CN102665591A - 工具、用于多功能工具的套件以及用于多功能工具的机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种工具，包括壳体，该壳体包括接纳部，该接纳部配置成接纳作业构件的至少一部分，以使该作业构件能够相对于壳体转动，同时约束作业构件在作业构件的径向上的移动。该工具还包括耦接装置，该耦接装置设置在壳体上，且配置成将作业构件耦接到壳体，以使作业构件能够相对于壳体转动。该耦接装置包括固位构件，该固位构件配置成接合作业构件以约束作业构件在作业构件的纵向上相对于壳体的移动。该固位构件配置成相对于壳体转动。

Description

工具、用于多功能工具的套件以及用于多功能工具的机器人系统

相关申请的交叉引用

本申请要求如下美国临时专利申请的优先权：2009年10月1日提交的美国临时专利申请序列号61/278,066；2010年3月4日提交的美国临时专利申请序列号61/339,460；2010年3月9日提交的美国临时专利申请序列号61/339,756；以及2010年8月9日提交的美国临时专利申请序列号61/401,209，这些专利申请中每个专利申请均通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明一般涉及机器人系统，更具体来说涉及用于骨科关节置换手术的手术系统的工具。

背景技术

机器人系统常常被用在需要高精确度和/或精密度水平的应用中，如外科手术或其他复杂任务。此类系统可以包括多种类型的机器人，如自控式、远程操作和交互式。

交互式机器人系统对于一些类型的手术是首选，如关节置换手术，因为它们能够让手术医生保持手术过程的直接且经手控制同时仍达到高精确度和/或精密度水平。例如，在膝部置换手术中，手术医生可以通过被动方式使用交互式触感引导的机器人手臂来抠挖骨骼以接纳关节植入体，如膝部植入体。为了抠挖骨骼，手术医生手动握持并操纵机器人手臂以移动耦接到机器人手臂的切削工具（如磨钻）来切削骨骼中的手术区（pocket）。只要手术医生将磨钻的钻头保持在例如触感物件限定的预限定虚拟切削边界内，则机器人手臂以低摩擦和低惯性自由移动，以使手术医生感知机器人手臂为基本无重量的，并且能够按期望移动机器人手臂。但是，如果手术医生试图移动磨钻的钻头以在虚拟切削边界外切削，机器人手臂提供触感（或作用力）反馈，该反馈阻止或禁止手术医生超出虚拟切削边界来移动磨钻的钻头。以此方式，机器人手臂能够实现高度精确且可重复的骨骼切削。当手术医生以手动方式在相应骨骼切削上植入膝部植入体（如，髌骨部件）时，由于切掉的骨骼与膝部植入体之间的构造和介面的原因，植入体一般将精确地对准。

上述交互式机器人系统虽然对于膝部置换手术有用，但是它并非最优地适于多种类型的手术，如髋部置换手术，这需要使用具有不同功能（例如，扩锉、打压）、不同构造（例如，平直、偏移）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复杂得令人却步，且需要多个末端执行器，手术过程期间对机器人手臂卸除和附接不同类型的工具会增加执行手术的时间。此外，在髋部置换手术中，除了保持适合的切削边界外，手术工具和植入体的角度取向也是重要的。例如，在常规髋部置换手术中，手术医生使用半球形扩锉器来进行患者髋臼的表面修整，髋臼是骨盆中的杯状骨臼。然后，将相应的杯状植入体（髋臼杯）附接到打压工具的远端。手术医生通过以锤反复敲击打压工具的近端将髋臼杯植入到已扩锉的骨臼中。已扩锉的骨臼和植入的髋臼杯的角度取向均是重要的，因为不正确的个别和/或相对取向可能导致髋臼杯与患者髋臼解剖结构的适合版本和倾角错位。错位可能导致术后问题，包括关节脱位、股骨运动的极端范围处股骨打压髋臼杯以及因股骨头与髋骨杯介面的不当负荷导致髋臼杯的加速磨耗。为了保持正确的腿长和内侧/侧向偏移，对准也是重要的。最后，将髋臼杯打压到已扩锉的骨臼产生高打压力，这些高打压力可以潜在地损坏为高度精确和/或精密的操作而设计的机器人手臂。

鉴于前文，存在需要一种改进的机器人手术系统及其部件。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种工具包括壳体，该壳体包括接纳部，该接纳部配置成接纳作业构件的至少一部分以使该作业构件能够相对于壳体转动，同时约束作业构件在作业构件的径向上的移动。该工具还包括耦接装置，该耦接装置设置在壳体上且配置成将作业构件耦接到壳体，以使作业构件能够相对于壳体转动。该耦接装置包括固位构件，该固位构件配置成接合作业构件以约束作业构件在作业构件的纵向上相对于壳体的移动。该固位构件配置成相对于壳体转动。

根据另一个方面，一种多功能工具的套件包括配置成具有第一功能的第一作业构件和配置成具有第二功能的第二作业构件。该第一作业构件具有第一耦接区，以及第二作业构件具有第二耦接区。该套件包括壳体，该壳体包括接纳部，该接纳部配置成个别地以及可互换地接纳第一作业构件和第二作业构件的至少一部分，以使被接纳的作业构件能够相对于壳体转动，同时约束被接纳的作业构件在被接纳的作业构件的径向上的移动。将耦接装置设置在壳体上且将其配置成将被接纳的作业构件耦接到壳体，以使被接纳的作业构件能够相对于壳体转动。该耦接装置包括固位构件，该固位构件配置成接合第一耦接区和第二耦接区中相应的一个耦接区，以约束该被接纳的作业构件在被接纳的作业构件的纵向上相对于壳体的移动。该耦接装置以及第一和第二作业构件配置成在该耦接装置接合第一作业构件的第一耦接区时，约束被接纳的作业构件在纵向上向第一约束区的移动，以及在该耦接装置接合第二作业构件的第二耦接区时，约束被接纳的作业构件在纵向上向第二约束区的移动，该第二约束区不同于第一约束区。

根据又一个方面，一种机器人系统包括第一作业构件、第二作业构件、机器人手臂、耦接到机器人手臂的壳体以及设置在壳体上的耦接装置。该第一作业构件包括直扩锉器杆体和偏移扩锉器杆体的至少其中之一，以及该第二作用构件包括直打压器杆体和偏移打压器杆体的至少其中之一。该壳体包括接纳部，该接纳部配置成个别地以及可互换地接纳第一作业构件和第二作业构件的至少一部分，以使被接纳的作业构件能够相对于壳体转动，同时约束被接纳的作业构件在被接纳的作业构件的径向上的移动。将耦接装置设置在壳体上，并将其配置成将被接纳的作业构件耦接到壳体，以使第一作业构件能够绕着该第一作业构件的纵轴转动，以及使第二作业构件能够沿第二作业构件的纵轴移动。

附图说明

并入本说明书中并构成其一部分的附图连同用于解释本发明多个方面的描述，说明了本发明的多个实施方案。

图1A是股骨和骨盆的透视图。

图1B是图1A的股骨和骨盆形成的髋关节的透视图。

图2A是全髋部置换手术的股骨假体和髋臼假体的分解髋透视图。

图2B是说明图2A的股骨假体和髋臼假体分别相对于图1A的股骨和骨盆的布置的透视图。

图3A是手术系统的实施方案的透视图。

图3B是图3A的手术系统的机器人手臂的实施方案的透视图。

图4A是耦接到作业构件的实施方案的末端执行器的实施方案的透视图。

图4B是图4A的末端执行器和作业构件的截面视图。

图4C是图4A的作业构件的杆体的透视图。

图4D是沿直线N-N截取的图4C的杆体的截面视图。

图5A是图4A的末端执行器的耦接装置的实施方案处于释放位置时的截面视图。

图5B是图5A的耦接装置处于连接位置时的截面视图。

图5C是图4A的末端执行器的接纳部的实施方案的截面视图。

图5D是图5A的耦接装置的固位构件的实施方案的透视图。

图5E是图5A的耦接装置的滑动构件的透视图。

图6A是耦接到作业构件的另一个实施方案的图4A的末端执行器的透视图。

图6B是图6A的末端执行器和作业构件的截面视图。

图6C是图6A的作业构件的杆体的透视图。

图7A是耦接到作业构件的另一个实施方案处于就位位置时的图4A的末端执行器的截面视图。

图7B是图7A的末端执行器和作业构件处于展开位置时的截面视图。

图8A是图7A的末端执行器的耦接装置处于释放位置时的截面视图。

图8B是图8A的耦接装置处于连接位置时的截面视图。

图9A是耦接到作业构件的另一个实施方案的图4A的末端执行器的透视图。

图9B是图9A的末端执行器和作业构件的截面视图。

图10A图示手术医生如何掌控用于扩锉患者的髋臼的图4A的末端执行器和作业构件。

图10B图示手术医生如何使用图7A的末端执行器和作业构件以将髋臼杯打压进患者的已扩锉的髋臼中。

图11图示髋部置换过程的步骤的实施方案。

图12是第一切削元件和第二切削元件的实施方案的截面视图。

图13A图示第一约束的实施方案。

图13B图示第二约束的实施方案。

图14A-14G图示手术过程期间使用的计算机显示器的实施方案。

图15图示虚拟制动器的实施方案。

图16A图示已脱离的虚拟制动器的实施方案。

图16B图示已接合的虚拟制动器的实施方案。

图17A图示仪器化联杆的实施方案。

图17B图示处于停放构造时的图17A的仪器化联杆的实施方案。

具体实施方式

附图中图示了本发明当前的优选实施方案。在所有附图中尽可能使用了相同或相似的引用号来指代相同或相似的部分。虽然本说明书主要涉及用于骨科髋部置换的机器人手臂，但是应该理解本文描述的发明主题可应用于其他类型机器人系统，包括手术和非手术应用所使用的那些机器人系统以及可应用于身体的其他关节，如肩关节。

