CN102612350B - 用于安放假体组件和/或限制手术工具移动的手术系统 - Google Patents

Abstract

用于在患者的解剖结构上安放假体组件的手术系统包括构造成啮合假体组件的手术工具、构造成向手术工具提供至少一些力的力系统和经过编程以比较假体组件的目标姿态与由手术工具啮合的假体组件的实际姿态并且产生使力系统允许手术工具在移动范围内移动并提供触觉反馈以限制使用者手动移动手术工具超出移动范围的能力的控制信号的控制器。触觉反馈阻止使用者移动手术工具，所述移动会引起在假体组件实际姿态的至少一个方面与假体组件目标姿态的相应方面之间出现实质性偏差。控制器经过编程以产生使力系统在使用者在解剖结构上植入假体组件时维持触觉反馈的控制信号。

Description

用于安放假体组件和/或限制手术工具移动的手术系统

相关专利申请的交叉参考

本申请要求2009年10月1日提交的美国临时专利申请No.61/278,066；2010年3月4日提交的美国临时专利申请No.61/339,460；2010年3月9日提交的美国临时专利申请No.61/339,756；和2010年8月9日提交的美国临时专利申请No.61/401,209的优先权，各申请以引用的方式整体并入本文。

发明背景

发明领域

本发明大体涉及机器人系统，并且更具体地说涉及用于整形外科关节置换手术的手术系统。

相关技术的描述

在需要高准确度和/或精确度的应用中，如在手术程序或其它复杂任务中，常使用机器人系统。这类系统可包括各种类型的机器人，如自主、遥控操作和交互式机器人。

对于一些类型的手术如关节置换手术来说，交互式机器人系统是优选的，因为其使得外科医生能够保持对手术程序的直接亲自控制，同时仍能达成高准确度和/或精确度。例如，在膝关节置换手术中，外科医生可以被动方式使用触觉指导的交互式机器人臂来雕凿骨以接纳关节植入物，如膝关节植入物。为了雕凿骨，外科医生用手抓握并操纵机器人臂来移动耦合于机器人臂的切削工具（如磨锥），以在骨中切削出口袋（pocket）。只要外科医生将磨锥的尖端保持在由例如触觉物体限定的预定虚拟切削边界以内，那么机器人臂就将以低摩擦和低惯性自由移动，使得外科医生感觉机器人臂仿佛基本上没有重量一般并且可以根据需要移动机器人臂。然而，如果外科医生试图移动磨锥尖端以在虚拟切削边界以外切削，那么机器人臂就将提供触觉（或力）反馈以阻止或抑制外科医生将磨锥尖端移动超出虚拟切削边界。以此方式，机器人臂能够获得高度准确、可重复的骨切口。当外科医生在相应骨切口上手动植入膝关节植入物（如髌股组件）时，植入物通常将因切削骨与膝关节植入物的构造和其间的界面而准确地对准。

尽管上述交互式机器人系统适用于膝关节置换手术，但其并不最适于如髋关节置换手术等手术类型，所述手术需要使用具有不同功能（例如扩孔、冲击）、不同构造（例如笔直、偏心）和不同重量的多种手术工具。设计成适应多种工具的系统可能过于复杂并且需要多种末端执行器，而且在手术程序期间移除和附接不同类型的工具到机器人臂上可能增加执行程序的时间。另外，在髋关节置换手术中，除了保持适当的切削边界外，手术工具和植入物的角取向也是重要的。例如，在常规髋关节置换手术中，外科医生使用半球形扩孔器重整患者髋臼的表面，所述髋臼为骨盆中的杯状关节窝。接着，将相应杯状植入物（髋臼杯）附接于冲击器工具的远端。外科医生通过用木槌重复击打冲击器工具的近端将髋臼杯植入经过扩孔的关节窝中。经过扩孔的关节窝和所植入的髋臼杯两者的角取向是重要的，因为错误的个别和/或相对取向会导致髋臼杯不能与患者髋臼解剖结构的适当型式和倾斜角对准。未对准可能导致手术后问题，包括关节脱位、在股骨的最大运动范围时股骨撞击髋臼杯和髋臼杯因股骨头与髋臼杯界面的不当负荷而加速磨损。对准对于维持正确的腿长和内偏/外偏也是重要的。最终，髋臼杯冲击至经过扩孔的关节窝中产生高冲击力，其可能会损坏设计用来进行高准确度和/或精确度操作的机器人臂。

鉴于上述内容，对改良的机器人手术系统和其组件存在需要。

概述

根据本发明的一方面，用于在患者的解剖结构上安放假体组件的手术系统包括构造成啮合假体组件的手术工具、构造成向手术工具提供至少一些力的力系统和经过编程以比较假体组件的目标姿态与由手术工具啮合的假体组件的实际姿态并且产生使力系统允许手术工具在移动范围内移动并提供触觉反馈以限制使用者手动移动手术工具超出移动范围的能力的控制信号的控制器。触觉反馈阻止使用者移动手术工具，所述移动会引起在假体组件实际姿态的至少一个方面与假体组件目标姿态的相应方面之间出现实质性偏差。控制器经过编程以产生使力系统在使用者在解剖结构上植入假体组件时维持触觉反馈的控制信号。

根据另一方面，手术系统包括构造成耦合至切削元件的手术工具、构造成对手术工具提供至少一些力的力系统和经过编程以产生使力系统在切削元件为第一切削元件时对手术工具的使用者手动移动提供第一限制并在切削元件为第二切削元件时对手术工具的使用者手动移动提供不同于第一限制的第二限制的控制信号。

附图简述

并入并构成本说明书的一部分的随附图式说明本发明的实施方案并且结合描述用于说明的本发明的各方面。

图1A是股骨和骨盆的透视图。

图1B是由图1A的股骨和骨盆形成的髋关节的透视图。

图2A是用于全髋关节置换程序的股骨组件与髋臼组件的分解透视图。

图2B是说明分别与图1A的股骨与骨盆相关的图2A的股骨组件与髋臼组件置换的透视图。

图3A是手术系统的一个实施方案的透视图。

图3B是图3A的手术系统的机器人臂的一个实施方案的透视图。

图4A是与操作构件的一个实施方案耦合的末端执行器的一个实施方案的透视图。

图4B是图4A的末端执行器和操作构件的剖面图。

图4C是图4A的操作构件的轴干的透视图。

图4D是图4C的轴干沿线N-N所取的剖面图。

图5A是图4A的末端执行器的耦合装置的一个实施方案处于释放位置的剖面图。

图5B是图5A的耦合装置处于连接位置的剖面图。

图5C是图4A的末端执行器的接纳部分的一个实施方案的透视图。

图5D是图5A的耦合装置的锁紧构件的一个实施方案的透视图。

图5E是图5A的耦合装置的滑动构件的透视图。

图6A是与操作构件的另一实施方案耦合的图4A的末端执行器的透视图。

图6B是图6A的末端执行器和操作构件的剖面图。

图6C是图6A的操作构件的轴干的透视图。

图7A是与操作构件的另一实施方案耦合的图4A的末端执行器处于固定位置的剖面图。

图7B是图7A的末端执行器和操作构件处于开离位置的剖面图。

图8A是图7A的末端执行器的耦合装置处于释放位置的剖面图。

图8B是图8A的耦合装置处于连接位置的剖面图。

图9A是与操作构件的另一实施方案耦合的图4A的末端执行器的透视图。

图9B是图9A的末端执行器和操作构件的剖面图。

图10A说明外科医生如何握持图4A的末端执行器和操作构件用于对患者的髋臼进行扩孔。

图10B说明外科医生如何使用图7A的末端执行器和操作构件用于将髋臼杯冲击进患者经过扩孔的髋臼中。

图11说明髋关节置换程序的步骤的一个实施方案。

图12是第一切削元件和第二切削元件的一个实施方案的剖面图。

图13A说明第一约束器的一个实施方案。

图13B说明第二约束器的一个实施方案。

图14A-14G说明在手术程序期间使用的电脑显示器的实施方案。

图15说明虚拟制动器的一个实施方案。

图16A说明松开的虚拟制动器的一个实施方案。

图16B说明啮合的虚拟制动器的一个实施方案。

图17A说明仪器连接的一个实施方案。

图17B说明图17A的仪器连接处于停放配置的一个实施方案。

优选实施方案的详细描述

本发明的当前优选实施方案在图式中说明。在整个图式中尽量使用相同或类似的参考数字来表示相同或类似的部分。尽管本说明书主要提及用于整形外科髋关节置换的机器人臂，但应了解，本文所述的标的物适用于其它类型的机器人系统，包括用于手术和非手术应用的机器人系统，以及其它身体关节，如肩关节。

