CN114449969A - 用于引导工具的移动的系统和方法 - Google Patents

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CN114449969A CN202080068284.1A CN202080068284A CN114449969A CN 114449969 A CN114449969 A CN 114449969A CN 202080068284 A CN202080068284 A CN 202080068284A CN 114449969 A CN114449969 A CN 114449969A
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R·T·德鲁卡
M·D·多泽曼
P·勒斯勒尔
M·弗科
G·加西亚
R·库拉纳
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Abstract

提供用于引导工具的移动的系统和方法。所述系统包括工具和操纵器。引导处理程序获得所述工具的目标状态，并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成虚拟约束。约束求解器基于所述虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力。虚拟模拟器基于所述约束力以及来自一个或多个传感器的输入在虚拟模拟中模拟所述工具的动态学，以输出命令姿势。所述控制系统命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。

Description

用于引导工具的移动的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年9月30日提交的美国临时专利申请号62/908,056的优先权和所有权益，所述申请的全部内容特此以引用方式并入。
技术领域
本公开总体涉及用于引导工具的移动的系统和方法。
背景技术
手术系统可包括机器人操纵器和联接到操纵器以对患者进行手术程序的工具。在手动操作模式中，一种类型的手术系统感测用户手动施加到工具的力和扭矩。手术系统命令可包括机械臂的操纵器来定位工具以根据感测到的力和扭矩的施加来效仿用户预期的运动。因此，手术系统通常根据用户的意图和预期来定位工具，使得用户例如能够移除期望体积的组织。然而，在手动模式中，用户可能难以将工具精确地放置在目标位置和/或目标取向。因此，手术系统还可命令操纵器来自主地移动工具以将工具放置在目标位置和/或取向。然而，当自主地移动工具时，可能会感觉到用户对工具的控制减少。出于此原因，用户至少部分地接合工具的手动模式可能是一些用户优选的和/或在某些情形中是优选的。
本领域需要用于解决这些挑战的系统和方法。
发明内容
本发明内容以简化形式介绍下文将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容并不意图限制所要求保护的主题的范围，并且不一定确认所要求保护的主题的每一个关键或基本特征。
根据第一方面，提供一种手术系统，其包括工具和操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具。一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩。控制系统包括引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束。所述控制系统还包括约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力。所述控制系统还包括虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的输入并且基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势。所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
根据第二方面，提供一种用于引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法。所述操纵器支撑所述工具并且响应于所述用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具。所述方法包括：接收来自一个或多个传感器的输入，所述一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩。所述方法还包括：获得所述工具的目标状态；以及基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束。基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力。基于来自所述一个或多个传感器的所述输入并且基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学。基于所述虚拟模拟输出命令姿势。命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
根据第三方面，提供一种手术系统，其包括工具和操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具和移动所述工具。所述操纵器能够在第一模式中操作，在所述第一模式中所述操纵器自动地沿着工具路径移动所述工具；并且所述操纵器能够在第二模式中操作，在所述第二模式中所述操纵器响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具。一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩。控制系统包括引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束。所述目标状态位于所述工具路径之外。所述控制系统还包括约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力。所述控制系统还包括虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的输入并且基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势。所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
根据第四方面，提供一种用于引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法。所述操纵器能够在第一模式中操作，在所述第一模式中所述操纵器自动地沿着工具路径移动所述工具；并且所述操纵器能够在第二模式中操作，在所述第二模式中所述操纵器响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具。所述方法包括：接收来自一个或多个传感器的输入，所述一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩；以及获得所述工具的目标状态。所述方法还包括：基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束。所述目标状态位于所述工具路径之外。基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力。基于来自所述一个或多个传感器的所述输入并且基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学。基于所述虚拟模拟输出命令姿势。命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
根据第五方面，提供一种手术系统，其包括工具和操纵器。所述操纵器能够在半自主模式中操作，在所述半自主模式中所述操纵器自动地沿着工具路径移动所述工具，并且所述操纵器能够操作来在所述工具保持在所述工具路径上的同时响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来重新定向所述工具。一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩。控制系统包括引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的优选取向并且基于所述优选取向和所述工具的当前取向来生成一个或多个虚拟约束。所述控制系统还包括约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前取向朝向所述优选取向吸引的约束力。所述控制系统还包括虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的输入并且基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势。所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述优选取向的触觉反馈。
根据第六方面，提供一种用于引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法。所述操纵器能够在半自主模式中操作，在所述半自主模式中所述操纵器自动地沿着工具路径移动所述工具，并且所述操纵器能够操作来在所述工具保持在所述工具路径上的同时响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来重新定向所述工具。所述方法包括以下步骤：接收来自一个或多个传感器的输入，所述一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩；以及获得所述工具的优选取向。所述方法还包括：基于所述优选取向和所述工具的当前取向来生成一个或多个虚拟约束。基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具从所述当前取向朝向所述优选取向吸引的约束力。基于来自所述一个或多个传感器的所述输入并且基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学。基于所述虚拟模拟输出命令姿势。命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述优选取向的触觉反馈。
根据第七方面，提供一种手术系统，其包括工具和操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具。一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩。控制系统包括引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的多个对齐点和一个或多个目标平面，并且基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束。所述控制系统包括约束求解器，所述约束求解器基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述一个或多个目标平面吸引的约束力。所述控制系统还包括虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的输入并且基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势。所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述一个或多个目标平面的触觉反馈。
