置对应，并且优选地还与主设备的取向和/或张开/闭合水平(level)对应，该工作空间区域适于在主设备未被手持时放置主设备。

根据方法实施例，上述对主设备的信号质量的检查包括验证主设备与系统之间的数据通信是否是激活和运行的，并且是否由具有高于各自预定义阈值的优质电平(qualitylevel)和/或信噪比的电信号支持。

根据实施方案，上述对主设备的信号质量的检查包括验证主设备的传感器是否被连接和激活。

根据方法实施例，上述对主设备的结构完整性的检查包括验证表明主设备的结构完整性的一个或多个预定义约束，其中，基于对主设备的位置和/或速度和/或加速度的检测/测量，这些约束是可验证的。

根据实施方案，上述对主设备的结构完整性的检查包括验证主设备是否定义了与预期取向对应的检测取向。

根据该方法的各种可能的实施例，上述第二检查包括以下检查中的一者或多者：检查主设备的取向与从设备的取向之间的对准一致性，和/或，检查主设备与从设备的张开/闭合水平的一致性。

根据实施例，上述第二检查包括检查主设备与从设备之间的对准和张开/闭合水平这二者的一致性。

根据实施方案，上述对于对准一致性的检查包括验证主设备取向和从设备取向在预定义公差内是否相等，该预定义公差由主设备的取向与从设备的取向之间允许的最大取向差阈值表示。换言之，这种对准一致性的检查包括验证主设备的取向与从设备的取向之间的差是否低于上述的最大取向差阈值。

根据实施选方案，上述对张开/闭合水平的一致性的检查包括验证主设备的握持闭合或张开角和从设备的握持闭合或张开角在预定义公差内是否相等，该预定义公差由主设备的张开/闭合水平与从设备的张开/闭合水平之间允许的最大握持闭合差阈值表示。换言之，在这种情况下，这样的对准一致性的检查包括验证主设备的握持闭合或张开角与从设备的握持闭合或张开角之差是否低于张开/闭合水平之间的该最大差阈值。

根据方法的各种可能的实施例，上述第三检查包括以下检查中的一者或多者：通过从设备取向检查主设备取向的可达性，和/或，检查从设备取向相对于主设备取向的对准一致性。

根据实施方案，当在无运动对准的子步骤中时，通过所有规定的第三检查，允许向有运动的对准子步骤变换，当未能通过第三检查中的至少一者时，不允许向有运动的对准子步骤变换，或者，当在有运动的对准子步骤中，迫使变换回到无运动的对准子步骤。

根据实施方案，上述对取向可达性的检查包括验证主设备取向与从设备的医疗器械的运动学取向之间的初始未对准是否小于主从初始未对准阈值。

根据另一种实施方案，上述对取向可达性的检查包括验证是否存在可能的对准轨迹。

根据实施例，上述对于对准一致性的检查包括验证主设备取向和从设备取向在预定义公差内是否相等，该预定义公差由主设备的取向与从设备的取向之间允许的最大取向差阈值dV表示。换言之，这意味着验证主设备的取向与从设备的取向f(RPYs-RPYm)之差是否低于上述最大取向差阈值dV。这种参数dV可以与以下提到的参数DELTA V对应。

根据方法实施例，作为上述第二检查的一部分或作为上述第三检查的一部分执行的对准一致性检查针对从设备的取向的每个自由度进行验证。这样的特征将参考“欧拉角(Euler angle)”在以下更详细地公开。

根据另一个方法实施例，作为上述第二检查的一部分或作为上述第三检查的一部分执行的对准一致性检查被验证为单个总体绝对值。

根据实施方案，上述最大取向差阈值dV取决于从设备的取向，和/或基于从设备的显微手术器械在其工作空间内部的取向而变化。

根据其他可能的实施方案，上述最大取向差阈值dV取决于其他参数。

根据实施方案，通过分解为两个子旋转来验证上述最大取向差阈值dV，其中，相对于各自的阈值来验证第一子旋转的第一误差和第二子旋转的第二误差。

例如，在这种实施方案中，使用了“扭转和摆动”计算方法，在该计算方法中，定义了从设备的主方向(与主设备的主要尺寸不可分割(integral))和主设备的主方向(与主设备的主要尺寸不可分割)，将第一取向误差或摆动误差定义为主设备的主方向与从设备的主方向之间的角误差，同时假设已经对第一误差进行了补偿，将第二误差或扭转误差定义为主设备的取向与从设备的取向之间的角距离。

根据另一种实施方案，主设备的取向与从设备的取向之间的距离通过“四元数距离(Quaternion Distance)”计算方法来计算。

根据实施方案，使用当前阈值计算方法来计算主设备的取向与从设备的取向之间的距离，仅对于在各自的阈值内验证了对准的轴线，才允许变换到关于独立轴线运动的对准子步骤，或者，仅当所有轴线在各自的阈值内都验证了对准时，才允许变换到关于所有轴线运动的对准子步骤。

根据实施方案，在未对准范围内，对于0°的对准或围绕能够由主设备的主体定义的纵向轴线旋转180°的对准，优选地仅当一些取向检查成功通过时，上述取向对准检查才成功通过；优选地，主设备主体相对于可定义的纵向轴线在几何上和/或功能上对称，并且从手术器械主体优选地相对于可定义的纵向轴线在功能上对称。

这些特征将在以下更详细地公开。

根据实施方案，该方法还包括验证从设备的控制点的对准运动是否仅执行纯粹的旋转运动。

根据方法实施例，上述对准动作包括旨在获得以下行为的一个或多个动作：

-恒定的和/或有限的对准速度；

-与未对准值或取向差的向量的模成反比的运动速度；

-根据预定义的对准运动策略，追踪从设备的轨迹。

根据实施方案，在将显微手术器械与主设备对准时，从设备的运动速度低于对准速度阈值。

根据该方法的另一种实施方案，从设备的运动对准轨迹的瞬时角速度与未对准阈值dV的向量的模成反比。

根据该方法的另一种实施方案，从设备的运动对准轨迹的瞬时角速度与对准步骤中的持续时间成正比。

根据该方法的另一种实施方案，从设备的、从初始取向RPYs1到最终取向RPYs2的、与主设备取向对应的追踪运动遵循一条轨迹，该轨迹适于单调地减小两个取向之间的距离。

