專利名稱：用于安放假體組件和/或限制手術工具移動的手術系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體涉及機器人系統(tǒng)，并且更具體地說涉及用于整形外科關節(jié)置換手術的手術系統(tǒng)。相關技術的描述在需要高準確度和/或精確度的應用中，如在手術程序或其它復雜任務中，常使用機器人系統(tǒng)。這類系統(tǒng)可包括各種類型的機器人，如自主、遙控操作和交互式機器人。對于一些類型的手術如關節(jié)置換手術來說，交互式機器人系統(tǒng)是優(yōu)選的，因為其使得外科醫(yī)生能夠保持對手術程序的直接親自控制，同時仍能達成高準確度和/或精確度。例如，在膝關節(jié)置換手術中，外科醫(yī)生可以被動方式使用觸覺指導的交互式機器人臂來雕鑿骨以接納關節(jié)植入物，如膝關節(jié)植入物。為了雕鑿骨，外科醫(yī)生用手抓握并操縱機器人臂來移動耦合于機器人臂的切削工具(如磨錐)，以在骨中切削出口袋(pocket)。只要外科醫(yī)生將磨錐的尖端保持在由例如觸覺物體限定的預定虛擬切削邊界以內(nèi)，那么機器人臂就將以低摩擦和低慣性自由移動，使得外科醫(yī)生感覺機器人臂仿佛基本上沒有重量一般并且可以根據(jù)需要移動機器人臂。然而，如果外科醫(yī)生試圖移動磨錐尖端以在虛擬切削邊界以外切削，那么機器人臂就將提供觸覺(或力)反饋以阻止或抑制外科醫(yī)生將磨錐尖端移動超出虛擬切削邊界。以此方式，機器人臂能夠獲得高度準確、可重復的骨切口。當外科醫(yī)生在相應骨切口上手動植入膝關節(jié)植入物(如髕股組件)時，植入物通常將因切削骨與膝關節(jié)植入物的構(gòu)造和其間的界面而準確地對準。盡管上述交互式機器人系統(tǒng)適用于膝關節(jié)置換手術，但其并不最適于如髖關節(jié)置換手術等手術類型，所述手術需要使用具有不同功能(例如擴孔、沖擊)、不同構(gòu)造(例如筆直、偏心)和不同重量的多種手術工具。設計成適應多種工具的系統(tǒng)可能過于復雜并且需要多種末端執(zhí)行器，而且在手術程序期間移除和附接不同類型的工具到機器人臂上可能增加執(zhí)行程序的時間。另外，在髖關節(jié)置換手術中，除了保持適當?shù)那邢鬟吔缤?，手術工具和植入物的角取向也是重要的。例如，在常規(guī)髖關節(jié)置換手術中，外科醫(yī)生使用半球形擴孔器重整患者髖白的表面，所述髖白為骨盆中的杯狀關節(jié)窩。接著，將相應杯狀植入物(髖白杯)附接于沖擊器工具的遠端。外科醫(yī)生通過用木槌重復擊打沖擊器工具的近端將髖白杯植入經(jīng)過擴孔的關節(jié)窩中。經(jīng)過擴孔的關節(jié)窩和所植入的髖白杯兩者的角取向是重要的，因為錯誤的個別和/或相對取向會導致髖白杯不能與患者髖白解剖結(jié)構(gòu)的適當型式和傾斜角對準。未對準可能導致手術后問題，包括關節(jié)脫位、在股骨的最大運動范圍時股骨撞擊髖臼杯和髖白杯因股骨頭與髖白杯界面的不當負荷而加速磨損。對準對于維持正確的腿長和內(nèi)偏 /外偏也是重要的。最終，髖白杯沖擊至經(jīng)過擴孔的關節(jié)窩中產(chǎn)生高沖擊力，其可能會損壞設計用來進行高準確度和/或精確度操作的機器人臂。鑒于上述內(nèi)容，對改良的機器人手術系統(tǒng)和其組件存在需要。概述根據(jù)本發(fā)明的一方面，用于在患者的解剖結(jié)構(gòu)上安放假體組件的手術系統(tǒng)包括構(gòu)造成嚙合假體組件的手術工具、構(gòu)造成向手術工具提供至少一些力的力系統(tǒng)和經(jīng)過編程以比較假體組件的目標姿態(tài)與由手術工具嚙合的假體組件的實際姿態(tài)并且產(chǎn)生使力系統(tǒng)允許手術工具在移動范圍內(nèi)移動并提供觸覺反饋以限制使用者手動移動手術工具超出移動范圍的能力的控制信號的控制器。觸覺反饋阻止使用者移動手術工具，所述移動會引起在假體組件實際姿態(tài)的至少一個方面與假體組件目標姿態(tài)的相應方面之間出現(xiàn)實質(zhì)性偏差。 控制器經(jīng)過編程以產(chǎn)生使力系統(tǒng)在使用者在解剖結(jié)構(gòu)上植入假體組件時維持觸覺反饋的控制信號。根據(jù)另一方面，手術系統(tǒng)包括構(gòu)造成耦合至切削元件的手術工具、構(gòu)造成對手術工具提供至少一些力的力系統(tǒng)和經(jīng)過編程以產(chǎn)生使力系統(tǒng)在切削元件為第一切削元件時對手術工具的使用者手動移動提供第一限制并在切削元件為第二切削元件時對手術工具的使用者手動移動提供不同于第一限制的第二限制的控制信號。附圖簡述并入并構(gòu)成本說明書的一部分的隨附圖式說明本發(fā)明的實施方案并且結(jié)合描述用于說明的本發(fā)明的各方面。

圖1A是股骨和骨盆的透視圖。圖1B是由圖1A的股骨和骨盆形成的髖關節(jié)的透視圖。圖2A是用于全髖關節(jié)置換程序的股骨組件與髖白組件的分解透視圖。圖2B是說明分別與圖1A的股骨與骨盆相關的圖2A的股骨組件與髖臼組件置換 的透視圖。圖3A是手術系統(tǒng)的一個實施方案的透視圖。圖3B是圖3A的手術系統(tǒng)的機器人臂的一個實施方案的透視圖。圖4A是與操作構(gòu)件的一個實施方案耦合的末端執(zhí)行器的一個實施方案的透視 圖。圖4B是圖4A的末端執(zhí)行器和操作構(gòu)件的剖面圖。圖4C是圖4A的操作構(gòu)件的軸干的透視圖。圖4D是圖4C的軸干沿線N-N所取的剖面圖。圖5A是圖4A的末端執(zhí)行器的耦合裝置的一個實施方案處于釋放位置的剖面圖。圖5B是圖5A的耦合裝置處于連接位置的剖面圖。圖5C是圖4A的末端執(zhí)行器的接納部分的一個實施方案的透視圖。圖 是圖5A的耦合裝置的鎖緊構(gòu)件的一個實施方案的透視圖。圖5E是圖5A的耦合裝置的滑動構(gòu)件的透視圖。圖6A是與操作構(gòu)件的另一實施方案耦合的圖4A的末端執(zhí)行器的透視圖。圖6B是圖6A的末端執(zhí)行器和操作構(gòu)件的剖面圖。
圖6C是圖6A的操作構(gòu)件的軸干的透視圖。圖7A是與操作構(gòu)件的另一實施方案耦合的圖4A的末端執(zhí)行器處于固定位置的剖面圖。圖7B是圖7A的末端執(zhí)行器和操作構(gòu)件處于開離位置的剖面圖。圖8A是圖7A的末端執(zhí)行器的耦合裝置處于釋放位置的剖面圖。圖8B是圖8A的耦合裝置處于連接位置的剖面圖。圖9A是與操作構(gòu)件的另一實施方案耦合的圖4A的末端執(zhí)行器的透視圖。圖9B是圖9A的末端執(zhí)行器和操作構(gòu)件的剖面圖。圖IOA說明外科醫(yī)生如何握持圖4A的末端執(zhí)行器和操作構(gòu)件用于對患者的髖臼進行擴孔。圖IOB說明外科醫(yī)生如何使用圖7A的末端執(zhí)行器和操作構(gòu)件用于將髖臼杯沖擊進患者經(jīng)過擴孔的髖臼中。圖11說明髖關節(jié)置換程序的步驟的一個實施方案。圖12是第一切削元件和第二切削元件的一個實施方案的剖面圖。圖13A說明第一約束器的一個實施方案。圖13B說明第二約束器的一個實施方案。圖14A-14G說明在手術程序期間使用的電腦顯示器的實施方案。圖15說明虛擬制動器的一個實施方案。圖16A說明松開的虛擬制動器的一個實施方案。圖16B說明哨合的虛擬制動器的一個實施方案。圖17A說明儀器連接的一個實施方案。圖17B說明圖17A的儀器連接處于停放配置的一個實施方案。優(yōu)選實施方案的詳細描述本發(fā)明的當前優(yōu)選實施方案在圖式中說明。在整個圖式中盡量使用相同或類似的參考數(shù)字來表示相同或類似的部分。盡管本說明書主要提及用于整形外科髖關節(jié)置換的機器人臂，但應了解，本文所述的標的物適用于其它類型的機器人系統(tǒng)，包括用于手術和非手術應用的機器人系統(tǒng)，以及其它身體關節(jié)，如肩關節(jié)。_既要髖關節(jié)是股骨與骨盆之間的關節(jié)，并且主要用于支撐身體在靜態(tài)姿態(tài)(例如站立) 和動態(tài)姿態(tài)(例如行走)時的重量。圖IA說明髖關節(jié)10的骨，所述髖關節(jié)包括骨盆12 (部分示出)和股骨近端14。股骨近端14包括位于股骨頸18上的股骨頭16。股骨頸18連接股骨頭16與股骨干20。如圖IB中所示，股骨頭16配合于骨盆12中稱為髖臼22的凹形關節(jié)窩中，由此形成髖關節(jié)10。髖白22與股骨頭16都被關節(jié)軟骨覆蓋，所述軟骨吸收沖擊并促進關節(jié)10的咬合。髖關節(jié)10可能會隨著時間退化(例如，由于骨關節(jié)炎)，從而導致疼痛和功能減弱。 因此，可能必需髖關節(jié)置換程序，如全髖關節(jié)成形術或髖關節(jié)表面重整。在髖關節(jié)置換期間，外科醫(yī)生將患者髖關節(jié)10部分置換為人工組件。在全髖關節(jié)成形術中，外科醫(yī)生移除股骨頭16和股骨頸18并將天然骨置換為假體股骨組件26，假體股骨組件26包含頭26a、 頸26b和干26c (圖2A中示出)。如圖2B中所示，股骨組件26的干26c錨定于外科醫(yī)生在股骨14的髓內(nèi)管中產(chǎn)生的空腔中?；蛘撸绻膊【窒抻诠晒穷^16的表面，那么外科醫(yī)生可選擇侵入性較低的方法，在所述方法中，對股骨頭進行表面重整(例如使用圓柱形擴孔器)并接著與假體股骨頭杯匹配(未示出)。類似地，如果骨盆12的天然髖臼22磨損或患病，那么外科醫(yī)生使用擴孔器重整髖白22的表面并將天然表面置換為假體髖白組件28，所述假體髖白組件28包含半球形杯28a (圖2A中示出)，其可能包括襯墊28b。為了安裝髖臼組件28，外科醫(yī)生將杯28a連接至沖擊器工具的遠端并通過用木槌重復擊打沖擊器工具的近端將杯28a植入經(jīng)過擴孔的髖曰22中。如果髖曰組件28包括襯墊28b，那么外科醫(yī)生在植入杯28a后將襯墊28b撳到杯28a中。根據(jù)外科醫(yī)生安置進行手術的患者的位置，外科醫(yī)生可以使用筆直或偏心擴孔器來對髖白22進行擴孔和使用筆直或偏心沖擊器來植入髖臼杯28a。舉例來說，使用后外側(cè)方法的外科醫(yī)生可能選擇筆直擴孔和沖擊，而使用前外側(cè)方法的外科醫(yī)生可能選擇偏心擴孔和沖擊。示例性機器人系統(tǒng)手術系統(tǒng)可根據(jù)本發(fā)明進行構(gòu)造以執(zhí)行髖關節(jié)置換，以及其它手術程序。如圖3A 中所示，根據(jù)本發(fā)明用于手術應用的手術系統(tǒng)5的一個實施方案包括計算機輔助導航系統(tǒng)