根据第八方面，提供一种用于引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法。所述操纵器支撑所述工具并且响应于所述用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具。所述方法包括：接收来自一个或多个传感器的输入，所述一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩；以及获得所述工具的多个对齐点和一个或多个目标平面。所述方法还包括：基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束。基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述一个或多个目标平面吸引的约束力。基于来自所述一个或多个传感器的所述输入并且基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学。基于所述虚拟模拟输出命令姿势。命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述一个或多个目标平面的触觉反馈。
根据第九方面，提供一种用于控制工具的移动以产生多个特征的方法，其中所述特征中的每一个具有所述工具的不同目标状态。所述方法包括：在已知坐标系中相对于所述工具针对所述多个特征的所述目标状态确定所述工具的当前状态，以确定用户正选择所述多个特征中的哪个特征。所述方法还包括：基于由所述用户选择的所述特征从多个引导约束中启用一个或多个引导约束。基于所述一个或多个引导约束控制所述工具的移动，其中所述一个或多个引导约束起作用来向所述用户生成触觉反馈，使得所述用户了解如何相对于与由所述用户选择的所述特征相关联的所述目标状态移动所述工具。
根据第十方面，提供一种用于控制工具的移动以产生多个特征的方法，其中所述特征中的每一个具有所述工具的不同虚拟边界。所述方法包括：在已知坐标系中相对于针对所述多个特征的所述虚拟边界确定所述工具的当前状态，以确定用户正选择所述多个特征中的哪个特征。所述方法还包括：基于由所述用户选择的所述特征从多个引导约束中启用一个或多个引导约束；以及基于由所述用户选择的所述特征从多个边界约束中启用所述边界特征中的一个或多个。基于所述一个或多个引导约束和所述一个或多个边界约束来控制所述工具的移动，其中所述一个或多个引导约束和所述一个或多个边界约束起作用来向所述用户生成触觉反馈，以产生由所述用户选择的所述特征。
根据第十一方面，提供一种手术系统，其包括工具和操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具和移动所述工具。控制系统包括引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束。所述控制系统还包括约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力。所述工具的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。
根据第十二方面，提供一种手术系统，其包括工具和操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具和移动所述工具。所述操纵器能够在第一模式中操作，在所述第一模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具；并且所述操纵器能够在第二模式中操作，在所述第二模式中由用户向所述工具施加力和扭矩以移动所述工具。控制系统包括引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束。所述控制系统还包括约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力。所述工具的移动由所述操纵器在所述第二模式中基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
根据第十三方面，提供一种手术系统，其包括工具和操纵器，所述操纵器能够在半自主模式中操作，在所述半自主模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具。所述工具能够在所述工具保持在所述工具路径上的同时响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩而移动。控制系统包括引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的优选取向并且基于所述优选取向和所述工具的当前取向来生成一个或多个虚拟约束。所述控制系统还包括约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前取向朝向所述优选取向吸引的约束力。所述工具的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述优选取向的触觉反馈。
根据第十四方面，提供一种手术系统，其包括工具和操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具和移动所述工具。控制系统包括引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的多个对齐点和一个或多个目标平面，并且基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束。所述控制系统还包括约束求解器，所述约束求解器基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述一个或多个目标平面吸引的约束力。所述工具的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述一个或多个目标平面的触觉反馈。
根据第十五方面，提供一种用于引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法。所述方法包括：获得所述工具的目标状态；以及基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束。所述方法还包括：基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力。所述工具的移动基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。
根据第十六方面，提供一种用于引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法。所述操纵器能够在第一模式中操作，在所述第一模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具；并且所述操纵器能够在第二模式中操作，在所述第二模式中所述工具响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩而移动。所述方法包括：获得所述工具的目标状态；以及基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束。所述方法还包括：基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力。所述工具的移动器在所述第二模式中基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
根据第十七方面，提供一种用于引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法。所述操纵器能够在半自主模式中操作，在所述半自主模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具。所述工具能够在所述工具保持在所述工具路径上的同时响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来重新定向所述工具。所述方法包括以下步骤：获得所述工具的优选取向；以及基于所述优选取向和所述工具的当前取向来生成一个或多个虚拟约束。所述方法还包括：基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前取向朝向所述优选取向吸引的约束力。所述工具的移动基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述优选取向的触觉反馈。
根据第十八方面，提供一种用于引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法。所述方法包括：获得所述工具的多个对齐点和一个或多个目标平面；以及基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束。所述方法还包括：基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述一个或多个目标平面吸引的约束力。所述工具的移动基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述一个或多个目标平面的触觉反馈。
根据第十九方面，提供一种用于进行手术的手持式操纵器系统，所述手持式操纵器系统包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的目标状态并且基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束，所述一个或多个虚拟约束包括引导约束；约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力；以及虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述约束力的输入在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学并且输出命令姿势，所述控制系统被配置来命令所述手持式操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片并且将所述锯片放置在所述目标状态。
根据第二十方面，提供一种手持式操纵器系统，其包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的多个对齐点和一个或多个目标平面并且基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述一个或多个目标平面移动的约束力；以及虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述约束力的输入在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学并且输出命令姿势，所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片以将所述锯片放置在所述一个或多个目标平面。