根据实施例，该方法包括另一步骤，在该另一步骤中，为有运动的对准子步骤和无运动的对准子步骤建立最大持续时间，当超过预定的最大持续时间时，退出上述子步骤中的一者。

根据方法实施例，上述远程操作准备第一控制装置包括踏板或按钮，该踏板或按钮可以被按压，以启动对准步骤并保持按压直到对准步骤完成。

操作员可以是例如外科医生或医生。

根据实施方案，该方法包括另一步骤，在该另一步骤中，在每个循环验证踏板或按钮是否保持被按压，其中，如果踏板或按钮未被保持按压，则该方法包括确定退出对准步骤。

根据另一种实施方案，该方法包括另一步骤，在该另一步骤中，一旦对准步骤已经完成并且已经成功进行进入远程操作步骤，就验证控制踏板在超时时间段(例如，在3秒至15秒之间)内是否被松开。

如果踏板没有被松开，则远程操作会中断。因此，该方法设想的是，一旦对准步骤完成，当操作员保持控制踏板或任何其他远程操作控制装置被按下的时间长于该退出时间阈值(或超时时间段)时，机器人系统就退出远程操作。

根据实施例，该方法包括另一步骤，在该另一步骤中，在操作员与系统之间提供可操作地连接到主设备的界面，该界面被配置为允许操作员表明操作员想要访问远程操作步骤以及进入对准条件(alignment condition)的意图，优选地，还有保持在这种对准步骤中直到其可能完成的意图。

根据实施方案，上述界面是张开/闭合或握持的主指挥部(master command)，该主指挥部被配置为在远程操作时致动从设备的张开/闭合或握持的从属自由度。

根据方法实施例，其中，上述用于医疗或外科远程操作的机器人系统包括两个主设备(右主设备和左主设备)以及两个各自的从设备(右从设备和左从设备)，该方法包括：这两个从设备中的每个从设备相对于另一个从设备独立地与各自的主设备执行有运动的对准过程、具有独立的对准时间、并且独立于另一个从设备的进入远程操作而单独地进入远程操作。

根据实施方案，右设备的对准步骤的开始与左设备的对准步骤的开始同时进行。因此，还可以识别系统是包括两个主设备还是包括单个主设备。

在上述情况下，该方法的实施方案提供了：上述第一检查包括基于几何约束的检查验证右主设备是否被操作员的右手握持，以及左主设备是否被操作员的左手握持。

根据实施方案，上述几何约束包括检测左主设备和右主设备在工作空间内的相对位置。

根据实施方案，上述几何约束包括验证所检测到的右主设备和左主设备的位置相对于测量系统、或者相对于单个主设备是否分别位于工作空间的右半部分和左半部分中。

根据方法实施例，从设备与主设备之间的对准步骤的启动受到另一约束，其中，远程操作控制装置被操作和/或按压并且保持操作和/或按压预定时间，以避免非本意的远程操作启动。

根据另一个方法实施例，在远程操作启动之后，对在远程操作期间需要遵守的另外的约束执行另外的检查。在这种情况下，该方法包括另一步骤，在另一步骤中，退出远程操作，和/或如果不遵守上述的另外的约束，促进退出远程操作。

根据实施方案，上述约束包括验证主设备和从设备的速度或加速度在预定的初始远程操作时间段内是否低于某一阈值。

根据该方法的各种可能的实施方案，进入对准步骤、在这个步骤中的持久性以及进入远程操作步骤的成功或失败通过适当的音频/视频信号来示意，和/或在对准步骤中的持久性通过频率在0.5Hz至2Hz之间的间歇性声音来标识。

根据实施方案，该方法包括当操作员再次按压控制踏板或致动另一个远程操作控制装置时，机器人系统退出远程操作。

根据实施例，该方法在用于远程操作手术的机器人系统上操作。

再次参考图1至图10，现在描述一种用于医疗远程操作或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统适于由上述方法控制以启动和/或准备远程操作。

这种系统包括至少一个主设备110以及至少一个从设备740，该至少一个主设备是手持式的、机械上无约束并且适于通过操作员150而运动，该至少一个从设备包括适于由主设备110控制的手术器械(170；770；780)。主设备110相对于主设备的可预定的单个纵向轴线X是功能对称的。

该系统被配置为执行以下动作：

-相对于主设备的工作空间的主参考系MFO，检测主设备的局部参考系MF及其纵向轴线X；

-定义多个局部参考系，这些局部参考系与检测到的局部参考系功能等同，其中，这种局部参考系围绕主设备的该纵向轴线X旋转各自的角度；

-针对主设备的与检测到的局部参考系功能等同的每个上述局部参考系，在从设备的工作空间中映射对应的目标参考系；

-根据从设备的轨迹的优化标准，从与检测到的局部参考系功能等同的上述多个局部参考系中选择操作参考系。

根据实施例，该系统包括控制单元，该控制单元被配置为执行该检测、定义、映射和选择的动作。

根据各种实施方案，该系统被配置为执行根据本说明书中公开的这种方法的任何一个实施例的控制方法的动作。

根据各种实施方案，该系统被配置为执行根据本说明书中公开的这种方法的任何一个实施例的方法的动作，该方法用于启动和/或准备和/或执行由用于远程操作的机器人系统执行的远程操作。

现在描述另一种用于医疗远程操作或外科远程操作的机器人系统，该机器人系统适于由上述用于启动和/或准备远程操作的方法来控制。

这种系统包括：至少一个主设备，该至少一个主设备是手持式的、机械上无约束并且适于通过操作员而运动；以及至少一个从设备，该至少一个从设备包括适于由主设备控制的手术器械，使得根据主从式控制架构，从设备的涉及多个(N个)可控自由度中的一个或多个自由度的运动由主设备的各自的运动控制。

该系统还包括可操作地连接到主设备和从设备这二者的控制单元，该控制单元被配置为控制系统，以执行根据之前所公开的任何实施例的启动和/或准备远程操作的方法。

控制单元优选地适于采集主设备的姿势的信息，以将操作信号发送到从属的从设备的手术器械。控制单元优选地包括在控制台中。

机器人系统优选地包括追踪设备(例如，磁性追踪和/或光学追踪)，以映射无约束的或“飞行的(flying)”主设备的位置和取向，从而检查从设备的手术器械的位置和取向。

优选地，主设备的平移运动与从设备的手术器械的至少一个标识控制点的从属运动之间存在比例关系，换言之，从手术器械的控制点的平移是主设备的平移的一小部分(在从1/3到1/20的范围内)。随着比例增长，在主设备的工作容积中重新定位或容纳主设备的能力变得特别有利。