概要

髋关节是股骨与骨盆之间的关节，并且主要用于支撑身体在静态姿态（例如站立）和动态姿态（例如行走）时的重量。图1A说明髋关节10的骨，所述髋关节包括骨盆12（部分示出）和股骨近端14。股骨近端14包括位于股骨颈18上的股骨头16。股骨颈18连接股骨头16与股骨干20。如图1B中所示，股骨头16配合于骨盆12中称为髋臼22的凹形关节窝中，由此形成髋关节10。髋臼22与股骨头16都被关节软骨覆盖，所述软骨吸收冲击并促进关节10的咬合。

髋关节10可能会随着时间退化（例如，由于骨关节炎），从而导致疼痛和功能减弱。因此，可能必需髋关节置换程序，如全髋关节成形术或髋关节表面重整。在髋关节置换期间，外科医生将患者髋关节10部分置换为人工组件。在全髋关节成形术中，外科医生移除股骨头16和股骨颈18并将天然骨置换为假体股骨组件26，假体股骨组件26包含头26a、颈26b和干26c（图2A中示出）。如图2B中所示，股骨组件26的干26c锚定于外科医生在股骨14的髓内管中产生的空腔中。或者，如果疾病局限于股骨头16的表面，那么外科医生可选择侵入性较低的方法，在所述方法中，对股骨头进行表面重整（例如使用圆柱形扩孔器）并接着与假体股骨头杯匹配（未示出）。类似地，如果骨盆12的天然髋臼22磨损或患病，那么外科医生使用扩孔器重整髋臼22的表面并将天然表面置换为假体髋臼组件28，所述假体髋臼组件28包含半球形杯28a（图2A中示出），其可能包括衬垫28b。为了安装髋臼组件28，外科医生将杯28a连接至冲击器工具的远端并通过用木槌重复击打冲击器工具的近端将杯28a植入经过扩孔的髋臼22中。如果髋臼组件28包括衬垫28b，那么外科医生在植入杯28a后将衬垫28b揿到杯28a中。根据外科医生安置进行手术的患者的位置，外科医生可以使用笔直或偏心扩孔器来对髋臼22进行扩孔和使用笔直或偏心冲击器来植入髋臼杯28a。举例来说，使用后外侧方法的外科医生可能选择笔直扩孔和冲击，而使用前外侧方法的外科医生可能选择偏心扩孔和冲击。

示例性机器人系统

手术系统可根据本发明进行构造以执行髋关节置换，以及其它手术程序。如图3A中所示，根据本发明用于手术应用的手术系统5的一个实施方案包括计算机辅助导航系统7、跟踪装置8、显示器装置9（或多个显示器装置9）和机器人臂30。

机器人臂30可由外科医生以交互方式使用以对患者执行手术程序，如髋关节置换程序。如图3B中所示，机器人臂30包括基座32、铰接臂34、力系统（未示出）和控制器（未示出）。手术工具（例如具有操作构件的末端执行器40）耦合于铰接臂34，且外科医生通过抓握并手动移动铰接臂34和/或手术工具来操纵手术工具。

力系统和控制器构造成在操纵手术工具期间对外科医生提供控制或指导。力系统构造成通过铰接臂34对手术工具提供至少一些力，并且控制器经过编程以产生用于控制力系统的控制信号。在一个实施方案中，力系统包括致动器和可反向驱动的传动，所述传动提供触觉（或力）反馈以限制或抑制外科医生手动移动手术工具超出由触觉物体限定的预定虚拟边界，例如在以下文献中所述：2006年2月21日提交的美国专利申请No.11/357,197（公布No.US2006/0142657）和/或2009年12月22日提交的美国专利申请No.12/654,591，所述文献各自据此以引用的方式整体并入本文。在一个优选实施方案中，手术系统是由MAKOSurgicalCorp.（FortLauderdale,Florida）制造的机器人臂交互式整形外科系统（RoboticArmInteractiveOrthopedicSystem）。力系统和控制器优选容纳于机器人臂30内。

追踪装置8构造成追踪手术工具（耦合于机器人臂34）与患者解剖结构的相对位置。手术工具可由追踪装置8直接追踪。或者，手术工具的姿态可通过追踪机器人臂30的基座32的位置并基于来自机器人臂30接头的接头编码器数据和在手术工具与机器人臂30之间的已知几何关系计算手术工具的姿态来确定。具体地说，追踪装置8（例如光学、机械、电磁或其它已知追踪系统）追踪（或能够确定）手术工具的姿态（即，位置和取向）和患者的解剖结构，从而导航系统7知道工具与解剖结构之间的相对关系。

在操作时，使用者（例如外科医生）手动移动机器人臂30以操纵手术工具（例如具有操作构件的末端执行器40）来对患者执行手术任务，如骨切削或植入物安装。当外科医生操纵工具时，追踪装置8追踪手术工具的位置并且机器人臂30提供触觉（或力）反馈以限制外科医生移动工具超出配准于（或映射于）患者解剖结构的预定虚拟边界的能力，此举将产生高度精确且可重复的骨切口和/或植入物安放。机器人臂30以被动方式操作且在外科医生试图移动手术工具超出虚拟边界时提供触觉反馈。触觉反馈由机器人臂30中的一个或多个致动器（例如马达）产生并且通过柔性传动（如电缆驱动传动）传导至外科医生。当机器人臂30未提供触觉反馈时，机器人臂30可由外科医生自由移动并且优选包括可在需要时由外科医生启动的虚拟制动器。在手术程序期间，导航系统7在一个或两个显示器装置9上显示与手术程序相关的影像。

末端执行器

已开发出可构造成例如用于机器人臂30同时允许修改和执行不同功能的手术工具。图4A-4C示出根据本发明的手术工具的一个实施方案。在此实施方案中，工具是构造成安装于机器人臂30的末端的末端执行器40。末端执行器40包括安装部分50、外壳60、耦合装置70和释放构件80。末端执行器40构造成相对于机器人臂30个别地且可互换地支撑并且准确地定位多个操作构件。在图4A-4C中，末端执行器40耦合于操作构件100。

安装部分（或支架）50优选将末端执行器40耦合于机器人臂30。具体地说，安装部分50从外壳60延伸并构造成使用例如机械扣件将末端执行器40耦合至机器人臂30的相应安装部分35，以使得安装部分相对于彼此固定。安装部分50可附接至外壳60或与外壳60一体形成并构造成相对于机器人臂30准确地且可重复地定位末端执行器40。在一个实施方案中，安装部分50是半动态支架，如美国专利申请No.12/644,964中所述，所述美国专利申请于2009年12月22日提交并且据此以引用的方式整体并入本文。

外壳60构造成接纳操作构件100并为外科医生提供使用者界面。举例来说，如图10A和10B中所示，外科医生抓握外壳60来操纵末端执行器40，以利用操作构件100来执行任务。在此实施方案中，外壳60是中空长形圆柱体，其具有中心轴A-A、近端60a和远端60b。

参考图4B，为了在末端执行器40中安装操作构件100，外科医生将操作构件100的轴干110的近端100a插入外壳60的远端60b，沿方向T1滑动轴干110，并开动释放构件80，此举使耦合装置70移动至“释放”位置并使得轴干110能完全接纳于外壳60中。当轴干110从外壳60的近端60a伸出适当量时，外科医生释放所述释放构件80，此举使耦合装置70移动至“连接”位置并使轴干110耦合至外壳60。一旦轴干110耦合至外壳，就可将其它设备附接至轴干110，如驱动马达112、切削元件116或操作构件100的其它组件。

为了从末端执行器40移除操作构件100，外科医生移除驱动马达112和切削元件116并开动释放构件80，此举使耦合装置70移动至释放位置。外科医生接着沿方向T2滑动轴干110直至操作构件100离开外壳60的远端60b。

末端执行器40可包括仅允许操作构件100的期望移动的接纳部分62。接纳部分62安置于外壳60内。接纳部分62构造成接纳操作构件100的至少一部分以允许操作构件100相对于外壳60旋转，同时限制操作构件100在操作构件100的径向方向R上的移动（图4D中所示）。举例来说，如图5A和5C中所示，接纳部分62包括固定于外壳60（例如使用机械扣件）的凸缘64和圆柱形部分66，操作构件100延伸穿过所述圆柱形部分66。尽管接纳部分62通过凸缘64相对于外壳60固定，但操作构件100并不连接于接纳部分62（例如通过机械扣件、干涉配合等）并因此可相对于接纳部分62和外壳60旋转和平移。然而，因为操作构件100延伸穿过圆柱形部分66，所以操作构件100受圆柱形部分66限制并阻止在径向方向R上的移动。接纳部分62还包括至少一个孔68，其使得耦合装置70能够如下文所述啮合操作构件100。