概述

髋关节是股骨与骨盆之间的关节，主要功能在于在静态姿势（例如，站立）和动态姿势（例如，行走）中身体的重量。图1A图示髋关节10的骨骼，其包括骨盆12（部分地示出）和股骨14的近端。股骨14的近端包括位于股骨颈18上的股骨头16。股骨颈18将股骨头16连接到股骨干骨20。如图1B所示，股骨头16配接到骨盆12中的凹形骨臼中，称为髋臼22，从而形成髋关节10。髋臼22和股骨头16均被关节软骨覆盖，关节软骨吸收打压并促进关节10的联接。

随时间推移，髋关节10可能退化（例如，因关节炎所致），从而导致疼痛和功能性减弱。因此，如全髋关节成形或髋关节表面修整的髋部置换手术可能是必要的。在髋部置换的过程中，手术医生以人工假体置换患者髋关节10的部分。在全髋关节成形术中，手术医生移除股骨头16和颈18以人工股骨假体26置换自然骨骼，人工股骨假体26包括头26a、颈26b和干26c（如图2A所示）。如图2B所示，股骨假体26的干26c锚定在手术医生在股骨14的骨髓腔中建造的腔室中。作为备选方式如果疾病限于股骨头16的表面，则手术医生可以选择微创方法，在微创方法中，（例如，使用圆柱形扩锉器）对股骨头进行表面修整，然后以人工股骨头杯（未示出）与之配接。相似地，如果骨盆12的自然髋臼22磨耗或疾患，则手术医生使用扩锉器将髋臼22表面修整并以人工髋臼假体28来置换自然表面，该人工髋臼假体28包括可以含有衬里28b的半球形杯28a（如图2A所示）。为了安装髋臼假体28，手术医生将杯28a连接到打压器工具的远端，并通过反复以锤反复敲击打压工具的近端将杯28a植入到已扩锉的髋臼22中。如果髋臼假体28包括衬里28b，则手术医生在植入杯28a之后，将衬里28b扣在杯28a中。根据手术医生进行手术时相对于患者的具体位置，手术医生可以使用直扩锉器或偏移扩锉器来对髋臼22扩锉，并使用直或偏移打压器植入髋臼杯28a。例如，使用后侧方法的手术医生可能优选直扩锉和打压，而使用前侧方法的手术医生可能优选偏移扩锉和打压。

示范机器人系统

根据本发明，可以将一种手术系统配置成执行髋部置换，以及其他外科手术。如图3A所示，根据本发明的手术应用的手术系统5的实施方案包括计算机辅助的导航系统7、跟踪装置8、显示装置9（或多个显示装置9）以及机器人手臂30。

手术医生可以交互式方式使用机器人手臂30来对患者执行外科手术，如髋部置换手术。如图3B所示，机器人手臂30包括基座32、关节式臂杆34、作用力系统（未示出）和控制器（未示出）。手术工具（例如，具有作业构件的末端执行器40）耦接到关节式臂杆34，以及手术医生通过握持和手动移动关节式臂杆34和/或手术工具来操纵手术工具。

该作用力系统和控制器配置成在操纵手术工具期间向手术医生提供控制或指引。该作用力系统配置成经由关节式臂杆34向手术工具提供至少一些力，以及该控制器编程为生成用于控制该作用力系统的控制信号。在一个实施方案中，该作用力系统包括多个促动器和可反向驱动（backdriveable）传输，其提供触感（作用力）反馈以约束或禁止手术医生将手术工具手动移动超出触感物件限定的预限定虚拟边界，例如2006年2月21日提交的美国专利申请序列号11/357,197（公开号US 2006/0142657）和/或2009年12月22日提交的美国专利申请序列号12/654,591中的技术，籍此这两个专利申请各通过引用全部并入本文。在优选实施方案中，该手术系统是佛罗里达州劳德代尔堡的MAKO Surgical公司制造的机器人手臂交互式骨科系统。该作用力系统和控制器优选地封装在机器人手臂30内。

跟踪装置8配置成跟踪手术工具（耦接到机器人手臂34）和患者的解剖体之间的相对位置。该手术工具可以由跟踪装置8直接地跟踪。作为备选方式可以通过跟踪机器人手臂30的基座32的位置并基于来自机器人手臂30的关节的关节编码器数据以及手术工具与机器人手臂30之间的已知几何关系来计算手术工具的姿势。具体来说，跟踪装置8（例如，光学、机械、电磁或其他公知的跟踪系统）来跟踪（或使之能够确定）手术工具和患者的解剖体的姿势（即，位置和取向），从而导航系统7知道工具与解剖体之间的相对关系。

在操作中，用户（例如，手术医生）手动移动机器人手臂30以操纵手术工具（例如，具有作业构件的末端执行器40）以对患者执行手术任务，如骨骼切削或植入体安装。当手术医生操纵工具时，跟踪装置8跟踪手术工具的位置，并且机器人手臂30提供触感（或作用力）反馈以限制手术医生移动工具超出对准（或映射）到患者的解剖体的预限定虚拟边界的能力，这促成高度精确和可重复的骨骼切削和/或植入体放置。机器人手臂30以被动方式操作并在手术医生视图移动手术工具超出虚拟边界时提供触感反馈。由机器人手臂30中的一个或多个促动器（例如，电动机）生成该触感反馈，并经由柔性传输（如电缆驱动传输）将其传送给手术医生。当机器人手臂30没有在提供触感反馈时，机器人手臂30可被手术医生自由地移动，并且优选地包括能够被手术医生按期望激活的虚拟制动器。在手术过程期间，导航系统7在一个或两个显示装置9上显示与该手术过程相关的图像。

末端执行器

已开发一种手术工具，其能够配置成例如与机器人手臂30配合工作同时允许不同功能的修改和执行。图4A-4C示出根据本发明的手术工具的实施方案。在本实施方案中，该工具是配置成安装于机器人手臂30末端的末端执行器40。末端执行器40包括安装部50、壳体60、耦接装置70和释放构件80。末端执行器40配置成个别地且可互换地支撑多个作业构件，并精确地相对于机器人手臂30操纵作业构件。在图4A-4C中，末端执行器40耦接到作业构件100。

安装部（或安装架）50优选地将末端执行器40耦接到机器人手臂30。具体来说，安装部50从壳体60延伸，并配置成使用例如机械紧固器将执行器40耦接到机器人手臂30的相应安装部35，以使这些安装部相对彼此是固定的。可以将安装部50附接到壳体60或整体地与壳体60一起形成，并且将安装部50配置成精确地且可重复地相对于机器人手臂30来定位末端执行器40。在一个实施方案中，安装部50是2009年12月22日提交的美国专利申请序列号12/644,964中描述的半动态安装架，其通过引用全部并入本文。

壳体60配置成接纳作业构件100并为手术医生提供用户接口。例如，如图10A和图10B所示，手术医生握持壳体60以操纵末端执行器40以利用作业构件100执行任务。在本实施方案中，壳体60是中空细长柱体，其具有中心轴A-A、近端60a和远端60b。

参考图4B，为了将作业构件100安装在末端执行器40中，手术医生将作业构件100的杆体110的近端100a插入到壳体60的远端60b，在方向T1上滑动杆体110，并促动释放构件80，这样将耦接装置70移到“释放”位置，并使杆体100能够完全被接纳在壳体60中。当杆体110从壳体60的近端60a延伸适合的量时，手术医生放开释放构件80，这样将耦接装置70移到“连接”位置，并将杆体110耦接到壳体60。一旦将杆体110耦接到壳体，就能够将其他装备附接到杆体110，如驱动电动机112、切削元件116或作业构件100的其他部件。

要从末端执行器40移除作业构件100，手术医生移除驱动电动机112和切削元件116，并促动释放构件80，这样将耦接装置70移到释放位置。然后手术医生在方向T2上滑动杆体110，直到作业构件100清除壳体60的远端60b为止。

末端执行器40可以包括接纳部62，接纳部62仅允许作业构件100进行期望的移动。接纳部62设置在壳体60内。该接纳部62配置成接纳作业构件100的至少一部分以使作业构件100能够相对于壳体60转动，同时约束作业构件100在作业构件100的径向R上的移动（如图4D所示）。例如，如图5A和图5C所示，接纳部62包括凸缘64，凸缘64附着于壳体60（例如使用机械紧固器）和柱状部66，作业构件100经由柱状部66延伸。虽然通过凸缘64相对于壳体60固定接纳部62，但是作业构件100未连接到接纳部62（例如，通过机械紧固器、紧配合等），并且因此能够相对于接纳部62和壳体60转动和平移。但是，因为作业构件100通过柱状部66延伸，所以作业构件100受柱状部66约束，并被阻止在径向R上移动。接纳部62还包括至少一个孔68，该至少一个孔68使耦接装置70能够接合作业构件100，正如下文描述的。

末端执行器的耦接装置70能够用于对作业构件的纵向移动提供约束。耦接装置70设置在壳体上60且将其配置成将作业构件100耦接到壳体60以使作业构件100能够相对于壳体60转动。在一个实施方案中，耦接装置70包括固位构件72。正如下文描述的，固位构件72配置成接合作业构件100以约束作业构件100在作业构件100的纵向L上相对于壳体60的移动（如图4C所示）同时允许作业构件100的转动。

如图5A-5C所示，固位构件72包括第一部74和第二部76。第一部74配置成在纵向L上平移和相对于壳体60转动。例如，如图5A所示，第一部74经由轴承（例如，球轴承）耦接到释放构件80。第一部74刚性地固定于轴承78的内圈，同时轴承78的外圈刚性地固定于释放构件80的滑动构件82，从而使第一部74能够相对于壳体60以低摩擦力转动。滑动构件82连接到释放构件80的球形柄84，并且能够在纵向L上平移。压缩弹簧86设置在滑动构件82与刚性地固定于壳体60的弹簧限位器88之间。压缩弹簧86朝向前位置（图5B所示的连接位置）偏压滑动构件82和球形柄84。当手术医生通过沿方向T1从壳体60回拉球形柄84来促动球形柄84（进入图5A所示的释放位置）时，滑动构件82随着球形柄84一起移动并将压缩弹簧86压缩。因为第一部74经由轴承78耦接到滑动构件82，所以当球形柄84移动到释放位置中时第一部74还沿纵向L平移。以此方式，释放构件80耦接到耦接装置70，并配置成在连接位置和释放位置之间移动固位构件72。