根据实施例，该系统是用于远程操作显微手术的机器人系统。在这种情况下，从设备的上述手术器械是显微手术器械。

以下将以非限制性示例的方式，提供根据本发明的方法和系统的进一步细节。

根据该方法的实施方案，上述第二检查包括验证主设备取向与从设备的显微手术器械的运动学取向之间的初始未对准是否小于主从未对准阈值。

根据方法实施例，上述未对准阈值基于从设备的显微手术器械相对于机器人系统的预定义方向的取向而变化。

优选地，用于启用对准步骤的启动的未对准阈值取决于从设备的手术器械相对于机器人系统的预定义方向(例如：被约束在从手术器械上游的定位心轴的纵向方向)的当前姿势和/或期望姿势。

根据方法实施例，上述第二检查包括验证所测量的、主设备取向与被约束至运动学架构的机器人系统的预定义和已知方向之间的初始未对准是否低于第二主从未对准阈值。

根据实施方案，上述第二未对准阈值在绝对值为0至90度的范围内。

在另一种实施方案中，上述第二未对准阈值在绝对值为0至45度之间的范围内。

根据实施方案，无约束的主设备主体基本上是几何对称的。

术语“几何对称”优选地指，当围绕可定义的纵向轴线旋转180°时，主设备的主体对于操作员来说是无法区分的。

根据实施例，术语“几何对称”是指主设备的主体相对于由两个或多个可定义平面的交线(intersection)所标识的纵向轴线是几何对称的，根据这种实施方案，主设备的局部纵向方向由上述平面的交线给定和定义。换言之，根据该实施例，术语“几何对称”是指主设备主体根据“N折”对称性进行几何对称。

根据实施例，术语“几何对称”是指主设备主体相对于两个正交的纵向平面和水平平面是几何对称的，根据这种实施方案，主设备的局部纵向方向由上述对称平面的交线给定和定义。

优选地，从设备的手术器械是功能对称的。术语“功能对称”是指即使从几何角度来看从设备的手术器械可能不是对称的，但是如果其围绕定义的纵向轴线(例如，穿过从设备的轴的“滚动”或“扭转”轴线)旋转180°使用，该从设备的手术器械也不会失去任何功能。

根据实施方案，从设备的手术器械也是几何对称的。

根据实施例，术语“功能对称”是指从手术器械的主体相对于其局部纵向平面和局部水平平面是对称的，以允许定义从纵向方向。

在远程操作步骤期间，主设备相对于其纵向轴线的纯旋转命令从设备相对于其纵向轴线具有相同幅度的纯旋转。

根据主设备存在对称性的实施例，主设备允许操作员在两个对称位置上无差别地手持，这两个对称位置相对于前面提及的主设备的纵向轴线偏移180°。

如本领域技术人员将理解的，主设备的握持的这种不可区分性的性质将从设备的两个可能的目标取向与主设备的每个取向相关联，相对于主设备的纵向对称轴线彼此偏移180°。优选地，在远程操作期间，两个目标取向中的仅一个目标取向被从设备用于追踪。

根据实施例，在对准步骤之前和/或在对准步骤期间，基于主设备与从设备的手术器械之间的相互取向和/或其他可能的和特定的操作条件来作出这种选择。

根据不同的实施方案，在主设备和/或从设备和/或主设备和从设备这二者的纵向对称性不完美的情况下，也可以获得主设备的握持的不可区分性的这种性质。

根据方法实施例，有运动的对准步骤包括在将显微手术器械与主设备对准的同时，提供对从设备的运动速度的限制，例如，使得从设备的运动可以被操作员理解并且是安全的。

根据方法实施例，对准步骤提供从设备关于从设备本身的一部分专门执行旋转运动。

根据实施方案，待验证旋转运动的从设备的上述部分应被理解为从设备的末端(tip)。

根据实施方案，上述检查在显微手术器械的虚拟作用点(例如，从设备的受控端之间的中点)上执行。

根据实施方案，从设备的除末端和铰接到其的部分以外的其他部分(属于上游定位和取向运动链)可以平移，因此不经受对上述专门旋转运动的验证。

如已经注意到的，在实施例中，主设备具有被称为张开/闭合的相对运动的自由度。根据实施方案，这种张开/闭合的自由度与主设备或主设备的一部分的变形水平(level)相关联。根据另一种实施方案，这种自由度与操作员在主设备或主设备的一部分上诱发的力和/或扭矩的量相关联。

在这种情况下，根据实施方案，上述检查包括验证张开角是否低于某一阈值。

根据实施方案，主设备的刚性部分之间的上述张开角阈值在10度至45度之间的范围内，或者是相对于起始张开角(即，静止角)在5度至15度之间的范围内的偏差阈值。

根据实施例，通过主设备的变形/平移或通过与主设备本身的结构集成的两点的距离来标识上述张开/闭合的自由度。

在实施例中，确定主设备的张开/闭合的程度的点是主设备的末端。在这种情况下，上述线性开口阈值在3mm至20mm之间的范围内，优选地，在3mm至10mm之间。

根据实施例，主设备具有传感器组(set)，该传感器组适于测量由操作员施加在主设备上或主设备的某些部分内的力或扭矩的量。

在这种情况下，上述第一检查包括验证在主设备上或在主设备的某些部分中测量的物理量的大小是否表明这种主设备实际上是由操作员操纵的。

在方法实施例中，操作员与系统之间的上述界面由无约束的主设备在工作区域内的位置组成。

根据实施方案，主设备的一组姿势被排除在这样的工作区域之外，在该工作区域中，这种设备被识别为处于静止或放置状态，或者存放在适于在主设备未被操纵时容纳主设备的容积中。

根据实施方案，通过主设备在给定空间区域中的存在以及通过表明其放置的主设备的取向和/或张开/关闭水平来标识这种静止状态。在实施例中，这种静止状态由主设备在给定空间区域中的位置唯一地标识。

应该注意的是，在对准步骤期间，主设备与从设备之间的从属策略是明确的(articulated)，以最大限度地符合与患者解剖相关的安全约束，而不必最小化从设备的运动。在实施方案中，从设备在对准期间可以不遵循最短的角轨迹。