可使用末端执行器的耦合装置70来对操作构件的纵向移动提供限制。耦合装置70安置于外壳60上并构造成使操作构件100耦合于外壳60以允许操作构件100相对于外壳60旋转。在一个实施方案中，耦合装置70包括锁紧构件72。如下文所述，锁紧构件72构造成啮合操作构件100以限制操作构件100沿操作构件100的纵向方向L（图4C中所示）相对于外壳60的移动，同时允许操作构件100旋转。

如图5A-5C中所示，锁紧构件72包括第一部分74和第二部分76。第一部分74构造成沿纵向方向L平移和相对于外壳60旋转。举例来说，如图5A中所示，第一部分74通过轴承78（例如滚珠轴承）耦合于释放构件80。第一部分74刚性固定于轴承78的内圈，而轴承78的外圈刚性固定于释放构件80的滑动构件82，由此使得第一部分74能够相对于外壳60以低摩擦旋转。滑动构件82连接于释放构件80的旋钮84并且可沿纵向方向L平移。压缩弹簧86安置于滑动构件82与刚性固定于外壳60的弹簧限位器88之间。压缩弹簧86使滑动构件82和旋钮84偏向前进位置（图5B中所示的连接位置）。当外科医生通过沿方向T1向回拉动旋钮84远离外壳60（至图5A中所示的释放位置）来开动旋钮84时，滑动构件82与旋钮84一起移动并压缩压缩弹簧86。因为第一部分74经轴承78耦合于滑动构件82，所以第一部分74在旋钮84移动至释放位置时也沿纵向方向L平移。以此方式，释放构件80耦合于耦合装置70并构造成在连接位置与释放位置之间移动锁紧构件72。

锁紧构件72的第二部分76构造成回应于第一部分74沿纵向方向L的移动沿径向方向R移动。如图5A和5B中所示，第一部分74相对于外壳60的接纳部分62朝外安置，并且包括表面74a，所述表面74a构造成啮合第二部分76并且在第一部分74从第一位置（图5A中所示的释放位置）移动至第二位置（图5B中所示的连接位置）时使第二部分76沿径向方向R位移。在一个实施方案中，如图5D中所示，第一部分74为中空圆柱体，并且表面74a为所述圆柱体的倾斜内表面。第一部分74相对于外壳60定向使得表面74沿方向T1倾斜（即，第一部分74的内半径减小）。在此实施方案中，第二部分76包含至少一个滚珠轴承，其与接纳部分62的孔68对准。优选地，第二部分76包括多个滚珠轴承（例如四个），各自与接纳部分62上的相应孔68对准。因为表面74a是倾斜的，所以在第一部分74从释放位置（图5A）移动至连接位置（图5B）时表面74a向内径向挤压滚珠轴承。各滚珠轴承在相应孔68中沿径向方向R向内移动以啮合操作构件100的一部分。

操作构件100与耦合装置70协同维持对纵向移动的限制。操作构件100包括耦合区102。当耦合区102与孔68对准并且耦合装置70移动至连接位置时，耦合装置70适于将操作构件100沿纵向方向L的移动限于限制区Y（图5B中所示）。在此实施方案中，耦合区102是操作构件100的周边表面106中的凹槽104。如图4C中所示，凹槽104具有近端104a和远端104b。近端104a和远端104b界定操作构件100在限制区Y中的运动范围。举例来说，当滚珠轴承径向向内移动至孔68中时，其如图5B中所示啮合凹槽104。当耦合装置70处于连接位置时，滚珠轴承捕捉于表面74a与凹槽104之间并且因此防止沿径向方向R移动。类似地，因为滚珠轴承接纳于孔68中，所以其沿纵向方向L的移动受限。尽管滚珠轴承被捕捉，但其仍能以与轴承78中的滚珠轴承类似的方式自由旋转。因此，表面74a充当滚珠轴承的外圈，而凹槽104充当滚珠轴承的内圈。以此方式，滚珠轴承（即，锁紧构件72的第二部分76）构造成相对于操作构件100与锁紧构件72的第一部分74两者旋转。在连接位置上，当滚珠轴承与凹槽104啮合时，滚珠轴承与凹槽104的近端104a和/或远端104b相互作用（即，接触）以限制操作构件100的纵向移动。在此实施方案中，凹槽104的纵向长度L1的尺寸设定为使得当在连接位置中滚珠轴承与第一耦合区102啮合时近端104a与远端104b同时接触滚珠轴承。因此，操作构件100沿纵向方向L的移动实质上受限。

如上文所述，锁紧构件72的第一位置74和第二位置76都可自由旋转，并且第一位置74可在外壳60内滑动。以此方式，锁紧构件72构造成相对于外壳60和相对于操作构件100旋转及沿外壳60的轴A-A轴向移动。另外，锁紧构件72构造成可在第一位置与第二位置（连接位置与释放位置）之间移动，并且构造成在锁紧构件72处于第一位置（图5B中的连接位置）时限制操作构件100，而在锁紧构件72处于第二位置（图5A中的释放位置）时允许操作构件100与外壳60去耦。

在图4A-5B的实施方案中，操作构件100是用于在髋关节置换程序期间重整髋臼22的表面的扩孔器。操作构件100包括具有近端100a和远端100b的轴干110。近端100a构造成啮合驱动马达112。远端100b是工件啮合端，其包括啮合构造成切削骨的切削元件116的附接机构114。在操作时（如图10A中所示），外科医生用一只手开动驱动马达112并用另一只手抓握末端执行器40以操纵末端执行器40。驱动马达112向操作构件100和切削元件116赋予旋转运动。如下文结合图11的步骤S8所进一步描述，外科医生根据手术计划相对于髋臼22安置操作构件100，并用旋转的切削元件116对髋臼22的表面进行扩孔。当旋转的切削元件116接触髋臼22时，髋臼22的表面（例如患病骨）被切掉或表面重整。

为了提供给外科医生灵活性，末端执行器40构造成使得操作构件100可与其它操作构件互换。例如，操作构件100可与操作构件200互换。在一个实施方案中，操作构件200为偏心扩孔器。如所熟知，相对于笔直扩孔器，使用与后外侧方法相反的前外侧方法的外科医生可能首选偏心扩孔器。在此实施方案中，除了操作构件200包括偏心部分220以外，操作构件200与操作构件100相同。举例来说，如图6A-6C中所示，操作构件200包括构造成啮合驱动马达112的近端200a和包括啮合与切削元件116相同或类似的切削元件（未示出）的附接机构214的远端200b。偏心部分220连接于轴干210并且包括具有万向接头228的偏心轴干224。偏心轴干224由支撑外壳222包围，并且成对双联滚珠轴承226使得偏心轴干224能够相对于支撑外壳222以低摩擦旋转。偏心部分220还包括防旋转销232，其啮合在末端执行器40的外壳60中的相应狭槽632。防旋转销232确保偏心部分220正确组装于末端执行器40并防止在驱动马达112施加转矩时支撑外壳222相对于外壳60旋转。操作构件200以与操作构件100相同的方式经耦合装置70耦合于末端执行器40。具体地说，操作构件200包括耦合区202，耦合区202具有以与上文结合操作构件100所述相同的方式啮合末端执行器40的耦合装置70的凹槽204。在操作时，外科医生使操作构件200的轴干210耦合于末端执行器40（如上文结合操作构件100所述），将旋钮84、驱动马达112和切削元件116附接于轴干210，并以与操作构件100相同的方式操作操作构件200。

末端执行器40还构造成与具有不同功能的多种操作构件个别地和可互换地使用。举例来说，第一操作构件可构造成具有第一功能，且第二操作构件可构造成具有第二功能。在一个实施方案中，第一操作构件是具有扩孔功能的操作构件100（图4A-5B中所示）或操作构件200（图6A-6C中所示），并且第二操作构件是具有冲击功能的操作构件300（图7A-8B中所示）。在此实施方案中，操作构件300是用于将髋臼杯（例如髋臼杯28a）植入准备好的髋臼中的笔直冲击器。或者，第二操作构件可以是操作构件400（图9A和9B中所示），如偏心冲击器。除了操作构件300构造成啮合假体组件316（例如髋臼杯28a）替代切削元件和冲击器头312替代驱动马达以外，操作构件300与操作构件100类似。另外，操作构件300构造成相对于末端执行器40沿方向T1、T2平移。具体地说，操作构件300构造成在外科医生对冲击器头312施加冲击力时相对于耦合的安装部分35、50平移。

操作构件300包括轴干310，其具有近端300a和远端300b。远端300b是构造成耦合于假体组件316（例如经螺纹）的工件啮合端。近端300a构造成承受住足以将假体装置316冲击至患者髋关节10中的冲击力。举例来说，近端300a构造成使用任何适合机制（例如螺纹、机械扣件、键槽等）啮合冲击器头312。如所熟知，冲击器头312提供外科医生击打（例如用木槌340）以对操作构件300施加力的表面312a。冲击器头312还可由外科医生抓握并用于旋转操作构件300以将假体组件316旋到远端300b上或从远端300b旋出。