固位构件72的第二部76配置成响应第一部74沿纵向L的移动而沿径向R移动。如图5A和图5B所示，第一部74相对于壳体60的接纳部62设置在外部，并且包括表面74a，表面74a配置成接合第二部76并在第一部74从第一位置（如图5A所示的释放位置）移动到第二位置（如图5B所示的连接位置）时在径向R上将第二部76移位。在一个实施方案中，如图5D所示，第一部74是中空柱体，以及表面74a是该柱体的倾斜的内表面。将第一部74的取向相对于壳体60设为使表面74在方向T1上倾斜（即，第一部74的内径递减）。在本实施方案中，第二部76包括与接纳部62的孔68对准的至少一个球轴承。优选地，第二部76包括多个球轴承（例如四个），每个球轴承与接纳部62上的相应孔68对准。因为表面74a是倾斜的，所以在第一部74从释放位置（图5A）移到连接位置（图5B）时，表面74a沿径向向内按压球轴承。每个球轴承沿径向R在相应孔68中向内移动以接合作业构件100的部分。

作业构件100与耦接装置70协作以保持对纵向移动的约束。作业构件100包括耦接区102。当耦接区102与孔68对准，并且将耦接装置70移动到连接位置时，耦接装置70调适成约束作业构件100在纵向L上向约束区Y（如图5B所示）的移动。在本实施方案中，耦接区102是作业构件100的外周表面106中的凹进部104。如图4C所示，凹进部104具有近端104a和远端104b。近端104a和远端104b限定作业构件100在约束区Y中运动的范围。例如，当球轴承径向向内移动到孔68中时，它们接合凹进部104，如图5B所示。当耦接装置70处于连接位置时，球轴承被捕获在表面74a与凹进部104之间，并因此被阻止在径向R上移动。相似地，因为球轴承被接纳在孔68中，所以它们被约束在纵向L上移动。虽然球轴承被捕获，但是它们以与轴承78中的球轴承相似的方式自由转动。因此，表面74a起到球轴承的外圈的作用，同时凹进部104起到球轴承的内圈的作用。以此方式，球轴承（即，固位构件72的第二部76）配置成同时相对于作业构件100和固位构件72的第一部74转动。在连接位置中，当球轴承与凹进部104接合时，球轴承与凹进部104的近端104a和/或远端104b相互作用（即，接触）以约束作业构件100的纵向移动。在本实施方案中，凹进部104的纵向长度L1的尺寸设为在球轴承接合连接位置中的第一耦接区102时，使近端104a和远端104b同时接触球轴承。由此，实质性地约束作业构件100在纵向L上移动。

如上所述，固位构件72的第一部74和第二部76能够自由转动，并且第一部74可在壳体60内滑动。以此方式，固位构件72配置成相对于壳体60和作业构件100转动，并沿壳体60的轴A-A轴向移动。此外，固位构件72配置成可在第一位置和第二位置（连接位置和释放位置）之间移动，并且配置成在固位构件72处于第一位置（图5B的连接位置）时约束作业构件100以及在固位构件72处于第二位置（图5A的释放位置）时允许作业构件100与壳体60脱离耦接。

在图4A-5B的实施方案中，作业构件100是用于髋部置换手术期间对髋臼22表面修整的扩锉器。作业构件100包括具有近端100a和远端100b的杆体110。近端100a配置成接合驱动电动机112。远端100b是工件接合端，其包括接合配置成切削骨骼的切削元件116的附接机构114。在操作中（如图10A所示），手术医生用一只手促动驱动电动机112以及用另一只手握持末端执行器40以操控末端执行器40。驱动电动机112对作业构件100和切削元件116施加转动运动。正如下文结合图11的步骤S8进一步描述的，手术医生根据手术计划相对于髋臼22定位作业构件100，并利用转动的切削元件116扩锉髋臼22的表面。当转动的切削元件116接触髋臼22时，髋臼22的表面（例如，疾患的骨骼）切削掉或修整其表面。

为了向手术医生提供灵活性，末端执行器40配置成使作业构件100能够与其他作业构件彼此互换。例如，作业构件100能够与作业构件200互换。在一个实施方案中，作业构件200是偏移扩锉器。正如公知的，较之后侧方法，使用前侧方法的手术医生可能首选偏移扩锉器而非直扩锉器。在本实施方案中，除了作业构件200包括偏移部220外，作业构件200与作业构件100完全相同。例如，如图6A-6C所示，作业构件200包括配置成接合驱动电动机112的近端200a和包括附接机构214的远端200b，附接机构214接合与切削元件116完全相同或相似的切削元件（未示出）。偏移部220连接到杆体210并包括具有通用接头228的偏移杆体224。偏移杆体224被支撑壳体222封装，以及成对的球轴承226使偏移杆体224能够相对于支撑壳体222以低摩擦力转动。偏移部220还包括防转销钉232，防转销钉232接合末端执行器40的壳体60中的相应槽632。防转销钉232确保偏移部220正确地组装到末端执行器40，并在驱动电动机112施加扭矩时，阻止支撑壳体222相对于壳体60转动。作业构件200以与作业构件100完全相同的方式通过耦接装置70耦接到末端执行器40。具体来说，作业构件200包括具有凹进部204的耦接区202，凹进部204以上文结合作业构件100描述的相同方式接合末端执行器40的耦接装置70。在操作中，手术医生将作业构件200的杆体210耦接到末端执行器40（如上文结合作业构件100描述的），将球形柄84、驱动电动机112和切削元件116附接到杆体210，并以与作业构件100相同的方式操作作业构件200。

末端执行器40还配置成个别地和以可与具有不同功能的多个作业构件互换地使用。例如，第一作业构件可以配置成具有第一功能，以及第二作业构件可以配置成具有第二功能。在一个实施方案中，第一作业构件是具有扩锉功能的作业构件100（如图4A-5B所示）或作业构件200（如图6A-6C所示），以及第二作业构件是具有打压功能的作业构件300（如图7A-8B所示）。在本实施方案中，作业构件300是直打压器，用于将髋臼杯（例如，髋臼杯28a）植入到已制备的髋臼中。作为备选方式第二作业构件可以是作业构件400（如图9A和图9B所示），如偏移打压器。除了作业构件300配置成与人工假体316（例如，髋臼杯28a）接合而非切削元件接合以及与打压器头312而非驱动电动机接合外，作业构件300与作业构件100相似。此外，作业构件300配置成相对于末端执行器40在方向T1、T2上平移。确切地来说，作业构件300配置成在手术医生对打压器头312施加打压力时相对于耦接的安装部35、50平移。

作业构件300包括具有近端300a和远端300b的杆体310。远端300b是工件接合端，其配置成（例如，通过螺钉螺纹）耦接到人工假体316。近端300a配置成承受足够将人工假体316打压到患者的髋关节10中的打压力。例如，近端300a配置成使用任何适合的机构（例如，螺钉螺纹、机械紧固器、槽等）接合打压器头312。正如公知的，打压器头312提供手术医生（例如，利用锤340）敲击来向作业构件300施加力的表面312a。打压器头312还能够被手术医生握持，并用来转动作业构件300以将人工假体316转入以及转出远端300b。

除了作业构件300配置成在耦接装置70处于连接位置时相对于末端执行器40平移外，作业构件300以与上文结合作业构件100描述的完全相同的方式通过耦接装置70耦接到末端执行器40。例如，如图8A和图8B所示，作业构件300包括接合末端执行器40的耦接装置70的耦接区302。以与第一作业构件100的耦接区102完全相同的方式，当耦接区302与接纳部62的孔68对准，并且耦接装置70移到连接位置（如图8B所示）时，耦接装置70约束作业构件100在纵向L上向约束区Z（如图8B所示）的移动。例如，耦接区302包括杆体310的外周表面306中的凹进部304。凹进部304具有近端304a和远端304b。近端304a和远端304b限定作业构件300在约束区Z中的运动范围。图8A示出处于释放位置中的耦接装置70。当耦接装置70移到连接位置（如图8B所示）时，固位构件72的球轴承（即，第二位置76）沿径向向内移到孔68内并接合凹进部304。当球轴承与凹进部304接合时，球轴承与凹进部304的近端304a和/或远端304b相互作用（即，接触）以约束作业构件300的纵向移动。在本实施方案中，凹进部304的纵向长度L3的尺寸设为使作业构件能够在凹进部304的约束内平移。例如，作业构件300能够在方向T2上平移，直到凹进部304的近端304a接触球轴承，从而约束作业构件300在方向T2上的移动。相似地，作业构件300能够在方向T1上平移，直到凹进部304的远端304b接触球轴承，从而约束作业构件300在方向T1上的移动。当耦接装置70处于连接位置时作业构件300在约束区Z中被动地平移的能力，有利地使得手术医生能够以锤340敲击打压器头312而锤敲击的力不会通过末端执行器40传递到机器人手臂30。以此方式，耦接区302保护机器人手臂30免于因打压力而损坏。