7、跟蹤裝置8、顯示器裝置9 (或多個顯示器裝置9)和機器人臂30。機器人臂30可由外科醫(yī)生以交互方式使用以對患者執(zhí)行手術程序，如髖關節(jié)置換程序。如圖3B中所示，機器人臂30包括基座32、鉸接臂34、力系統(tǒng)(未示出)和控制器 (未示出)。手術工具(例如具有操作構(gòu)件的末端執(zhí)行器40)耦合于鉸接臂34，且外科醫(yī)生通過抓握并手動移動鉸接臂34和/或手術工具來操縱手術工具。力系統(tǒng)和控制器構(gòu)造成在操縱手術工具期間對外科醫(yī)生提供控制或指導。力系統(tǒng)構(gòu)造成通過鉸接臂34對手術工具提供至少一些力，并且控制器經(jīng)過編程以產(chǎn)生用于控制力系統(tǒng)的控制信號。在一個實施方案中，力系統(tǒng)包括致動器和可反向驅(qū)動的傳動， 所述傳動提供觸覺(或力)反饋以限制或抑制外科醫(yī)生手動移動手術工具超出由觸覺物體限定的預定虛擬邊界，例如在以下文獻中所述2006年2月21日提交的美國專利申請 No. 11/357, 197 (公布No. US 2006/0142657)和/或2009年12月22日提交的美國專利申請No. 12/654，591，所述文獻各自據(jù)此以引用的方式整體并入本文。在一個優(yōu)選實施方案中，手術系統(tǒng)是由 MAKO Surgical Corp. (Fort Lauderdale, Florida)制造的RJO*機器人臂交互式整形外科系統(tǒng)(R丨O* Robotic Arm Interactive Orthopedic System)。力系統(tǒng)和控制器優(yōu)選容納于機器人臂30內(nèi)。追蹤裝置8構(gòu)造成追蹤手術工具(耦合于機器人臂34)與患者解剖結(jié)構(gòu)的相對位置。手術工具可由追蹤裝置8直接追蹤?；蛘撸中g工具的姿態(tài)可通過追蹤機器人臂30的基座32的位置并基于來自機器人臂30接頭的接頭編碼器數(shù)據(jù)和在手術工具與機器人臂30 之間的已知幾何關系計算手術工具的姿態(tài)來確定。具體地說，追蹤裝置8(例如光學、機械、 電磁或其它已知追蹤系統(tǒng))追蹤(或能夠確定)手術工具的姿態(tài)(即，位置和取向)和患者的解剖結(jié)構(gòu)，從而導航系統(tǒng)7知道工具與解剖結(jié)構(gòu)之間的相對關系。在操作時，使用者(例如外科醫(yī)生)手動移動機器人臂30以操縱手術工具(例如具有操作構(gòu)件的末端執(zhí)行器40)來對患者執(zhí)行手術任務，如骨切削或植入物安裝。當外科醫(yī)生操縱工具時，追蹤裝置8追蹤手術工具的位置并且機器人臂30提供觸覺(或力)反饋以限制外科醫(yī)生移動工具超出配準于(或映射于)患者解剖結(jié)構(gòu)的預定虛擬邊界的能力，此舉將產(chǎn)生高度精確且可重復的骨切口和/或植入物安放。機器人臂30以被動方式操作且在外科醫(yī)生試圖移動手術工具超出虛擬邊界時提供觸覺反饋。觸覺反饋由機器人臂30中的一個或多個致動器(例如馬達)產(chǎn)生并且通過柔性傳動(如電纜驅(qū)動傳動)傳導至外科醫(yī)生。 當機器人臂30未提供觸覺反饋時，機器人臂30可由外科醫(yī)生自由移動并且優(yōu)選包括可在需要時由外科醫(yī)生啟動的虛擬制動器。在手術程序期間，導航系統(tǒng)7在一個或兩個顯示器裝置9上顯示與手術程序相關的影像。末端執(zhí)行器已開發(fā)出可構(gòu)造成例如用于機器人臂30同時允許修改和執(zhí)行不同功能的手術工具。圖4A-4C示出根據(jù)本發(fā)明的手術工具的一個實施方案。在此實施方案中，工具是構(gòu)造成安裝于機器人臂30的末端的末端執(zhí)行器40。末端執(zhí)行器40包括安裝部分50、外殼60、 耦合裝置70和釋放構(gòu)件80。末端執(zhí)行器40構(gòu)造成相對于機器人臂30個別地且可互換地支撐并且準確地定位多個操作構(gòu)件。在圖4A-4C中，末端執(zhí)行器40耦合于操作構(gòu)件100。安裝部分(或支架)50優(yōu)選將末端執(zhí)行器40耦合于機器人臂30。具體地說，安裝部分50從外殼60延伸并構(gòu)造成使用例如機械扣件將末端執(zhí)行器40耦合至機器人臂30的相應安裝部分35，以使得安裝部分相對于彼此固定。安裝部分50可附接至外殼60或與外殼60 —體形成并構(gòu)造成相對于機器人臂30準確地且可重復地定位末端執(zhí)行器40。在一個實施方案中，安裝部分50是半動態(tài)支架，如美國專利申請No. 12/644，964中所述，所述美國專利申請于2009年12月22日提交并且據(jù)此以引用的方式整體并入本文。外殼60構(gòu)造成接納操作構(gòu)件100并為外科醫(yī)生提供使用者界面。舉例來說，如圖 IOA和IOB中所示，外科醫(yī)生抓握外殼60來操縱末端執(zhí)行器40，以利用操作構(gòu)件100來執(zhí)行任務。在此實施方案中，外殼60是中空長形圓柱體，其具有中心軸A-A、近端60a和遠端 60b。參考圖4B，為了在末端執(zhí)行器40中安裝操作構(gòu)件100，外科醫(yī)生將操作構(gòu)件100 的軸干110的近端IOOa插入外殼60的遠端60b，沿方向Tl滑動軸干110，并開動釋放構(gòu)件 80，此舉使耦合裝置70移動至“釋放”位置并使得軸干110能完全接納于外殼60中。當軸干110從外殼60的近端60a伸出適當量時，外科醫(yī)生釋放所述釋放構(gòu)件80，此舉使耦合裝置70移動至“連接”位置并使軸干110耦合至外殼60。一旦軸干110耦合至外殼，就可將其它設備附接至軸干110，如驅(qū)動馬達112、切削元件116或操作構(gòu)件100的其它組件。為了從末端執(zhí)行器40移除操作構(gòu)件100，外科醫(yī)生移除驅(qū)動馬達112和切削元件 116并開動釋放構(gòu)件80，此舉使耦合裝置70移動至釋放位置。外科醫(yī)生接著沿方向T2滑動軸干110直至操作構(gòu)件100離開外殼60的遠端60b。末端執(zhí)行器40可包括僅允許操作構(gòu)件100的期望移動的接納部分62。接納部分 62安置于外殼60內(nèi)。接納部分62構(gòu)造成接納操作構(gòu)件100的至少一部分以允許操作構(gòu)件100相對于外殼60旋轉(zhuǎn)，同時限制操作構(gòu)件100在操作構(gòu)件100的徑向方向R上的移動 (圖4D中所示)。舉例來說，如圖5A和5C中所示，接納部分62包括固定于外殼60 (例如使用機械扣件)的凸緣64和圓柱形部分66，操作構(gòu)件100延伸穿過所述圓柱形部分66。盡管接納部分62通過凸緣64相對于外殼60固定，但操作構(gòu)件100并不連接于接納部分62 (例如通過機械扣件、干涉配合等)并因此可相對于接納部分62和外殼60旋轉(zhuǎn)和平移。然而， 因為操作構(gòu)件100延伸穿過圓柱形部分66，所以操作構(gòu)件100受圓柱形部分66限制并阻止在徑向方向R上的移動。接納部分62還包括至少一個孔68，其使得耦合裝置70能夠如下文所述嚙合操作構(gòu)件100。可使用末端執(zhí)行器的耦合裝置70來對操作構(gòu)件的縱向移動提供限制。耦合裝置 70安置于外殼60上并構(gòu)造成使操作構(gòu)件100耦合于外殼60以允許操作構(gòu)件100相對于外殼60旋轉(zhuǎn)。在一個實施方案中，耦合裝置70包括鎖緊構(gòu)件72。如下文所述，鎖緊構(gòu)件 72構(gòu)造成嚙合操作構(gòu)件100以限制操作構(gòu)件100沿操作構(gòu)件100的縱向方向L (圖4C中所示)相對于外殼60的移動，同時允許操作構(gòu)件100旋轉(zhuǎn)。如圖5A-5C中所示，鎖緊構(gòu)件72包括第一部分74和第二部分76。第一部分74構(gòu)造成沿縱向方向L平移和相對于外殼60旋轉(zhuǎn)。舉例來說，如圖5A中所示，第一部分74通過軸承78 (例如滾珠軸承)耦合于釋放構(gòu)件80。第一部分74剛性固定于軸承78的內(nèi)圈， 而軸承78的外圈剛性固定于釋放構(gòu)件80的滑動構(gòu)件82，由此使得第一部分74能夠相對于外殼60以低摩擦旋轉(zhuǎn)?；瑒訕?gòu)件82連接于釋放構(gòu)件80的旋鈕84并且可沿縱向方向L平移。壓縮彈簧86安置于滑動構(gòu)件82與剛性固定于外殼60的彈簧限位器88之間。壓縮彈簧86使滑動構(gòu)件82和旋鈕84偏向前進位置(圖5B中所示的連接位置)。當外科醫(yī)生通過沿方向Tl向回拉動旋鈕84遠離外殼60 (至圖5A中所示的釋放位置)來開動旋鈕84時， 滑動構(gòu)件82與旋鈕84 —起移動并壓縮壓縮彈簧86。因為第一部分74經(jīng)軸承78耦合于滑動構(gòu)件82，所以第一部分74在旋鈕84移動至釋放位置時也沿縱向方向L平移。以此方式， 釋放構(gòu)件80耦合于耦合裝置70并構(gòu)造成在連接位置與釋放位置之間移動鎖緊構(gòu)件72。鎖緊構(gòu)件72的第二部分76構(gòu)造成回應于第一部分74沿縱向方向L的移動沿徑向方向R移動。如圖5A和5B中所不，第一部分74相對于外殼60的接納部分62朝外安置，并且包括表面74a,所述表面74a構(gòu)造成哨合第二部分76并且在第一部分74從第一位置(圖5A中所示的釋放位置)移動至第二位置(圖5B中所示的連接位置)時使第二部分76 沿徑向方向R位移。在一個實施方案中，如圖中所示，第一部分74為中空圓柱體，并且表面74a為所述圓柱體的傾斜內(nèi)表面。第一部分74相對于外殼60定向使得表面74沿方向Tl傾斜(即，第一部分74的內(nèi)半徑減小)。在此實施方案中，第二部分76包含至少一個滾珠軸承，其與接納部分62的孔68對準。優(yōu)選地，第二部分76包括多個滾珠軸承(例如四個)，各自與接納部分62上的相應孔68對準。