除了操作构件300构造成当耦合装置70处于连接位置时相对于末端执行器40平移以外，操作构件300以与上文结合操作构件100所述相同的方式经耦合装置70耦合于末端执行器40。举例来说，如图8A和8B中所示，操作构件300包括耦合区302，耦合区302啮合末端执行器40的耦合装置70。以与第一操作构件100的耦合区102相同的方式，当耦合区302与接纳部分62的孔68对准并且耦合装置70移动至连接位置（图8B中所示）时，耦合装置70使操作构件100沿纵向方向L的移动限于限制区Z（图8B中所示）。例如，耦合区302包括在轴干310的周边表面306中的凹槽304。凹槽304具有近端304a和远端304b。近端304a和远端304b界定操作构件300在限制区Z中的运动范围。图8A示出处于释放位置的耦合装置70。当耦合装置70移动至连接位置（图8B中所示）时，锁紧构件72的滚珠轴承（即，第二部分76）径向向内移动至孔68中并啮合凹槽304。当滚珠轴承与凹槽304啮合时，滚珠轴承与凹槽304的近端304a和/或远端304b相互作用（即，接触）以限制操作构件300的纵向移动。在此实施方案中，凹槽304的纵向长度L3的尺寸设定为使得操作构件可在凹槽304的界限内平移。例如，操作构件300可沿方向T2平移直至凹槽304的近端304a接触滚珠轴承，由此限制操作构件300沿方向T2的移动。类似地，操作构件300可沿方向T1平移直至凹槽304的远端304b接触滚珠轴承，由此限制操作构件300沿方向T1的移动。当耦合装置70处于连接位置时操作构件300在限制区Z中被动平移的能力有利地允许外科医生用木槌340击打冲击器头312，而不会有木槌击打力通过末端执行器40传输到机器人臂30。以此方式，耦合区302保护机器人臂30不会因冲击力而导致损坏。

如通过比较图5B和8B可见，操作构件100的凹槽104的纵向长度L1小于操作构件300的纵向长度L3。凹槽104的纵向长度L1以及凹槽104的近端104a和远端104b与锁紧构件72（即滚珠轴承）的相互作用界定限制区Y。因为近端104a和远端104b在滚珠轴承与处于连接位置的第一耦合区102啮合时同时接触滚珠轴承，所以限制区Y是相对于外壳60实质上固定的轴位置。因此，在耦合装置70处于连接位置时，操作构件100沿纵向方向L（即方向T1、T2）的移动实质上受限。相反，操作构件300的限制区Z允许操作构件300平移。例如，凹槽304的纵向长度L3以及凹槽304的近端304a和远端304b与锁紧构件72（即滚珠轴承）的相互作用界定限制区Z。因为凹槽304为长形的，所以在耦合装置70处于连接位置时（即，在锁紧构件72与耦合区302啮合时），（锁紧构件72的）滚珠轴承接触凹槽304的近端304a、凹槽304的远端304b或都不接触。因而，限制区Z包括第一轴位置（即，凹槽304的近端304a接触滚珠轴承的位置）和第二轴位置（即，凹槽304的远端304b接触滚珠轴承的位置），并且操作构件300可在其间移动。以此方式，耦合装置70和操作构件100、300构造成使所接纳的操作构件沿纵向方向L的移动在耦合装置70啮合操作构件100的耦合区102时限于第一限制区Y，并且在耦合装置70啮合操作构件300的耦合区302时限于不同于第一限制区Y的第二限制区Z。

末端执行器40还可包括停止构件90，其构造成啮合操作构件以限制操作构件相对于外壳60的移动并提供操作构件300相对于末端执行器40的准确轴位置。举例来说，如图7A和7B中所示，停止构件90包括安置于末端执行器40的外壳60内的定位表面92（例如镗孔）和安置于操作构件300的轴干310上的相应定位表面94（例如肩或突起）。尽管停止构件90可安置于任何适合位置，但在此实施方案中，停止构件90远离凹槽304和耦合装置70安置。具体地说，停止构件90较接近操作构件300的远端300b，而凹槽304和耦合装置70较接近操作构件300的近端300a。当定位表面94接触定位表面92时（图7A中所示的固定位置），阻止操作构件300沿方向T1的平移。相反，当定位表面92、94不接触时（图7B中所示的开离位置），操作构件300可在限制区Z内沿方向T1和方向T2平移。以此方式，停止构件90构造成啮合操作构件300以限制操作构件300在限制区Z中的平移。在一个实施方案中，停止构件90定位成使得操作构件300在限制区Z的全范围内的平移被阻止。在此实施方案中，操作构件300在由凹槽304的近端304a界定的第一位置与由定位表面94界定的第二位置之间平移。以此方式，停止构件90可用于在耦合装置70处于连接位置时有效缩小操作构件300的行进范围。以此方式缩小行进范围有利地减小接触应力，因为定位表面92、94之间的接触面积大于滚珠轴承与凹槽304的远端304b之间的表面积。

在操作时，外科医生完成髋臼22的扩孔后，外科医生从末端执行器40移除操作构件100（或操作构件200）。外科医生将操作构件300（或操作构件400）耦合至末端执行器40（以与上文结合操作构件100所述相同的方式）并将假体组件316和冲击器头312连接至操作构件300。如图10B中所示，外科医生用一只手抓握末端执行器40并使用另一只手握持木槌340。如下文结合图11的步骤S10进一步描述，外科医生相对于经过扩孔的髋臼22适当安放假体组件316并使用木槌340向冲击器头312的表面312a施加力。在冲击期间，凹槽304充当滑动被动接头，其使得操作构件300能够如上文所述平移。冲击力将假体组件316冲击至髋臼22上。在木槌击打之间，外科医生向前推动末端执行器40直至停止构件90的定位表面92、94发生接触（图7A中所示）。外科医生继续手动冲击假体组件316直至假体组件316以计划深度植入到髋臼22上。在植入假体组件316后，外科医生抓握冲击器头312并旋转操作构件300以将操作构件从植入的假体组件316中旋出。如果髋臼杯包括内衬（例如内衬28b），那么外科医生接着将内衬插入杯中。

根据患者的位置，外科医生可首选使用偏心冲击器（例如操作构件400）替代笔直冲击器（例如操作构件300）。在一个实施方案中，除了操作构件400包括偏心部分420以外，操作构件400（图9A和9B中所示）与操作构件300类似。举例来说，如图9A和9B中所示，操作构件400包括构造成啮合冲击器头312的近端400a和构造成耦合于假体组件316（例如经螺纹）的远端400b。偏心部分420连接于轴干410并且包括具有万向接头428和耦合旋钮430的偏心轴干424。因为偏心，所以使用耦合旋钮430替代冲击器头312以将操作构件400旋进/旋出假体组件316。一个替代实施方案可包括两个万向接头（类似于操作构件200的偏心部分220），其使得能够使用冲击器头312将操作构件400旋进/旋出假体组件316。然而，此替代构造的一个缺点在于其可能会增加复杂性和降低偏心轴干424的强度。偏心轴干424由外壳422包围并包括防旋转销432。防旋转销432啮合在外壳60中的相应狭槽632以相对于末端执行器40适当定位偏心部分420并防止外壳422相对于外壳60旋转。操作构件400以与上文结合操作构件300所述相同的方式经耦合装置70耦合于末端执行器40。具体地说，操作构件400包括具有凹槽404的耦合区402，所述凹槽404啮合末端执行器40的耦合装置70并使得操作构件400能够在限制区Z中纵向平移。如图11中所示，狭槽632为长形的，由此使得防旋转销432能够在狭槽632中在限制区Z的轴向限制内纵向平移。在操作时，除了使用耦合旋钮430（替代冲击器头312）来使假体组件316与操作构件400耦合/去耦以外，操作构件400以与操作构件300相同的方式起作用。

手术应用

在手术时，外科医生可以使用机器人臂30来促进关节置换程序，如对骨进行扩孔和植入髋臼杯以用于全髋关节置换或髋关节表面重整程序。如上文所说明，机器人臂30包括手术工具，所述手术工具构造成耦合于切削元件（用于扩孔）和啮合假体组件（用于冲击）。例如，对于扩孔，末端执行器40可耦合于操作构件100或操作构件200，所述操作构件各自耦合于切削元件116。类似地，对于冲击，末端执行器40可耦合于操作构件300或操作构件400，所述操作构件各自啮合假体组件316。可使用机器人臂30来确保在扩孔和冲击期间的适当定位。