正如通过比较图5B和图8B能够见到的，作业构件100的凹进部104的纵向长度L1小于作业构件300的纵向长度L3。凹进部104的纵向长度L1和凹进部104的近端和远端104a、104b与固位构件72（即，球轴承）的相互作用限定了约束区Y。因为当球轴承与连接位置中的第一耦接区102接合时，近端和远端104a、104b同时接触球轴承，所以约束区Y相对于壳体60是基本固定的轴向位置。由此，当耦接装置70处于连接位置时，实质性地约束作业构件100在纵向L（即，方向T1、T2）上移动。相比之下，作业构件300的约束区Z允许作业构件300平移。例如，凹进部304的纵向长度L3和凹进部304的近端和远端304a、304b与固位构件72（即，球轴承）的相互作用限定了约束区Z。因为凹进部304是细长的，所以当耦接装置70处于连接位置（即，当固位构件72与耦接区302接合时），（固位构件72的）球轴承接触凹进部304的近端304a、凹进部304的远端304b或与二者均不接触。由此，约束区Z包括第一轴向位置（即，凹进部304的近端304a接触球轴承的位置）和第二轴向位置（即，凹进部304的远端304b接触球轴承的位置），并且作业构件300可在其之间移动。以此方式，该耦接装置70以及作业构件100、300配置成在耦接装置70接合作业构件100的耦接区102时，约束被接纳的作业构件在纵向L上向第一约束区Y的移动，以及在耦接装置70接合作业构件300的耦接区302时，约束被接纳的作业构件在纵向L上向第二约束区Z的移动，第二约束区Z不同于第一约束区Y。

末端执行器40还可以包括止动构件90，止动构件90配置成接合作业构件以限制作业构件相对于壳体60的移动并提供作业构件300相对于末端执行器40的精确轴向位置。例如，如图7A和图7B所示，止动构件90包括设置在末端执行器40的壳体60内的定位表面92（例如，沉孔）和设置在作业构件300的杆体310上的相应定位表面94（例如，肩形突起或突起部）。虽然止动构件90可以设置在任何适合的位置，但是在本实施方案中，止动构件90设置为远离凹进部304和耦接装置70。具体来说，在凹进部304和耦接装置70越靠近作业构件300的近端300a的同时，止动构件90越靠近作业构件300的远端300b。当定位表面94接触定位表面92（图7A中所示的就位位置）时，作业构件300在方向T1上的平移被阻止。相比之下，当定位表面92、94未接触（图7B所示的展开位置）时，作业构件300能够在方向T1和方向T2上在约束区Z内平移。以此方式，止动构件90配置成接合作业构件300以限制作业构件300在约束区Z中的平移。在一个实施方案中，将止动构件90定位成阻止作业构件300在约束区Z的完整范围内平移。在本实施方案中，作业构件300在凹进部304的近端304a限定的第一位置与定位表面94限定的第二位置之间平移。以此方式，止动构件90能够用于在耦接装置70处于连接位置时有效地减少作业构件300的行进范围。以此方式减小行进范围有利地减少接触应力，因为定位表面92、94之间的接触面积大于球轴承与凹进部304的远端304b之间的表面面积。

在操作中，手术医生完成扩锉髋臼22之后，手术医生从末端执行器40移除作业构件100（或作业构件200）。手术医生将作业构件300（或作业构件400）耦接到末端执行器40（以上文结合作业构件100所描述的相同方式），并将人工假体316和打压器头312连接到作业构件300。如图10B所示，手术医生用一只手握持末端执行器40，并且使用另一只手握锤340。正如下文结合图11的步骤S10进一步描述的，手术医生相对于扩锉的髋臼22适当地定位人工假体316，并使用锤340对打压器头312的表面312a施加力。在打压过程中，凹进部304起到使作业构件300能够按上文描述的平移的滑行被动接头的作用。该打压力将人工假体316打压到髋臼22上。在锤敲击的间隙，手术医生向前推送末端执行器40，直到止动构件90的定位表面92、94接触（如图7A所示）为止。手术医生持续地手动打压人工假体316，直到人工假体316按计划的深度被植入在髋臼22上为止。在植入人工假体316之后，手术医生握持打压器头312并转动作业构件300以将作业构件从植入的人工假体316旋出。如果髋臼杯包括衬里（例如，衬里28b），则手术医生将该衬里插入杯中。

具体根据患者的位置，手术医生可能首选使用偏移打压器（例如，作业构件400），而非直打压器（例如，作业构件300）。在一个实施方案中，除了作业构件400包括偏移部420外，作业构件400（如图9A和图9B所示）与作业构件300相似。例如，如图9A和图9B所示，作业构件400包括配置成接合打压器头312的近端400a和配置成耦接到人工假体316（例如，通过螺钉螺纹）的远端400b。偏移部420连接到杆体410并包括具有通用接头428和耦接球形柄430的偏移杆体424。因为偏移的原因，使用耦接球形柄430替代打压器头312以将作业构件400旋入/旋出人工假体316。该备选实施方案可以包括两个通用接头（例如与作业构件200的偏移部220相似），这两个通用接头使打压器头312能够用于将作业构件400旋入/旋出人工假体316。但是，此备选配置的一个缺点是，它可能增加复杂性并降低偏移杆体424的强度。偏移部424被壳体422封装并包括防转销钉432。防转销钉432接合壳体60中的相应槽632，以适当地相对于末端执行器40定位偏移部420，以及阻止壳体422相对于壳体60的转动。作业构件400以与上文结合作业构件300描述的完全相同的方式通过耦接装置70耦接到末端执行器40。具体来说，作业构件400包括具有凹进部404的耦接区402，凹进部404接合末端执行器40的耦接装置70，并使作业构件400能够在约束区Z中纵向平移。如图11所示，槽632是细长的，从而使防转销钉432能够在约束区Z的轴向约束内在槽632中纵向平移。在操作中，除了使用耦接球形柄430（而非打压器头312）来将人工假体316耦接到作业构件400/与作业构件400脱离外，作业构件400以与作业构件300相同的方式实现功能。

手术应用

在操作中，手术医生能够使用机器人手臂30来协助关节置换手术，如用于全髋置换或髋部表面修整手术的扩锉骨骼和植入髋臼杯。正如上文解释的，机器人手臂30包括配置成耦接到切削元件（用于扩锉）以及接合人工假体（用于打压）的手术工具。例如，为了扩锉，末端执行器40可以耦接到作业构件100或作业构件200，二者各耦接切削元件116。相似地，为了打压，末端执行器40可以耦接到作业构件300或作业构件400，二者各接合人工假体316。机器人手臂30能够用于确保扩锉和打压期间正确的定位。

图11图示用于执行全髋置换的手术过程的步骤的实施方案。在本实施方案中，步骤S1-S7、S9、S11和S12能够以任何公知的方式，有机器人协助或没有机器人协助来执行。步骤S8和S10优选地使用机器人手臂30来执行。例如，可以使用末端执行器40耦接到作业构件100或作业构件200的机器人手臂30来执行步骤S8（扩锉），以及可以使用末端执行器40耦接到作业构件300或作业构件400的机器人手臂30来执行步骤S10（打压）。

在手术过程之前，获取患者骨盆12和股骨14的术前CT扫描。如图14A所示，使用CT扫描来创建骨盆12的三维模型512和股骨14的三维模型514。手术医生使用这些三维模型512、514来构建手术计划。作为备选方式可以将由CT扫描和/或三维模型512、514导出的X射线图像来进行手术规划，这对于相对于基于CT的模型更习惯使用实际X射线图像的手术医生来说是有帮助的。手术医生通过指定髋臼假体28和股骨假体26相对于患者解剖体的模型512、514的期望姿势（即，位置和取向）来生成手术计划。例如，可以指定髋臼杯28a的计划姿势500，并将其显示在如显示装置9的计算机显示器上。手术过程期间，跟踪装置8跟踪患者解剖体和手术工具在物理空间中的运动，并将这些跟踪的物件对位到导航系统7（图像空间）中的相应模型。由此，将物理空间中的物件与图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体和计划的姿势500的实际位置，并且在手术过程期间，此信息以图形方式显示在显示装置9上。

在手术过程的步骤S1中，将皮质层跟踪阵列附接到股骨14以使跟踪装置8能够跟踪股骨14的运动。在步骤S2中，将股骨14对位（使用任何公知的对位技术）以将股骨14的姿势（物理空间）与导航系统7中的股骨14的模型（图像空间）相关联，并附接股骨检查点。在步骤S3中，使用制导的股骨钻孔器制备股骨14以接纳股骨植入体（例如，股骨假体26）。在步骤S4中，将皮质层跟踪阵列附接到骨盆12以使跟踪装置8能够跟踪骨盆12的运动。在步骤S5中，将检查点附接到骨盆12以在手术过程期间使用，以便验证皮质层跟踪阵列未相对于骨盆12移动。该检查点可以是例如2007年5月18日提交的美国专利申请序列号11/750,807（公开号US 2008/0004633）中描述的检查点，其通过引用全部并入本文。

在步骤S6中，将骨盆12对位（使用任何公知的对位技术）以将骨盆12的姿势（物理空间）与导航系统7中的骨盆12的模型（图像空间）相关联。在一个实施方案中，如图14B所示，对位是使用跟踪的探头收集骨盆12上的点（物理空间），然后将其与骨盆12的表示512上的相应点（图像空间）匹配来实现的。在本实施方案中，显示装置9显示包含一个或多个对位点516的骨盆12的表示512。对位点516帮助手术医生知道要利用跟踪的探头在实际解剖体上哪里收集点。对位点516可以是以颜色编码的，以便进一步帮助手术医生。例如，要利用跟踪的探头下一步收集的骨盆12上的对位点516可以采用黄色着色，而已经收集的对位点516可以采用绿色着色，以及后来将收集的对位点516可以采用红色着色。在对位之后，显示装置9可以向手术医生显示对位算法将物理收集的点与骨盆12的表示512拟合的程度。例如，如图14C所示，可以显示误差点518来图示表示512的表面与物理骨盆12的相应表面之间的对位存在多少误差。在一个实施方案中，可以对误差点518以颜色编码，例如，误差点518表示以绿色显示的最小误差，以及误差点518表示以蓝色、黄色和红色显示的递增量的误差。作为颜色编码的备选，表示不同程度误差的误差点518可以具有不同形状或大小。还可以显示验证点519。验证点519向手术医生图示要利用跟踪的探头在哪里收集点以验证对位。当收集对位点519时，导航系统7的软件显示解剖体上收集的实际点与表示512在物理空间中的对位的位置之间的误差（例如，数值上以毫米为单位）。如果对位误差太高，则手术医生通过重复步骤S6的对位过程重新对位骨盆12。