根据第二十一方面，提供一种控制手持式操纵器的锯片的方法，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片，所述方法包括以下步骤：获得所述锯片的目标状态；基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力；基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学；基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片以将所述锯片放置在所述目标状态。
根据第二十二方面，提供一种引导由手持式操纵器支撑的锯片的方法，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片，所述操纵器支撑和移动所述锯片，所述方法包括以下步骤：获得所述锯片的多个对齐点和一个或多个目标平面；基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述一个或多个目标平面移动的约束力；基于来自所述约束力的输入在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学；基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片以将所述锯片放置在所述一个或多个目标平面。
根据第二十三方面，提供一种控制手持式操纵器的锯片的移动以产生多个特征的方法，其中所述多个特征中的每一个具有所述锯片的不同目标状态，所述方法包括以下步骤：在已知坐标系中相对于所述锯片针对所述多个特征的所述目标状态确定所述锯片的当前状态以确定正选择所述多个特征中的哪个特征来产生；基于所选择的特征从多个引导约束中为所述手持式操纵器启用一个或多个引导约束；以及基于所述一个或多个引导约束控制所述锯片的移动，其中所述一个或多个引导约束起作用来将所述锯片放置在针对所选择的特征的所述目标状态。
根据第二十四方面，提供一种用于进行手术的手持式操纵器系统，所述手持式操纵器系统包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的目标状态并且基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；以及约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力，其中所述锯片的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以将所述锯片放置在所述目标状态。
根据第二十五方面，提供一种用于进行手术的手持式操纵器系统，所述手持式操纵器系统包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的多个对齐点和一个或多个目标平面并且基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；以及约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述一个或多个目标平面移动的约束力，其中所述锯片的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以将所述锯片放置在所述一个或多个目标平面。
根据第二十六方面，提供一种引导手持式操纵器的锯片的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述锯片的目标状态；基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力；以及基于所述约束力控制所述锯片的移动以将所述锯片放置在所述目标状态。
根据第二十七方面，提供一种引导由手持式操纵器支撑的锯片的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述锯片的多个对齐点和一个或多个目标平面；基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述一个或多个目标平面移动的约束力；以及基于所述约束力控制所述锯片的移动以将所述锯片放置在所述一个或多个目标平面。
根据第二十八方面，提供一种用于进行手术的手持式操纵器系统，所述手持式操纵器系统包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的目标状态并且基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束，所述一个或多个虚拟约束包括引导约束，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来计算引导约束，其中所述引导约束具有调谐参数的值，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来改变所述调谐参数的所述值；约束求解器，所述约束求解器用于基于所述引导约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力；以及虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述约束力的输入在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学并且输出命令姿势，所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片并且将所述锯片放置在所述目标状态。
根据第二十九方面，提供一种手术系统，其包括：工具；操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具；一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于提供传感器输入信号；以及控制系统，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力；以及虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的所述传感器输入信号和所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势，所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，并由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。
上述任何方面都可部分地或全部地组合。此外，上述任何方面都可通过以下任何实施方式来实施：
在一个实施方式中，所述目标状态包括目标位置、目标取向或目标姿势，并且所述当前状态包括当前位置、当前取向或当前姿势。在一个实施方式中，所述一个或多个虚拟约束包括与所述目标位置相关联的多达三个虚拟约束和与所述目标取向相关联的多达三个虚拟约束。在一个实施方式中，所述控制系统被配置来使得所述用户能够背离所述目标取向重新定向所述工具。在一个实施方式中，所述控制系统被配置来使得所述用户能够背离所述目标位置重新定位所述工具。
在一个实施方式中，所述控制系统被配置来从多个可能的起始位置中选择所述起始位置。在一个实施方式中，所述控制系统被配置来基于所述工具在移出所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知位置从所述多个可能的起始位置中选择所述起始位置。
在一个实施方式中，所述控制系统被配置来将所述起始位置限定为沿着重启路径的重启位置。在一个实施方式中，所述控制系统被配置来：确定在所述工具被移出所述工具所遍历的所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知点；并且基于所述最后已知点计算所述重启路径上的所述重启位置。在一个实施方式中，所述控制系统被配置来基于所述工具在移出所述工具所遍历的所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知位置来计算所述工具路径上的所述最后已知点。在一个实施方式中，所述控制系统被配置来：计算从所述重启位置到所述最后已知点的引入路径；并且在所述第一模式中沿着从所述重启位置到所述最后已知点的所述引入路径来移动所述工具。在一个实施方式中，所述工具包括能量施加器并且所述控制系统包括工具控制器，所述工具控制器用于在所述能量施加器在所述第一模式中沿着所述引入路径移动时向所述能量施加器供应能量。在一个实施方式中，所述重启路径是基于虚拟边界的形状。在一个实施方式中，所述目标状态包括重启路径上的重启位置，其中所述重启路径是基于撤回路径限定的，当将所述工具移出所述工具路径时所述用户使所述工具沿着所述撤回路径移动。在一个实施方式中，所述目标状态包括从沿着重启路径限定的多个可能的重启位置中选择的重启位置，所述控制系统被配置来基于所述工具相对于所述多个可能的重启位置取得的切割进展来选择所述重启位置。
在一个实施方式中，所述目标状态包括目标坐标系并且所述工具包括被引导坐标系，所述约束力适于将所述被引导坐标系朝向所述目标坐标系吸引。
在一个实施方式中，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的差相对于一个或多个自由度计算所述一个或多个虚拟约束。
在一个实施方式中，所述控制系统包括用户接口，所述用户接口用于激活所述一个或多个虚拟约束，使得所述约束力包括与将所述工具朝向所述目标状态吸引相关联的力和扭矩分量。
在一个实施方式中，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来计算所述一个或多个虚拟约束。
在一个实施方式中，所述一个或多个虚拟约束中的每一个具有调谐参数的值，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来改变所述调谐参数的所述值。
在一个实施方式中，所述一个或多个虚拟约束包括具有调谐参数的第一值的第一虚拟约束和具有所述调谐参数的第二值的第二虚拟约束，所述第一值不同于所述第二值，使得与所述第二虚拟约束相比，由于所述第一虚拟约束，所得约束力适于更强烈地吸引或排斥所述工具。
在一个实施方式中，所述虚拟模拟器被配置来通过以下方式来模拟所述工具的动力学：将所述工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚性主体，并且在所述虚拟模拟中将所述约束力施加到所述虚拟质量以得到所述命令姿势。
在一个实施方式中，所述控制系统被配置来：基于来自所述一个或多个传感器的所述输入计算外力；并且基于所述约束力和所述外力计算用于在所述虚拟模拟中使用的总力，其中所述外力能够具有大小和方向足以克服所述约束力的力分量。
在一个实施方式中，所述工具包括骨钻或钻，并且所述一个或多个虚拟约束包括限定来将所述骨钻或所述钻朝向期望取向吸引的两个虚拟约束。
在一个实施方式中，所述工具包括骨钻，并且所述一个或多个虚拟约束包括限定来将所述骨钻朝向期望起始位置吸引的三个虚拟约束。
在一个实施方式中，所述工具包括锯片，并且所述一个或多个虚拟约束包括限定来将所述锯片朝向期望切割平面吸引的三个虚拟约束。
在一个实施方式中，所述第一模式包括半自主模式并且所述第二模式包括引导-触觉模式(guided-haptic mode)。