根据实施例，该方法包括：如果这种步骤超过的时间大于对准时间阈值(例如，2秒至15秒之间)，则机器人系统退出对准步骤。

作为非限制性示例，以下给出了优选方法实施例的进一步细节，该优选方法实施例包括多种检查和验证，包括以上已经提到的那些检查和验证。

下面提到的参考系在图1至图10中(特别是在图5中)示出：

“主系”(master frame，MF)或“主参考系”；

“主系原点”(master frame origin，MFO)或“主参考系原点”；

“从系”(slave frame，SF)或“从参考系”；

“从系原点”(slave frame origin，SFO)，或“从属参考系原点”；

“固定参考系统”(fixed reference system，FRS)”，或“固定外部参考系统”；

“主从变换”(master to slave transformation，MST)；

“从工作空间中的主系”(master frame in slave workspace，MFS)，或“从工作空间中的主参考系”。

一般而言，在不考虑主设备和从设备的从手术器械的张开/闭合(“握持”)的自由度的情况下：

1)每个主设备的姿势用“主系(MF)三元组”唯一标识，该主系三元组相对于与追踪系统集成的参考系来表示，被称为“主系原点”(MFO)；

2)从设备的姿势用“从系(SF)三元组”唯一标识，该从系三元组相对于与机器人系统集成的参考系被称为“从系原点”(SFO)。

因此，在给定固定参考系统(FRS)的情况下，“主从变换”(MST)被定义为将与MFO相关的变换映射到与SFO相关的变换，因此将MST在从MF到MFO的变换中的应用定义为“从工作空间中的主系”(MFS)。

当系统处于远程操作时，机器人系统致动从设备，以使其“从系”SF追踪由用户控制的“从参考系统中的主系”MFS(没有平移比例和偏移要素)。

因此，从旋转的角度来看，根据实施例，主设备和从设备相对于其纵向平面是完全对称的，“从系”SF追踪如上所述计算的“从工作空间中的主系”MFS或从“主系”MF围绕主设备的主要尺寸预旋转180°得出的MFS(例如，主设备主体的纵向延伸不受控制台的机械约束)是无关紧要的。

在这种背景下，一旦验证了机器人系统的可能性和操作员想要开始远程操作的意图，机器人系统执行预备步骤，该预备步骤适于：

1.定义从设备需要追踪两种可能的“从工作空间中的主系”MFS方案中的哪一种。该选择遵从最小化对准轨迹的标准之一来执行，这将在以下更详细描述。

2.定义“从工作空间中的主系”MFS和“从系”SF之间的平移偏移，以便在远程操作期间唯一地标识主设备在从工作空间中的相对位置。这些偏移在每次进入远程操作时都要定义，使得远程操作中的每次平移从属运动只能是进入远程操作之后发生的主运动的结果。

3.将“从系SF三元组”与“从工作空间中的主系”MFS对准，或仅当从设备的手术器械具有与用户控制的取向一致(compatible)的取向时，开始远程操作。

4.如果存在，则通过从设备的手术器械的张开/闭合状态(“握持”)再现主设备的张开/闭合状态(“握持”)。

以下示出了优选的方法实施例的进一步细节，这些细节包括大量检查和验证，这些检查和验证包括那些已经提到的检查和验证，在这些检查和验证中，外科医生通过检查踏板控制远程操作的准备步骤、开始步骤和执行步骤之间的变换。

当外科医生坐在主控制台上时，机器人系统(以下也称为“机器人”)还没有处于远程操作中。

此时，外科医生按压控制踏板并保持按下控制踏板，直到对准步骤完成。根据优选的实施方案，在完成对准步骤之前松开控制踏板的情况下，机器人终止对准步骤，而不开始远程操作步骤。

一旦检测到操作员在控制踏板上的动作，机器人被配置为立即运行以下检查1)、2)、3)、4)。

1)验证从设备的手术器械是否已被机器人的微操纵器接合，即，机器人是否已正确检测并初始化手术器械。例如，根据实施方案，手术器械已经被放在正确的位置(例如，放在等待被致动的专用“口袋”中)，机器人已经准备好手术器械其自身的致动装置(“就绪”状态)，例如，电动活塞的延伸件。

当通过该验证1)后，机器人提供确认信号(例如，绿光和声音信号)。

优选地，随后但还可同时，机器人进行以下检查：

2)验证主设备是否位于为同一主设备布置的工作空间内。

这可以例如通过主设备的追踪子系统来执行，该主设备追踪子系统被包括在机器人系统中。例如，机器人系统可以设置有追踪磁场发生器，该追踪磁场发生器与主控制台集成一体。

根据实施方案，机器人系统设置有光学追踪系统。例如，光学追踪系统包括摄像头的立体系统，并且能够唯一地标识主设备在预定工作空间内的姿势。

按压控制踏板，机器人处理来自追踪子系统的信息，以检测在预定工作空间内存在或不存在主设备。

3)验证主设备的结构是否完好无损。

这可以例如通过评估与存在于平面内的主设备可关联的两个追踪传感器134、135(例如：磁力计类型传感器和/或光学标记)来完成，通过将主设备的模型与追踪传感器的当前姿势进行比较来完成。例如，这种比较可以表明主设备主体的杆或臂是否变形。其他完整性检查的示例可以基于对主设备的杆或臂的位置和取向的测量。

4)验证外科医生是否向机器人提供了想要进入远程操作的意图。

这可以由外科医生通过朝向闭合按压主设备的杆来完成。在这种情况下，通过验证杆或臂的张开角度是否小于预定量(Delta M)(例如，主设备臂的最大张开和/或初始张开的一小部分)，进而检测追踪传感器134、135彼此接近的接近度，来检测外科医生是否有想要进入远程操作的意图。

根据实施方案，主设备的张开/闭合的自由度的轻微闭合与能够检测想要进入远程操作的意图的量相对应。

替代地，这可以通过评估主设备在存放主设备的静止区域之外的区域中的存在来完成。

应当注意的是，如果上述检查1)以及随后的2)、3)、4)——优选地实时发生(即，在几分之一秒内给出正面的结果)，则机器人尚未进入远程操作步骤，而是开始对准步骤，在对准步骤中，从设备能够运动(这可以由各自的声音信号或视觉信号来示意)。

如果上述检查中有一项未通过，则机器人就会发出异常警告信号(声音和/或视频)，此时需要松开踏板，然后再次按压踏板进行重试，换言之，从传达想要进入远程操作的意图的步骤开始。

在实施例中，用户接收来自主设备的进入对准步骤以及进入完全远程操作的声音、视频或振动通信。

在实施例中，用户接收关于在按压踏板之后要采取的动作以通过该第一检查的信息，例如：将主设备保持在工作区域中、通过闭合来行使远程操作意图、在取向方向上使主设备运动以超过控制阈值。

在对准步骤中，主设备(由外科医生保持，也可以暂时保持静止)的运动与从设备的运动之间存在不匹配：事实上，从设备需要恢复相对于主设备的未对准。换言之，对准步骤的目标之一是确保从设备的手术器械在继续进行远程操作之前，恢复相对于主设备的任何取向误差。