在步骤S7中，将机器人手臂30对位以将机器人手臂30的姿势（物理空间）与导航系统7（图像空间）相关联。机器人手臂30可以按2006年2月21日提交的美国专利申请序列号11/357,197（公开号US2006/0142657）中描述的来进行对位，其通过引用全部并入本文。

在步骤S8中，手术医生使用耦接到机器人手臂30的扩锉器，如作业构件100或作业构件200对髋臼22进行表面修整。正如上文结合作业构件100、200描述的，手术医生将适合的作业构件（例如直扩锉器或偏移扩锉器）耦接到末端执行器40，将切削元件116连接到接纳的作业构件，并手动操纵机器人手臂30（如图10A所示）来扩锉髋臼22。在扩锉期间，机器人手臂30向手术医生提供触感（作用力反馈）引导。触感引导约束手术医生手动移动手术工具的能力以便确保实际的骨骼切削在形状和位置上相应于计划的骨骼切削（即，切削与手术计划相符）。

优选地，调整该约束以相应于正在使用的手术工具，例如切削元件116。在一个实施方案中，将控制器编程为生成力信号，该力信号在切削元件116是第一切削元件116a时，促使作用力系统对手术医生手动移动末端执行器40提供第一约束（例如触感引导），以及在切削元件116是第二切削元件116b时对手术医生手动移动末端执行器40提供第二约束（例如，触感引导），其中第二约束不同于第一约束。如图12所示，第一和第二切削元件116a、116b是半球形切削元件，其配置成切削髋臼骨，以及第一切削元件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比人工假体316的直径D3小预定量，第二切削元件116b的直径D2比第一切削元件116a的直径D1大。在示范实施方案中，该预定量比人工假体316的直径D3小5毫米。在其他实施方案中，该预定量可以大于或小于5毫米，如2毫米、3毫米、7毫米或某个范围（例如，5±2毫米）。

因为第一切削元件116a的直径D1小于人工假体316的直径D3，所以可以使用第一切削元件116a来进行初步切削，例如移除关节软骨和骨赘。初步切削无需如最终切削那样精确。因此，初步切削可以按照比最终切削低的触感约束度进行。具体来说，当使用第一切削元件116a来进行扩锉时，第一约束配置成约束沿参考轴R-R的与切削元件116a关联的至少一个点。例如，如图13A所示，可以沿参考轴R-R约束切削元件116a的中心轴C-C上的至少一个点P，以使点P只能沿参考轴R-R移动。在图13A的实施方案中，点P设置在切削元件116a上。在其他实施方案中，点P可以处于切削元件116a的中心轴C-C上而未实际地与切削元件116a相交。在本实施方案中，参考轴R-R是将人工假体316植入到患者解剖体上时人工假体316的期望的轴。例如，参考轴R-R可以是根据手术医生的手术计划将人工假体316植入到髋臼22上时人工假体316的中心轴。因此，当利用第一切削元件116a扩锉时，机器人手臂30提供作用力反馈以约束手术医生手动移动末端执行器40，以使点P保持在参考轴R-R上。以此方式，约束手术工具的轨迹。在一个实施方案中，还约束点P可以沿参考轴R-R行进的深度以防止过度扩锉髋臼22。但是，当使用第一切削元件116a时，优选地不约束末端执行器40的取向。

随着扩锉继续，使用逐渐更大的扩锉器。在进行初步切削之后，手术医生以更大的切削元件，如第二切削元件116b更换第一切削元件116a。当第二切削元件116b耦接到末端执行器40时，机器人手臂30施加第二约束。该第二约束配置成约束手术工具相对于参考轴R-R的取向。例如，如图13B所示，机器人手臂30可以应用作用力反馈以约束手术工具来将手术工具的轴保持在参考轴R-R的预限定角度距离θ内。手术工具的轴可以是末端执行器40的壳体60的中心轴A-A、手术工具的杆体的轴（例如，被接纳的作业构件的中心轴B-B）或切削元件116b的中心轴C-C。预限定角度距离θ优选地是10度，但是也可以是适于特定手术应用的任何其他角度，例如，5度、15度等。优选地，当使用第二切削元件116b时，机器人手臂30兼应用第一和第二约束。因此，利用第二切削元件116b，机器人手臂兼约束手术工具的轨迹和角度取向。为了避免过度扩锉，还可以将手术工具能够行进的深度约束为不超过人工假体316在被植入到髋臼22上时的期望深度。在一个实施方案中，第二切削元件116b在尺寸上相应于人工假体316，并且用于对髋臼22进行最终切削。在一个实施方案中，将控制器编程为在最终切削的形状基本相应于最终切削的期望形状时停用或关闭第二切削元件116b。

扩锉器的尺寸可以基于其外侧直径来设置，其中扩锉器尺寸按1毫米逐渐递增。在一个实施方案中，对于低于计划的人工假体316的尺寸的至少5个尺寸（例如，5毫米）的所有切削元件，机器人手臂30应用第一约束。换言之，如果切削元件的直径比人工假体316的直径D3小至少5毫米，则可以按任何角度使用切削元件，但是沿参考轴R-R约束该切削元件。对于较大的切削元件（即，递增到计划的杯的尺寸的四个尺寸），机器人手臂30附加地应用第二约束，以使手术工具的角度取向也被约束。随着切削元件的尺寸递增，角度约束可以变得逐渐更大限制。在另一个实施方案中，对于尺寸等于低于计划的人工假体316的尺寸的两个尺寸或高于计划的人工假体316的尺寸的扩锉器，机器人手臂30兼应用第一和第二约束。优选地，将手术工具的行进深度约束为防止扩锉超过人工假体316的计划的深度。

优选地由控制机器人手臂30的作用力系统的控制器来激活第一和第二约束。例如，该控制器可以编程为生成控制信号，这些控制信号促使作用力系统在切削元件116（例如，第一切削元件116a或第二切削元件116b）的一部分与激活区510吻合时提供第一约束和第二约束的至少其中之一。该激活区510（如图14A和图14D所示）可以是相对于患者的解剖体限定的虚拟区域。例如，激活区510可以相对于人工假体316的计划的姿势500来限定。在一个实施方案中，激活区510与计划的姿势500的边界吻合，并且因此具有与计划的姿势500相同的形状和位置。在另一个实施方案中，计划的姿势500和激活区510的至少一部分吻合。激活区510还能够延伸到计划的姿势500以外。例如，如图14A和图14D所示，激活区510是延伸到计划的姿势500的边界以外的圆柱形容积。优选地，当人工假体316被植入到计划的姿势500中的解剖体上时，该圆柱形容积与计划的姿势500的轴（如人工假体316的中心轴C-C）同轴。

在手术过程中，手术工具的表示相对于计划的姿势500、激活区510和/或解剖体的表示512、514被显示在显示器9上，如图14D所示。该表示是与物理空间中的实际手术工具相应的图像空间中的图形模型（通过步骤S7中的机器人手臂30对位），并且包括接纳的作业构建的杆体的表示520a和切削元件116的表示520b。手术医生使用此视图来将手术工具手动导航到切口中。在一个实施方案中，手术医生可以自由地移动手术工具，直到手术工具的一部分与激活区510相交为止，此时作用力系统控制机器人手臂30以提供适合的约束（例如，第一约束和/或第二约束）。在一个实施方案中，当被接纳的作业构件的杆体的表示520a完全完全由激活区510的圆柱形容积界定（如图14D所示）时，适合的约束激活。一旦适合的约束处于激活状态，则可以从显示的图像移除激活区510，如图14E所示。

第一和第二约束确保了对髋臼的骨骼切削精确地相应于人工假体316的计划的姿势500的骨骼切削。因为第一和第二约束由促动器来应用，所以第一和第二约束并非无限的。相应地，手术医生能够通过以足够克服机器人手臂30提供的作用力反馈的力来手动移动末端执行器40以超越第一和第二约束。为了避免对患者的伤害和/或不精确的骨骼切削，控制器优选地编程为在手术医生手动超越第一约束和/或第二约束的情况下，自动的控制手术工具的姿势的至少一个方面。例如，在扩锉期间，如果手术医生推送末端执行器40，以使被接纳的作业构件的杆体超出参考轴R-R预限定的角度距离θ，则机器人手臂30能够施加主动作用力反馈以尽力将被接纳的作业构件移回预限定的角度距离θ内。如果手术医生超越第一约束和/或第二约束，则另一个选择是控制器停用或关闭扩锉器。

在步骤S9中，手术医生通过以跟踪探头联系骨盆检查点来验证髋臼跟踪阵列与骨盆12之间的对位（即，几何形状关系）仍是有效的，例如2007年5月18日提交的美国专利申请序列号11/750,807（公开号US 2008/0004633）中描述的检查点，其通过引用全部并入本文。如果对位劣化（例如，由于在扩锉期间髋臼跟踪阵列受到振动所致），则对骨盆12重新对位。对位验证可以在手术医生期望检查髋臼对位的一致性的任何时间执行。