在一个实施方式中，启用所述一个或多个引导约束包括：基于与由所述用户选择的所述特征相关联的所述目标状态并且基于所述工具的所述当前状态来生成一个或多个引导约束，并且其中基于所述一个或多个引导约束控制所述工具的移动包括：基于所述一个或多个引导约束计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力；至少部分地基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学；基于所述虚拟模拟输出命令姿势；以及命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
在一个实施方式中，启用所述一个或多个引导约束包括：基于与由所述用户选择的所述特征相关联的所述目标状态并且基于所述工具的所述当前状态来生成一个或多个引导约束，并且其中基于所述一个或多个引导约束控制所述工具的移动包括：基于所述一个或多个引导约束计算适于将所述工具排斥远离所述当前状态的约束力；至少部分地基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学；基于所述虚拟模拟输出命令姿势；以及命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具背离所述目标状态放置的触觉反馈。
在一个实施方式中，在所述已知坐标系中相对于所述工具针对所述多个特征的所述目标状态确定所述工具的所述当前状态包括：在所述已知坐标系中确定由锯片限定的平面相对于多个切割平面的位置。
在一个实施方式中，在所述已知坐标系中相对于所述工具针对所述多个特征的所述目标状态确定所述工具的所述当前状态包括：确定由骨钻或钻杆限定的轴线相对于多个切割轴线的位置。
在一个实施方式中，在所述已知坐标系中相对于所述工具针对所述多个特征的所述目标状态确定所述工具的当前状态包括：确定所述工具的当前取向与所述工具的多个目标取向之间的角度，确定所述工具的当前位置与所述工具的多个目标位置之间的距离，或确定所述角度和所述距离两者；以及基于所述角度的值、所述距离的值、或所述角度的所述值和所述距离的所述值两者来确定所述多个特征中由所述用户选择的所述特征。
在一个实施方式中，基于由所述用户选择的所述特征为所述工具启用一个或多个虚拟边界。在一个实施方式中，相对于所述多个特征限定选择区域，其中与由所述用户选择的所述特征相关联的所述一个或多个虚拟边界和所述一个或多个引导约束在所述工具位于所述选择区域内时被启用以产生由所述用户选择的所述特征，并且在所述工具移动到所述选择区域之外时被禁用，使得所述用户能够选择要产生的新特征。
在一些实施方式中，力扭矩传感器测量施加到所述工具的力或扭矩。另外地或另选地，可使用其他传感器，诸如被配置来测量到任何一个或多个致动器的电流的一个或多个电流传感器。在一些实施方式中，电流测量结果可用于导出或估计施加到所述工具的力和扭矩的量度。
任何上述实施方式都可用于上述任何方面。对于上述任一个或多个方面，可整体或部分地组合任何上述实施方式。
附图说明
随着通过参考以下详细描述并结合附图来考虑而更好地了解本公开，本公开的优点将变得易于理解。
图1是手术系统的透视图。
图2是用于控制手术系统的控制系统的框图。
图3是用于控制手术系统的软件程序的功能框图。
图4例示用于对髋臼的手术程序的边界生成器的输出。
图5例示用于对髋臼的手术程序的路径生成器的输出。
图6例示用于对椎骨体的手术程序的边界生成器的输出。
图7例示用于对股骨的手术程序的边界生成器的输出。
图8例示用于对股骨的手术程序的路径生成器的输出。
图9例示用于对股骨的手术程序的边界生成器的输出。
图10是虚拟约束和虚拟吸引力的图示。
图11是可由控制系统操作的模块的框图。
图12示出样本约束方程。
图13和图14示出用于实行虚拟模拟的样本正向动力学算法。
图15示出由控制系统实行以求解约束、进行正向动力学并且确定命令姿势的一组示例性步骤。
图16A至图16D示出工具响应于施加引导约束以将工具吸引到目标位置和目标取向的移动。
图17例示另一次施加引导约束以将工具吸引到目标位置和目标取向以在椎骨体中制备孔。
图18是示出约束力相对于z距离在x、y方向上和关于x、y轴的改变的一对曲线图。
图19和图20例示另一次施加引导约束以将工具吸引到目标平面。
图21例示引导约束的刚度如何随z距离变化。
图22A至图22C例示工具在半自主操作模式中沿着铣削路径进行以从股骨移除材料的移动。
图22D例示工具远离铣削路径的移动。
图22E和图22F例示在恢复以半自主模式操作之前，在引导-触觉模式中施加引导约束以将工具吸引到目标位置和目标取向。
图23是可由控制系统操作的模块的框图。
图24至图27例示另一次施加引导约束以将工具吸引到目标平面，其中工具包括锯片。
图28例示控制系统可基于工具的位置确定用户正选择哪个期望切割平面的方式。
图29例示另一次施加引导约束以将工具吸引到目标平面，其中工具是手持式操纵器的锯片。
具体实施方式
I.概述
参考图1，例示手术系统10。系统10可用于治疗患者12的手术部位或解剖体积A，诸如治疗骨组织或软组织。在图1中，患者12正在接受手术程序。图1中的解剖结构包括患者12的股骨F、骨盆PEL和胫骨T。手术程序可涉及组织移除或其他形式的治疗。治疗可包括切割、凝固、损伤组织、其他原位组织治疗等。在一些实例中，手术程序涉及部分或全膝或髋置换手术、肩部置换手术、脊柱手术或足踝手术。在一些实例中，系统10被设计来切除要由外科植入物置换的材料，所述外科植入物诸如髋和膝植入物，包括单室、双室、多室或全膝植入物、髋臼杯植入物、股骨干植入物、螺钉、锚固件、其他紧固件等。这些类型的植入物中的一些在标题为“Prosthetic Implant and Method of Implantation”的美国专利申请公布号2012/0330429中示出，所述专利申请的公开内容特此以引用方式并入。系统10和本文所公开的技术可用于进行其他手术或非手术的程序，或可用于工业应用或其他应用。
系统10包括机器人操纵器14，也称为手术机器人。操纵器14具有底座16和多个连杆18。操纵器推车17支撑操纵器14，使得操纵器14固定到操纵器推车17。连杆18共同形成操纵器14的一个或多个臂(例如，机械臂)。操纵器14可具有串联臂配置(如图1所示)、并联臂配置或任何其他合适的操纵器配置。在其他实例中，可在多臂配置中利用多于一个操纵器14。
在图1所示的实例中，操纵器14包括多个关节J以及位于关节J处以用于确定关节J的位置数据的多个关节编码器19。为简单起见，图1中例示仅一个关节编码器19，但可类似地例示其他关节编码器19。根据一个实例，操纵器14具有实现操纵器14的至少六个自由度(DOF)的六个关节J1-J6。然而，操纵器14可具有任何数量的自由度并且可具有任何合适数量的关节J并且可具有冗余关节。
操纵器14不需要关节编码器19，但可另选地或另外地在每个关节J处利用存在于马达上的马达编码器。而且，操纵器14不需要旋转关节，但可另选地或另外地利用一个或多个棱柱关节。设想到关节类型的任何合适的组合。
操纵器14的底座16通常是操纵器14的一部分，所述部分为操纵器14或总体上系统10的其他部件提供固定参考坐标系。通常，操纵器坐标系MNPL的原点限定在底座16的固定参考点处。底座16可相对于操纵器14的任何合适的部分诸如连杆18中的一个或多个限定。另选地或另外地，底座16可相对于操纵器推车17限定，诸如在操纵器14物理地附接到推车17的情况下。在一个实例中，底座16限定在关节J1和J2的轴线的交点处。因此，尽管关节J1和J2实际上是移动部件，但关节J1和J2的轴线的交点仍然是虚拟固定参考姿势，所述虚拟固定参考姿势提供固定位置和取向参考，并且不相对于操纵器14和/或操纵器推车17移动。
在一些实例中，参考图29，操纵器可以是手持式操纵器15，其中底座16'是工具的底座部分(例如，由用户徒手握持的部分)，并且工具尖端17可相对于底座部分移动。底座部分具有被跟踪的参考坐标系，并且工具尖端具有相对于参考坐标系计算(例如，经由马达和/或关节编码器和正向运动学计算)的工具尖端坐标系。由于可确定工具尖端17相对于路径的姿势，因此可控制工具尖端17的移动以跟随路径。这种手持式操纵器15可与2012年8月31日提交的标题为“Surgical Instrument Including Housing,A Cutting Accessorythat Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position ofthe Cutting Accessory Relative to the Housing”的美国专利号9,707,043所示者类似，所述专利特此以引用方式并入本文。可与本文所述的系统、方法和技术一起使用的手持式操纵器的实例可与2020年7月15日提交的标题为“Robotic Hand-Held SurgicalInstrument Systems and Methods”的PCT申请号PCT/US2020/042128中所述者类似，所述申请的全部内容特此以引用方式并入本文。
操纵器14和/或操纵器推车17容纳操纵器控制器26或其他类型的控制单元。操纵器控制器26可包括一个或多个计算机，或指导操纵器14的运动的任何其他合适形式的控制器。操纵器控制器26可具有中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、存储器(未示出)和存储装置(未示出)。操纵器控制器26装载有如下所述的软件。处理器可包括一个或多个处理器以控制操纵器14的操作。处理器可以是任何类型的微处理器、多处理器和/或多核处理系统。操纵器控制器26可另外地或另选地包括一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、离散电路和/或能够实行本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。术语处理器并不意图将任何实施方案局限于单个处理器。操纵器14还可包括具有一个或多个显示器和/或输入装置(例如，下压按钮、键盘、鼠标、麦克风(语音激活)、手势控制装置、触摸屏等)的用户接口UI。
手术工具20联接到操纵器14并且可相对于底座16移动以在某些模式下与解剖结构相互作用。在某些实施方案中，工具20是或形成由操纵器14支撑的末端执行器22的一部分。工具20可由用户抓握。操纵器14和工具20的一种可能布置在2013年8月2日提交的标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中有所描述，所述专利的公开内容特此以引用方式并入。操纵器14和工具20可以另选配置布置。工具20可与2014年3月15日提交的标题为“End Effector of a Surgical Robotic Manipulator”的美国专利申请公开号2014/0276949中所示者类似，所述专利申请特此以引用方式并入。
工具20包括设计来接触患者12在手术部位处的组织的能量施加器24。在一个实例中，能量施加器24是骨钻25。骨钻25可以是基本上球形的并且包括球心、半径(r)和直径。另选地，能量施加器24可以是钻头、锯片27(参见图1中的另选工具)、超声振动尖端等。工具20和/或能量施加器24可包括任何几何特征，例如，周边、圆周、半径、直径、宽度、长度、体积、面积、表面/平面、运动范围包络(沿着任一个或多个轴线)等。可考虑几何特征以确定如何相对于手术部位处的组织定位工具20以进行期望的治疗。在本文所述的一些实施方案中，为了方便和易于说明，将描述具有工具中心点(TCP)的球形骨钻和具有TCP的矢状锯片，但并不意图将工具20局限于任何特定形式。