因為表面74a是傾斜的，所以在第一部分74 從釋放位置(圖5A)移動至連接位置(圖5B)時表面74a向內(nèi)徑向擠壓滾珠軸承。各滾珠軸承在相應孔68中沿徑向方向R向內(nèi)移動以嚙合操作構(gòu)件100的一部分。操作構(gòu)件100與耦合裝置70協(xié)同維持對縱向移動的限制。操作構(gòu)件100包括耦合區(qū)102。當耦合區(qū)102與孔68對準并且耦合裝置70移動至連接位置時，耦合裝置70適于將操作構(gòu)件100沿縱向方向L的移動限于限制區(qū)Y(圖5B中所示)。在此實施方案中，耦合區(qū)102是操作構(gòu)件100的周邊表面106中的凹槽104。如圖4C中所示，凹槽104具有近立而104a和遠 而104b。近纟而104a和遠 而104b界定 呆作構(gòu)件100在限制區(qū)Y中的運動'Μ圍。 舉例來說，當滾珠軸承徑向向內(nèi)移動至孔68中時，其如圖5Β中所示嚙合凹槽104。當耦合裝置70處于連接位置時，滾珠軸承捕捉于表面74a與凹槽104之間并且因此防止沿徑向方向R移動。類似地，因為滾珠軸承接納于孔68中，所以其沿縱向方向L的移動受限。盡管滾珠軸承被捕捉，但其仍能以與軸承78中的滾珠軸承類似的方式自由旋轉(zhuǎn)。因此，表面74a 充當滾珠軸承的外圈，而凹槽104充當滾珠軸承的內(nèi)圈。以此方式，滾珠軸承(即，鎖緊構(gòu)件72的第二部分76)構(gòu)造成相對于操作構(gòu)件100與鎖緊構(gòu)件72的第一部分74兩者旋轉(zhuǎn)。在連接位置上，當滾珠軸承與凹槽104嚙合時，滾珠軸承與凹槽104的近端104a和/或遠端 104b相互作用(即，接觸)以限制操作構(gòu)件100的縱向移動。在此實施方案中，凹槽104的縱向長度LI的尺寸設定為使得當在連接位置中滾珠軸承與第一耦合區(qū)102嚙合時近端104a 與遠端104b同時接觸滾珠軸承。因此，操作構(gòu)件100沿縱向方向L的移動實質(zhì)上受限。如上文所述，鎖緊構(gòu)件72的第一位置74和第二位置76都可自由旋轉(zhuǎn)，并且第一位置74可在外殼60內(nèi)滑動。以此方式，鎖緊構(gòu)件72構(gòu)造成相對于外殼60和相對于操作構(gòu)件100旋轉(zhuǎn)及沿外殼60的軸A-A軸向移動。另外，鎖緊構(gòu)件72構(gòu)造成可在第一位置與第二位置(連接位置與釋放位置)之間移動，并且構(gòu)造成在鎖緊構(gòu)件72處于第一位置(圖5B 中的連接位置)時限制操作構(gòu)件100，而在鎖緊構(gòu)件72處于第二位置(圖5A中的釋放位置) 時允許操作構(gòu)件100與外殼60去耦。在圖4A-5B的實施方案中，操作構(gòu)件100是用于在髖關節(jié)置換程序期間重整髖臼 22的表面的擴孔器。操作構(gòu)件100包括具有近端IOOa和遠端IOOb的軸干110。近端IOOa 構(gòu)造成嚙合驅(qū)動馬達112。遠端IOOb是工件嚙合端，其包括嚙合構(gòu)造成切削骨的切削元件 116的附接機構(gòu)114。在操作時(如圖IOA中所示)，外科醫(yī)生用一只手開動驅(qū)動馬達112并用另一只手抓握末端執(zhí)行器40以操縱末端執(zhí)行器40。驅(qū)動馬達112向操作構(gòu)件100和切削元件116賦予旋轉(zhuǎn)運動。如下文結(jié)合圖11的步驟S8所進一步描述，外科醫(yī)生根據(jù)手術計劃相對于髖臼22安置操作構(gòu)件100，并用旋轉(zhuǎn)的切削元件116對髖臼22的表面進行擴孔。當旋轉(zhuǎn)的切削元件116接觸髖臼22時，髖臼22的表面(例如患病骨)被切掉或表面重為了提供給外科醫(yī)生靈活性，末端執(zhí)行器40構(gòu)造成使得操作構(gòu)件100可與其它操作構(gòu)件互換。例如，操作構(gòu)件100可與操作構(gòu)件200互換。在一個實施方案中，操作構(gòu)件 200為偏心擴孔器。如所熟知，相對于筆直擴孔器，使用與后外側(cè)方法相反的前外側(cè)方法的外科醫(yī)生可能首選偏心擴孔器。在此實施方案中，除了操作構(gòu)件200包括偏心部分220以外，操作構(gòu)件200與操作構(gòu)件100相同。舉例來說，如圖6A-6C中所示，操作構(gòu)件200包括構(gòu)造成嚙合驅(qū)動馬達112的近端200a和包括嚙合與切削元件116相同或類似的切削元件(未示出)的附接機構(gòu)214的遠端200b。偏心部分220連接于軸干210并且包括具有萬向接頭 228的偏心軸干224。偏心軸干224由支撐外殼222包圍，并且成對雙聯(lián)滾珠軸承226使得偏心軸干224能夠相對于支撐外殼222以低摩擦旋轉(zhuǎn)。偏心部分220還包括防旋轉(zhuǎn)銷232， 其嚙合在末端執(zhí)行器40的外殼60中的相應狹槽632。防旋轉(zhuǎn)銷232確保偏心部分220正確組裝于末端執(zhí)行器40并防止在驅(qū)動馬達112施加轉(zhuǎn)矩時支撐外殼222相對于外殼60旋轉(zhuǎn)。操作構(gòu)件200以與操作構(gòu)件100相同的方式經(jīng)耦合裝置70耦合于末端執(zhí)行器40。具體地說，操作構(gòu)件200包括耦合區(qū)202，耦合區(qū)202具有以與上文結(jié)合操作構(gòu)件100所述相同的方式嚙合末端執(zhí)行器40的耦合裝置70的凹槽204。在操作時，外科醫(yī)生使操作構(gòu)件 200的軸干210耦合于末端執(zhí)行器40 (如上文結(jié)合操作構(gòu)件100所述)，將旋鈕84、驅(qū)動馬達112和切削元件116附接于軸干210，并以與操作構(gòu)件100相同的方式操作操作構(gòu)件200。末端執(zhí)行器40還構(gòu)造成與具有不同功能的多種操作構(gòu)件個別地和可互換地使用。舉例來說，第一操作構(gòu)件可構(gòu)造成具有第一功能，且第二操作構(gòu)件可構(gòu)造成具有第二功能。在一個實施方案中，第一操作構(gòu)件是具有擴孔功能的操作構(gòu)件100 (圖4A-5B中所示)或操作構(gòu)件200 (圖6A-6C中所示)，并且第二操作構(gòu)件是具有沖擊功能的操作構(gòu)件300 (圖 7A-8B中所示)。在此實施方案中，操作構(gòu)件300是用于將髖白杯(例如髖白杯28a)植入準備好的髖臼中的筆直沖擊器?；蛘?，第二操作構(gòu)件可以是操作構(gòu)件400 (圖9A和9B中所示)，如偏心沖擊器。除了操作構(gòu)件300構(gòu)造成嚙合假體組件316 (例如髖臼杯28a)替代切削元件和沖擊器頭312替代驅(qū)動馬達以外，操作構(gòu)件300與操作構(gòu)件100類似。另外，操作構(gòu)件300構(gòu)造成相對于末端執(zhí)行器40沿方向T1、T2平移。具體地說，操作構(gòu)件300構(gòu)造成在外科醫(yī)生對沖擊器頭312施加沖擊力時相對于耦合的安裝部分35、50平移。操作構(gòu)件300包括軸干310，其具有近端300a和遠端300b。遠端300b是構(gòu)造成耦合于假體組件316 (例如經(jīng)螺紋)的工件嚙合端。近端300a構(gòu)造成承受住足以將假體裝置316沖擊至患者髖關節(jié)10中的沖擊力。舉例來說，近端300a構(gòu)造成使用任何適合機制 (例如螺紋、機械扣件、鍵槽等)嚙合沖擊器頭312。如所熟知，沖擊器頭312提供外科醫(yī)生擊打(例如用木槌340)以對操作構(gòu)件300施加力的表面312a。沖擊器頭312還可由外科醫(yī)生抓握并用于旋轉(zhuǎn)操作構(gòu)件300以將假體組件316旋到遠端300b上或從遠端300b旋出。除了操作構(gòu)件300構(gòu)造成當耦合裝置70處于連接位置時相對于末端執(zhí)行器40平移以外，操作構(gòu)件300以與上文結(jié)合操作構(gòu)件100所述相同的方式經(jīng)耦合裝置70耦合于末端執(zhí)行器40。舉例來說，如圖8A和8B中所示，操作構(gòu)件300包括耦合區(qū)302，耦合區(qū)302 嚙合末端執(zhí)行器40的耦合裝置70。以與第一操作構(gòu)件100的耦合區(qū)102相同的方式，當耦合區(qū)302與接納部分62的孔68對準并且耦合裝置70移動至連接位置(圖8B中所示)時， 耦合裝置70使操作構(gòu)件100沿縱向方向L的移動限于限制區(qū)Z (圖SB中所示)。例如，耦合區(qū)302包括在軸干310的周邊表面306中的凹槽304。凹槽304具有近端304a和遠端 304b。近端304a和遠端304b界定操作構(gòu)件300在限制區(qū)Z中的運動范圍。圖8A示出處于釋放位置的耦合裝置70。當耦合裝置70移動至連接位置(圖SB中所示)時，鎖緊構(gòu)件72 的滾珠軸承(即，第二部分76)徑向向內(nèi)移動至孔68中并嚙合凹槽304。當滾珠軸承與凹槽 304嚙合時，滾珠軸承與凹槽304的近端304a和/或遠端304b相互作用(即，接觸)以限制操作構(gòu)件300的縱向移動。在此實施方案中，凹槽304的縱向長度L3的尺寸設定為使得操作構(gòu)件可在凹槽304的界限內(nèi)平移。例如，操作構(gòu)件300可沿方向T2平移直至凹槽304的近端304a接觸滾珠軸承，由此限制操作構(gòu)件300沿方向T2的移動。類似地，操作構(gòu)件300 可沿方向Tl平移直至凹槽304的遠端304b接觸滾珠軸承，由此限制操作構(gòu)件300沿方向 Tl的移動。當耦合裝置70處于連接位置時操作構(gòu)件300在限制區(qū)Z中被動平移的能力有利地允許外科醫(yī)生用木槌340擊打沖擊器頭312，而不會有木槌擊打力通過末端執(zhí)行器40 傳輸?shù)綑C器人臂30。以此方式，耦合區(qū)302保護機器人臂30不會因沖擊力而導致?lián)p壞。如通過比較圖5B和8B可見，操作構(gòu)件100的凹槽104的縱向長度LI小于操作構(gòu)件300的縱向長度L3。凹槽104的縱向長度LI以及凹槽104的近端104a和遠端104b與鎖緊構(gòu)件72 (即滾珠軸承)的相互作用界定限制區(qū)Y。因為近端104a和遠端104b在滾珠軸承與處于連接位置的第一耦合區(qū)102嚙合時同時接觸滾珠軸承，所以限制區(qū)Y是相對于外殼60實質(zhì)上固定的軸位置。