在步骤S10中，使用耦接到机器人手臂30的打压器工具（如作业构件300或作业构件400）将人工假体316植入到已扩锉的髋臼22上。正如上文结合作业构件300、400描述的，手术医生从末端执行器40移除扩锉器，并将适合的作业构件（例如直扩锉器或偏移扩锉器）连接到末端执行器40，然后将人工假体316（例如，髋臼杯28a）附接到作业构件。手术医生然后人工操纵机器人手臂30（如图10B所示）以打压髋臼22上的人工假体316。在手术医生打压人工假体316的同时，机器人手臂30基于手术计划提供触感引导，其约束手术医生移动手术工具的能力以确保在将人工假体316打压到髋臼22上时，耦接到手术工具的人工假体316的实际姿势基本对应于计划的姿势500。在一个实施方案中，将控制器编程为将人工假体316的目标姿势（例如计划的姿势500和/或激活区510）与手术工具接合的人工假体316的实际姿势比较，并生成控制信号，该控制信号促使作用力系统允许手术工具在移动范围内移动并提供触感反馈以约束手术医生手动移动手术工具超出该移动范围的能力。可以例如相对于在解剖体上植入人工假体316时人工假体316的期望的方面，如角度（例如，翻转角、倾角）、轴、取向、转动中心、边界和/或深度来限定移动的范围。触感反馈则能够抵制手术医生将手术工具进行在人工假体316的实际姿势的至少一个方面与人工假体316的目标姿势的相应期望的方面之间产生实质性偏离的移动。该触感反馈能够在手术医生将人工假体316向植入部位移动时被应用，并且优选地在手术医生将人工假体316植入在解剖体上时保持。由此，可以将髋臼杯28a植入在髋臼22上，以使髋臼杯28a的倾斜精确度、翻转精确度和转动中心基本对应于手术计划。

以与上文结合步骤S8（扩锉）描述的完全相同的方式，在打压步骤S10期间，显示装置9可以显示计划的姿势500、激活区510、解剖体的表示512、514和手术工具的表示。但是，在打压期间，相应于切削元件116，表示520b表示人工假体316。此外，正如上文结合步骤S8描述的，当手术工具的实际姿势的至少一部分与目标姿势的激活区510的至少一部分吻合时，控制器能够在打压过程期间激活触感反馈。又如上文结合步骤S8描述的，如果手术医生移动末端执行器40以超越触感反馈，则控制器能够启动手术工具的自动控制以基本将实际姿势的至少一个方面与目标姿势的相应期望的方面对准。

在步骤S11中，手术医生将股骨假体26安装在股骨14上，并且在步骤S12中，手术医生确定腿部长度和股骨偏移量。如图14F所示，显示装置9可以显示植入的髋臼假体28的表示522和植入的股骨假体26的表示524。此外，如图14G所示，在手术过程期间的任何时间，显示装置9可以显示与进度和/或结果相关的数据。例如，在步骤S8中的扩锉和/或步骤S10中的打压，与已扩锉的髋臼22（或已植入的髋臼杯28a）的实际位置相关的数据525可以包括，例如表示患者解剖体的三个正交平面（即内/侧向、上位/下位和前向/后向）中的实际和计划的位置之间的误差的数值数据。

停放配置

手术系统5优选地配置成例如在手术过程期间，手术医生未主动使用机器人手臂30来执行任务时停放或固定机器人手臂30。停放配置适用于机器人手臂30的可移动构件，如关节式臂杆34或用于跟踪物件的仪器化联杆（例如机械跟踪臂），例如美国专利号6,322,567中所描述的，其通过引用全部并入本文。在停放配置中，可移动构件被固定在安全位置中，以及防止可移动构件的工作端（例如，手术工具）向手术过程的无菌区域外移去。

手术系统5优选地配置成将连接到机器人手臂30的不同重量的物件纳入考虑。正如上文解释的，机器人手臂30配置成允许用户（例如，手术医生）手动移动关节式臂杆34以便能够在空间中操纵耦接到关节式臂杆34（例如，被接纳的作业构件）的物件，并由此利于使用耦接的物件执行任务（例如，骨骼切削、植入体打压）。关节式臂杆34调适成耦接到多个可互换物件，如第一物件和第二物件。第一物件可以是，例如作业构件100或作业构件200，以及第二物件可以是作业构件300或作业构件400（或反之）。因为作业构件100、200、300、400具有不同的配置和功能，所以它们还可以具有实质性不同的重量。例如，在一个实施方案中，第二物件的重量比第一物件的重量大至少三倍。在另一个实施方案中，第二物件的重量比第一物件的重量大至少36%。在另一个实施方案中，第二物件的重量比第一物件的重量大至少52%。在另一个实施方案中，第二物件的重量比第一物件的重量大至少94%。在另一个实施方案中，作业构件100的重量是约360克，作业构件200的重量是约460克，作业构件300的重量是约490克，以及作业构件400的重量是约700克。因此，该停放配置被配置成适应具有实质性不同重量的机器人手臂30的有效负荷。

该停放配置可以使用制动器来实现。在操作中，该制动器限制可移动构件的至少一部分的手动移动。例如，该制动器限制关节式臂杆34的至少一部分的手动移动以禁止耦接的物件的空间中的操纵。因为单次手术过程期间关节式臂杆34与多个作业构件配合使用，所以制动器应该在关节式臂杆34耦接到第一物件时以及关节式臂杆34耦接到第二物件时均可工作而无需对制动器进行机械方面的重新配置，对制动器进行机械方面的重新配置会干扰手术流程。可以使用机械和/或电部件的任何适合组合来实现该制动器。在一个实施方案中，该制动器是虚拟制动器。与物理制动器相比，该虚拟制动器不包括常规的机械制动器部件。相反，正如下文解释的，该虚拟制动器使用机器人手臂30的控制器和作用力系统来实现。

在一个实施方案中，该虚拟制动器通过控制作用力系统的一个或多个促动器以对关节式臂杆的一个或多个关节施加保持转矩（即，制动力）来实现。施加保持转矩基于关节式臂杆34相对于制动区域的位置，其中制动器配置成在手术医生将关节式臂杆34的至少一部分（如一个或多个关节）移到制动区域中时接合。具体来说，该制动器配置成仅在关节（或多个关节）处于制动区域中的情况下才施加制动力。例如，该制动器可以配置成基于可以由例如关节（或多个关节）的位置限定的制动区域来限制关节（或多个关节）的手动移动。在一个实施方案中，该制动区域是关节式臂杆34的关节J的限定的运动角度范围α，并且还可以包括关节式臂杆34的其他关节的运动角度范围。运动角度范围α可以是期望的停放配置中放置关节式臂杆34的任何运动角度。例如，图15示出处于基本水平位置的关节J。在本实施方案中，为了将关节J停放在基本垂直的位置，将关节J从水平位置移到垂直位置。在一个实施方案中，基本垂直位置的运动角度范围α是约+/-15度。在其他实施方案中，运动角度范围α可以是，例如约+/-15度、约+/-30度或约180+/-30度。在一个实施方案中，最远处关节可以具有约+/-30度或约180+/-30度的运动角度范围α。该制动器配置成在手术医生将关节J移到制动区域中时接合（并将关节J保持在制动区域中）。例如，手术医生在方向V上将关节J从水平位置移动约90度，直到关节J的位置在运动角度范围α内为止。当关节J的位置在运动角度范围α内时，该控制器生成控制关节J的促动器施加保持转矩的信号。当施加保持转矩时，制动器被接合，并且关节J保持锁定就位。当关节J移到此制动区域中时，该控制器优选地还生成控制关节式臂杆34的一个或多个其他关节的促动器以施加导致多个被制动的关节的保持转矩的信号。由此，将关节式臂杆34的整个位置锁定在停放配置中。手术医生则可以安全地让关节式臂杆34处于无人看管中，更换作业构件或执行任何其他任务而无需担心手术工具将移出无菌区域外或与手术室中的患者或其他设备相干扰。虽然上文描述的结果是关节J在运动角度范围α内时启动制动器，但是该制动器还可以配置成仅在多个关节被移到其各自的运动角度范围内的情况下才被接合。

制动器的放开也可以基于制动区域。在一个实施方案中，该制动器配置成在手术医生将制动的关节（如关节J）的至少一部分移出该特定关节的制动区域外时放开。例如，要放开制动器，手术医生以足够克服关节J被施加的保持转矩或制动力的力移动关节式臂杆34。制动力的量值足够小以使手术医生能够手动移动关节式臂杆34来克服制动力。可以针对特定手术医生和/或特定手术过程来调整制动力，并且不同关节可以具有不同的制动力。例如，制动力可以在约5至12Nm的范围中。例如，在一个实施方案中，第一关节（即，最近处的关节）可以具有约6Nm的制动力，第二关节可以具有约12Nm的制动力，第三关节可以具有约9Nm的制动力，第四关节可以具有约11Nm的制动力，第五关节可以具有约7Nm的制动力，以及第六关节（即，最远处的关节）可以具有约5Nm的制动力。当关节J移出制动区域而进入未制动区域610时，控制器生成控制关节J（以及任何其他被制动的关节）的促动器中断施加保持转矩的信号。手术医生则可以自动地移动关节式臂杆34。在一个实施方案中，制动区域与未制动区域之间610存在重叠以防止制动器的意外释放。作为附加或备选方式，该制动器可以配置成独立于制动区域而放开。例如，如果关节式臂杆34包括一个或多个被制动的关节和至少一个未制动的关节，如腕关节W，则制动器可以配置成在手术医生手动移动未制动的关节，例如扭转腕关节W时放开。虽然上文描述的结果是关节J被移出运动角度范围α时放开制动器，但是该制动器还可以配置成仅在多个关节被移出其各自的运动角度范围的情况下才放开。

保持转矩实施方案的一个优点在于，制动器在关节空间中实现，并且每个个体关节促动器可以具有唯一的保持转矩极限。例如，较重的关节可能需要较大的保持转矩，因为除了制动外，保持转矩还需要补偿作用于该关节的地心引力。相比之下，重量轻的关节可以具有相对较小的保持转矩，因为较轻的关节需要较少的重力补偿。可以利用此差异性来协助制动器的放开。具体来说，因为手术医生更容易手动移动具有较低保持转矩的关节，所以可以利用移动较轻的关节来触发虚拟制动器的放开。