工具20可包括工具控制器21以控制工具20的操作，诸如控制对工具(例如，对工具20的旋转马达)的供电、控制工具20的移动、控制工具20的冲洗/抽吸等。工具控制器21可与操纵器控制器26或其他部件通信。工具20还可包括具有一个或多个显示器和/或输入装置(例如，下压按钮、键盘、鼠标、麦克风(语音激活)、手势控制装置、触摸屏、脚踏开关等)的用户接口UI。操纵器控制器26控制工具20(例如，TCP)相对于坐标系诸如操纵器坐标系MNPL的状态(位置和/或取向)。操纵器控制器26可控制工具20的运动的(线或角)速度、加速度或其他导数。
在一个实例中，工具中心点(TCP)是在能量施加器24处限定的预定参考点。TCP具有相对于其他坐标系的已知或能够计算的(即，不一定是静态的)姿势。能量施加器24的几何形状已知在TCP坐标系(或与工具相关联的其他工具坐标系)中或是相对于所述坐标系限定的。TCP可位于工具20的骨钻25的球心或锯片27的远端处，使得跟踪仅一个点。TCP可根据能量施加器24的配置以各种方式限定。操纵器14可采用关节/马达编码器，或任何其他非编码器位置感测方法，以使得能够确定TCP的姿势。操纵器14可使用关节测量结果来确定TCP姿势和/或可采用技术来直接测量TCP姿势。对工具20的控制不限于中心点。例如，可使用任何合适的图元、网格等来表示工具20。
系统10还包括导航系统32。导航系统32的一个实例在2013年9月24日提交的标题为“Navigation System Including Optical and Non-Optical Sensors”的美国专利号9,008,757中有所描述，所述专利特此以引用方式并入。导航系统32跟踪各种对象的移动。此类对象包括例如操纵器14、工具20和解剖结构，例如，股骨F、骨盆PEL和胫骨T。导航系统32跟踪这些对象以收集每个对象相对于(导航)定位器坐标系LCLZ的状态信息。定位器坐标系LCLZ中的坐标可使用变换来变换到操纵器坐标系MNPL、其他坐标系和/或反之亦然。
导航系统32包括容纳导航控制器36和/或其他类型的控制单元的推车组件34。导航用户接口UI与导航控制器36操作性地通信。导航用户接口包括一个或多个显示器38。导航系统32能够使用一个或多个显示器38向用户显示被跟踪对象的相对状态的图形表示。导航用户接口UI还包括一个或多个输入装置以将信息输入到导航控制器36中或以其他方式选择/控制导航控制器36的某些方面。此类输入装置包括交互式触摸屏显示器。然而，输入装置可包括下压按钮、键盘、鼠标、麦克风(语音激活)、手势控制装置、脚踏板等中的任一者或多者。
导航系统32还包括联接到导航控制器36的导航定位器44。在一个实例中，定位器44是光学定位器并且包括相机单元46。相机单元46具有外部壳体48，所述外部壳体48容纳一个或多个光学传感器50。定位器44可包括其自己的定位器控制器49并且还可包括摄像机VC。
导航系统32包括一个或多个跟踪器。在一个实例中，跟踪器包括指针跟踪器PT，一个或多个操纵器跟踪器52A、52B、第一患者跟踪器54、第二患者跟踪器55和第三患者跟踪器56。在图1的例示实例中，操纵器跟踪器牢固地附接到工具20(即，跟踪器52A)，第一患者跟踪器54牢固地附连到患者12的股骨F，第二患者跟踪器55牢固地附连到患者12的骨盆PEL，并且第三患者跟踪器56牢固地附连到患者12的胫骨T。在此实例中，患者跟踪器54、55、56牢固地附连到骨骼区段。指针跟踪器PT牢固地附连到指针P，所述指针P用于将解剖结构配准到定位器坐标系LCLZ。操纵器跟踪器52A、52B可附连到操纵器14的除了或不同于工具20的任何合适的部件，诸如底座16(即，跟踪器52B)，或操纵器14的任一个或多个连杆18。跟踪器52A、52B、54、55、56、PT可以任何合适的方式附连到它们相应部件。例如，跟踪器可以是刚性固定的、柔性连接的(光纤)或根本不是物理连接的(超声)，只要存在合适(补充)的方式来确定所述相应跟踪器和与其相关联的对象的关系(测量结果)即可。
任一个或多个跟踪器可包括有源标记58。有源标记58可包括发光二极管(LED)。另选地，跟踪器52A、52B、54、55、56、PT可具有反射从相机单元46发射的光的无源标记，诸如反射器。可利用本文未具体描述的其他合适的标记。
定位器44跟踪跟踪器52A、52B、54、55、56、PT以确定跟踪器52A、52B、54、55、56、PT中的每一个的状态，所述状态分别对应于分别附接到其上的对象的状态。定位器44可执行已知的三角测量技术来确定跟踪器52、54、55、56、PT和相关联对象的状态。定位器44将跟踪器52A、52B、54、55、56、PT的状态提供给导航控制器36。在一个实例中，导航控制器36确定跟踪器52A、52B、54、55、56、PT的状态并且将所述状态传达给操纵器控制器26。如本文所用，对象的状态包括但不限于限定被跟踪对象的位置和/或取向的数据或位置和/或取向的等效物/衍生物。例如，状态可以是对象的姿势，并且可包括线速度数据和/或角速度数据等。
导航控制器36可包括一个或多个计算机，或任何其他合适形式的控制器。导航控制器36具有中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、存储器(未示出)和存储装置(未示出)。处理器可以是任何类型的处理器、微处理器或多处理器系统。导航控制器36装载有软件。所述软件例如将从定位器44接收的信号转换成表示正在跟踪的对象的位置和取向的数据。导航控制器36可另外地或另选地包括一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、离散电路和/或能够实行本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。术语处理器并不意图将任何实施方案局限于单个处理器。
尽管示出导航系统32的采用三角测量技术来确定对象状的一个实例，但导航系统32可具有用于跟踪操纵器14、工具20和/或患者12的任何其他合适的配置。在另一实例中，导航系统32和/或定位器44是基于超声的。例如，导航系统32可包括联接到导航控制器36的超声成像装置。超声成像装置对任何以上所提及的对象(例如，操纵器14、工具20和/或患者12)进行成像，并且基于超声图像来向导航控制器36生成状态信号。超声图像可以是2-D的、3-D的或两者的组合。导航控制器36可近乎实时地处理图像以确定对象的状态。超声成像装置可具有任何合适的配置并且可不同于如图1所示的相机单元46。
在另一实例中，导航系统32和/或定位器44是基于射频(RF)的。例如，导航系统32可包括联接到导航控制器36的RF收发器。操纵器14、工具20和/或患者12可包括附接到其上的RF发射器或应答器。RF发射器或应答器可以是无源的或有源通电的。RF收发器传输RF跟踪信号并且基于从RF发射器接收的RF信号来向导航控制器36生成状态信号。导航控制器36可分析所接收的RF信号以使相关联状态与其相关联。RF信号可具有任何合适的频率。RF收发器可定位在任何合适的位置处以有效地使用RF信号跟踪对象。此外，RF发射器或应答器可具有可与图1所示的跟踪器52A、52B、54、55、56、PT大不相同的任何合适的结构配置。
在又一实例中，导航系统32和/或定位器44是基于电磁的。例如，导航系统32可包括联接到导航控制器36的EM收发器。操纵器14、工具20和/或患者12可包括附接到其上的EM部件，诸如任何合适的磁性跟踪器、电磁跟踪器、感应跟踪器等。跟踪器可以是无源的或有源通电的。EM收发器生成EM场并且基于从跟踪器接收的EM信号来向导航控制器36生成状态信号。导航控制器36可分析所接收的EM信号以使相关联状态与其相关联。同样，此类导航系统32实例可具有与图1所示的导航系统32配置不同的结构配置。
导航系统32可具有本文未具体列举的任何其他合适的部件或结构。此外，以上相对于所示导航系统32描述的技术、方法和/或部件中的任一者可被实施或提供用于本文所述的导航系统32的其他实例中的任一者。例如，导航系统32可利用仅惯性跟踪或跟踪技术的任何组合，并且可另外地或另选地包括基于光纤的跟踪、机器视觉跟踪等。
参考图2，系统10包括控制系统60，所述控制系统60包括操纵器控制器26、导航控制器36和工具控制器21等部件。控制系统60还包括图3所示的一个或多个软件程序和软件模块。软件模块可以是在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或它们的任何组合上操作以处理数据来协助系统10的控制的一个或多个程序的一部分。软件程序和/或模块包括计算机可读指令，所述计算机可读指令存储在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或它们的组合上的非暂时性存储器64中以由控制器21、26、36的一个或多个处理器70执行。存储器64可以是任何合适配置的存储器，诸如RAM、非易失性存储器等，并且可在本地或从远程数据库实现。另外地，用于提示用户和/或与用户通信的软件模块可形成一个或多个程序的一部分，并且可包括存储在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或它们的任何组合上的存储器64中的指令。用户可与导航用户接口UI或其他用户接口UI的任何输入装置交互以与软件模块通信。用户接口软件可在与操纵器控制器26、导航控制器36和/或工具控制器21分离的装置上运行。
控制系统60可包括适合于实行本文所述的功能和方法的任何合适配置的输入、输出和处理装置。控制系统60可包括操纵器控制器26、导航控制器36或工具控制器21或它们的任何组合，或可包括这些控制器中的仅一者。这些控制器可经由如图2所示的有线总线或通信网络、经由无线通信或以其他方式进行通信。控制系统60也可称为控制器。控制系统60可包括一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、离散电路、传感器、显示器、用户接口、指示器和/或能够实行本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。
参考图3，由控制系统60采用的软件包括边界生成器66。如图4所示，边界生成器66是生成用于约束工具20的移动和/或操作的虚拟边界71的软件程序或模块。虚拟边界71可以是一维的、二维的、三维的，并且可包括点、线、轴线、轨迹、平面、体积、面、三角网格等。虚拟边界71可具有简单的形状或复杂的几何形状。在一些实施方案中，虚拟边界71是由三角网格限定的表面。虚拟边界71也可称为虚拟对象。虚拟边界71可相对于解剖模型AM诸如3-D骨骼模型限定。由于解剖模型AM经由配准或其他过程映射到患者的解剖结构，解剖模型AM与真实患者解剖结构相关联。在图4的实例中，虚拟边界71包括基本上围绕髋臼的大体上球形网格，所述球形网格具有使得能够进入髋臼的入口部分71a(开口)。入口部分具有漏斗或圆锥形状。此虚拟边界71与髋臼的3-D模型相关联。
解剖模型AM和相关联虚拟边界71被配准到一个或多个患者跟踪器54、55、56。因此，解剖模型AM(和相关联真实患者解剖结构)和固定到解剖模型AM的虚拟边界71可由患者跟踪器54、55、56跟踪。虚拟边界71可以是植入物特定的，例如，基于植入物的大小、形状、体积等限定的，和/或患者特定的，例如，基于患者的解剖结构限定的。虚拟边界71可以是在术前、术中或它们的组合中产生的边界。换句话讲，虚拟边界71可在手术程序开始之前、在手术程序期间(包括在组织移除期间)或它们的组合中限定。在任何情况下，控制系统60通过在存储器中存储/从存储器检索虚拟边界71、从存储器获得虚拟边界71、在术前产生虚拟边界71、在术中产生虚拟边界71等来获得虚拟边界71。