因此，在耦合裝置70處于連接位置時，操作構(gòu)件100沿縱向方向L (即方向T1、T2)的移動實質(zhì)上受限。相反，操作構(gòu)件300的限制區(qū)Z允許操作構(gòu)件 300平移。例如，凹槽304的縱向長度L3以及凹槽304的近端304a和遠端304b與鎖緊構(gòu)件72 (即滾珠軸承)的相互作用界定限制區(qū)Z。因為凹槽304為長形的，所以在耦合裝置70處于連接位置時(即，在鎖緊構(gòu)件72與耦合區(qū)302嚙合時)，(鎖緊構(gòu)件72的)滾珠軸承接觸凹槽304的近端304a、凹槽304的遠端304b或都不接觸。因而，限制區(qū)Z包括第一軸位置 (SP，凹槽304的近端304a接觸滾珠軸承的位置)和第二軸位置(即，凹槽304的遠端304b 接觸滾珠軸承的位置)，并且操作構(gòu)件300可在其間移動。以此方式，耦合裝置70和操作構(gòu)件100、300構(gòu)造成使所接納的操作構(gòu)件沿縱向方向L的移動在耦合裝置70嚙合操作構(gòu)件 100的耦合區(qū)102時限于第一限制區(qū)Y，并且在耦合裝置70嚙合操作構(gòu)件300的耦合區(qū)302 時限于不同于第一限制區(qū)Y的第二限制區(qū)Z。末端執(zhí)行器40還可包括停止構(gòu)件90，其構(gòu)造成嚙合操作構(gòu)件以限制操作構(gòu)件相對于外殼60的移動并提供操作構(gòu)件300相對于末端執(zhí)行器40的準確軸位置。舉例來說， 如圖7A和7B中所不,停止構(gòu)件90包括安置于末端執(zhí)行器40的外殼60內(nèi)的定位表面92 (例如鏜孔)和安置于操作構(gòu)件300的軸干310上的相應定位表面94 (例如肩或突起)。盡管停止構(gòu)件90可安置于任何適合位置，但在此實施方案中，停止構(gòu)件90遠離凹槽304和耦合裝置70安置。具體地說，停止構(gòu)件90較接近操作構(gòu)件300的遠端300b，而凹槽304和耦合裝置70較接近操作構(gòu)件300的近端300a。當定位表面94接觸定位表面92時(圖7A中所示的固定位置)，阻止操作構(gòu)件300沿方向Tl的平移。相反，當定位表面92、94不接觸時 (圖7B中所示的開離位置)，操作構(gòu)件300可在限制區(qū)Z內(nèi)沿方向Tl和方向T2平移。以此方式，停止構(gòu)件90構(gòu)造成嚙合操作構(gòu)件300以限制操作構(gòu)件300在限制區(qū)Z中的平移。在一個實施方案中，停止構(gòu)件90定位成使得操作構(gòu)件300在限制區(qū)Z的全范圍內(nèi)的平移被阻止。在此實施方案中，操作構(gòu)件300在由凹槽304的近端304a界定的第一位置與由定位表面94界定的第二位置之間平移。以此方式，停止構(gòu)件90可用于在耦合裝置70處于連接位置時有效縮小操作構(gòu)件300的行進范圍。以此方式縮小行進范圍有利地減小接觸應力，因為定位表面92、94之間的接觸面積大于滾珠軸承與凹槽304的遠端304b之間的表面積。在操作時，外科醫(yī)生完成髖臼22的擴孔后，外科醫(yī)生從末端執(zhí)行器40移除操作構(gòu)件100 (或操作構(gòu)件200)。外科醫(yī)生將操作構(gòu)件300 (或操作構(gòu)件400)耦合至末端執(zhí)行器 40 (以與上文結(jié)合操作構(gòu)件100所述相同的方式)并將假體組件316和沖擊器頭312連接至操作構(gòu)件300。如圖IOB中所示，外科醫(yī)生用一只手抓握末端執(zhí)行器40并使用另一只手握持木槌340。如下文結(jié)合圖11的步驟SlO進一步描述，外科醫(yī)生相對于經(jīng)過擴孔的髖臼 22適當安放假體組件316并使用木槌340向沖擊器頭312的表面312a施加力。在沖擊期間，凹槽304充當滑動被動接頭，其使得操作構(gòu)件300能夠如上文所述平移。沖擊力將假體組件316沖擊至髖白22上。在木槌擊打之間，外科醫(yī)生向前推動末端執(zhí)行器40直至停止構(gòu)件90的定位表面92、94發(fā)生接觸(圖7A中所示)。外科醫(yī)生繼續(xù)手動沖擊假體組件316 直至假體組件316以計劃深度植入到髖白22上。在植入假體組件316后，外科醫(yī)生抓握沖擊器頭312并旋轉(zhuǎn)操作構(gòu)件300以將操作構(gòu)件從植入的假體組件316中旋出。如果髖臼杯包括內(nèi)襯(例如內(nèi)襯28b )，那么外科醫(yī)生接著將內(nèi)襯插入杯中。根據(jù)患者的位置，外科醫(yī)生可首選使用偏心沖擊器(例如操作構(gòu)件400)替代筆直沖擊器(例如操作構(gòu)件300)。在一個實施方案中，除了操作構(gòu)件400包括偏心部分420以外，操作構(gòu)件400 (圖9A和9B中所示)與操作構(gòu)件300類似。舉例來說，如圖9A和9B中所示，操作構(gòu)件400包括構(gòu)造成嚙合沖擊器頭312的近端400a和構(gòu)造成耦合于假體組件316 (例如經(jīng)螺紋)的遠端400b。偏心部分420連接于軸干410并且包括具有萬向接頭428和耦合旋鈕430的偏心軸干424。因為偏心，所以使用耦合旋鈕430替代沖擊器頭312以將操作構(gòu)件400旋進/旋出假體組件316。一個替代實施方案可包括兩個萬向接頭(類似于操作構(gòu)件200的偏心部分220)，其使得能夠使用沖擊器頭312將操作構(gòu)件400旋進/旋出假體組件316。然而，此替代構(gòu)造的一個缺點在于其可能會增加復雜性和降低偏心軸干424的強度。偏心軸干424由外殼422包圍并包括防旋轉(zhuǎn)銷432。防旋轉(zhuǎn)銷432嚙合在外殼60中的相應狹槽632以相對于末端執(zhí)行器40適當定位偏心部分420并防止外殼422相對于外殼60旋轉(zhuǎn)。操作構(gòu)件400以與上文結(jié)合操作構(gòu)件300所述相同的方式經(jīng)耦合裝置70耦合于末端執(zhí)行器40。具體地說，操作構(gòu)件400包括具有凹槽404的耦合區(qū)402，所述凹槽404 嚙合末端執(zhí)行器40的耦合裝置70并使得操作構(gòu)件400能夠在限制區(qū)Z中縱向平移。如圖 11中所示，狹槽632為長形的，由此使得防旋轉(zhuǎn)銷432能夠在狹槽632中在限制區(qū)Z的軸向限制內(nèi)縱向平移。在操作時，除了使用耦合旋鈕430 (替代沖擊器頭312)來使假體組件 316與操作構(gòu)件400耦合/去耦以外，操作構(gòu)件400以與操作構(gòu)件300相同的方式起作用。手術應用在手術時，外科醫(yī)生可以使用機器人臂30來促進關節(jié)置換程序，如對骨進行擴孔和植入髖白杯以用于全髖關節(jié)置換或髖關節(jié)表面重整程序。如上文所說明，機器人臂30 包括手術工具，所述手術工具構(gòu)造成耦合于切削元件(用于擴孔)和嚙合假體組件(用于沖擊)。例如，對于擴孔，末端執(zhí)行器40可耦合于操作構(gòu)件100或操作構(gòu)件200，所述操作構(gòu)件各自耦合于切削元件116。類似地，對于沖擊，末端執(zhí)行器40可耦合于操作構(gòu)件300或操作構(gòu)件400，所述操作構(gòu)件各自嚙合假體組件316。可使用機器人臂30來確保在擴孔和沖擊期間的適當定位。圖11說明執(zhí)行全髖關節(jié)置換的手術程序的步驟的一個實施方案。在此實施方案中，步驟S1-S7、S9、S11和S12可在有或沒有機器人輔助的情況下以任何已知方式執(zhí)行。步驟S8和SlO優(yōu)選使用機器人臂30執(zhí)行。例如，步驟S8 (擴孔)可使用具有耦合于操作構(gòu)件100或操作構(gòu)件200的末端執(zhí)行器40的機器人臂30執(zhí)行，并且步驟SlO (沖擊)可使用具有耦合于操作構(gòu)件300或操作構(gòu)件400的末端執(zhí)行器40的機器人臂30執(zhí)行。在手術程序之前，獲得患者骨盆12和股骨14的手術前CT掃描。如圖14A中所示， 使用CT掃描來產(chǎn)生骨盆12的三維模型512和股骨14的三維模型514。外科醫(yī)生使用三維模型512、514構(gòu)建手術計劃。或者，手術計劃可使用由CT掃描和/或三維模型512、514獲得的X射線影像，此可有助于習慣使用實際X射線影像而非基于CT的模型來計劃植入物置換的外科醫(yī)生。外科醫(yī)生通過相對于患者解剖結(jié)構(gòu)的模型512、514指定髖臼組件28和股骨組件26的期望姿態(tài)(即，位置和方向)來產(chǎn)生手術計劃。例如，可指定髖白杯28a的計劃姿態(tài)500并顯示在計算機顯示器上，如顯示器裝置9。在手術程序期間，患者解剖結(jié)構(gòu)和手術工具在實體空間中的運動由追蹤裝置8追蹤，并且這些追蹤的物體配準在導航系統(tǒng)7中的相應模型(影像空間)。因而，實體空間中的物體與影像空間中的相應模型相關聯(lián)。因此， 手術系統(tǒng)5總是知道手術工具相對于患者解剖結(jié)構(gòu)和計劃姿態(tài)500的實際位置，并且此信息在手術程序期間以圖形顯示于顯示器裝置9上。在手術程序的步驟SI中，將皮層追蹤陣列附接于股骨14以使得追蹤裝置8能夠追蹤股骨14的運動。在步驟S2中，配準股骨14 (使用任何已知配準技術)以使股骨14的姿態(tài)(實體空間)與導航系統(tǒng)7中股骨14的模型(影像空間)相關聯(lián)并附接股骨檢查點。在步驟S3中，使用導航股骨手鉆準備股骨14以接納股骨植入物(例如股骨組件26)。在步驟 S4中，將髖白追蹤陣列附接于骨盆12以使得追蹤裝置8能夠追蹤骨盆12的運動。在步驟 S5中，將檢查點附接于骨盆12以供在手術程序期間用于驗證髖臼追蹤陣列沒有相對于骨盆12移動。檢查點可為例如美國專利申請No. 11/750,807 (公布No. US 2008/0004633)中所述的檢查點，所述申請于2007年5月18日提交并且以引用的方式整體并入本文。在步驟S6中，配準骨盆12 (使用任何已知配準技術)以使骨盆12的姿態(tài)(實體空間)與在導航系統(tǒng)7中骨盆12的模型(影像空間)相關聯(lián)。