图11说明执行全髋关节置换的手术程序的步骤的一个实施方案。在此实施方案中，步骤S1-S7、S9、S11和S12可在有或没有机器人辅助的情况下以任何已知方式执行。步骤S8和S10优选使用机器人臂30执行。例如，步骤S8（扩孔）可使用具有耦合于操作构件100或操作构件200的末端执行器40的机器人臂30执行，并且步骤S10（冲击）可使用具有耦合于操作构件300或操作构件400的末端执行器40的机器人臂30执行。

在手术程序之前，获得患者骨盆12和股骨14的手术前CT扫描。如图14A中所示，使用CT扫描来产生骨盆12的三维模型512和股骨14的三维模型514。外科医生使用三维模型512、514构建手术计划。或者，手术计划可使用由CT扫描和/或三维模型512、514获得的X射线影像，此可有助于习惯使用实际X射线影像而非基于CT的模型来计划植入物置换的外科医生。外科医生通过相对于患者解剖结构的模型512、514指定髋臼组件28和股骨组件26的期望姿态（即，位置和方向）来产生手术计划。例如，可指定髋臼杯28a的计划姿态500并显示在计算机显示器上，如显示器装置9。在手术程序期间，患者解剖结构和手术工具在实体空间中的运动由追踪装置8追踪，并且这些追踪的物体配准在导航系统7中的相应模型（影像空间）。因而，实体空间中的物体与影像空间中的相应模型相关联。因此，手术系统5总是知道手术工具相对于患者解剖结构和计划姿态500的实际位置，并且此信息在手术程序期间以图形显示于显示器装置9上。

在手术程序的步骤S1中，将皮层追踪阵列附接于股骨14以使得追踪装置8能够追踪股骨14的运动。在步骤S2中，配准股骨14（使用任何已知配准技术）以使股骨14的姿态（实体空间）与导航系统7中股骨14的模型（影像空间）相关联并附接股骨检查点。在步骤S3中，使用导航股骨手钻准备股骨14以接纳股骨植入物（例如股骨组件26）。在步骤S4中，将髋臼追踪阵列附接于骨盆12以使得追踪装置8能够追踪骨盆12的运动。在步骤S5中，将检查点附接于骨盆12以供在手术程序期间用于验证髋臼追踪阵列没有相对于骨盆12移动。检查点可为例如美国专利申请No.11/750,807（公布No.US2008/0004633）中所述的检查点，所述申请于2007年5月18日提交并且以引用的方式整体并入本文。

在步骤S6中，配准骨盆12（使用任何已知配准技术）以使骨盆12的姿态（实体空间）与在导航系统7中骨盆12的模型（影像空间）相关联。在一个实施方案中，如图14B中所示，通过使用追踪探针收集骨盆12（实体空间）上的点接着与骨盆12的图像512（影像空间）上的相应点匹配来完成配准。在此实施方案中，显示器装置9示出骨盆12的图像512，包括一个或多个配准点516。配准点516有助于外科医生了解在实际解剖结构上的何处使用追踪探针收集点。配准点516可经过彩色编码以进一步帮助外科医生。例如，骨盆12上接下来要用追踪探针收集的配准点516可标上黄色，而已收集的配准点516可标上绿色，并且随后将收集的配准点516可标上红色。配准后，显示器装置9可向外科医生示出配准算法使实体收集点拟合至骨盆12的图像512的程度如何。举例来说，如图14C中所示，可显示误差点518以说明在图像512的表面与实体骨盆12的相应表面之间的配准中存在多少误差。在一个实施方案中，误差点518可经过彩色编码，例如代表最小误差的误差点518显示为绿色，而代表增加量的误差的误差点518显示为蓝色、黄色和红色。作为彩色编码的替代，代表不同程度误差的误差点518可具有不同形状或尺寸。还可显示验证点519。验证点519向外科医生说明在何处用追踪探针收集点以验证配准。当收集配准点519时，导航系统7的软件显示在解剖结构上收集的实际点与图像512在实体空间中的配准位置之间的误差（例如以毫米为单位的数值显示）。如果配准误差过高，那么外科医生通过重复步骤S6的配准过程重新配准骨盆12。

在步骤S7中，配准机器人臂30以使机器人臂30的姿态（实体空间）与导航系统7（影像空间）相关联。机器人臂30可如例如在美国专利申请No.11/357,197（公布No.US2006/0142657）中所述进行配准，所述申请于2006年2月21日提交并且以引用的方式整体并入本文。

在步骤S8中，外科医生使用耦合于机器人臂30的扩孔器（如操作构件100或操作构件200）重整髋臼22的表面。如上文结合操作构件100、200所述，外科医生将适当操作构件（例如笔直或偏心扩孔器）耦合于末端执行器40，将切削元件116连接至接纳的操作构件，并手动操纵机器人臂30（如图10A中所示）对髋臼22进行扩孔。在扩孔期间，机器人臂30对外科医生提供触觉（力反馈）引导。触觉引导限制外科医生手动移动手术工具的能力以确保实际骨切口在形状和位置上对应于计划骨切口（即，切口与手术计划相符）。

优选地，限制经过调整以对应正使用的手术工具，例如切削元件116。在一个实施方案中，控制器经过编程以产生使力系统在切削元件116为第一切削元件116a时对外科医生手工移动末端执行器40提供第一限制（例如触觉引导）并在切削元件116为第二切削元件116b时对外科医生手工移动末端执行器40提供不同于第一限制的第二限制（例如触觉引导）的力信号。如图12中所示，第一切削元件116a和第二切削元件116b是构造成切削髋臼骨的半球形切削元件，并且第一切削元件116a的直径D1不同于第二切削元件116b的直径D2。在一个实施方案中，第一切削元件116a的直径D1比假体组件316的直径D3小预定量，且第二切削元件116b的直径D2大于第一切削元件116a的直径D1。在一个示例性实施方案中，预定量是比假体组件316的直径D3小5毫米。在其它实施方案中，预定量可以大于或小于5毫米，如2毫米、3毫米、7毫米，或为范围（例如5±2毫米）。

因为第一切削元件116a的直径D1小于假体组件316的直径D3，所以可使用第一切削元件116a来制作初步切口，如移除关节软骨和骨赘。初步切口无需如最终切口一般准确。因此，初步切口可在程度比最终切口低的触觉限制下制作。具体地说，当使用第一切削元件116a进行扩孔时，第一限制构造成沿参考轴R-R限制与切削元件116a相关的至少一个点。举例来说，如图13A中所示，可沿参考轴R-R限制在切削元件116a的中心轴C-C上的至少一个点P，以使得点P可仅沿参考轴R-R移动。在图13A的实施方案中，点P安置于切削元件116a上。在其它实施方案中，点P可位于切削元件116a的中心轴C-C上，而不与切削元件116a实际相交。在此实施方案中，参考轴R-R是当假体组件316植入患者解剖结构上时假体组件316的期望轴。举例来说，参考轴R-R可以是当假体组件316根据外科医生的手术计划植入髋臼22上时假体组件316的中心轴。因此，当用第一切削元件116a进行扩孔时，机器人臂30提供力反馈以限制外科医生手工移动末端执行器40，以使得点P停留在参考轴R-R上。以此方式，手术工具的轨迹受到限制。在一个实施方案中，点P可沿参考轴R-R行进的深度也受到限制以防止髋臼22过度扩孔。然而，当使用第一切削元件116a时，末端执行器40的取向优选不受限制。

随着扩孔继续，使用逐渐较大的扩孔器。在制作出初步切口后，外科医生将第一切削元件116a替换为较大切削元件，如第二切削元件116b。当将第二切削元件116b耦合于末端执行器40时，机器人臂30施加第二限制。第二限制构造成限制手术工具相对于参考轴R-R的取向。举例来说，如图13B中所示，机器人臂30可施加力反馈来限制手术工具以使手术工具的轴维持在离参考轴R-R的预定角距离θ内。手术工具的轴可为例如末端执行器40的外壳60的中心轴A-A、手术工具轴干的轴（例如接纳的操作构件的中心轴B-B）或切削元件116b的中心轴C-C。预定角距离θ优选为10度，但可为适于特定手术应用的任何其它角度，如5度、15度等。优选地，当使用第二切削元件116b时，机器人臂30同时施加第一和第二限制。因此，在第二切削元件116b的情况下，机器人臂同时限制手术工具的轨迹和角取向。为避免过度扩孔，手术工具可行进的深度也可受到限制以不超过假体组件316在植入髋臼22上时的期望深度。在一个实施方案中，第二切削元件116b在尺寸上对应于假体组件316并用于对髋臼22制作最终切口。在一个实施方案中，控制器经过编程以在最终切口的形状实质上对应最终切口的期望形状时关停或关断第二切削元件116b。