在另一个实施方案中，使用触感物件在笛卡尔空间中实现该虚拟制动器。该触感物件实施方案与保持转矩实施方案相似，所例外的是制动区域由触感物件而非关节的运动角度范围来限定。如2006年2月21日提交的美国专利申请序列号11/357,197（公开号US2006/0142657）（其通过引用全部并入本文）中所解释的，触感物件是作用力和/或转矩（即，力反馈）与位置之间的映射限定的虚拟物件。该感触物件与物理空间对位，并限定物理空间中的虚拟边界。该触感物件可以限定成使虚拟边界具有适于特定手术过程的任何期望的尺寸、形状和位置。以与骨骼切削期间激活的虚拟切削边界相似的方式，由作用力系统施加的力反馈约束关节式臂杆34的指定部分超出虚拟边界的移动。当使用触感物件作为虚拟制动器时，该触感物件起到附接到关节式臂杆34的端部的手术工具或其他设备的“虚拟套”的作用，并且作用力系统施加的力反馈是制动力。如图16A和图16B所示，该虚拟套包括虚拟边界600（第一区域）和由虚拟边界600界定的内部区域605（第二区域）。当手术医生在虚拟边界600内手动移动手术工具时，控制器控制作用力系统以约束关节式臂杆34的运动，以使手术工具保持在虚拟套的虚拟边界600内。

在保持转矩实施方案中，制动力在制动区域中基本是连续的，因为无论关节J在制动区域内的位置在哪里均施加恒定的保持转矩。因此，手术医生在制动区域中移动关节J时，关节式臂杆34具有平滑的连续感觉。相比之下，在该触感物件实施方案中，制动力在制动区域中是基本不连续的，因为通常在触感物件的虚拟边界600处而非在触感物件的内部区域605内施加制动力。例如，在一个实施方案中，仅在或接近虚拟边界600处而非内部区域605中施加力反馈。由此，当手术工具停放在虚拟边界600中时，手术工具可以在虚拟边界600的约束内自由地移动，但是被阻止移出虚拟边界600。以此方式，制动区域包括其中施加制动力的第一区域（即，虚拟边界600）和其中不施加制动力的第二区域（即，内部区域605）。作为备选方式可以将触感物件的映射限定成在内部区域605中以及处于或接近虚拟边界600处施加力反馈，以使手术工具在虚拟边界600内不移动或不移动超出虚拟边界600。

正如上文结合保持转矩实施方案所描述的，在触感物件实施方案中，该制动器配置成在手术医生将手术工具（或关节式臂杆34的其他指定部分）手动移到制动区域中时接合。例如，当手术医生从图16A所示的位置将关节式臂杆34移到图16B所示的位置时，手术系统5检测何时手术工具的指定部分（如尖端和/或杆体）在虚拟边界600内，并且控制器接合制动器。在触感物件实施方案中，接合制动器可以包括主动性动作，如当手术工具处于虚拟边界600内时开启触感物件的力反馈。作为备选方式，触感物件的力反馈可以是连续地主动的，以使接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，将控制器编程为确定关节式臂杆34的至少一部分是否处于限定的制动区域中，并生成信号，该信号配置成在确定关节式臂杆34处于制动区域中时,促使施加限定的制动力以禁止关节式臂杆34的至少一部分移动。制动器的放开也可以基于制动区域。在一个实施方案中，该制动器配置成在手术医生将手术工具（或关节式臂杆34的其他指定部分）手动移到制动区域外时放开。例如，要放开制动器，手术医生以足够克服虚拟边界600处作用力系统施加的力反馈的力移动关节式臂杆34。当手术工具移出虚拟边界600进入未制动区域610时，制动器被放开。在触感物件实施方案中，放开制动器可以包括主动性动作，如当手术工具已移出虚拟边界600时关闭触感物件的力反馈。作为备选方式，触感物件的力反馈可以是连续地主动的，以使放开制动器包括手术系统5确定手术工具处于虚拟边界600外。与保持转矩实施方案中一样，制动力的量值足够小以使手术医生能够手动移动关节式臂杆34来克服制动力。在一个实施方案中，制动区域与未制动区域之间610存在重叠以防止制动器的意外释放。作为附加或备选方式，该制动器可以配置成独立于制动区域而放开，如通过上文结合保持转矩实施方案解释的扭转腕关节W。

停放配置可以与机器人手臂30的任何可移动构件或未与机器人手臂30关联的可移动构件配合使用。例如，可移动构件可以是用于手术导航的仪器化联杆系统。在一个实施方案中，如图17A所示，仪器化联杆系统包括具有多个可移动关节连接的多个链的仪器化联杆（或关节式构件）800。正如公知的，这些关节被仪器化（例如，使用关节编码器）以能够测量近端链805相对于远端链810的坐标。当远端链810连接到要跟踪的物件（如骨骼）时，可以确定跟踪的物件的姿势。当跟踪的物件移动时，仪器化联杆800随着跟踪的物件移动。以此方式，可以随着跟踪的物件在物理空间中移动跟踪所跟踪的物件的姿势。使用仪器化联杆系统来进行跟踪的一个优点在于，仪器化联杆系统能够实现手术导航而不会有视线约束。相比之下，光学跟踪系统需要光学摄像头与设置在跟踪的物件上的可跟踪的标记之间有视线。

手术过程期间，仪器化联杆800可以配置成设置在停放配置中，其中仪器化联杆800被固定在安全位置中，并被阻止移到手术过程的无菌区域外。正如上文结合关节式臂杆34描述的，可以使用制动器来实现用于仪器化联杆800的停放配置。该制动器可以使用虚拟制动器（例如，如上文描述的制动器）或物理制动器来实现。在一个实施方案中，直接或通过缆线将关节J2与促动器耦接，以使仪器化联杆800是可向后驱动的。在正常操作期间，促动器可以施加转矩来补偿因仪器化联杆800的重量所致的重力负荷。可以通过对仪器化联杆800的至少一个关节施加保持转矩来实现停放配置（如图17B所示）。在一个实施方案中，停放配置可以利用物理制动器机构820使用电和/或机械制动器、电流变（ER）或磁流变（MR）液压制动器等的任何适合组合来实现。正如上文结合关节式臂杆34描述的，制动器的应用优选地基于仪器化联杆800相对于制动区域的位置。在一个优选实施方案中，制动器机构820配置成仅在仪器化联杆800的关节（或多个关节）处于制动区域中的情况下才施加制动力。例如，制动器可以配置成在关节J2和关节J4各位于预限定的运动角度范围内时（基于来自控制器的信号）接合，例如上文结合关节式臂杆34所描述的。该运动角度范围可以是，例如10度。制动器的放开也可以基于制动区域。在一个优选实施方案中，该制动器配置成在手术医生将这些关节的至少其中之一移到制动区域外时放开。例如，该制动器可以配置成在手术医生将关节J4移到制动区域外时放开。以此方式，手术系统可以包括配置成连接到要跟踪的物件的关节式构件和控制器，该控制器编程为确定关节式构件的至少一部分是否处于限定的制动区域中，并生成信号，该信号配置成促使施加制动力以在确定关节式构件的至少该部分处于制动区域中时禁止关节式构件的至少该部分移动。

优选地可以根据具体环境和/或期望的配置来调整虚拟制动器的参数。根据一个实施方案，该虚拟制动器可以由虚拟制动器配置来限定，该虚拟制动器配置包括如制动力、制动区域的大小、制动区域的位置和/或制动区域的形状的参数。正如上文结合保持转矩和触感物件实施方案所解释的，可以针对特定手术应用来定制这些参数。此外，该控制器可以编程为使手术医生能够持续地控制虚拟制动器配置。例如，在手术过程之前、期间和/或之后，手术医生可以使用计算机（例如导航系统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，控制器可以编程为使手术医生能够持续地修改虚拟制动器配置的参数。有利地，可以修改虚拟制动器配置而不改变机器人手臂30的机械配置。例如，作用力系统的促动器能够施加变化水平的保持转矩和力反馈。由此，为了修改制动力，该控制器只需控制促动器来输出不同量值的保持转矩或力反馈。相似地，为了修改制动区域，只需向该控制器提供运动角度范围α、虚拟边界600的大小、虚拟边界600的位置和/或虚拟边界600的形状的新值。由此，可以在任何时间修改虚拟制动器配置。例如，如果将极重的作业构件耦接到关节式臂杆34，则手术医生可能期望增加制动力来确保制动器能够安全地保持重作业构件。相似地，对于具有不同功能的作业构件，手术医生可能首选位于不同位置的制动区域。虽然对于特定手术过程，可以在任何时间修改虚拟制动器配置以便能够实现连续手术流程，但是优选的是具有相同配置的制动器而无论什么物件耦接到关节式臂杆34。这可以通过设置虚拟制动器配置的参数来实现，以便确保手术过程期间制动器能够安全地适应将耦接到关节式臂杆34的所有物件。

本领域人员将认识到，在部背离本发明的精神或本质特征的前提下，可以其他特定形式来实施本发明。因此，前文的实施方案在所有方面应视为说明性的而非限制本文描述的本发明。因此，本发明的范围由所附权利要求而非由前文描述来指示，并且因此应将落在权利要求的等效物的含义和范围内的所有更改涵盖在其中。

Claims (49)

1.一种工具，其包括：

壳体，所述壳体包括接纳部，所述接纳部配置成接纳作业构件的至少一部分，以使所述作业构件能够相对于所述壳体转动，同时约束所述作业构件在所述作业构件的径向上的移动；以及

耦接装置，所述耦接装置设置在所述壳体上，且配置成将所述作业构件耦接到所述壳体，以使所述作业构件能够相对于所述壳体转动，

其中所述耦接装置包括固位构件，所述固位构件配置成接合所述作业构件，以约束所述作业构件在所述作业构件的纵向上相对于所述壳体的移动，其中所述固位构件配置成相对于所述壳体转动。

2.根据权利要求1所述的工具，其中所述固位构件配置成相对于所述作业构件转动。

3.根据权利要求1所述的工具，其中所述固位构件配置成可在第一位置和第二位置之间移动，并且配置成在所述固位构件处于所述第一位置时约束所述作业构件，以及在所述固位构件处于所述第二位置时允许所述作业构件与所述壳体脱离耦接。

4.根据权利要求3所述的工具，还包括释放构件，所述释放构件耦接到所述耦接装置，并配置成在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述固位构件。