在一個實施方案中，如圖14B中所示，通過使用追蹤探針收集骨盆12 (實體空間)上的點接著與骨盆12的圖像512 (影像空間)上的相應點匹配來完成配準。在此實施方案中，顯示器裝置9示出骨盆12的圖像512， 包括一個或多個配準點516。配準點516有助于外科醫(yī)生了解在實際解剖結(jié)構(gòu)上的何處使用追蹤探針收集點。配準點516可經(jīng)過彩色編碼以進一步幫助外科醫(yī)生。例如，骨盆12上接下來要用追蹤探針收集的配準點516可標上黃色，而已收集的配準點516可標上綠色，并且隨后將收集的配準點516可標上紅色。配準后，顯示器裝置9可向外科醫(yī)生示出配準算法使實體收集點擬合至骨盆12的圖像512的程度如何。舉例來說，如圖14C中所示，可顯示誤差點518以說明在圖像512的表面與實體骨盆12的相應表面之間的配準中存在多少誤差。在一個實施方案中，誤差點518可經(jīng)過彩色編碼，例如代表最小誤差的誤差點518顯示為綠色，而代表增加量的誤差的誤差點518顯示為藍色、黃色和紅色。作為彩色編碼的替代，代表不同程度誤差的誤差點518可具有不同形狀或尺寸。還可顯示驗證點519。驗證點519向外科醫(yī)生說明在何處用追蹤探針收集點以驗證配準。當收集配準點519時，導航系統(tǒng)7的軟件顯示在解剖結(jié)構(gòu)上收集的實際點與圖像512在實體空間中的配準位置之間的誤差(例如以毫米為單位的數(shù)值顯示)。如果配準誤差過高，那么外科醫(yī)生通過重復步驟S6 的配準過程重新配準骨盆12。在步驟S7中，配準機器人臂30以使機器人臂30的姿態(tài)(實體空間)與導航系統(tǒng) 7 (影像空間)相關聯(lián)。機器人臂30可如例如在美國專利申請No. 11/357，197 (公布No. US 2006/0142657)中所述進行配準，所述申請于2006年2月21日提交并且以引用的方式整體并入本文。在步驟S8中，外科醫(yī)生使用耦合于機器人臂30的擴孔器(如操作構(gòu)件100或操作構(gòu)件200)重整髖臼22的表面。如上文結(jié)合操作構(gòu)件100、200所述，外科醫(yī)生將適當操作構(gòu)件(例如筆直或偏心擴孔器)耦合于末端執(zhí)行器40，將切削元件116連接至接納的操作構(gòu)件，并手動操縱機器人臂30 (如圖IOA中所示)對髖白22進行擴孔。在擴孔期間，機器人臂30對外科醫(yī)生提供觸覺(力反饋)引導。觸覺引導限制外科醫(yī)生手動移動手術工具的能力以確保實際骨切口在形狀和位置上對應于計劃骨切口(即，切口與手術計劃相符)。優(yōu)選地，限制經(jīng)過調(diào)整以對應正使用的手術工具，例如切削元件116。在一個實施方案中，控制器經(jīng)過編程以產(chǎn)生使力系統(tǒng)在切削元件116為第一切削元件116a時對外科醫(yī)生手工移動末端執(zhí)行器40提供第一限制(例如觸覺引導)并在切削元件116為第二切削元件116b時對外科醫(yī)生手工移動末端執(zhí)行器40提供不同于第一限制的第二限制(例如觸覺引導)的力信號。如圖12中所示，第一切削元件116a和第二切削元件116b是構(gòu)造成切削髖臼骨的半球形切削元件，并且第一切削元件116a的直徑Dl不同于第二切削元件116b的直徑D2。在一個實施方案中，第一切削元件116a的直徑Dl比假體組件316的直徑D3小預定量，且第二切削元件116b的直徑D2大于第一切削元件116a的直徑D1。在一個示例性實施方案中，預定量是比假體組件316的直徑D3小5毫米。在其它實施方案中，預定量可以大于或小于5毫米，如2毫米、3毫米、7毫米，或為范圍(例如5±2毫米)。因為第一切削元件116a的直徑Dl小于假體組件316的直徑D3，所以可使用第一切削元件116a來制作初步切口，如移除關節(jié)軟骨和骨贅。初步切口無需如最終切口一般準確。因此，初步切口可在程度比最終切口低的觸覺限制下制作。具體地說，當使用第一切削元件116a進行擴孔時，第一限制構(gòu)造成沿參考軸R-R限制與切削元件116a相關的至少一個點。舉例來說，如圖13A中所示，可沿參考軸R-R限制在切削元件116a的中心軸C-C上的至少一個點P，以使得點P可僅沿參考軸R-R移動。在圖13A的實施方案中，點P安置于切削元件116a上。在其它實施方案中，點P可位于切削元件116a的中心軸C-C上，而不與切削元件116a實際相交。在此實施方案中，參考軸R-R是當假體組件316植入患者解剖結(jié)構(gòu)上時假體組件316的期望軸。舉例來說，參考軸R-R可以是當假體組件316根據(jù)外科醫(yī)生的手術計劃植入髖臼22上時假體組件316的中心軸。因此，當用第一切削元件116a進行擴孔時，機器人臂30提供力反饋以限制外科醫(yī)生手工移動末端執(zhí)行器40，以使得點P停留在參考軸R-R上。以此方式，手術工具的軌跡受到限制。在一個實施方案中，點P可沿參考軸R-R行進的深度也受到限制以防止髖臼22過度擴孔。然而，當使用第一切削元件116a 時，末端執(zhí)行器40的取向優(yōu)選不受限制。隨著擴孔繼續(xù)，使用逐漸較大的擴孔器。在制作出初步切口后，外科醫(yī)生將第一切削元件116a替換為較大切削元件，如第二切削元件116b。當將第二切削元件116b耦合于末端執(zhí)行器40時，機器人臂30施加第二限制。第二限制構(gòu)造成限制手術工具相對于參考軸R-R的取向。舉例來說，如圖13B中所示，機器人臂30可施加力反饋來限制手術工具以使手術工具的軸維持在離參考軸R-R的預定角距離Θ內(nèi)。手術工具的軸可為例如末端執(zhí)行器40的外殼60的中心軸A-A、手術工具軸干的軸(例如接納的操作構(gòu)件的中心軸B-B)或切削元件116b的中心軸C-C。預定角距離Θ優(yōu)選為10度，但可為適于特定手術應用的任何其它角度，如5度、15度等。優(yōu)選地，當使用第二切削元件116b時，機器人臂30同時施加第一和第二限制。因此，在第二切削元件116b的情況下，機器人臂同時限制手術工具的軌跡和角取向。為避免過度擴孔，手術工具可行進的深度也可受到限制以不超過假體組件316 在植入髖白22上時的期望深度。在一個實施方案中，第二切削元件116b在尺寸上對應于假體組件316并用于對髖白22制作最終切口。在一個實施方案中，控制器經(jīng)過編程以在最終切口的形狀實質(zhì)上對應最終切口的期望形狀時關停或關斷第二切削元件116b。擴孔器的尺寸可基于其外徑進行設定，其中擴孔器尺寸以I毫米增量遞增。在一個實施方案中，對于存在低于計劃假體組件316的尺寸至少5個尺寸(例如5毫米)的所有切削元件，機器人臂30施加第一限制。換句話說，如果切削元件的直徑比假體組件316的直徑D3小至少5毫米，那么切削元件可以任何角度使用，但沿參考軸R-R受限。對于較大切削元件(即，前四個尺寸，直至計劃杯的尺寸)，機器人臂30另外施加第二限制以使手術工具的角取向也受到限制。角度限制可隨著切削元件的尺寸增加而限制性逐漸變強。在另一實施方案中，對于等于低于計劃假體組件316的尺寸兩個尺寸或高于計劃假體組件316的尺寸兩個尺寸的擴孔器尺寸，機器人臂30同時施加第一和第二限制。優(yōu)選地，手術工具的行進深度受到限制以防止擴孔超過假體組件316的計劃深度。
第一和第二限制優(yōu)選由控制機器人臂30的力系統(tǒng)的控制器啟動。舉例來說，控制器可經(jīng)過編程以便產(chǎn)生使力系統(tǒng)在切削元件116(例如第一切削元件116a或第二切削元件 116b)的一部分與啟動區(qū)510相符時提供第一限制與第二限制中的至少一者的控制信號。 啟動區(qū)510 (圖14A和14D中所示)可以是相對于患者解剖結(jié)構(gòu)界定的虛擬區(qū)。例如,啟動區(qū)510可相對于假體組件316的計劃姿態(tài)500界定。在一個實施方案中，啟動區(qū)510與計劃姿態(tài)500的邊界相符并且因此具有與計劃姿態(tài)500相同的形狀和位置。在另一實施方案中，計劃姿態(tài)500的至少一部分與啟動區(qū)510相符。啟動區(qū)510還可延伸超出計劃姿態(tài)500 的邊界。舉例來說，如圖14A和14D中所示,啟動區(qū)510是延伸超出計劃姿態(tài)500的邊界的圓柱形體積。優(yōu)選地，當將假體組件316以計劃姿態(tài)500植入解剖結(jié)構(gòu)上時，圓柱形體積與計劃姿態(tài)500的軸(如假體組件316的中心軸C-C)共軸。手術期間，手術工具的圖像相對于計劃姿態(tài)500、啟動區(qū)510和/或解剖結(jié)構(gòu)的圖像512、514顯示于顯示器9上，如圖14D中所示。該圖像為影像空間中的圖形模型，其對應于實體空間中的實際手術工具(在步驟S7中經(jīng)機器人臂30配準)并且包括所接納操作構(gòu)件的軸干的圖像520a和切削元件116的圖像520b。外科醫(yī)生使用此視圖來將手術工具手動導航至切口中。在一個實施方案中，外科醫(yī)生可自由移動手術工具直至手術工具的一部分與啟動區(qū)510相交，此時力系統(tǒng)控制機器人臂30以提供適當限制(例如，第一限制和/或第二限制)。在一個實施方案中，當所接納操作構(gòu)件的軸干的圖像520a完全由啟動區(qū)510的圓柱形體積包圍時，適當限制啟動，如圖14D中所示。一旦啟動適當限制，啟動區(qū)510就可從所顯示的影像中移除，如圖14E中所示。第一和第二限制確保髖白中的骨切口準確對應于假體組件316的計劃姿態(tài)500的骨切口。因為第一和第二限制由致動器施加，所以第一和第二限制并非無窮大。因此，外科醫(yī)生能夠通過以足以克服由機器人臂30提供的力反饋的力手動移動末端執(zhí)行器40而克服第一和第二限制。為避免對患者造成損傷和/或不準確的骨切口，控制器優(yōu)選經(jīng)過編程以便在外科醫(yī)生手動克服第一限制和/或第二限制的情況下自動控制手術工具的姿態(tài)的至少一個方面。例如，在擴孔期間，如果外科醫(yī)生推動末端執(zhí)行器40使得所接納操作構(gòu)件的軸干超過離參考軸R-R的預定角距離Θ，那么機器人臂30可施加主動力反饋以嘗試使所接納操作構(gòu)件的軸干移回預定角距離Θ以內(nèi)?？刂破鞯牧硪贿x擇是在第一限制和/或第二限制被外科醫(yī)生克服的情況下關停或關斷擴孔器。