扩孔器的尺寸可基于其外径进行设定，其中扩孔器尺寸以1毫米增量递增。在一个实施方案中，对于存在低于计划假体组件316的尺寸至少5个尺寸（例如5毫米）的所有切削元件，机器人臂30施加第一限制。换句话说，如果切削元件的直径比假体组件316的直径D3小至少5毫米，那么切削元件可以任何角度使用，但沿参考轴R-R受限。对于较大切削元件（即，前四个尺寸，直至计划杯的尺寸），机器人臂30另外施加第二限制以使手术工具的角取向也受到限制。角度限制可随着切削元件的尺寸增加而限制性逐渐变强。在另一实施方案中，对于等于低于计划假体组件316的尺寸两个尺寸或高于计划假体组件316的尺寸两个尺寸的扩孔器尺寸，机器人臂30同时施加第一和第二限制。优选地，手术工具的行进深度受到限制以防止扩孔超过假体组件316的计划深度。

第一和第二限制优选由控制机器人臂30的力系统的控制器启动。举例来说，控制器可经过编程以便产生使力系统在切削元件116（例如第一切削元件116a或第二切削元件116b）的一部分与启动区510相符时提供第一限制与第二限制中的至少一者的控制信号。启动区510（图14A和14D中所示）可以是相对于患者解剖结构界定的虚拟区。例如，启动区510可相对于假体组件316的计划姿态500界定。在一个实施方案中，启动区510与计划姿态500的边界相符并且因此具有与计划姿态500相同的形状和位置。在另一实施方案中，计划姿态500的至少一部分与启动区510相符。启动区510还可延伸超出计划姿态500的边界。举例来说，如图14A和14D中所示，启动区510是延伸超出计划姿态500的边界的圆柱形体积。优选地，当将假体组件316以计划姿态500植入解剖结构上时，圆柱形体积与计划姿态500的轴（如假体组件316的中心轴C-C）共轴。

手术期间，手术工具的图像相对于计划姿态500、启动区510和/或解剖结构的图像512、514显示于显示器9上，如图14D中所示。该图像为影像空间中的图形模型，其对应于实体空间中的实际手术工具（在步骤S7中经机器人臂30配准）并且包括所接纳操作构件的轴干的图像520a和切削元件116的图像520b。外科医生使用此视图来将手术工具手动导航至切口中。在一个实施方案中，外科医生可自由移动手术工具直至手术工具的一部分与启动区510相交，此时力系统控制机器人臂30以提供适当限制（例如，第一限制和/或第二限制）。在一个实施方案中，当所接纳操作构件的轴干的图像520a完全由启动区510的圆柱形体积包围时，适当限制启动，如图14D中所示。一旦启动适当限制，启动区510就可从所显示的影像中移除，如图14E中所示。

第一和第二限制确保髋臼中的骨切口准确对应于假体组件316的计划姿态500的骨切口。因为第一和第二限制由致动器施加，所以第一和第二限制并非无穷大。因此，外科医生能够通过以足以克服由机器人臂30提供的力反馈的力手动移动末端执行器40而克服第一和第二限制。为避免对患者造成损伤和/或不准确的骨切口，控制器优选经过编程以便在外科医生手动克服第一限制和/或第二限制的情况下自动控制手术工具的姿态的至少一个方面。例如，在扩孔期间，如果外科医生推动末端执行器40使得所接纳操作构件的轴干超过离参考轴R-R的预定角距离θ，那么机器人臂30可施加主动力反馈以尝试使所接纳操作构件的轴干移回预定角距离θ以内。控制器的另一选择是在第一限制和/或第二限制被外科医生克服的情况下关停或关断扩孔器。

在步骤S9中，外科医生通过用如例如美国专利申请No.11/750,807（公布No.US2008/0004633）中所述的追踪探针接触骨盆检查点来验证在髋臼追踪阵列与骨盆12之间的配准（即，几何关系）仍有效，所述美国专利申请于2007年5月18日提交并且以引用的方式整体并入本文。如果配准降级（例如，因为髋臼追踪阵列在扩孔期间受到冲撞），那么对骨盆12进行重新配准。配准验证可在外科医生想要检查髋臼配准的完整性的任何时间执行。

在步骤S10中，使用耦合于机器人臂30的冲击器工具（如操作构件300或操作构件400）将假体组件316植入经过扩孔的髋臼22上。如上文结合操作构件300、400所述，外科医生从末端执行器40移除扩孔器，将适当操作构件（例如笔直或偏心冲击器）连接至末端执行器40，并将假体组件316（例如髋臼杯28a）附接于操作构件。外科医生接着手动操作机器人臂30（如图10B中所示）以将假体组件316冲击至髋臼22上。在外科医生冲击假体组件316的同时，机器人臂30基于手术计划提供触觉引导，其限制外科医生移动手术工具的能力以确保在将假体组件316冲击至髋臼22上时耦合于手术工具的假体组件316的实际姿态实质上对应于计划姿态500。在一个实施方案中，控制器经过编程以比较假体组件316的目标姿态（例如计划姿态500和/或启动区510）与由手术工具啮合的假体组件316的实际姿态，并产生使力系统允许手术工具在移动范围内移动并且提供触觉反馈以限制外科医生手动移动手术工具超出移动范围的能力的控制信号。移动范围例如可相对于将假体组件316植入解剖结构上时假体组件316的期望方面进行界定，所述方面如角度（例如扭转角、倾角）、轴、取向、旋转中心、边界和/或深度。触觉反馈接着可阻止外科医生对手术工具的移动，所述移动会引起在假体组件316实际姿态的至少一个方面与假体组件316目标姿态的相应期望方面之间出现实质性偏差。触觉反馈可在外科医生朝植入位点移动假体组件316时施加并且优选在外科医生将假体组件316植入解剖结构上时维持。因此，髋臼杯28a可植入到髋臼22上，使得髋臼杯28a的倾斜准确度、扭转准确度和旋转中心实质上对应于手术计划。

以与上文结合步骤S8（扩孔）所述相同的方式，在冲击步骤S10期间，显示器装置9可示出计划姿态500、启动区510、解剖结构的图像512、514和手术工具的图像。然而，在冲击期间，图像520b代表假体组件316，而非切削元件116。另外，如上文结合步骤S8所述，控制器可在冲击程序期间在手术工具的实际姿态的至少一部分与目标姿态的启动区510的至少一部分相符时启动触觉反馈。同样如上文结合步骤S8所述，如果外科医生移动末端执行器40克服了触觉反馈，那么控制器可起始手术工具的自动控制以使实际姿态的至少一个方面与目标姿态的相应期望方面实质上对准。

在步骤S11中，外科医生将股骨组件26安装于股骨14上，并且在步骤S12中，外科医生确定腿长和股骨偏离。如图14F中所示，显示器装置9可显示所植入髋臼组件28的图像522和所植入股骨组件26的图像524。另外，如图14G中所示，在手术程序期间的任何时间，显示器装置9都可以示出与进展和/或结果相关的数据。例如，在步骤S8中的扩孔和/或步骤S10中的冲击后，与经过扩孔的髋臼22（或所植入的髋臼杯28a）的实际位置相关的数据525可包括例如表示患者解剖结构的三个正交平面（即，内/外、上/下和前/后）中的实际位置和计划位置之间的误差的数值数据。

停放配置

手术系统5优选构造成例如在手术程序期间在外科医生未主动使用机器人臂30来执行任务时停放或容纳机器人臂30。停放配置适用于机器人臂30的可移动构件，如铰接臂34或如例如在美国专利No.6,322,567中所述的用于追踪物体的仪器连接（例如机械追踪臂），所述美国专利以引用的方式整体并入本文。在停放配置中，可移动构件紧固于安全位置，且防止可移动构件的工作端（例如手术工具）漂移到手术程序的无菌区以外。

手术系统5优选构造成占连接到机器人臂30的物体的不同重量。如上文所说明，机器人臂30构造成允许使用者（例如外科医生）手动移动铰接臂34以允许在空间中操纵耦合于铰接臂34的物体（例如接纳的操作构件）并由此使用耦合的物体促进任务（例如骨切削、植入物冲击）的执行。铰接臂34适于耦合于多种可互换物体，如第一物体和第二物体。第一物体可为例如操作构件100或操作构件200，且第二物体可为操作构件300或操作构件400（或反之亦然）。因为操作构件100、200、300、400具有不同配置和功能，所以它们也可能具有实质上不同的重量。举例来说，在一个实施方案中，第二物体的重量比第一物体的重量大至少三倍。在另一实施方案中，第二物体的重量比第一物体的重量的大至少百分之三十六。在另一实施方案中，第二物体的重量比第一物体的重量的大至少百分之五十二。在另一实施方案中，第二物体的重量比第一物体的重量的大至少百分之九十四。在另一实施方案中，操作构件100的重量为约360克，操作构件200的重量为约460克，操作构件300的重量为约490克，且操作构件400的重量为约700克。因此，停放配置构造成容纳具有实质上不同的重量的机器人臂30的有效负荷。