在该步骤中，从设备的手术器械的运动对于操作员来说仍然是“直观的”，因为它遵循适当的追踪策略，并且以可预测的方式对操作员手持的无约束的主设备的进一步运动作出反应，尽管不一定要忠实地再现、缩放主设备的运动。应该注意的是，在该步骤中，从设备的手术器械的末端可能会靠近患者，因此需要绝对避免从设备出现大的、不受控制的运动。为此，在对准步骤期间，标识从属手术器械的检查点只能执行纯粹的旋转运动，而始终不能平移。换言之，通过提供从设备的手术器械仅执行旋转，以实现对准，而不进行平移运动，避免了从设备侧出现大的、不受控制的运动。

为了使从设备在对准步骤期间的运动最小，该对准步骤可以被视为由两个子步骤组成：A)无从运动的对准和B)有从运动的对准，如以下更详细解释的。这两个子步骤之间的变换可以由机器人连续评估，并且可以在两个方向上发生，甚至重复发生。总体而言，对准步骤要么以进入主从式远程操作状态而结束，要么以失败而结束。

如前所述，主设备可以是几何对称的和/或功能对称的，并且从设备的手术器械可以具有至少功能对称性。

根据实施方案，主设备和从手术器械这二者都是横向和纵向对称的，即，对于每个主设备和从设备，都可以定义由相对的两个对称平面(双平面对称)的交线给出的纵向方向(对称轴线)。

当主设备对称时，主设备相对于纵向轴线的两个对称的配置对操作员来说是无法区分的，并且在功能和几何上是等同的。根据这种实施方案，从设备的两个相对于其纵向方向对称的配置在功能上是等同的，优选地，在几何上也是等同的和无法区分的。

根据这种实施方案，机器人系统在主设备的空间取向变换到从空间中之前，会对主设备的空间取向进行预处理，以作为“从工作空间中的主系”MFS。预处理可以包括对主姿势MF应用两个可能的变换函数之一，该主姿势MF利用主设备与从设备之间的对称性质，即：

(i)应用“flip”变换函数，即，将主姿势围绕其纵向对称轴线旋转180°，或

(ii)应用“恒等(identity)”变换函数，即，不改变起始主姿势。

基于主设备和从设备的相互取向和/或绝对取向、和/或基于机器人系统的内部状态和/或外部状态的其他条件，机器人系统在“恒等”和“flip”函数之间选择用于计算目标取向(待用于追踪)的一个函数。该选择根据以下描述的一个或多个标准作出。

标准翻转(CRITERION FLIP)1)-在“恒等”和“flip”中，选择一变换函数，该变换函数使从设备的接头(例如，从设备的手术器械的接头、和/或从设备的微操纵器的接头)的取向和/或位置与结果目标姿态“从工作空间中的主系”MFS相关的接头的取向和/或位置之间的距离的加权函数最小化。

标准翻转2)-在“恒等”和“flip”中，选择一变换函数，该变换函数的结果姿势“从工作空间中的主系”MFS相对于“从系”SF的轴线角度误差最小化。

标准翻转3)-在“恒等”和“flip”中，选择一变换函数，该变换函数的结果“从工作空间中的主系”MFS使与从属工作空间的极限的距离最大化。这由此降低操作员在下一远程操作步骤期间退出工作空间的概率。

标准翻转4)-在“恒等”和“flip”中，选择一变换函数，使得从设备趋同于结果“从工作空间中的主系”MFS所需的轨迹在行进的角度距离和/或所需的对准时间方面是最短的，和/或优化与患者安全相关的标准。

根据实施方案，这种轨迹可以考虑从设备附近的任何障碍物和/或关键区域。

根据实施方案，机器人系统在对准步骤的每个控制循环选择最符合一个或多个选择标准的变换函数。根据这种实施方案，在对准步骤期间选择的最后一个变换函数将被用在下一个远程操作的整个持续时间内。

根据不同的实施方案，对所使用的变换函数的选择仅在对准步骤的初始时刻发生。

根据不同的实施方案，所使用的变换函数的选择仅在无运动的对准步骤期间进行。

根据一种实施方案，该实施方案提供了每个主设备(几何对称)和从手术器械(至少功能对称，也可以是几何对称)相对于各自的可定义的纵向轴线或各自的可定义的至少一个纵向平面的对称性，机器人评估主设备于两种可能的配置下在从空间中的空间取向(“从工作空间中的主系”MFS)，即，(i)直接从主设备的姿势获得的配置，和(ii)将主设备主体围绕其纵向延伸方向旋转(“翻转”)180°获得的配置。然后，机器人选择满足以下一个或多个要求的配置(以下称为“主映射(MASTERMAP)”)。

主映射1)-选择“从工作空间中的主系”MFS，该从工作空间中的主系MFS使机器人系统的接头(例如，从设备的手术器械的接头，和/或从设备的微操纵器的接头)的运动的加权函数最小化。因此，可以在对准步骤期间使机器人系统的一个或多个接头的移动最小化，避免了可能向物理从工作空间的极限漂移。

主映射2)-选择“从工作空间中的主系”MFS，该从工作空间中的主系MFS使具有“从系”SF的轴线角度误差最小。因此，可以使操作员在对准步骤期间感觉到的从设备的物理运动最小。

主映射3)-选择“从工作空间中的主系”MFS，该从工作空间中的主系MFS使最终“从系”SF取向与物理从工作空间的极限之间的距离最小。从而，降低了操作员在下一个远程操作步骤中离开机器人系统的接头的运动学所施加的物理工作空间的概率。

无需考虑正在进行的对准步骤的子步骤，机器人在任何时刻都使用最符合所采用的选择标准的“从工作空间中的主系”MFS。远程操作中使用的“从工作区中的主系”MFS将是在对准步骤期间选择的最后一个“从工作区中的主系”MFS。

根据不同的实施方式，只要对准步骤一开始，就使用以上列出的标准之一来固定“从工作空间中的主系”MFS。

根据不同的实施方式，仅在从设备不运动的对准步骤的子步骤中，使用以上列出的标准之一来固定“从工作空间中的主系”MFS。

以下更详细地描述两个子步骤A、B，这两个子步骤描述了对准过程。

第一个对准子步骤A是“无从运动的对准”步骤。这种子步骤A不提供从设备的任何运动，并且不完成主从对准。

在该子步骤A中，机器人执行进一步的检查，这些检查包括以下检查。

A1)验证主设备是否具有从设备可到达的三维取向，即，使从设备运动来达到主设备的取向是否可行。换言之，机器人验证由“从工作空间中的主系”MFS标识的主设备的取向是否具有三维取向，而使得在从工作空间内部存在趋同于“从工作空间中的主系”MFS的轨迹。机器人不一定处理最短的对准路径，因为其可能考虑患者解剖或其他手术条件所规定的边界条件，以及优化和轨迹安全标准。