在步驟S9中，外科醫(yī)生通過用如例如美國專利申請No. 11/750,807 (公布No. US 2008/0004633)中所述的追蹤探針接觸骨盆檢查點來驗證在髖白追蹤陣列與骨盆12之間的配準(即，幾何關系)仍有效，所述美國專利申請于2007年5月18日提交并且以引用的方式整體并入本文。如果配準降級(例如，因為髖臼追蹤陣列在擴孔期間受到?jīng)_撞)，那么對骨盆12進行重新配準。配準驗證可在外科醫(yī)生想要檢查髖曰配準的完整性的任何時間執(zhí)行。在步驟SlO中，使用耦合于機器人臂30的沖擊器工具(如操作構(gòu)件300或操作構(gòu)件400)將假體組件316植入經(jīng)過擴孔的髖白22上。如上文結(jié)合操作構(gòu)件300、400所述， 外科醫(yī)生從末端執(zhí)行器40移除擴孔器，將適當操作構(gòu)件(例如筆直或偏心沖擊器)連接至末端執(zhí)行器40，并將假體組件316 (例如髖臼杯28a)附接于操作構(gòu)件。外科醫(yī)生接著手動操作機器人臂30 (如圖IOB中所示)以將假體組件316沖擊至髖臼22上。在外科醫(yī)生沖擊假體組件316的同時，機器人臂30基于手術計劃提供觸覺引導，其限制外科醫(yī)生移動手術工具的能力以確保在將假體組件316沖擊至髖白22上時耦合于手術工具的假體組件316的實際姿態(tài)實質(zhì)上對應于計劃姿態(tài)500。在一個實施方案中，控制器經(jīng)過編程以比較假體組件 316的目標姿態(tài)(例如計劃姿態(tài)500和/或啟動區(qū)510)與由手術工具嚙合的假體組件316 的實際姿態(tài)，并產(chǎn)生使力系統(tǒng)允許手術工具在移動范圍內(nèi)移動并且提供觸覺反饋以限制外科醫(yī)生手動移動手術工具超出移動范圍的能力的控制信號。移動范圍例如可相對于將假體組件316植入解剖結(jié)構(gòu)上時假體組件316的期望方面進行界定，所述方面如角度(例如扭轉(zhuǎn)角、傾角)、軸、取向、旋轉(zhuǎn)中心、邊界和/或深度。觸覺反饋接著可阻止外科醫(yī)生對手術工具的移動，所述移動會引起在假體組件316實際姿態(tài)的至少一個方面與假體組件316目標姿態(tài)的相應期望方面之間出現(xiàn)實質(zhì)性偏差。觸覺反饋可在外科醫(yī)生朝植入位點移動假體組件 316時施加并且優(yōu)選在外科醫(yī)生將假體組件316植入解剖結(jié)構(gòu)上時維持。因此，髖臼杯28a 可植入到髖白22上，使得髖白杯28a的傾斜準確度、扭轉(zhuǎn)準確度和旋轉(zhuǎn)中心實質(zhì)上對應于手術計劃。以與上文結(jié)合步驟S8 (擴孔)所述相同的方式，在沖擊步驟SlO期間，顯示器裝置 9可示出計劃姿態(tài)500、啟動區(qū)510、解剖結(jié)構(gòu)的圖像512、514和手術工具的圖像。然而，在沖擊期間，圖像520b代表假體組件316，而非切削元件116。另外，如上文結(jié)合步驟S8所述， 控制器可在沖擊程序期間在手術工具的實際姿態(tài)的至少一部分與目標姿態(tài)的啟動區(qū)510 的至少一部分相符時啟動觸覺反饋。同樣如上文結(jié)合步驟S8所述，如果外科醫(yī)生移動末端執(zhí)行器40克服了觸覺反饋，那么控制器可起始手術工具的自動控制以使實際姿態(tài)的至少一個方面與目標姿態(tài)的相應期望方面實質(zhì)上對準。在步驟Sll中，外科醫(yī)生將股骨組件26安裝于股骨14上，并且在步驟S12中，外科醫(yī)生確定腿長和股骨偏離。如圖14F中所示，顯示器裝置9可顯示所植入髖曰組件28的圖像522和所植入股骨組件26的圖像524。另外，如圖14G中所示，在手術程序期間的任何時間，顯示器裝置9都可以示出與進展和/或結(jié)果相關的數(shù)據(jù)。例如，在步驟S8中的擴孔和/或步驟SlO中的沖擊后，與經(jīng)過擴孔的髖白22 (或所植入的髖白杯28a)的實際位置相關的數(shù)據(jù)525可包括例如表示患者解剖結(jié)構(gòu)的三個正交平面(即，內(nèi)/外、上/下和前/后) 中的實際位置和計劃位置之間的誤差的數(shù)值數(shù)據(jù)。停放配置手術系統(tǒng)5優(yōu)選構(gòu)造成例如在手術程序期間在外科醫(yī)生未主動使用機器人臂30 來執(zhí)行任務時停放或容納機器人臂30。停放配置適用于機器人臂30的可移動構(gòu)件，如鉸接臂34或如例如在美國專利No. 6，322，567中所述的用于追蹤物體的儀器連接(例如機械追蹤臂)，所述美國專利以引用的方式整體并入本文。在停放配置中，可移動構(gòu)件緊固于安全位置，且防止可移動構(gòu)件的工作端(例如手術工具)漂移到手術程序的無菌區(qū)以外。手術系統(tǒng)5優(yōu)選構(gòu)造成占連接到機器人臂30的物體的不同重量。如上文所說明， 機器人臂30構(gòu)造成允許使用者(例如外科醫(yī)生)手動移動鉸接臂34以允許在空間中操縱耦合于鉸接臂34的物體(例如接納的操作構(gòu)件)并由此使用耦合的物體促進任務(例如骨切削、植入物沖擊)的執(zhí)行。鉸接臂34適于耦合于多種可互換物體，如第一物體和第二物體。 第一物體可為例如操作構(gòu)件100或操作構(gòu)件200，且第二物體可為操作構(gòu)件300或操作構(gòu)件400 (或反之亦然)。因為操作構(gòu)件100、200、300、400具有不同配置和功能，所以它們也可能具有實質(zhì)上不同的重量。舉例來說，在一個實施方案中，第二物體的重量比第一物體的重量大至少三倍。在另一實施方案中，第二物體的重量比第一物體的重量的大至少百分之三十六。在另一實施方案中，第二物體的重量比第一物體的重量的大至少百分之五十二。在另一實施方案中，第二物體的重量比第一物體的重量的大至少百分之九十四。在另一實施方案中，操作構(gòu)件100的重量為約360克，操作構(gòu)件200的重量為約460克，操作構(gòu)件300 的重量為約490克，且操作構(gòu)件400的重量為約700克。因此，停放配置構(gòu)造成容納具有實質(zhì)上不同的重量的機器人臂30的有效負荷。停放配置可使用制動器達成。在操作時，制動器限制可移動構(gòu)件的至少一部分的手動移動。例如，制動器限制鉸接臂34的至少一部分的手動移動以抑制耦合物體在空間中的操縱。因為鉸接臂34在單一手術程序期間與多種操作構(gòu)件一起使用，所以制動器應在鉸接臂34耦合于第一物體時和在鉸接臂34耦合于第二物體時都有效，而不需要在機械上對制動器進行重新構(gòu)造，該重新構(gòu)造將擾亂手術工作流程。制動可使用機械和/或電氣組件的任何適合組合實施。在一個實施方案中，制動器是虛擬制動器。與實體制動器相反，虛擬制動器不包括常規(guī)機械制動組件。相反，如下文所說明，虛擬制動使用控制器和機器人臂30 的力系統(tǒng)來實施。在一個實施方案中，虛擬制動通過控制力系統(tǒng)的一個或多個致動器以對鉸接臂的一個或多個接頭施加保持轉(zhuǎn)矩(即制動力)來實施。施加保持轉(zhuǎn)矩是基于鉸接臂34相對于制動區(qū)的位置，其中制動器構(gòu)造成在外科醫(yī)生將鉸接臂34的至少一部分(如一個或多個接頭)移動至制動區(qū)中時嚙合。具體地說，制動器構(gòu)造成僅在接頭(或多個接頭)處于制動區(qū)中時施加制動力。舉例來說，制動器可構(gòu)造成基于制動區(qū)限制接頭(或多個接頭)的手動移動，所述制動區(qū)可例如由接頭(或多個接頭)的位置界定。在一個實施方案中，制動區(qū)是鉸接臂34的接頭J的規(guī)定角運動范圍α并且還可包括鉸接臂34的其它接頭的角運動范圍。角運動范圍α可為使鉸接臂34處于期望停放配置的任何運動范圍。舉例來說，圖15 示出處于實質(zhì)上水平位置的接頭J。在此實施方案中，為使接頭J停放于實質(zhì)上垂直位置， 將接頭J從水平位置移動至垂直位置。在一個實施方案中，實質(zhì)上垂直位置的角運動范圍 α為約+/-15度。在其它實施方案中，角運動范圍α可為例如約+/-15度、約+/-30度或約180+/-30度。在一個實施方案中，最遠接頭可具有約+/-30度或約180+/-30度的角運動范圍a。制動器可構(gòu)造成在外科醫(yī)生將接頭J移動至制動區(qū)中時嚙合(和使接頭J保持在制動區(qū)中)。舉例來說，外科醫(yī)生將接頭J從水平位置沿方向V移動約90度，直至接頭J 的位置處于角運動范圍α內(nèi)。當接頭J的位置處于角運動范圍α內(nèi)時，控制器產(chǎn)生控制接頭J的致動器以施加保持轉(zhuǎn)矩的信號。當施加保持轉(zhuǎn)矩時，制動器嚙合且接頭J停留鎖定在適當位置。當接頭J移動至此制動區(qū)時，控制器優(yōu)選還產(chǎn)生控制鉸接臂34的一個或多個其它接頭的致動器以施加保持轉(zhuǎn)矩從而產(chǎn)生多個被制動的接頭的信號。因而，鉸接臂34 的總體位置鎖定于停放配置。外科醫(yī)生接著可安全地放任鉸接臂34不加照料，更換操作構(gòu)件，或執(zhí)行任何其它任務而不用擔心手術工具會漂移到無菌區(qū)以外或干擾患者或手術室中的其它設備。盡管以上描述得出當接頭J處于角運動范圍α內(nèi)時制動器嚙合，但制動器還可構(gòu)造成僅當多個接頭在其各別角運動范圍內(nèi)移動時嚙合。制動器的松開也可基于制動區(qū)。在一個實施方案中，制動器構(gòu)造成在外科醫(yī)生將至少一個被制動的接頭(如接頭J)移到所述特定接頭的制動區(qū)以外時松開。例如，為了松開制動器，外科醫(yī)生用足以克服接頭J的所施加的保持轉(zhuǎn)矩或制動力的力移動鉸接臂34。制動力的量級足夠小以使得外科醫(yī)生能夠手動移動鉸接臂34以克服該制動力。制動力可根據(jù)特定外科醫(yī)生和/或特定手術程序進行調(diào)整，并且不同接頭可具有不同的制動力。例如， 制動力可在約5至12Nm范圍內(nèi)。舉例來說，在一個實施方案中，第一接頭(即，最近接頭)可具有約6Nm的制動力，第二接頭可具有約12Nm的制動力，第三接頭可具有約9Nm的制動力， 第四接頭可具有約IlNm的制動力，第五接頭可具有約7Nm的制動力，且第六接頭(即，最遠接頭)可具有約5Nm的制動力。