停放配置可使用制动器达成。在操作时，制动器限制可移动构件的至少一部分的手动移动。例如，制动器限制铰接臂34的至少一部分的手动移动以抑制耦合物体在空间中的操纵。因为铰接臂34在单一手术程序期间与多种操作构件一起使用，所以制动器应在铰接臂34耦合于第一物体时和在铰接臂34耦合于第二物体时都有效，而不需要在机械上对制动器进行重新构造，该重新构造将扰乱手术工作流程。制动可使用机械和/或电气组件的任何适合组合实施。在一个实施方案中，制动器是虚拟制动器。与实体制动器相反，虚拟制动器不包括常规机械制动组件。相反，如下文所说明，虚拟制动使用控制器和机器人臂30的力系统来实施。

在一个实施方案中，虚拟制动通过控制力系统的一个或多个致动器以对铰接臂的一个或多个接头施加保持转矩（即制动力）来实施。施加保持转矩是基于铰接臂34相对于制动区的位置，其中制动器构造成在外科医生将铰接臂34的至少一部分（如一个或多个接头）移动至制动区中时啮合。具体地说，制动器构造成仅在接头（或多个接头）处于制动区中时施加制动力。举例来说，制动器可构造成基于制动区限制接头（或多个接头）的手动移动，所述制动区可例如由接头（或多个接头）的位置界定。在一个实施方案中，制动区是铰接臂34的接头J的规定角运动范围α并且还可包括铰接臂34的其它接头的角运动范围。角运动范围α可为使铰接臂34处于期望停放配置的任何运动范围。举例来说，图15示出处于实质上水平位置的接头J。在此实施方案中，为使接头J停放于实质上垂直位置，将接头J从水平位置移动至垂直位置。在一个实施方案中，实质上垂直位置的角运动范围α为约+/-15度。在其它实施方案中，角运动范围α可为例如约+/-15度、约+/-30度或约180+/-30度。在一个实施方案中，最远接头可具有约+/-30度或约180+/-30度的角运动范围α。制动器可构造成在外科医生将接头J移动至制动区中时啮合（和使接头J保持在制动区中）。举例来说，外科医生将接头J从水平位置沿方向V移动约90度，直至接头J的位置处于角运动范围α内。当接头J的位置处于角运动范围α内时，控制器产生控制接头J的致动器以施加保持转矩的信号。当施加保持转矩时，制动器啮合且接头J停留锁定在适当位置。当接头J移动至此制动区时，控制器优选还产生控制铰接臂34的一个或多个其它接头的致动器以施加保持转矩从而产生多个被制动的接头的信号。因而，铰接臂34的总体位置锁定于停放配置。外科医生接着可安全地放任铰接臂34不加照料，更换操作构件，或执行任何其它任务而不用担心手术工具会漂移到无菌区以外或干扰患者或手术室中的其它设备。尽管以上描述得出当接头J处于角运动范围α内时制动器啮合，但制动器还可构造成仅当多个接头在其各别角运动范围内移动时啮合。

制动器的松开也可基于制动区。在一个实施方案中，制动器构造成在外科医生将至少一个被制动的接头（如接头J）移到所述特定接头的制动区以外时松开。例如，为了松开制动器，外科医生用足以克服接头J的所施加的保持转矩或制动力的力移动铰接臂34。制动力的量级足够小以使得外科医生能够手动移动铰接臂34以克服该制动力。制动力可根据特定外科医生和/或特定手术程序进行调整，并且不同接头可具有不同的制动力。例如，制动力可在约5至12Nm范围内。举例来说，在一个实施方案中，第一接头（即，最近接头）可具有约6Nm的制动力，第二接头可具有约12Nm的制动力，第三接头可具有约9Nm的制动力，第四接头可具有约11Nm的制动力，第五接头可具有约7Nm的制动力，且第六接头（即，最远接头）可具有约5Nm的制动力。当接头J移出制动区进入非制动区610中时，控制器产生控制接头J（和任何其它被制动的接头）的致动器以中断保持转矩的施加的信号。外科医生接着可自由地移动铰接臂34。在一个实施方案中，制动区与非制动区610之间存在重叠以防止制动器的意外释放。另外或替代地，制动器可构造成独立于制动区松开。例如，如果铰接臂34包括一个或多个被制动的接头和至少一个未制动的接头，如肘节接头W，那么制动器可构造成在外科医生例如通过扭转肘节接头W手动移动未制动接头时松开。尽管以上描述得出当接头J移出角运动范围α内时制动器松开，但制动器还可构造成仅当多个接头移出其各别角运动范围内时松开。

保持转矩实施方案的一个优势在于制动在接头空间中实施，并且各个别接头致动器可具有独特的保持转矩限制。例如，较重接头可能需要较大的保持转矩，因为除制动外，保持转矩还须补偿作用于接头上的重力。相反，轻重量的接头可具有相对较小的保持转矩，因为较轻接头需要较小的重力补偿。此差别可用于促进制动的松开。具体地说，因为外科医生较易于手动移动具有较低保持转矩的接头，所以可使用较轻接头的移动来触发虚拟制动的松开。

在另一实施方案中，虚拟制动在笛卡尔空间（Cartesianspace）中使用触觉物体实施。除了制动区由触觉物体而非接头的角运动范围界定以外，触觉物体实施方案与保持转矩实施方案类似。如2006年2月21日提交的美国专利申请No.11/357,197（公布No.US2006/0142657）（其据此以引用的方式整体并入本文）中所说明，触觉物体是由力和/或转矩（即力反馈）与位置之间的映射所界定的虚拟物体。触觉物体配准于实体空间并界定在实体空间中的虚拟边界。可界定触觉物体以使得虚拟边界具有适于特定手术程序的任何期望尺寸、形状和位置。以与骨切削期间启动的虚拟切削边界类似的方式，铰接臂34的指定部分移动超出虚拟边界受到由力系统施加的力反馈限制。当使用触觉物体作为虚拟制动器时，触觉物体充当附接于铰接臂34的末端的手术工具或其它设备的“虚拟皮套（virtualholster）”，并且由力系统施加的力反馈为制动力。如图16A和16B中所示，虚拟皮套包括虚拟边界600（第一区）和由虚拟边界600界定的内区605（第二区）。当外科医生在虚拟边界600内部手动移动手术工具时，控制器控制力系统限制铰接臂34的运动以使得手术工具维持在虚拟皮套的虚拟边界600以内。

在保持转矩实施方案中，因为与接头J在制动区内的位置无关地施加恒定保持转矩，所以制动力在制动区内实质上是连续的。因而，随着外科医生在制动器中移动接头J，铰接臂34具有平滑连续的感觉。相反，在触觉物体实施方案中，因为制动力通常在触觉物体的虚拟边界600处而非在触觉物体的内区605内施加，所以制动力在制动区中实质上是不连续的。举例来说，在一个实施方案中，力反馈仅在虚拟边界600处或附近而非在内区605中施加。因此，当手术工具停放在虚拟边界600中时，手术工具可在虚拟边界600的界限内自由漂移，但阻止漂移到虚拟边界600外部。以此方式，制动区包括施加制动力的第一区（即，虚拟边界600）和未施加制动力的第二区（即，内区605）。或者，可界定触觉物体的映射以使得力反馈在内区605中以及在虚拟边界600处或附近施加，以便手术工具不在虚拟边界600内漂移或不漂移超出虚拟边界600。

如上文结合保持转矩实施方案所述，在触觉物体实施方案中，制动器构造成在外科医生将手术工具（或铰接臂34的其它指定部分）手动移动至制动区中时啮合。例如，当外科医生将铰接臂34从图16A中所示的位置移动至图16B中所示的位置时，手术系统5检测手术工具的指定部分（如尖端和/或轴干）何时处于虚拟边界600内，并且控制器啮合制动器。在触觉物体实施方案中，啮合制动器可包括确认行为，如当手术工具处于虚拟边界600内时开启触觉物体的力反馈。或者，触觉物体的力反馈可持续起作用，使得啮合制动器包括手术系统5确定手术工具处于虚拟边界600内。以此方式，控制器经过编程以确定铰接臂34的至少一部分是否处于界定的制动区中并产生构造成引起施加界定的制动力以在铰接臂34的至少所述部分确定处于制动区中时抑制铰接臂34的至少所述部分的移动的信号。制动器的松开也可基于制动区。在一个实施方案中，制动器构造成在外科医生将手术工具（或铰接臂34的其它指定部分）移出制动区时松开。例如，为了松开制动器，外科医生用足以克服力系统在虚拟边界600处施加的力反馈的力移动铰接臂34。当手术工具移出虚拟边界600进入非制动区610时，制动器松开。在触觉物体实施方案中，松开制动器可包括确认行为，如在手术工具移出虚拟边界600后关闭触觉物体的力反馈。或者，触觉物体的力反馈可持续起作用，使得松开制动器包括手术系统5确定手术工具在虚拟边界600以外。正如保持转矩实施方案，制动力的量级足够小以使得外科医生能够手动移动铰接臂34以克服该制动力。在一个实施方案中，制动区与非制动区610之间存在重叠以防止制动器意外释放。另外或替代地，制动器可构造成独立于制动区松开，如在上文结合保持转矩实施方案所说明通过扭转肘节接头W松开。