5.根据权利要求1所述的工具，其中所述固位构件包括第一部和第二部，所述第一部配置成沿所述纵向移动，以及所述第二部配置成响应所述第一部沿所述纵向的移动而沿所述径向移动。

6.根据权利要求5所述的工具，其中所述第二部配置成沿所述径向移动以接合所述作业构件的一部分。

7.根据权利要求6所述的工具，其中所述接纳部在其中具有至少一个孔，以及所述第一部相对于所述接纳部向外设置，以及所述第二部在所述孔中沿径向向内移动以接合所述作业构件。

8.根据权利要求5所述的工具，其中所述第一部包括表面，所述表面配置成接合所述第二部，并在所述第一部从所述第一位置移到所述第二位置时在所述径向上将所述第二部移位。

9.根据权利要求8所述的工具，其中所述表面包括座圈，以及所述第二部包括球轴承。

10.根据权利要求5所述的工具，其中所述第一部和所述第二部配置成彼此相对地转动。

11.根据权利要求1所述的工具，还包括止动构件，所述止动构件配置成接合所述作业构件以限制所述作业构件相对于所述壳体的移动。

12.根据权利要求11所述的工具，其中所述止动构件设置为远离所述耦接装置。

13.根据权利要求1所述的工具，其中所述工具包括配置成安装于机器人手臂末端的末端执行器。

14.一种多功能工具的套件，其包括：

第一作业构件，所述第一作业构件配置成具有第一功能，其中所述第一作业构件具有第一耦接区；

第二作业构件，所述第二作业构件配置成具有第二功能，其中所述第二作业构件具有第二耦接区；

壳体，所述壳体包括接纳部，所述接纳部配置成个别地以及可互换地接纳所述第一作业构件和所述第二作业构件的至少一部分，以使被接纳的作业构件能够相对于所述壳体转动，同时约束被接纳的作业构件在被接纳的作业构件的径向上的移动；以及

耦接装置，所述耦接装置设置在所述壳体上，且配置成将被接纳的作业构件耦接到所述壳体，以使被接纳的作业构件能够相对于所述壳体转动，

其中所述耦接装置包括固位构件，所述固位构件配置成接合所述第一耦接区和所述第二耦接区中相应的一个耦接区，以约束被接纳的作业构件在被接纳的作业构件的纵向上相对于所述壳体的移动，

其中配置所述耦接装置以及第一和第二作业构件，以便在所述耦接装置接合所述第一作业构件的所述第一耦接区时约束被接纳的作业构件在纵向上向第一约束区的移动，以及在所述耦接装置接合所述第二作业构件的所述第二耦接区时约束被接纳的作业构件在纵向上向第二约束区的移动，所述第二约束区不同于所述第一约束区。

15.根据权利要求14所述的套件，其中所述第一约束区是相对于所述壳体基本固定的轴向位置。

16.根据权利要求14所述的套件，其中所述第二约束区包括第一轴向位置和第二轴向位置，并且所述第二作业构件是可在其间移动的。

17.根据权利要求16所述的套件，还包括止动构件，所述止动构件设置为远离所述耦接装置，并且配置成接合所述第二作业构件以限制所述第二作业构件在所述第二约束区中的平移。

18.根据权利要求14所述的套件，其中所述第一耦接区包括所述第一作业构件的外周表面中的第一凹进部，以及所述第二耦接区包括所述第二作业构件的外周表面中的第二凹进部，其中所述第一凹进部的纵向长度小于所述第二凹进部的纵向长度。

19.根据权利要求18所述的套件，其中所述第一凹进部和所述第二凹进部中相应的一个凹进部的近端和远端限定被接纳的作业构件在所述第一约束区和所述第二约束区中相应的一个约束区中的运动范围。

20.根据权利要求19所述的套件，其中所述第一凹进部配置成在所述固位构件与所述第一耦接区接合时，使所述第一凹进部的所述近端和远端同时接触所述固位构件。

21.根据权利要求19所述的套件，其中所述第二凹进部配置成在所述固位构件与所述第二耦接区接合时，使所述固位构件接触所述第二凹进部的所述近端、所述第二凹进部的所述远端，或与二者均不接触。

22.根据权利要求14所述的套件，其中所述固位构件配置成相对于所述壳体转动。

23.根据权利要求22所述的套件，其中所述固位构件配置成相对于被接纳的作业构件转动。

24.根据权利要求14所述的套件，其中所述固位构件包括第一部和第二部，以及其中所述第一部配置成将所述第二部移位以接合被接纳的作业构件的所述耦接区，从而约束被接纳的作业构件。

25.根据权利要求24所述的套件，其中所述固位构件的所述第一部和第二部配置成彼此相对地转动。

26.根据权利要求14所述的套件，还包括释放构件，所述释放构件耦接到所述耦接装置，并配置成在第一位置和第二位置之间移动所述固位构件，其中在所述第一位置中，被接纳的作业构件未被约束，以及在所述第二位置中，被接纳的作业构件被约束。

27.根据权利要求14所述的套件，其中所述第一作业构件包括工件接合端和近端，以及所述近端配置成连接到驱动构件。

28.根据权利要求14所述的套件，其中所述第二作业构件包括工件接合端和近端，以及所述近端配置成接受打压力。

29.根据权利要求28所述的套件，其中所述近端配置成承受足够将设置在所述第二作业构件的所述工件接合端的假体打压到手术患者的关节里的打压力。

30.根据权利要求14所述的套件，其中所述第一功能包括扩锉功能，以及所述第二功能包括打压功能。

31.根据权利要求14所述的套件，其中所述第一作业构件包括直扩锉器杆体和偏移扩锉器杆体的至少其中之一，以及所述第二作业构件包括直打压器杆体和偏移打压器杆体的至少其中之一。

32.根据权利要求14所述的套件，其中所述多功能工具包括配置成设置在所述机器人手臂末端的末端执行器。

33.一种机器人系统，其包括：

第一作业构件，所述第一作业构件包括直扩锉器杆体和偏移扩锉器杆体的至少其中之一；

第二作业构件，所述第二作业构件包括直打压器杆体和偏移打压器杆体的至少其中之一；

机器人手臂；

壳体，所述壳体耦接到所述机器人手臂并且包括接纳部，所述接纳部配置成个别地以及可互换地接纳所述第一作业构件和所述第二作业构件的至少一部分，以使被接纳的作业构件能够相对于所述壳体转动，同时约束被接纳的作业构件在被接纳的作业构件的径向上的移动；以及

耦接装置，所述耦接装置设置在所述壳体上，并配置成将被接纳的作业构件耦接到所述壳体，以使所述第一作业构件能够绕着所述第一作业构件的纵轴转动，以及使所述第二作业构件能够沿所述第二作业构件的纵轴移动。

34.根据权利要求33所述的机器人系统，其中所述第一作业构件具有第一耦接区，以及所述第二作业构件具有第二耦接区，以及其中所述耦接装置包括固位构件，所述固位构件配置成接合所述第一耦接区和所述第二耦接区中相应的一个耦接区，从而将被接纳的作业构件耦接到所述壳体。

35.根据权利要求34所述的机器人系统，其中所述固位构件配置成相对于所述壳体转动。

36.根据权利要求34所述的机器人系统，其中所述固位构件配置成相对于被接纳的作业构件转动。

37.根据权利要求34所述的机器人系统，其中所述固位构件包括第一部和第二部，以及其中所述第一部配置成将所述第二部移位以接合被接纳的作业构件的所述耦接区。

38.根据权利要求34所述的机器人系统，其中所述固位构件的所述第一部和第二部配置成彼此相对地转动。

39.根据权利要求34所述的机器人系统，还包括释放构件，所述释放构件耦接到所述耦接装置，并配置成在第一位置和第二位置之间移动所述固位构件，其中在所述第一位置中，被接纳的作业构件未被约束，以及在所述第二位置中，被接纳的作业构件被约束。

40.根据权利要求34所述的机器人系统，其中所述第一耦接区包括所述第一作业构件的外周表面中的第一凹进部，以及所述第二耦接区包括所述第二作业构件的外周表面中的第二凹进部，其中所述第一凹进部的纵向长度小于所述第二凹进部的纵向长度。

41.根据权利要求40所述的机器人系统，其中所述第一凹进部配置成在所述固位构件与所述第一耦接区接合时，使所述第一凹进部的近端和远端同时接触所述固位构件。

42.根据权利要求40所述的机器人系统，其中所述第二凹进部配置成在所述固位构件与所述第二耦接区接合时，使所述固位构件接触所述第二凹进部的近端、所述第二凹进部的远端，或与二者均不接触。

43.根据权利要求33所述的机器人系统，其中所述耦接装置以及第一作业构件配置成约束所述第一作业构件沿所诉第一作业构件的纵轴向第一约束区的移动，以及其中所述耦接装置和所述第二作业构件配置成限制所述第二作业构件沿所述第二作业构件的纵轴向第二约束区的移动，所述第二约束区不同于所述第一约束区。

44.根据权利要求43所述的机器人系统，其中所述第一约束区是相对于所述壳体基本固定的轴向位置。

45.根据权利要求43所述的机器人系统，其中所述第二约束区包括第一轴向位置和第二轴向位置，并且所述第二作业构件是可在其间移动的。

46.根据权利要求43所述的机器人系统，还包括止动构件，所述止动构件设置为远离所述耦接装置，并且配置成接合所述第二作业构件以限制所述第二作业构件在所述第二约束区中的平移。

47.根据权利要求33所述的机器人系统，其中所述第一作业构件包括工件接合端和近端，以及所述近端配置成连接到驱动构件。

48.根据权利要求33所述的机器人系统，其中所述第二作业构件包括工件接合端和近端，以及所述近端配置成接受打压力。

49.根据权利要求33所述的机器人系统，其中所述近端配置成承受足够将设置在所述第二作业构件的所述工件接合端的假体打压到手术患者的关节里的打压力。

Images