操纵器控制器26和/或导航控制器36跟踪工具20相对于虚拟边界71的状态。在一个实例中，相对于虚拟边界71测量TCP的状态，以便确定要经由虚拟模拟施加到虚拟刚性主体模型的触觉力，使得工具20保持与虚拟边界71处于期望的位置关系(例如，不移动超过虚拟边界71)。虚拟模拟的结果被下达给操纵器14。控制系统60以效仿物理机头在存在物理边界/障碍物时作出响应的方式来控制/定位操纵器14。边界生成器66可在操纵器控制器26上实现。另选地，边界生成器66可在其他部件诸如导航控制器36上实现。
参考图3和图5，路径生成器68是由控制系统60运行的另一软件程序或模块。在一个实例中，路径生成器68由操纵器控制器26运行。路径生成器68生成供工具20遍历诸如以用于去除解剖结构的区段以接收植入物的工具路径TP。工具路径TP可包括多个路径节段PS，或可包括单个路径节段PS。路径节段PS可以是笔直线节段、弯曲节段、它们的组合等。工具路径TP也可相对于解剖模型AM来限定并且可经由患者跟踪器54、55、56中的一个或多个来跟踪。工具路径TP可以是植入物特定的，例如，基于植入物的大小、形状、体积等限定的，和/或患者特定的，例如，基于患者的解剖结构限定的。
在本文所述的一个版本中，工具路径TP被限定为组织去除路径，但在其他版本中，工具路径TP可用于除组织去除之外的治疗。本文所述的组织去除路径的一个实例包括铣削路径72。应当理解，术语“铣削路径”通常是指工具20在目标部位附近用于铣削解剖结构的路径，并且并不意图要求工具20在路径的整个持续时间内可操作地铣削解剖结构。例如，铣削路径72可包括工具20在没有铣削的情况下从一个位置过渡到另一位置的区段或节段。另外地，可采用沿着铣削路径72的其他形式的组织去除，诸如组织消融等。铣削路径72可以是术前、术中或它们的组合中产生的预限定路径。换句话讲，铣削路径72可在手术程序开始之前、在手术程序期间(包括在组织去除期间)或它们的组合中限定。在任何情况下，控制系统60通过在存储器中存储/从存储器检索铣削路径72、从存储器获得铣削路径72、在术前产生铣削路径72、在术中产生铣削路径72等来获得铣削路径72。铣削路径72可具有任何合适的形状或形状的组合，诸如圆形、螺旋形/螺丝锥形、线形、曲线形、它们的组合等。图5所示的铣削路径72，当由工具20遍历时，意图从髋臼去除材料以为髋臼杯植入物留出空间以装配到髋臼。
图4至图9中示出示例性虚拟边界71和/或铣削路径72。所示的虚拟边界71和/或铣削路径72的特定形状和布置是出于说明性目的。其他形状和布置是可能的。如前所述，图4和图5例示虚拟边界71和铣削路径72，它们被生成用于在准备(例如，铣削)髋臼以接收髋臼杯植入物的手术程序中使用。
图6例示虚拟边界71，所述虚拟边界71包括基本上围绕椎骨体的大体上球形网格，所述球形网格具有使得能够进入椎骨体的入口部分71a(开口)。入口部分71a具有漏斗或圆锥形状并且延伸到圆柱形部分71b中。此虚拟边界71与椎骨体的3-D模型相关联。此虚拟边界71被生成用于在准备(例如铣削)椎骨体以接收螺钉或其他植入物的手术程序中使用。
图7例示虚拟边界71，所述虚拟边界71包括基本上围绕股骨的大体上球形网格，所述球形网格具有使得能够进入股骨的入口部分71a(开口)。入口部分71a具有漏斗或圆锥形状并且延伸到沿着股骨的髓管向下延伸的管部分71b。此虚拟边界71与股骨的3-D模型相关联。图8例示铣削路径72，所述铣削路径72被限定为使得工具20能够从股骨去除材料以为股骨干植入物让路。因此，图7和图8例示虚拟边界71和铣削路径72，它们被生成以用于在准备(例如，铣削)股骨F以接收股骨干植入物的手术程序中使用。
图9例示针对通过股骨远端的五个切割平面生成的一系列虚拟边界71。图9中的虚拟边界71中的每一个包括基本上围绕股骨的远端的大体上球形网格，所述球形网格具有使得能够进入股骨的入口部分71a(开口)。入口部分71a延续到沿着五个切割平面73a-73e中的一个切割平面限定的切割槽71b中。这些虚拟边界71被生成用于在准备股骨F(例如，经由利用锯片进行平面切除)以接收全膝植入物的手术程序中使用。设想了其他类型/形状的虚拟边界和/或铣削路径72以用于在其他手术程序中使用。
用于生成虚拟边界71和/或铣削路径72的系统和方法的一个实例在标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中有所描述，所述专利的公开内容特此以引用方式并入。在一些实例中，虚拟边界71和/或铣削路径72可离线生成，而不是在操纵器控制器26或导航控制器36上生成。此后，虚拟边界71和/或铣削路径72可在运行时由操纵器控制器26利用。
返回参考图3，两个另外的软件程序或模块在操纵器控制器26和/或导航控制器36上运行。一个软件模块进行行为控制74。行为控制74是计算指示工具20的下一个命令位置和/或取向(例如，姿势)的数据的过程。在一些情况下，从行为控制74输出仅TCP的位置，而在其他情况下，输出工具20的位置和取向。来自边界生成器66、路径生成器68和一个或多个传感器诸如力/扭矩传感器S的输出可作为输入馈送到行为控制74中以确定工具20的下一个命令位置和/或取向。行为控制74可处理这些输入以及下面进一步描述的一个或多个虚拟约束以确定命令姿势。
第二软件模块进行运动控制76。运动控制的一个方面是操纵器14的控制。运动控制76从行为控制器74接收限定下一个命令姿势的数据。基于这些数据，运动控制76确定操纵器14的关节J的关节角度的下一个位置(例如，经由逆运动学和雅可比矩阵计算器)，使得操纵器14能够按照行为控制74的命令(例如，以命令姿势)定位工具20。换句话讲，运动控制76将可在笛卡尔空间中限定的命令姿势处理成操纵器14的关节角度，使得操纵器控制器26可相应地命令关节马达，以将操纵器14的关节J移动到对应于工具20的命令姿势的命令关节角度。在一个版本中，运动控制76调整每个关节J的关节角度并且连续地调节每个关节马达输出的扭矩，以尽可能接近地确保关节马达将相关联关节J驱动到命令关节角度。
边界生成器66、路径生成器68、行为控制74和运动控制76可以是软件程序78的子集。另选地，每个都可以是单独和/或独立地以它们的任何组合操作的软件程序。术语“软件程序”在本文用于描述被配置来实行所描述技术方案的各种能力的计算机可执行指令。为简单起见，术语“软件程序”意图至少涵盖边界生成器66、路径生成器68、行为控制74和/或运动控制76中的任一者或多者。软件程序78可在操纵器控制器26、导航控制器36或它们的任何组合上实现，或可由控制系统60以任何合适的方式实现。
临床应用程序80可提供来处理用户交互。临床应用程序80处理用户交互的许多方面并且协调手术工作流程，包括术前计划、植入物放置、配准、骨骼准备可视化和植入物配合的术后评估等。临床应用程序80被配置来输出到显示器38。临床应用程序80可在其自己的单独处理器上运行或可在导航控制器36旁边运行。在一个实例中，临床应用程序80在用户设定植入物放置之后与边界生成器66和/或路径生成器68交互，然后将由边界生成器66和/或路径生成器68返回的虚拟边界71和/或工具路径TP发送到操纵器控制器26以用于处理和执行。操纵器控制器26如本文所述执行工具路径TP，包括如下所述的生成路径约束。操纵器控制器26可在开始或恢复机加工时另外地产生某些节段(例如，引入节段)以平滑地返回到所生成的工具路径TP。操纵器控制器26还可处理虚拟边界71以生成对应虚拟约束，如下文进一步所描述。
II.引导-触觉模式
系统10可在手动模式中操作，诸如在美国专利号9,119,655中所描述，所述专利以引用方式并入本文。这里，用户手动指导，并且操纵器14在手术部位执行工具20及其能量施加器24的移动。用户物理地接触工具20以致使在手动模式中移动工具20。在一个版本中，操纵器14监视用户放置在工具20上的力和扭矩以便定位工具20。例如，操纵器14可包括一个或多个传感器(例如，力/扭矩传感器S)，所述一个或多个传感器检测和测量用户施加到工具20的力和扭矩并且生成由控制系统60使用的对应输入(例如，一个或多个对应输入/输出信号)。由用户施加的力和扭矩至少部分地限定外力Fext，所述Fext用于确定如何在手动模式中移动工具20。外力Fext可包括除用户施加的那些之外的其他力和扭矩，诸如重力补偿力、反向驱动力等，如美国专利号9,119,655中所描述，所述专利以引用方式并入本文。因此，由用户施加的力和扭矩至少部分地限定外力Fext，并且在一些情况下可完全限定影响工具20在手动模式中的整体移动的外力Fext。
力/扭矩传感器S可包括6-DOF力/扭矩换能器，如例如美国专利号9,119,655中所公开，所述专利以引用方式并入本文。力/扭矩传感器S可形成工具20、操纵器14或两者的一部分。力/扭矩传感器S可形成工具20与操纵器14之间的接口的一部分，或可放置在任何合适的位置，使得用户施加到工具20的力和扭矩被传输到力/扭矩传感器S。操纵器控制器26和/或导航控制器36接收来自力/扭矩传感器S的输入(例如，信号)。响应于由用户施加的力和扭矩，操纵器14以效仿基于由用户施加的力和扭矩将会发生的移动的方式移动工具20。工具20在手动模式中的移动也可关于由边界生成器66生成的虚拟边界71受到约束。在一些版本中，将由力/扭矩传感器S取得的测量结果从力/扭矩传感器S的力/扭矩坐标系FT变换到另一坐标系，诸如其中对工具20的虚拟刚性主体模型执行虚拟模拟的虚拟质量坐标系VM，使得可在虚拟模拟中将力和扭矩虚拟地施加到虚拟刚性主体，以最终确定那些力和扭矩(以及其他输入)将如何影响虚拟刚性主体的移动，如下所述。
系统10还可在半自主模式中操作，在所述半自主模式中操纵器14自主地沿着铣削路径72移动工具20(例如，操纵器14的活动关节J操作以移动工具20而无需来自用户的在工具20上的力/扭矩)。在半自主模式中的操作的实例在美国专利号9,119,655中也有所描述，所述专利以引用方式并入本文。在一些实施方案中，当操纵器14在半自主模式中操作时，操纵器14能够在没有用户协助的情况下移动工具20。没有用户协助可能意味着用户并不物理地接触工具20以移动工具20。相反，用户可使用与操纵器14(例如，有线或无线)通信的某种形式的遥控器RC(参见图1)来控制移动的开始和停止。例如，用户可按住遥控器RC的按钮以开始工具20的移动以及释放按钮以停止工具20的移动。在Moctezuma de La Barrera等人的标题为“Robotic Systems and Methods for Controlling a Tool Removing Materialfrom a Workpiece”的美国专利号10,117,713中公开了体现为用户挂件的这种遥控器RC，所述专利特此以引用方式并入本文。
在手动模式中，用户将工具20从其当前状态移动到目标状态，即，移动到目标位置、目标取向或目标姿势(位置和取向)可能是具有挑战性的。出于任何数量的原因，可能期望将工具20移动到特定目标状态，诸如将工具20放置在与铣削路径72的期望接近度内，以将工具20放置在适用于准备组织以接收植入物、将工具20与特定轨迹/平面对齐等的取向。当患者的解剖结构被软组织、流体等部分地阻挡在用户的视野之外时，将工具20移动到目标状态的困难会加剧。为此，可将系统10诸如以美国专利号9,119,655中描述的方式从手动模式切换到半自主模式，所述专利以引用方式并入本文。为了将工具20放置在目标状态，操纵器14自主地将工具20从当前状态移动到目标状态。
假设用户希望在朝向目标状态的移动期间维持与工具20的手动接触以实现对工具20的控制，则系统10也可在引导-触觉模式中操作。引导-触觉模式可用于帮助引导用户将工具20放置在目标状态(吸引)或引导用户远离目标状态(排斥)。在引导-触觉模式中，利用手动模式和半自主模式中使用的控制的方面。例如，仍由力/扭矩传感器S检测由用户施加的力和扭矩以确定外力Fext，所述外力Fext被馈送到虚拟模拟中以至少部分地影响工具20的整体移动。另外地，在引导-触觉模式中，系统10生成在虚拟约束力Fc中体现的虚拟吸引(或排斥)力和扭矩，所述虚拟约束力Fc与外力Fext一起被馈送到虚拟模拟中。虽然引导-触觉模式可用于保持用户远离目标状态(排斥触觉)，但下文描述的实例集中于使用引导-触觉模式将工具20朝向目标状态吸引(吸引触觉)。因此，下文现对于吸引触觉描述的任何软件、硬件、技术、方法和/或计算可完全适用于排斥触觉。