应当注意的是，相对于“从系原点”SFO参考系，由“从系SF三元组”标识的从设备的手术器械的末端或容器嘴(spout)142、143是指属于从手术器械的控制点或与从手术器械刚性相关的虚拟点。在该步骤中，控制点需要仅进行纯粹的旋转运动，避免任何平移。这有助于避免给患者带来潜在的灾难性风险。

根据不同的实施方案，由机器人的软件执行的检查可以通过将上述末端作为一个或多个检查点或虚拟点来执行，该虚拟点与末端的自由端不重合，但例如在容器嘴或末端的点处或在容器嘴或末端的点的周围，以通过接触握持手术针。

A2)验证由“从工作空间中的主系”MFS标识的主设备与由“从系”SF标识的从设备之间的角距离是否受到量DELTA V的限制。因此，根据实施方案，机器人也接受从手术器械的尖端142、143的取向高于可预定公差值“DELTA V”。这种“DELTA V”的值可以根据各种参数(例如，从设备的末端的绝对取向))预先确定。

根据不同的实施方案，对DELTA V的值的计算可以使用以下计算方法来获得。

DELTAV1)“欧拉角”计算方法。在该实施方案中，“从工作空间中的主系”MFS的欧拉角向量(MEUL)相对于“从系原点”SFO参考系以及与“从系原点”SFO相关的其“从系”SF的对应从向量(SEUL)来定义。因此，DELTA V也被定义为以角度测量单位表示的三元素向量。在这种情况下，对于向量的每个元素i，如果满足以下条件，则通过验证A2：

|MEUL i–SEUL i|

对于欧拉角的提取，可以使用RPY惯例(“翻滚-俯仰-偏转”)或其他11个非连续等轴序列中的任何一个，这些等轴序列由已知的表示欧拉角的方法所设想。DELTA V的可能的选择是在5°至15°之间。

DELTAV2)“四元数距离”计算方法。在该实施方案中，评估分别与“从工作空间中的主系”MFS和“从系原点”SFO参考系中的“从系”SF系相关联的四元数(QM和QS)之间的角距离(EA)，即，“从工作空间中的主系”MFS与“从系”SF之间的相对变换的旋转标量。因此，DELTAV被定义为以角度测量单位表示的标量。在这种情况下，如果满足以下条件，则通过验证A2：

|EA|

DELTA V的值可以选择在5°至15°之间。

DELTAV3)“扭转和摆动”计算方法。在该实施方案中，“从工作空间中的主系”MFS(即，对准所必需的那个)中承载“从系”SF的旋转被视为两个旋转的组合，即：(i)从设备相对于手术器械的末端的主要尺寸(即，纵向延伸)的扭转旋转(RT)；(ii)从设备相对于与手术器械的末端的主要尺寸(即，纵向延伸)正交的另一条轴线的摆动旋转(RS)。因此，DELTAV被定义为以角度测量单位表示的二元素向量，上述旋转RS和旋转RT的旋转量。在这种情况下，对于向量的两个元素i，如果满足以下条件，则通过验证A2：

|vect(RT,RS)i|

第一个分量可以具有较大的余量(例如，从5°到30°)，而第二个分量可以具有较小的余量(例如，从5°到15°)。

根据不同的实施方案，可以任意选择足够大的量DELTAV，以使条件A2对于任何“从系”SF和“从工作空间中的主系”MFS对始终为真。

根据不同的实施方案，量DELTAV可以是固定的或可变的，这取决于机器人系统的软件的“从系”SF、“从工作空间中的主系”MFS、所选的比例因数(“缩放”)或这些和其他内部状态的组合。

如果检查A1和A2正面通过，则机器人进入第二对准子步骤，即，“有从运动的对准”子步骤B。

在这个子步骤期间，从设备运动以达到主设备的取向。换言之，“从系”SF运动，以达到“从工作区中的主系”MFS。

在子步骤B中：

(i)如果主设备是静止的，则从设备执行一条轨迹，该轨迹使得从设备像主设备一样确定自身的取向；

(ii)如果主设备在此期间运动，即，如果主设备在子步骤B期间运动，则从设备将按照适合与“从工作空间中的主系”的当前取向趋同的轨迹运动。

优选地，还是在该子步骤B期间，连续地执行前述的对主设备的上述检查2)、3)、4)，当对主设备的这些检查2)、3)、4)中的至少一个未通过时，机器人退出对准步骤和/或有运动的对准子步骤B。

根据实施方案，机器人退出有运动的对准子步骤B，并且返回到无运动的对准子步骤A。

在有运动的对准子步骤B期间，从设备执行的轨迹遵循以下一种或多种控制策略：

B1)对准轨迹的瞬时角速度是恒定的；

B2)对准轨迹的瞬时角速度是有限的，即，低于某一阈值；

B3)对准轨迹的瞬时角速度是有限的，并且这个限制与对准步骤中的持续时间成正比；

B4)对准轨迹的瞬时角速度受以上定义的速度限制中较小的速度限制的限制。

B5)对准轨迹的瞬时角速度阈值与向量DELTAV的模(通过之前提到的方法中的任何方法计算)成反比，换言之，当主从未对准角减小时，该对准轨迹的瞬时角速度阈值增大。

对准轨迹进行了适当的构建，以满足以下一个或多个要求：

B6)轨迹沿着最短的路径；

B7)轨迹沿着基于当前的操作条件确定的最容易的路径；

B8)轨迹沿着用户安全最大化标准规定的路径。

在有运动的对准子步骤B期间，从手术器械的闭合(握持)与主设备的闭合(握持)趋同，其中，轨迹满足一个或多个要求B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8。在有运动的对准子步骤B期间，以几分之一秒量级的周期连续地实时检查条件A1和A2。

如果上述检查A1至A2中的至少一个未通过，则机器人返回到从设备的无运动的对准子步骤A，等待两个检查A1至A2都是正面的。

如果所有上述A1至A2检查都给出正面结果，则机器人保持在子步骤B，直到对准步骤完成。

应当注意的是，还是在该子步骤B期间，连续执行前述的对主设备的上述检查2)、3)、4)，并且机器人退出有运动的对准子步骤B，返回到无运动的对准子步骤A。在这种情况下，只有当也满足条件2)3)和4)时，才可以返回子步骤B。