停放配置可用于机器人臂30的任何可移动构件或用于与机器人臂30不相关的可移动构件。例如，可移动构件可以是用于手术导航的仪器连接系统。在一个实施方案中，如图17A中所示，仪器连接系统包括具有由多个可移动接头衔接的多个连接的仪器连接（或铰接构件）800。如所熟知，接头是仪器化的（例如使用接头编码器）以使得能够测量近端连接805相对于远端连接810的座标。当远端连接810连接至所要追踪的物体（如骨）时，可确定所追踪物体的姿态。当所追踪的物体移动时，仪器连接800随所追踪的物体一起移动。以此方式，可在所追踪物体在实体空间中移动时追踪所追踪物体的姿态。使用仪器连接系统进行追踪的一个优势在于仪器连接系统使得能够进行手术导航而无视线限制。相反，光学追踪系统需要在光学摄影机与安置于所追踪物体上的可追踪标志之间的视线。

在手术程序期间，仪器连接800可构造成以停放配置安置，其中仪器连接800紧固于安全位置且防止漂移到手术程序的无菌区以外。如上文结合铰接臂34所述，仪器连接800的停放配置可使用制动器达成。制动可使用虚拟制动器（例如，如上文所述）或实体制动器实施。在一个实施方案中，接头J2与致动器直接耦合或通过缆线耦合以使得仪器连接800可反向驱动。在正常操作期间，致动器可施加转矩以补偿因仪器连接800的重量所造成的重力负荷。停放配置（图17B中所示）可通过向仪器连接800的至少一个接头施加保持转矩来达成。在一个实施方案中，停放配置可使用电气或/和机械制动器、电流变（ER）或磁流变（MR）液制动器等的任何适合组合利用实体制动机构820来实施。如上文结合铰接臂34所述，制动器的应用优选基于仪器连接800相对于制动区的位置。在一个优选的实施方案中，制动机构820构造成仅在仪器连接800的接头（或多个接头）处于制动区中时施加制动力。例如，制动器可构造成当接头J2和接头J4各自处于预定角运动范围内时啮合（基于来自控制器的信号），例如，如上文结合铰接臂34所述。该角运动范围可为例如10度。制动器的松开也可基于制动区。在一个优选的实施方案中，制动器构造成在外科医生将至少一个接头移出制动区时松开。例如，制动器可构造成在外科医生将接头J4移出制动区的运动范围时松开。以此方式，手术系统可包括构造成连接至所要追踪的物体的铰接构件，和经过编程以确定铰接构件的至少一部分是否处于界定的制动区中并产生构造成引起施加制动力以在确定铰接构件的至少所述部分处于制动区中时抑制铰接构件的至少所述部分移动的信号的控制器。

优选地，虚拟制动器的参数可根据环境和/或期望配置进行调整。根据一个实施方案，虚拟制动器由虚拟制动器配置限定，所述虚拟制动器配置包括如制动力、制动区的尺寸、制动区的位置和/或制动区的形状等参数。如上文结合保持转矩和触觉物体的实施方案所说明，这些参数可根据特定手术应用进行调整。另外，控制器可经过编程以使得外科医生能够连续控制虚拟制动器配置。例如，在手术程序之前、期间和/或之后，外科医生可使用计算机（如在导航系统7上的计算机）来调整虚拟制动器配置的一个或多个参数。以此方式，控制器经过编程以使得外科医生能够连续修改虚拟制动器配置的参数。有利的是，虚拟制动器配置可在不改变机器人臂30的机械配置的情况下修改。例如，力系统的致动器能够施加不同程度的保持转矩和力反馈。因此，为了修改制动力，控制器仅需要控制致动器输出不同量级的保持转矩或力反馈。类似地，为了修改制动区，仅需要向控制器提供新的角运动范围α、虚拟边界600的尺寸、虚拟边界600的位置和/或虚拟边界600的形状的值。因此，虚拟制动器配置可在任何时间修改。例如，如果打算将极重的操作构件耦合至铰接臂34上，那么外科医生可能希望增加制动力以确保制动器可以安全地保持重操作构件。类似地，对于具有不同功能的操作构件，外科医生可能首选位于不同位置的制动区。尽管虚拟制动器配置可在任何时间修改，但对于特定手术程序，为使得能够进行连续的手术工作流程，制动器优选具有相同配置，而与何物体耦合于铰接臂34无关。此可通过设置虚拟制动器配置的参数以确保制动器可安全地容纳在手术程序期间将耦合至铰接臂34的所有物体来实现。

本领域的技术人员将认识到，本发明可在不悖离其精神或基本特征的情况下以其它特定形式实施。因此，前述实施方案视为在所有方面上说明而非限制本文所述的本发明。本发明的范围因此由随附权利要求书而非由前述描述指定，并且因此在权利要求书的等同物的含义和范围内进行的所有改变都意欲涵盖于其中。

Claims (15)

1.一种用于在患者的解剖结构上安放假体组件的手术系统，该手术系统包括：

手术工具，该手术工具构造成啮合所述假体组件；

力系统，该力系统构造成对所述手术工具提供至少一些力；和

控制器，该控制器经过编程以：

比较所述假体组件的目标位置和取向与由所述手术工具啮合的所述假体组件的实际位置和取向；并且

产生使所述力系统允许所述手术工具在移动范围内移动且提供触觉反馈以限制使用者手动移动所述手术工具超出所述移动范围的能力的控制信号，其中所述触觉反馈阻止所述使用者移动所述手术工具，所述移动将引起在所述假体组件的所述实际位置和取向的至少一个方面与所述假体组件的所述目标位置和取向的相应方面之间出现实质性偏差；

其中所述控制器经过编程以产生使所述力系统在所述使用者在所述解剖结构上植入所述假体组件时维持所述触觉反馈的控制信号。

2.根据权利要求1所述的手术系统，其中所述实际位置和取向的所述至少一个方面与所述目标位置和取向的所述相应方面包括角度、轴、取向、旋转中心、边界和深度中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的手术系统，其中所述目标位置和取向包括在所述解剖结构上植入的所述假体组件的计划位置和取向和启动区。

4.根据权利要求3所述的手术系统，其中所述启动区延伸超出所述计划位置和取向的边界。

5.根据权利要求3所述的手术系统，其中所述计划位置和取向的至少一部分与所述启动区的至少一部分相符。

6.根据权利要求3所述的手术系统，其中所述启动区包括与所述计划位置和取向的轴共轴的圆柱形体积。

7.根据权利要求3所述的手术系统，其中所述控制器经过进一步编程以：

产生在所述假体组件的所述实际位置和取向的至少一部分与所述目标位置和取向的所述启动区的至少一部分相符时启动所述触觉反馈的信号。

8.根据权利要求1所述的手术系统，其中所述控制器经过进一步编程以：

在所述使用者移动所述假体组件克服所述触觉反馈时起始对所述假体组件的自动控制以使所述实际位置和取向的所述至少一个方面与所述目标位置和取向的所述相应方面实质上对准。

9.根据权利要求1所述的手术系统，其中所述工具包括末端执行器，所述末端执行器构造成耦合于机器人臂并且包括构造成啮合所述假体组件的第一部分和构造成接受用于将所述假体组件植入到所述患者的所述解剖结构上的冲击力的第二部分。

10.根据权利要求9所述的手术系统，其中所述末端执行器包括：

安装部分，其构造成耦合于所述机器人臂的相应安装部分以使得所述安装部分相对于彼此固定；和

操作构件，其构造成当所述使用者向所述末端执行器的所述第二部分施加所述冲击力时相对于所述耦合的安装部分平移。

11.根据权利要求10所述的手术系统，其中所述操作构件构造成在包括第一位置和第二位置的限制区中平移。

12.根据权利要求11所述的手术系统，其中所述第一位置和所述第二位置至少部分地由安置于所述操作构件上的凹槽界定。

13.根据权利要求11所述的手术系统，其中所述第一位置至少部分地由安置于所述操作构件上的凹槽界定并且所述第二位置至少部分地由安置于所述操作构件上的突起界定。

14.根据权利要求13所述的手术系统，其中所述突起远离所述凹槽安置。

15.根据权利要求9所述的手术系统，其中所述末端执行器的所述第一部分和所述第二部分分别包括操作构件的远端和近端。