在虚拟模拟中可施加到虚拟刚性主体的虚拟吸引力和扭矩适于将工具20朝向目标状态吸引。虚拟吸引力和扭矩以最终向用户提供触觉反馈以向用户指示应如何移动工具20以到达目标状态的方式影响工具20的整体移动。更具体地，在虚拟模拟中，虚拟吸引力和/或扭矩可补充和/或抵消外力Fext(和/或其他力和扭矩)的力和/或扭矩的效应，使得工具20最终以向用户提供触觉交互效应的方式移动，所述触觉交互效应指示需要按其移动工具20以到达目标状态的方向/旋转。因此，引导-触觉模式依赖于手动操纵工具20来移动工具20，但是此类移动不是仅仅效仿基于由用户施加的力和扭矩将会发生的移动，而是经由虚拟吸引力和扭矩主动控制以引导用户朝向目标状态。因此，引导-触觉模式组合用户与工具20的直接接合和与工具20的自主移动相关联的益处。
在引导-触觉模式中，工具20有效地朝向目标状态被吸引以向用户提供触觉交互效应。这些效应可在一个或多个自由度上生成以将工具20朝向目标状态吸引。因此，目标状态可被限定成使得在仅一个自由度上吸引工具20，或可被限定成使得在多于一个自由度上吸引工具20。因此，目标状态可包括在目标坐标系TF(也称为目标框架TF)中限定的目标位置、目标取向或两者。如图10所示，目标位置可包括相对于目标坐标系TF的x、y和/或z轴的一个或多个位置分量，例如，目标x位置、目标y位置和/或目标z位置。在一些情况下，目标位置表示为目标坐标系TF的原点。目标取向可包括相对于目标坐标系TF的x、y和/或z轴的一个或多个取向分量，例如，目标x取向、目标y取向和/或目标z取向。在一些情况下，目标取向表示为目标坐标系TF的x、y和z轴的取向。目标姿势意指一个或多个位置分量和一个或多个取向分量的组合。在一些情况下，目标姿势可包括在目标坐标系TF的所有六个自由度上的目标位置和目标取向。在一些情况下，目标位置和/或目标取向也可称为起始位置和/或起始取向。
目标坐标系TF可以是在其中限定目标状态的任何坐标系，并且目标状态可变换到相对于工具20的目标状态监视工具20的当前状态所期望的任何其他坐标系。目标状态可在跟踪器坐标系、定位器坐标系LCLZ、操纵器坐标系MNPL、虚拟质量坐标系VM、TCP坐标系等中跟踪。目标状态可相对于患者的解剖模型AM来限定，并且在解剖模型坐标系、解剖结构跟踪器坐标系等中相对于患者的解剖结构可以是固定的。
工具20的当前状态可相对于被引导坐标系GF(也称为引导框架GF)来限定。被引导坐标系GF可绑定到另一坐标系，诸如虚拟质量坐标系VM，或当前状态可变换到任何其他坐标系以实现相对于目标状态对当前状态的跟踪。当前状态可在跟踪器坐标系、定位器坐标系LCLZ、操纵器坐标系MNPL、虚拟质量坐标系VM、TCP坐标系等中跟踪。在本文所述的一些版本中，工具20的当前状态最初由TCP坐标系限定(例如，为了便于说明，TCP坐标系和被引导坐标系GF被示出为是相同的)。被引导坐标系GF和目标坐标系TF都可变换为公共坐标系以用于跟踪目的。目标状态可在术前、术中或两者中限定。
III.引导约束
控制系统60采用被限定来产生在将工具20吸引到目标状态的虚拟模拟中采用的虚拟吸引力和扭矩的虚拟约束。这些虚拟约束在本文中称为引导约束。引导约束被限定来最终影响工具20朝向目标状态的移动，使得向用户提供上述触觉交互效应中的一个或多个。通常，虚拟约束是控制系统60连同其他运动相关信息一起考虑以确定如何命令操纵器14来移动工具20的对刚性主体的运动的限制。如下文进一步描述，引导约束具有可配置的弹簧和阻尼特性，使得引导约束不是无限刚性的。更具体地，在一些版本中，引导约束被限定为“软约束”，使得它们并不阻止违背它们的运动，诸如由用户在与目标状态相反的方向上施加的力和扭矩导致的运动。因此，在引导-触觉模式中，用户仍然能够违背引导约束而影响工具20进入与目标状态相反的方向中的运动，但引导约束仍然起作用来生成用户感觉到的反抗用户的吸引力和扭矩(触觉交互效应)，使得用户了解应沿着哪个方向移动工具20以到达目标状态。例如，用户可因为将工具20朝向目标状态移动与移动远离目标状态相比的容易度(即，用户可感觉到与将移动工具20朝向目标状态移动相比好像需要更多的功来将工具移动远离目标状态)而感觉到这些触觉交互效应。换句话讲，用户可感觉到好像物理弹簧将工具20的被引导坐标系GF与目标坐标系TF互连(参见图10中的弹簧和阻尼器的图示)。
一个或多个引导约束可由控制系统60用来引导用户，包括与目标位置相关联的多达三个引导约束和与目标取向相关联的多达三个引导约束。如下文更详细描述的，控制系统60操作来计算满足或试图满足引导约束(和其他虚拟约束，如果使用的话)的约束力Fc。约束力Fc在其中并入虚拟吸引力和扭矩以将工具20吸引到目标状态。引导约束中的每一个被视为一维虚拟约束。在一些版本中，引导约束是速度脉冲约束，其中根据期望约束参数计算力和/或扭矩以在虚拟模拟中将虚拟脉冲施加到对象，以引起对象的速度变化。在一些版本中，约束类似于在美国专利号9,119,655中描述的脉冲建模中使用的那些约束，所述专利以引用方式并入本文。在一些版本中，虚拟约束仅在引导-触觉模式中限定，而不在手动模式或半自主模式中限定。在一些版本中，虚拟约束在所有模式中使用。
在图10中，与目标位置相关联的三个引导约束GC被说明性地表示为在目标坐标系TF中限定，且它们的相应约束方向被限定为目标坐标系TF的x、y、z轴。任何约束的约束方向是约束可沿着其有效施加力的方向。约束方向也可在被引导坐标系GF中限定，或约束方向可使用与目标坐标系TF或被引导坐标系GF中的任一者的任何已知关系来限定。作为这三个引导约束GC的结果最终计算出的约束力Fc被例示为包括将工具20的TCP引导到目标位置(例如，目标坐标系TF的原点)的并入弹簧和阻尼特性的吸引力。这只是一个实例。约束力Fc可包括力和扭矩的分量，以便也使工具20与目标取向对齐。
引导约束(和其他虚拟约束，如果使用的话)中的每一个主要由三个运行时参数限定：约束雅可比矩阵Jp，其将在被引导坐标系GF处沿着每个一维引导约束的约束方向施加的力/速度映射到用于虚拟模拟的坐标系(例如，将沿着目标坐标系TF的分量施加的力/速度映射到虚拟质量坐标系VM)；期望速度Vdes(或Vp2)，其是将目标坐标系TF的速度(相对于静止参考系，诸如操纵器14的底座16处的操纵器坐标系MNPL)投影到约束方向上所得的标量速度，其中如果目标坐标系TF是经由对应解剖结构跟踪器相对于患者指定的，则期望速度在患者不动时可为零，或在患者移动时为非零；以及约束距离Δd，其是将被引导坐标系GF与目标坐标系TF之间的线性/角距离投影到约束方向上所得的标量距离。在一些情况下，Δd是指当前状态(由被引导坐标系GF指示)距目标状态(由目标坐标系TF指示)的距离/角度分量，并且在对于相关联自由度而言当前状态与目标状态不匹配的任何时候都违背引导约束。在图10中，表示出三个单独的引导约束GC，其中引导约束中的每一个具有特定约束方向，例如，目标坐标系TF的x、y和z轴。基于约束方向计算每个约束的对应约束雅可比矩阵Jp、期望速度Vdes和Δd。为简单起见，图10仅示出约束方向是沿着目标坐标系TF的z轴的引导约束GC(例如，z轴引导约束GC)的单个约束雅可比矩阵Jp、期望速度Vdes和Δd。因此，这里所示的Vdes和Δd是沿着目标坐标系TF的z方向施加的引导约束的那些值，但通常也将存在其他引导约束的Vdes和Δd的非零值(例如，x轴引导约束和y轴引导约束)，尽管并未表示出来。
引导约束不是无限刚性的，相反引导约束中的每一个具有调谐参数以调节虚拟约束的刚度，例如，通过将弹簧和阻尼参数并入约束中。此类参数可包括可计算以实现等效的弹簧/阻尼器行为的约束力混合参数(C)和误差减小参数(ε)。弹簧和阻尼参数可在引导-触觉模式中的操作期间进行调节。在一些版本中，可基于当前状态与目标状态之间的关系来改变调谐参数的值。例如，调谐参数可被配置来随着工具20变得更接近目标状态而增加刚度，或调谐参数可随着工具20逼近目标状态而降低刚度。对于不同的引导约束，调谐参数可不同。例如，引导约束可包括具有调谐参数的第一值的第一虚拟约束和具有调谐参数的第二值的第二虚拟约束，所述第一值不同于(例如，大于)所述第二值，使得与第二虚拟约束相比，由于第一虚拟约束，在约束力Fc中体现的所得虚拟吸引力和/或扭矩适于更强烈地吸引工具。对于位置约束，调谐参数的值对于位置约束可比对于取向约束更大(例如，更加刚性)，或反之亦然。
调谐参数也可被设定为：无论从当前状态到目标状态的距离/角度如何都保持恒定；随着距离呈指数上升/下降；随着当前状态与目标状态之间的距离线性变化；随着约束方向变化；效仿引力场的力/距离关系；等等。与一个自由度相关联的一个约束的调谐参数可基于与另一自由度相关联的关系来设定，例如，x轴约束的刚度可基于当前状态与目标状态之间沿着y轴的距离而改变。调谐参数也可根据工具20需要在其上移动以到达目标状态的方向而变化，例如，当在沿着x轴的一个方向上移动时比在沿着x轴的相反方向上移动时更加刚性。调谐参数也可根据基于引导约束最终计算的约束力Fc进行缩放，诸如通过根据约束力Fc或其任何分量的大小来增大/减小刚度。在一些情况下，也可将一个或多个虚拟吸引力的固定值添加到虚拟模拟中。
引导约束的调谐参数看可被设定成使得用户可容易地使工具20移动远离目标位置和/或目标取向。换句话讲，调谐参数可被设定成使得在虚拟模拟中，由用户施加的力和扭矩的影响可超过虚拟吸引力和扭矩的影响。因此，控制系统60可被配置来使得用户能够重新定位和/或重新定向工具20远离目标位置和/或目标取向，即使当启用引导约束时也是如此。引导约束的调谐参数可：术前设定；术中设定；术中更新；以及它们的组合。调谐参数和它们的值、它们与特定关系的相关性以及它们可进行缩放的方式可存储在控制系统60中的任何合适的存储器中的一个或多个查找表中以供稍后检索。
当用户将系统10切换到引导-触觉模式时，或当系统10自动将系统10切换到引导-触觉模式时，引导约束被激活。当然，引导约束可在其他模式中激活。另外地或替代地，用户可能够手动设定引导约束(例如，经由用户接口UI中的一个或多个改变引导约束的一个或多个参数、激活/去激活引导约束等)。用户为此可采用临床应用程序80。当正在进行某些手术步骤(例如，切割期望体积的组织等)时，或当系统10检测到或以其他方式识别到某些条件时(例如，系统10检测到用户难以在手动模式中放置工具20)时，也可触发引导约束。
每个引导约束还具有配置设置。配置设置可包括：关于调谐参数诸如约束力混合参数(C)和误差减小参数(ε)的信息，所述信息可直接指定，或经由据其计算出约束力混合参数(C)和误差减小参数(ε)的弹簧和阻尼器参数间接指定；上和/或下力极限；和/或上和下约束距离偏移。上和下力极限是指针对每个引导约束计算的力的极限，所述极限最终由约束求解器86求解以产生约束力Fc，如下文进一步描述。引导约束可以是双边约束(例如，为满足约束而计算出的力可以是正的或负的)，并且力极限可在正和负方向上设定为高(例如，-100,000/+100,000牛顿)或处于任何期望极限。上和下约束距离偏移指示约束何时是活动的。相对于引导约束，上和下约束距离偏移可被设定成使得在当前状态不同于目标状态的任何时候约束都是活动的。每个引导约束的另外配置设置可以是被引导坐标系GF的姿势(例如，相对于虚拟质量坐标系VM限定)和目标坐标系TF的姿势(例如，相对于解剖结构跟踪器限定)。被引导坐标系GF和目标坐标系TF的姿势分别用于计算当前状态和目标状态。