当子步骤B期间出现以下条件时，对准步骤完成：

远程操作条件(COND-TELEOP)1)-主设备和从设备的张开/闭合(握持)的程度相等(错误DeltaGrip除外)；

远程操作条件2)-主设备(即，“从工作空间中的主系”MFS)与从设备(“从系”SF)之间的取向误差小于量Delta U(被称为取向误差Delta U)。取向误差Delta U的计算可以通过已对DELTAV的情况进行描述的任何计算方法来评估。

如果在时间超时A内未达到上述条件远程操作条件1和远程操作条件2，则机器人系统立即终止对准步骤，并且在开始新的对准步骤之前，将需要松开控制踏板。

根据优选的实施方案，在对准步骤与远程操作步骤之间的变换中，确定在远程操作的其余部分中，将使用两个可能相反的“从工作空间中的主系”MFS配置中的哪一个。此外，“从工作空间中的主系”MFS的平移偏移优选地被定义为允许在进入远程操作的第一时刻，获得主设备相对于参考系“从系原点”SFO与“从系”SF的原点重合的相对位置。

根据另一种实施方案，当未满足(loss)上述条件中的一个或多个时，随后机器人退出有运动的对准子步骤B，并且返回到无运动的对准子步骤A。在这种情况下，只有当再次满足条件2)、3)和4)时，才有可能返回子步骤B。

远程操作步骤提供了，在有限持续时间的第一阶段中，在速度和/或加速度方面限制运动，以避免从设备在从对准步骤变换到远程操作步骤期间的运动急动(movementjerk)。

根据一种实施方案，一旦机器人进入远程操作步骤，则控制踏板需要在一定的超时T内被松开，例如，在3s至20s之间。如果在此时间内没有松开踏板，则机器人系统退出远程操作状态，并且将需要松开踏板并重新开始对准顺序。

以上描述的是指其中只有一个主设备和只有一个从设备的情况。

在存在两个主设备和两个从设备的优选的系统实施例中，控制策略被构建如下：

-主从对1和2这二者必须一起(同时)进入对准步骤；

-主从对1和2这二者必须一起(同时)进入远程操作步骤。

因此：

(i)如果两对主从对中的一对没有进入对准步骤(例如，手术器械未接合，检查1未通过，或者外科医生没有表示出想要在其中一个主设备上进行操作的意图，检查4未通过)，则可以仅继续两对中的一对的对准，然后可以仅使用通过所有检查的那个主从对进行进一步的远程操作；

(ii)如果两对中的一对(例如，主从对2)没有进入远程操作，但两对都已经进入对准步骤，则在进入远程操作之前，机器人等待，直到主从对1和2这二者都对准；该过程可能持续几秒钟。

在这种情况下，如果无法达到对准，则不允许使用单对主从对进行远程操作，操作员需要返回整个程序的开头，即，需要松开踏板，然后再次按压踏板。

在优选的系统实施例中，控制策略被构建如下：

(条件(COND)1)如果主从对1和2这二者都进入对准步骤，则它们会一起(同时)进入对准步骤。

(条件2)如果主从对1和2这二者都已进入对准步骤，则它们最终将一起(同时)进入远程操作步骤。

因此：

(条件1)如果两对主从对中的一对没有进入对准步骤(例如，手术器械未接合，条件1未通过)，或者外科医生没有表示出在其中一个主设备上操作的意图，条件4未通过)，则可以仅继续两对主从对中的一对的对准，一旦对准步骤完成，这一对也将是进入远程操作的唯一一对；

(条件2)如果两对中只有一对(例如，主从对2)不满足对准条件，但之前两对都已进入对准步骤，则在进入远程操作之前，机器人等待，直到主从对1和2这二者都满足上述条件。

在这种情况下，如果不能实现对准，则不允许使用单对主从对进行远程操作。

如果预定时间耗尽，两对主从对的对准过程都将未通过，则操作员必须在重新开始新的远程操作进入尝试之前松开踏板。

根据不同的实施方案，可以放宽条件1)，允许两对主从对以时间延迟的方式进入对准步骤(只要“推进”对仍处于对准步骤，尚未进入远程操作步骤)。

根据不同的实施方案，可以放宽条件2)，允许一对主从对进入远程操作，而另一对仍处于对准步骤。在这种情况下，进入远程操作的从设备只能通过旋转来运动，或平移的可能性有限。

根据实施例，每个主设备被唯一地分配给各自的从设备，由此右主设备需要位于右侧并且控制右从设备。在该背景下，在两对主从对的情况下，对准步骤开始有一个附加的必要条件，即条件5)“右左交换”：在若干对主从对的情况下，参考系“MFO”中与右主设备相关的系的位置需要相对于与左主设备相关的系“位于右侧”。对“右”和“左”的评估是通过沿着MFO方向投影主系的坐标完成的，该方向从操作员的角度来看与右和左的自然概念一致。如果“交换”了主设备，则当按压控制踏板时，无法开始对准步骤，但会通过屏幕上的消息通知操作员交换主设备。

根据不同的实施方案，可以将条件5)放宽或扩展到整个对准步骤。在后一种情况下，满足条件5)将被添加到条件A1和A2中，以使主从对在有运动的对准子步骤B中持续存在。

应当注意的是，在两对主从对的对准步骤期间，参数DELTAV、DELTAU以及轨迹的构建策略通常彼此独立，并且可以取决于机器人系统的状态以及所接合的手术器械的类型。

在实施例中，DELTAV大于Delta U，即，在无运动的对准子步骤A中，可接受的未对准阈值相对于当在有运动的对准子步骤B中时更大。例如：一组三个DELTA V用欧拉角法来计算，其值在10°-90°/10°-60°/10°-85°的范围内，Delta U是用“四元数距离”方法计算的值，范围在0°-10°内。

根据不同的实施方案，主从对的DELTA V、Delta U可以取决于对准过程的当前状态。例如，其中一对的趋同或对准步骤开始以来经过的时间可以扩宽公差裕度Delta V和Delta U，从而增加机器人系统的可用性。

综上所述，上文详细公开的实施方案可以概括如下：

-外科医生按压踏板，并保持按压踏板，直到对准过程结束；

-系统被配置为对以下各方面进行检查，涉及机器人的状态以及通过主设备的状态观察到的对操作员状态的一个或多个检查：

-检查(CHECK)1)：从手术器械是否与从设备接合；

-检查2)：主设备是否在规定的工作空间内；

-检查3)：主设备是否由操作员主动手持(在实施方案中，验证主设备是否未完全张开，而是略微关闭，以表示操作员想要进入远程操作步骤的意图)；该检查可以进一步验证主设备的追踪系统的信号质量是否满足适当的预定质量标准；