當接頭J移出制動區(qū)進入非制動區(qū)610中時，控制器產(chǎn)生控制接頭J (和任何其它被制動的接頭)的致動器以中斷保持轉(zhuǎn)矩的施加的信號。外科醫(yī)生接著可自由地移動鉸接臂34。在一個實施方案中，制動區(qū)與非制動區(qū)610之間存在重疊以防止制動器的意外釋放。另外或替代地，制動器可構(gòu)造成獨立于制動區(qū)松開。例如，如果鉸接臂34包括一個或多個被制動的接頭和至少一個未制動的接頭,如肘節(jié)接頭W,那么制動器可構(gòu)造成在外科醫(yī)生例如通過扭轉(zhuǎn)肘節(jié)接頭W手動移動未制動接頭時松開。盡管以上描述得出當接頭J移出角運動范圍α內(nèi)時制動器松開，但制動器還可構(gòu)造成僅當多個接頭移出其各別角運動范圍內(nèi)時松開。保持轉(zhuǎn)矩實施方案的一個優(yōu)勢在于制動在接頭空間中實施，并且各個別接頭致動器可具有獨特的保持轉(zhuǎn)矩限制。例如，較重接頭可能需要較大的保持轉(zhuǎn)矩，因為除制動外， 保持轉(zhuǎn)矩還須補償作用于接頭上的重力。相反，輕重量的接頭可具有相對較小的保持轉(zhuǎn)矩， 因為較輕接頭需要較小的重力補償。此差別可用于促進制動的松開。具體地說，因為外科醫(yī)生較易于手動移動具有較低保持轉(zhuǎn)矩的接頭，所以可使用較輕接頭的移動來觸發(fā)虛擬制動的松開。在另一實施方案中，虛擬制動在笛卡爾空間(Cartesian space)中使用觸覺物體實施。除了制動區(qū)由觸覺物體而非接頭的角運動范圍界定以外，觸覺物體實施方案與保持轉(zhuǎn)矩實施方案類似。如2006年2月21日提交的美國專利申請No. 11/357，197 (公布 No. US2006/0142657)(其據(jù)此以引用的方式整體并入本文)中所說明，觸覺物體是由力和/ 或轉(zhuǎn)矩(即力反饋)與位置之間的映射所界定的虛擬物體。觸覺物體配準于實體空間并界定在實體空間中的虛擬邊界。可界定觸覺物體以使得虛擬邊界具有適于特定手術程序的任何期望尺寸、形狀和位置。以與骨切削期間啟動的虛擬切削邊界類似的方式，鉸接臂34的指定部分移動超出虛擬邊界受到由力系統(tǒng)施加的力反饋限制。當使用觸覺物體作為虛擬制動器時，觸覺物體充當附接于鉸接臂34的末端的手術工具或其它設備的“虛擬皮套(virtual holster)”,并且由力系統(tǒng)施加的力反饋為制動力。如圖16A和16B中所示,虛擬皮套包括虛擬邊界600 (第一區(qū))和由虛擬邊界600界定的內(nèi)區(qū)605 (第二區(qū))。當外科醫(yī)生在虛擬邊界600內(nèi)部手動移動手術工具時，控制器控制力系統(tǒng)限制鉸接臂34的運動以使得手術工具維持在虛擬皮套的虛擬邊界600以內(nèi)。在保持轉(zhuǎn)矩實施方案中，因為與接頭J在制動區(qū)內(nèi)的位置無關地施加恒定保持轉(zhuǎn)矩，所以制動力在制動區(qū)內(nèi)實質(zhì)上是連續(xù)的。因而，隨著外科醫(yī)生在制動器中移動接頭J，鉸接臂34具有平滑連續(xù)的感覺。相反，在觸覺物體實施方案中，因為制動力通常在觸覺物體的虛擬邊界600處而非在觸覺物體的內(nèi)區(qū)605內(nèi)施加，所以制動力在制動區(qū)中實質(zhì)上是不連續(xù)的。舉例來說，在一個實施方案中，力反饋僅在虛擬邊界600處或附近而非在內(nèi)區(qū)605 中施加。因此，當手術工具停放在虛擬邊界600中時，手術工具可在虛擬邊界600的界限內(nèi)自由漂移，但阻止漂移到虛擬邊界600外部。以此方式，制動區(qū)包括施加制動力的第一區(qū)(即，虛擬邊界600)和未施加制動力的第二區(qū)(S卩，內(nèi)區(qū)605)。或者，可界定觸覺物體的映射以使得力反饋在內(nèi)區(qū)605中以及在虛擬邊界600處或附近施加，以便手術工具不在虛擬邊界600內(nèi)漂移或不漂移超出虛擬邊界600。如上文結(jié)合保持轉(zhuǎn)矩實施方案所述，在觸覺物體實施方案中，制動器構(gòu)造成在外科醫(yī)生將手術工具(或鉸接臂34的其它指定部分)手動移動至制動區(qū)中時嚙合。例如，當外科醫(yī)生將鉸接臂34從圖16A中所示的位置移動至圖16B中所示的位置時，手術系統(tǒng)5檢測手術工具的指定部分(如尖％5和/或軸干)何時處于虛擬邊界600內(nèi)，并且控制器哨合制動器。在觸覺物體實施方案中，嚙合制動器可包括確認行為，如當手術工具處于虛擬邊界600 內(nèi)時開啟觸覺物體的力反饋?；蛘?，觸覺物體的力反饋可持續(xù)起作用，使得嚙合制動器包括手術系統(tǒng)5確定手術工具處于虛擬邊界600內(nèi)。以此方式，控制器經(jīng)過編程以確定鉸接臂 34的至少一部分是否處于界定的制動區(qū)中并產(chǎn)生構(gòu)造成引起施加界定的制動力以在鉸接臂34的至少所述部分確定處于制動區(qū)中時抑制鉸接臂34的至少所述部分的移動的信號。 制動器的松開也可基于制動區(qū)。在一個實施方案中，制動器構(gòu)造成在外科醫(yī)生將手術工具 (或鉸接臂34的其它指定部分)移出制動區(qū)時松開。例如，為了松開制動器，外科醫(yī)生用足以克服力系統(tǒng)在虛擬邊界600處施加的力反饋的力移動鉸接臂34。當手術工具移出虛擬邊界600進入非制動區(qū)610時，制動器松開。在觸覺物體實施方案中，松開制動器可包括確認行為，如在手術工具移出虛擬邊界600后關閉觸覺物體的力反饋?；蛘?，觸覺物體的力反饋可持續(xù)起作用，使得松開制動器包括手術系統(tǒng)5確定手術工具在虛擬邊界600以外。正如保持轉(zhuǎn)矩實施方案，制動力的量級足夠小以使得外科醫(yī)生能夠手動移動鉸接臂34以克服該制動力。在一個實施方案中，制動區(qū)與非制動區(qū)610之間存在重疊以防止制動器意外釋放。另外或替代地，制動器可構(gòu)造成獨立于制動區(qū)松開，如在上文結(jié)合保持轉(zhuǎn)矩實施方案所說明通過扭轉(zhuǎn)肘節(jié)接頭W松開。停放配置可用于機器人臂30的任何可移動構(gòu)件或用于與機器人臂30不相關的可移動構(gòu)件。例如，可移動構(gòu)件可以是用于手術導航的儀器連接系統(tǒng)。在一個實施方案中，如圖17A中所示，儀器連接系統(tǒng)包括具有由多個可移動接頭銜接的多個連接的儀器連接(或鉸接構(gòu)件)800。如所熟知，接頭是儀器化的(例如使用接頭編碼器)以使得能夠測量近端連接805相對于遠端連接810的座標。當遠端連接810連接至所要追蹤的物體(如骨)時，可確定所追蹤物體的姿態(tài)。當所追蹤的物體移動時，儀器連接800隨所追蹤的物體一起移動。 以此方式，可在所追蹤物體在實體空間中移動時追蹤所追蹤物體的姿態(tài)。使用儀器連接系統(tǒng)進行追蹤的一個優(yōu)勢在于儀器連接系統(tǒng)使得能夠進行手術導航而無視線限制。相反，光學追蹤系統(tǒng)需要在光學攝影機與安置于所追蹤物體上的可追蹤標志之間的視線。在手術程序期間，儀器連接800可構(gòu)造成以停放配置安置，其中儀器連接800緊固于安全位置且防止漂移到手術程序的無菌區(qū)以外。如上文結(jié)合鉸接臂34所述，儀器連接 800的停放配置可使用制動器達成。制動可使用虛擬制動器(例如，如上文所述)或?qū)嶓w制動器實施。在一個實施方案中，接頭J2與致動器直接耦合或通過纜線耦合以使得儀器連接 800可反向驅(qū)動。在正常操作期間，致動器可施加轉(zhuǎn)矩以補償因儀器連接800的重量所造成的重力負荷。停放配置(圖17B中所示)可通過向儀器連接800的至少一個接頭施加保持轉(zhuǎn)矩來達成。在一個實施方案中，停放配置可使用電氣或/和機械制動器、電流變(ER)或磁流變(MR)液制動器等的任何適合組合利用實體制動機構(gòu)820來實施。如上文結(jié)合鉸接臂34所述，制動器的應用優(yōu)選基于儀器連接800相對于制動區(qū)的位置。在一個優(yōu)選的實施方案中，制動機構(gòu)820構(gòu)造成僅在儀器連接800的接頭(或多個接頭)處于制動區(qū)中時施加制動力。例如，制動器可構(gòu)造成當接頭J2和接頭J4各自處于預定角運動范圍內(nèi)時嚙合(基于來自控制器的信號)，例如，如上文結(jié)合鉸接臂34所述。該角運動范圍可為例如10度。制動器的松開也可基于制動區(qū)。在一個優(yōu)選的實施方案中，制動器構(gòu)造成在外科醫(yī)生將至少一個接頭移出制動區(qū)時松開。例如，制動器可構(gòu)造成在外科醫(yī)生將接頭J4移出制動區(qū)的運動范圍時松開。以此方式，手術系統(tǒng)可包括構(gòu)造成連接至所要追蹤的物體的鉸接構(gòu)件，和經(jīng)過編程以確定鉸接構(gòu)件的至少一部分是否處于界定的制動區(qū)中并產(chǎn)生構(gòu)造成引起施加制動力以在確定鉸接構(gòu)件的至少所述部分處于制動區(qū)中時抑制鉸接構(gòu)件的至少所述部分移動的信號的控制器。優(yōu)選地，虛擬制動器的參數(shù)可根據(jù)環(huán)境和/或期望配置進行調(diào)整。根據(jù)一個實施方案，虛擬制動器由虛擬制動器配置限定，所述虛擬制動器配置包括如制動力、制動區(qū)的尺寸、制動區(qū)的位置和/或制動區(qū)的形狀等參數(shù)。如上文結(jié)合保持轉(zhuǎn)矩和觸覺物體的實施方案所說明，這些參數(shù)可根據(jù)特定手術應用進行調(diào)整。另外，控制器可經(jīng)過編程以使得外科醫(yī)生能夠連續(xù)控制虛擬制動器配置。例如，在手術程序之前、期間和/或之后，外科醫(yī)生可使用計算機(如在導航系統(tǒng)7上的計算機)來調(diào)整虛擬制動器配置的一個或多個參數(shù)。以此方式，控制器經(jīng)過編程以使得外科醫(yī)生能夠連續(xù)修改虛擬制動器配置的參數(shù)。有利的是，虛擬制動器配置可在不改變機器人臂30的機械配置的情況下修改。例如，力系統(tǒng)的致動器能夠施加不同程度的保持轉(zhuǎn)矩和力反饋。因此，為了修改制動力，控制器僅需要控制致動器輸出不同量級的保持轉(zhuǎn)矩或力反饋。類似地，為了修改制動區(qū)，僅需要向控制器提供新的角運動范圍α、虛擬邊界600的尺寸、虛擬邊界600的位置和/或虛擬邊界600的形狀的值。 因此，虛擬制動器配置可在任何時間修改。例如，如果打算將極重的操作構(gòu)件耦合至鉸接臂 34上，那么外科醫(yī)生可能希望增加制動力以確保制動器可以安全地保持重操作構(gòu)件。類似地，對于具有不同功能的操作構(gòu)件，外科醫(yī)生可能首選位于不同位置的制動區(qū)。盡管虛擬制動器配置可在任何時間修改，但對于特定手術程序，為使得能夠進行連續(xù)的手術工作流程， 制動器優(yōu)選具有相同配置，而與何物體耦合于鉸接臂34無關。此可通過設置虛擬制動器配置的參數(shù)以確保制動器可安全地容納在手術程序期間將耦合至鉸接臂34的所有物體來實現(xiàn)。本領域的技術人員將認識到，本發(fā)明可在不悖離其精神或基本特征的情況下以其它特定形式實施。因此，前述實施方案視為在所有方面上說明而非限制本文所述的本發(fā)明。 本發(fā)明的范圍因此由隨附權利要求書而非由前述描述指定，并且因此在權利要求書的等同物的含義和范圍內(nèi)進行的所有改變都意欲涵蓋于其中。