-检查4)：根据一个或多个结构完整性测试，主设备的结构是否完好无损；

-检查5)：如果打算用两个器械进行远程操作(对两个主设备进行检查1到检查4)，则两个主设备是否都被正确的手持，即，操作员同时主动手持。

如果上述所有检查都是正面通过的，机器人系统为用户提供音频确认信号和/或视频确认信号。

进入对准步骤，特别地是“无从运动的对准”子步骤。根据实施方案，如果存在两个主设备，则每对主从对独立于另一对进入对准步骤的子步骤A。在该子步骤A中：

-A1：检查主设备是否具有从设备可达到的取向；

-A2：检查主设备的取向与从设备的取向之间的距离是否小于量DELTA V。

如果发生上述情况，则进入从设备的“有运动的对准”子步骤B，在该子步骤B中，从设备运动以到达主设备，特别是由各个主设备控制的取向和张开/闭合的程度。如果未满足条件A1或A2中的一个，则机器人设备返回到对准步骤的子步骤A。

在对准子步骤B期间，从设备仅通过具有上述遵循控制动力学的轨迹的旋转来运动。

在主设备的主体和从设备的主体相对于各自的纵向轴线/平面对称的情况下，既可以用“从工作空间中的主系”MFS控制从设备，也可以用其相对于主设备的主要尺寸(即，纵向延伸)旋转180°的版本(version)来控制从设备。为此，在这两个子步骤中，可以基于上述某个优化标准来连续地决定使用“从工作空间中的主系”MFS的两个版本中的哪一个。

如果在任何子步骤期间，来自检查2至检查4的条件中的一个未通过，则机器人系统立即中断对准步骤。本文档中已经描述的其他实施方案放宽了这个条件。

如果在预定时间之后机器人系统仍处于对准步骤，则结束对准步骤，而并不进入远程操作。否则，如果在预定时间内，已经开始对准的所有主从对实际上已经在该在预定时间内进行了对准(受限于该误差Delta U)，机器人系统进入远程操作。

进入远程操作，对于每对主从对，冻结所使用的版本的“从工作空间中的主系”MFS，并且定义主空间与从空间之间的平移偏移。

根据实施方案，在开始远程操作步骤时，从加速度和速度在某个初始有限时间段内被限制。

一旦进入远程操作，必须在某一时间内松开控制踏板，否则远程操作将被迫中断。操作员能够通过音频和视频界面的变化来区分存在于对准步骤中和变换到远程操作步骤。根据实施方案，机器人在对准步骤期间发出间歇性声音。如果已成功进入远程操作或如果对准步骤已失败，则这种声音用可彼此区分的其他若干声音结束。

在图1所示的示例中，图1以示意图方式示出了对准步骤，其中，从设备170能够在从设备的工作空间175中运动以与主设备110对准(在所示的示例中，从手术器械170的起始姿势用阴影和连续线示出，从手术器械170的与主设备110的姿势对准的目标姿势用无阴影和虚线表示)，其中，从手术器械170的检查点600专门执行纯粹的旋转运动，以与主设备110的姿势对准。

在图1的示例中，主设备主体包括两个刚性部分，这两个刚性部分与各自的传感器或标记134、135集成一体，这两个刚性部分被约束在旋转接头中，以围绕公共轴线旋转。

在图2所示的示例中，图2以示意图方式示出了从手术器械170，该从手术器械包括铰接式腕部，该铰接式腕部设置有用于翻滚(roll)R、俯仰(pitch)P和偏转(yaw)Y运动的接头，以及在末端142、143之间设置有张开/闭合(或握持G)的自由度，其中，检查点600能够在对准步骤期间专门执行纯粹的旋转运动。末端142、143都被示出为围绕偏转轴线Y铰接。

图6中的示例以示意图方式示出了根据以上描述的内容来选择恒等函数或翻转函数。

在图6bis所示的示例中，示出了无约束的主设备110，该主设备具有相对于纵向轴线X-X几何对称的主体，其中，主设备主体包括两个刚性部分，这两个刚性部分与各自的传感器或标记134、135集成一体，这两个刚性部分被约束在旋转接头中，以围绕公共轴线旋转；在所示的示例中，主设备110的主体被示出为由外科医生150以两种配置(a)和(b)手持，这两种配置围绕纵向轴线X-X相对于彼此旋转180°。这里以示意图方式示出的对称性对于主设备和从设备这二者来说是几何类型的，但是从设备和/或主设备可能不是几何对称的，仍然使得功能对称。

如上所述，主设备110不一定包括两个刚性部分(这两个刚性部分被约束在旋转接头中以围绕公共轴线旋转，从而控制从属的打开/闭合或握持G的程度)，例如，主设备可以包括两个刚性部分和/或按钮和/或传感器化的(sensorized)界面，这两个刚性部分被约束为沿着公共轴线相对于彼此平移，该按钮和/或传感器化的界面例如包括存在传感器或接触传感器，以控制从属的张开/闭合或握持G的自由度。

图7示出了远程操作机器人系统700的实施例，其中，由外科医生750保持的两个主设备710、720被示出位于与控制台755集成一体的工作空间715内部，从属的从设备740包括两个从手术器械770、780，这两个从手术器械分别从属于两个主设备710、720。

图8示出的示例示出了主设备815的工作空间内的静止或放置区域818与控制台855集成一体，其中，无约束的主设备810、820被示出为由外科医生850手持，其中，机器人可以验证主设备810、820是否未位于放置区域818内。

图9示出了由外科医生950手持的两个无约束的主设备910、920，其中，机器人验证每个主设备910、920是否都位于其各自的工作空间915、925内(左工作空间915和右工作空间925中的每个被示出为与控制台955集成一体)。

图10示出了由外科医生1050保持的两个无约束的主设备1010、1020，其中，机器人验证两个主设备1010、1020是否以各自的空间关系位于工作空间1015内(这里示出为与控制台1055集成一体)。

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，上述方法和系统使得即使对于机械上无约束的主设备，也可以在远程操作开始时有效地执行主从对准程序和检查。

在对准之前和对准期间以及在远程操作之前执行的程序和检查可以根据需要以各种方式明确表达，并允许满足广泛的安全要求(甚至非常严格)，这些安全要求是通过机器人系统进行外科手术或显微外科远程操作领域施加的。

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。