權利要求
1.一種用于在患者的解剖結(jié)構(gòu)上安放假體組件的手術系統(tǒng)，其包括手術工具，其構(gòu)造成嚙合所述假體組件；力系統(tǒng)，其構(gòu)造成對所述手術工具提供至少一些力；和控制器，其經(jīng)過編程以比較所述假體組件的目標姿態(tài)與由所述手術工具嚙合的所述假體組件的實際姿態(tài)；并且產(chǎn)生使所述力系統(tǒng)允許所述手術工具在移動范圍內(nèi)移動且提供觸覺反饋以限制使用者手動移動所述手術工具超出所述移動范圍的能力的控制信號，其中所述觸覺反饋阻止所述使用者移動所述手術工具，所述移動將引起在所述假體組件的所述實際姿態(tài)的至少一個方面與所述假體組件的所述目標姿態(tài)的相應方面之間出現(xiàn)實質(zhì)性偏差；其中所述控制器經(jīng)過編程以產(chǎn)生使所述力系統(tǒng)在所述使用者在所述解剖結(jié)構(gòu)上植入所述假體組件時維持所述觸覺反饋的控制信號。
2.根據(jù)權利要求I所述的手術系統(tǒng)，其中所述實際姿態(tài)的所述至少一個方面與所述目標姿態(tài)的所述相應方面包括角度、軸、取向、旋轉(zhuǎn)中心、邊界和深度中的至少一者。
3.根據(jù)權利要求I所述的手術系統(tǒng)，其中所述目標姿態(tài)包括在所述解剖結(jié)構(gòu)上植入的所述假體組件的計劃姿態(tài)和啟動區(qū)。
4.根據(jù)權利要求3所述的手術系統(tǒng)，其中所述啟動區(qū)延伸超出所述計劃姿態(tài)的邊界。
5.根據(jù)權利要求3所述的手術系統(tǒng)，其中所述計劃姿態(tài)的至少一部分與所述啟動區(qū)的至少一部分相符。
6.根據(jù)權利要求3所述的手術系統(tǒng)，其中所述啟動區(qū)包括與所述計劃姿態(tài)的軸共軸的圓柱形體積。
7.根據(jù)權利要求3所述的手術系統(tǒng)，其中所述控制器經(jīng)過進一步編程以產(chǎn)生在所述假體組件的所述實際姿態(tài)的至少一部分與所述目標姿態(tài)的所述啟動區(qū)的至少一部分相符時啟動所述觸覺反饋的信號。
8.根據(jù)權利要求I所述的手術系統(tǒng)，其中所述控制器經(jīng)過進一步編程以在所述使用者移動所述假體組件克服所述觸覺反饋時起始對所述假體組件的自動控制以使所述實際姿態(tài)的所述至少一個方面與所述目標姿態(tài)的所述相應方面實質(zhì)上對準。
9.根據(jù)權利要求I所述的手術系統(tǒng)，其中所述工具包括末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器構(gòu)造成耦合于機器人臂并且包括構(gòu)造成嚙合所述假體組件的第一部分和構(gòu)造成接受用于將所述假體組件植入到所述患者的所述解剖結(jié)構(gòu)上的沖擊力的第二部分。
10.根據(jù)權利要求9所述的手術系統(tǒng)，其中所述末端執(zhí)行器包括安裝部分，其構(gòu)造成耦合于所述機器人臂的相應安裝部分以使得所述安裝部分相對于彼此固定；和操作構(gòu)件，其構(gòu)造成當所述使用者向所述末端執(zhí)行器的所述第二部分施加所述沖擊力時相對于所述耦合的安裝部分平移。
11.根據(jù)權利要求10所述的手術系統(tǒng)，其中所述操作構(gòu)件構(gòu)造成在包括第一位置和第二位置的限制區(qū)中平移。
12.根據(jù)權利要求11所述的手術系統(tǒng)，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構(gòu)件上的凹槽界定。
13.根據(jù)權利要求11所述的手術系統(tǒng)，其中所述第一位置至少部分地由安置于所述操作構(gòu)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構(gòu)件上的突起界定。
14.根據(jù)權利要求13所述的手術系統(tǒng)，其中所述突起遠離所述凹槽安置。
15.根據(jù)權利要求9所述的手術系統(tǒng)，其中所述末端執(zhí)行器的所述第一部分和所述第二部分分別包括操作構(gòu)件的遠端和近端。
16.—種手術系統(tǒng),其包括手術工具，其構(gòu)造成耦合于切削元件；力系統(tǒng)，其構(gòu)造成對所述手術工具提供至少一些力；和控制器，其經(jīng)過編程以產(chǎn)生使所述力系統(tǒng)執(zhí)行以下操作的控制信號當所述切削元件為第一切削元件時對使用者手動移動所述手術工具提供第一限制；和當所述切削元件為第二切削元件時對使用者手動移動所述手術工具提供不同于所述第一限制的第二限制。
17.根據(jù)權利要求16所述的手術系統(tǒng)，其中所述第一切削元件的直徑不同于所述第二切削元件的直徑。
18.根據(jù)權利要求16所述的手術系統(tǒng)，其中所述第一切削元件和所述第二切削元件各自構(gòu)造成切削骨以接納假體組件，并且其中所述第一切削元件的直徑比所述假體組件的直徑小預定量，并且所述第二切削元件的直徑大于所述第一切削元件的所述直徑。
19.根據(jù)權利要求18所述的手術工具，其中所述預定量是比所述假體組件的所述直徑小5毫米。
20.根據(jù)權利要求16所述的手術系統(tǒng)，其中所述第一限制構(gòu)造成沿參考軸限制與所述切削元件相關的至少一個點。
21.根據(jù)權利要求20所述的手術系統(tǒng)，其中所述參考軸是當將假體組件植入到患者的解剖結(jié)構(gòu)上時所述假體組件的期望軸。
22.根據(jù)權利要求20所述的手術系統(tǒng)，其中所述至少一個點是在所述切削元件的中心軸上的點。
23.根據(jù)權利要求20所述的手術系統(tǒng)，其中所述至少一個點安置于所述切削元件上。
24.根據(jù)權利要求16所述的手術系統(tǒng)，其中所述第二限制構(gòu)造成限制所述手術工具相對于參考軸的取向。
25.根據(jù)權利要求24所述的手術系統(tǒng)，其中所述參考軸是當將假體組件植入到患者的解剖結(jié)構(gòu)上時所述假體組件的期望軸。
26.根據(jù)權利要求24所述的手術系統(tǒng)，其中所述第二限制構(gòu)造成限制所述手術工具以使所述手術工具的軸維持在離所述參考軸預定角距離以內(nèi)。
27.根據(jù)權利要求26所述的手術系統(tǒng)，其中所述手術工具的所述軸是所述手術工具的軸干的軸和所述切削元件的中心軸中的至少一者。
28.根據(jù)權利要求16所述的手術系統(tǒng)，其中所述控制器經(jīng)過進一步編程以產(chǎn)生使所述力系統(tǒng)在所述第一切削元件和所述第二切削元件中的至少一者的一部分與啟動區(qū)相符時提供所述第一限制和所述第二限制中的至少一者的控制信號。
29.根據(jù)權利要求28所述的手術系統(tǒng)，其中所述啟動區(qū)是相對于在患者的解剖結(jié)構(gòu)上植入的假體組件的計劃姿態(tài)而界定。
30.根據(jù)權利要求29所述的手術系統(tǒng)，其中所述啟動區(qū)的至少一部分延伸超出所述計劃姿態(tài)的邊界并且與所述計劃姿態(tài)的至少一部分相符至少其中之一。
31.根據(jù)權利要求16所述的手術系統(tǒng)，其中所述控制器經(jīng)過進一步編程以在所述使用者手動克服所述第一限制和所述第二限制中的至少一者時自動控制所述手術工具的姿態(tài)的至少一個方面。
32.根據(jù)權利要求16所述的手術系統(tǒng)，其中所述第一限制構(gòu)造成當所述使用者用所述第一切削元件制作出初步切口時限制所述使用者手動移動所述手術工具，并且所述第二限制構(gòu)造成當所述使用者用所述第二切削元件制作出最終切口時限制所述使用者手動移動所述手術工具。
33.根據(jù)權利要求32所述的手術系統(tǒng)，其中所述控制器經(jīng)過編程以在所述最終切口的形狀實質(zhì)上對應所述最終切口的期望形狀時關停所述第二切削元件。
全文摘要
用于在患者的解剖結(jié)構(gòu)上安放假體組件的手術系統(tǒng)包括構(gòu)造成嚙合假體組件的手術工具、構(gòu)造成向手術工具提供至少一些力的力系統(tǒng)和經(jīng)過編程以比較假體組件的目標姿態(tài)與由手術工具嚙合的假體組件的實際姿態(tài)并且產(chǎn)生使力系統(tǒng)允許手術工具在移動范圍內(nèi)移動并提供觸覺反饋以限制使用者手動移動手術工具超出移動范圍的能力的控制信號的控制器。觸覺反饋阻止使用者移動手術工具，所述移動會引起在假體組件實際姿態(tài)的至少一個方面與假體組件目標姿態(tài)的相應方面之間出現(xiàn)實質(zhì)性偏差?？刂破鹘?jīng)過編程以產(chǎn)生使力系統(tǒng)在使用者在解剖結(jié)構(gòu)上植入假體組件時維持觸覺反饋的控制信號。
文檔編號B25J13/08GK102612350SQ201080051940
公開日2012年7月25日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權日2009年10月1日
發(fā)明者A·莫澤斯, B·D·施米茨, B·哈加格, D·歐德爾馬特, H·坎克 申請人:馬科外科公司