图11是在一些版本中实行以执行引导-触觉模式的过程的框图。在这些版本中，行为控制74包括路径处理程序82、引导处理程序84、约束求解器86和虚拟模拟器88。行为控制74还包括边界处理程序89以基于由边界生成器66生成的一个或多个虚拟边界71来生成虚拟边界约束。路径处理程序82、引导处理程序84、约束求解器86、虚拟模拟器88和边界处理程序89各自包括存储在以上提及的控制器中的任一个或多个的非暂时性存储器中并且由控制系统60实现的可执行软件。
引导处理程序84获得工具20的目标状态，并且基于工具20的目标状态和当前状态生成一个或多个引导约束。如先前所提及，目标状态(例如，位置、取向和/或速度)可指定为目标坐标系TF的目标位置、目标取向和/或目标速度，并且当前状态可指定为被引导坐标系GF的当前位置、当前取向和/或当前速度。如图11所示，进入引导处理程序84的两个输入包括当前状态和目标状态。当前状态可相对于最后命令姿势CP限定，因为最后命令姿势CP与工具20的当前姿势相关。命令姿势CP可被计算为例如虚拟质量坐标系VM或TCP坐标系相对于操纵器坐标系MNPL的姿势。目标状态可在解剖坐标系、解剖结构跟踪器坐标系等中限定，并且变换到具有当前状态的公共坐标系，诸如操纵器坐标系MNPL。进入引导处理程序84的其他输入包括引导约束的配置和调谐参数。引导处理程序84基于当前状态与目标状态之间的关系以及配置和调谐参数来限定一个或多个引导约束。引导约束从引导处理程序84输出到约束求解器86中。
可将各种虚拟约束馈送到约束求解器86中，这些约束包括引导约束、路径约束、边界约束和其他约束。这些约束可由控制系统60打开/关闭。例如，在一些情况下，可能不生成路径约束、边界约束以及其他约束。类似地，在一些情况下以及在某些操作模式中可能不生成引导约束。行为控制74中采用的所有虚拟约束都可影响工具20的移动。为了说明的目的，将仅详细描述引导约束。
约束求解器86基于馈送到约束求解器86中的虚拟约束来计算在虚拟模拟器88中要虚拟地施加到工具20的约束力Fc。在引导-触觉模式中，约束力Fc包括适于基于一个或多个引导约束将工具20从当前状态朝向目标状态吸引的力和/或扭矩分量。在仅将引导约束输入到约束解算器86中的情况下，约束力Fc可被视为上述虚拟吸引力。然而，当采用其他约束时，约束求解器86的最终任务是提供约束力Fc的满足或试图满足所有约束的解，并且因此其他约束也可影响约束力Fc的大小/方向。在那些情况下，虚拟吸引力和扭矩被视为约束力Fc的由于引导约束而朝向目标状态定向的那些力和扭矩分量。
参考图12所示的约束方程，约束求解器86将每个虚拟约束的约束数据以矩阵形式放置到约束方程的对应行中，以求解Fp。对于图10所示的实例，并且对于仅引导约束活动的情况，Fp是目标坐标系TF中的力矢量，即Fp的每个分量是在对应约束方向上作用的标量约束力。为了求解Fp，如下所述，将图12所示的方程转换成矩阵方程，其中每一行表示单个一维约束。将约束数据与约束求解器86已知的其他信息一起放置在约束方程中，所述其他信息诸如外力Fcgext、阻尼力F阻尼、惯性力F惯性、虚拟质量矩阵M、虚拟质量速度Vcg1和时间步Δt(例如，125微秒)。
虚拟质量矩阵M组合3x 3质量和惯性矩阵。阻尼力F阻尼和惯性力F惯性是虚拟模拟器88计算/已知的，并且是基于虚拟模拟器88在前一时间步中输出的虚拟质量速度Vcg1(例如，虚拟质量坐标系VM的速度)。虚拟质量速度Vcg1是包括线速度和角速度分量的6-DOF速度矢量。阻尼力F阻尼是根据虚拟质量速度Vcg1和阻尼系数矩阵(线性和旋转系数可能不相等)计算的6-DOF力/扭矩矢量。对虚拟质量施加阻尼以提高其稳定性和/或给予用户期望的感觉，例如，工具20如何对用户施加的力和扭矩作出响应。惯性力F惯性也是根据虚拟质量速度Vcg1和虚拟质量矩阵M计算的6-DOF力/扭矩矢量。阻尼力F阻尼和惯性力F惯性可以Bowling等人的美国专利号9,566,122中所描述的方式来确定，所述专利特此以引用方式并入本文。
约束求解器86可配置有任何合适的算法指令(例如，迭代约束求解器、投影高斯-赛德尔求解器等)以求解此约束方程组，以便提供满足方程组(例如，满足各种约束)的解。在一些情况下，可能不会同时满足所有约束。例如，在运动被各种约束过度约束的情况下，约束求解器86实质上将鉴于各种约束的相对刚度/阻尼来找到‘最佳拟合’解。约束求解器86求解方程组并且最终输出约束力Fp。
当采用投影高斯-赛德尔求解器时，约束求解器86基于约束来构造A和b矩阵，使用投影高斯-赛德尔求解方程组以确定所得力矢量Fp，取投影高斯-赛德尔的输出并且将其从约束坐标系变换到虚拟质量坐标系VM。例如，使用方程Fc＝Jp T Fp，其中Fc是约束力，力矢量Fp的分量被转换成施加到虚拟质量坐标系VM的等效力/扭矩矢量Fc。
使用投影高斯-赛德尔来求解多个约束的方程组的方法示出于例如Marijn Tamis和Giuseppe Maggiore的“Constraint based physics solver”,日期为2015年6月15日(v1.02)(其可在http://www.mft-spirit.nl/files/MTamis_ConstraintBasedPhysicsSolver.pdf下找到)或Marijn Tamis的“Comparison between Projected Gauss-Seidel andSequential Impulse Solvers for Real-Time Physics Simulations”,日期为2015年7月1日(v1.01)(其可在http://www.mft-spirit.nl/files/MTamis_PGS_SI_Comparison.pdf下找到)中，这两者特此通过引用方式以其全文并入本文。
投影高斯-赛德尔方法解决了线性互补问题(LCP)。由于一些约束类型(例如，单边约束，诸如边界约束)只能在一个方向上推动(施加力)，例如正约束力，因此出现与LCP相关联的不等式。如果针对这种约束的计算力在约束求解器86的给定迭代为负(或更广泛地，在其允许范围之外)，即无效的，则必须修剪给定约束(或另选地限制/封顶其上或下允许值)并且求解剩余约束，直到找到合适的结果(即，收敛)。以此方式，约束求解器86确定给定时间步的活动约束集，然后求解它们的值。其他约束类型可在正和负两个方向上施加力，例如，双边约束。此类约束包括用于引导用户将工具朝向目标状态移动的引导约束。此类双边约束在启用时在约束求解器86迭代期间通常是活动的并且不进行修剪/限制。
由约束求解器86计算的约束力Fc包括沿着x、y、z轴的三个力分量和关于x、y、z轴的三个扭矩分量。虚拟模拟器88在其虚拟模拟中利用约束力Fc以及外力Fcgext、阻尼力F阻尼和惯性力F惯性(所有这些都可包括六个力/扭矩分量)。在一些情况下，首先将这些力/扭矩分量变换到公共坐标系(例如，虚拟质量坐标系VM)，然后进行求和以限定总力FT。将所得6-DOF力(即，力和扭矩)施加到虚拟刚性主体，并且由虚拟模拟器88计算所得运动。虚拟模拟器88因此起作用来有效地模拟各种约束(所有这些约束都反映在总力FT中)如何影响虚拟刚性主体的运动。基于向虚拟刚性主体施加给定总力FT，虚拟模拟器88进行正向动力学以计算虚拟刚性主体的所得6-DOF姿势和速度。在一个实例中，虚拟模拟器88包括物理引擎，所述物理引擎是存储在先前提及的控制器21、26、36中的任一个或多个的非暂时性存储器中并且由控制系统60实施的可执行软件。
对于虚拟模拟，虚拟模拟器88将工具20建模为虚拟质量坐标系VM中的虚拟刚性主体，其中虚拟质量坐标系VM的原点通常位于虚拟刚性主体的质心处，并且坐标轴与虚拟刚性主体的主轴对齐。出于虚拟模拟的目的，虚拟刚性主体是动态对象，并且是工具20的刚性主体表示。根据虚拟模拟，虚拟刚性主体在笛卡尔空间中根据六个自由度(6-DOF)自由移动。虚拟模拟可在没有视觉或图形表示的情况下在计算上进行处理。因此，虚拟模拟不需要显示虚拟刚性主体的动力学。换句话讲，不需要在于处理单元上执行的图形应用程序内对虚拟刚性主体建模。虚拟刚性主体可仅针对虚拟模拟而存在。
虚拟刚性主体及其特性(质量、惯性矩阵、质心、主轴等)限定工具20将如何响应于所施加的力和扭矩(例如，来自总力FT，其并入由用户施加的力和扭矩以及吸引/排斥力和扭矩，以及由其他约束产生的其他力和扭矩(如果有的话))而移动。这支配工具20将感觉到重还是轻以及它将如何响应于所施加的力和扭矩而移动(例如，在平移和旋转中加速)。通过调节虚拟刚性主体的特性，控制系统60可调节用户对工具20的感觉。为了尽可能逼真的运动/感觉，可能期望将虚拟刚性主体的特性建模为合理地接近工具20的实际特性，但这不是必需的。出于控制稳定性原因(考虑到操纵器的有限加速度、控制延迟等)，可将虚拟质量和惯性建模为略高于物理工具20的虚拟质量和惯性。
虚拟刚性主体可对应于可在工具20之上或之内的部件。另外地或另选地，虚拟刚性主体可部分地延伸超出物理工具20。虚拟刚性主体可考虑具有能量施加器24的工具20或可考虑没有能量施加器24的工具20。此外，虚拟刚性主体可基于TCP。在一个实例中，虚拟刚性主体的质心被理解为在向虚拟刚性主体的另一点施加虚拟力并且虚拟刚性主体在其他方面不受约束(即，不受操纵器14约束)的情况下虚拟刚性主体将围绕其进行旋转的点。虚拟刚性主体的质心可与工具20的实际质心接近但不必相同。虚拟刚性主体的质心可根据经验来确定。一旦工具20附接到操纵器14，就可重置质心的位置以适应个体执业医生的偏好。
虚拟模拟器88通过以下方式有效地模拟工具20的刚性主体动力学：在虚拟模拟中在虚拟刚性主体上虚拟地施加力和/或扭矩，即，在虚拟质量坐标系VM中在虚拟刚性主体的质心上虚拟地施加来自总力FT的力和扭矩分量。因此，虚拟地施加到虚拟刚性主体的力/扭矩可包括与外力Fcgext(例如，其是基于来自一个或多个传感器的输入)、阻尼力F阻尼、惯性力F惯性相关联的力/扭矩、以及来自与各种约束相关联的约束力Fc的力/扭矩(由于体现在约束力Fc中)。
刚性主体雅可比矩阵可用于将速度和力从一个坐标系(参考框架)变换到同一虚拟刚性主体上的另一坐标系，并且在这里也可采用来将Fext的力和扭矩变换到虚拟质量坐标系VM(例如，以得到在约束方程中使用的Fcgext)。虚拟模拟器88接着在内部计算阻尼力F阻尼和惯性力F惯性以确定总力FT，并且还输出阻尼力F阻尼和惯性力F惯性以供约束求解器86在其在下一个时间步中的方程组中使用。
如图13和图14所示的虚拟正向动力学算法可在虚拟模拟中用于模拟虚拟刚性主体在其在施加总力FT时将移动时的运动。实际上，虚拟正向动力学算法在6-DOF中求解方程F＝ma(或a＝F/m)，并且对加速度进行积分以得到速度，所述速度接着用于确定新的姿势，如图14所示。控制系统60将虚拟力和/或扭矩(例如，总力FT)输入到虚拟模拟器88中，并且这些虚拟力和/或扭矩在虚拟模拟88中在虚拟刚性主体处于具有初始速度的初始姿势时被施加到虚拟刚性主体的质心(例如，CG)。响应于控制系统60满足所输入的虚拟力和/或扭矩，虚拟刚性主体在笛卡尔空间内被移动到具有不同状态(即，位置和/或取向)并且具有最终速度的最终姿势。要发送到运动控制76的下一个命令姿势CP是基于由虚拟模拟器88计算的最终姿势。因此，虚拟模拟器88操作以通过使用如图14所示的虚拟正向动力学模拟在虚拟刚性主体上施加总力FT的效应来确定下一个命令姿势CP。
在模拟中，可对虚拟刚性主体强加速度极限。在一些情况下，可将速度极限设定为高，使得它们通常不影响模拟，或可将它们设定为任何期望的值。在虚拟模拟的每次迭代开始时(例如，在每个时间步/间隔dt处)，虚拟刚性主体处于初始姿势(初始状态)并且具有初始速度。初始姿势和初始速度可被限定为由虚拟模拟器88在前一时间步中输出的最终姿势和最终速度。速度极限也可通过随着虚拟刚性主体的速度逼近和/或超出阈值而增大用于计算阻尼力F阻尼的阻尼系数来施加。
此后，虚拟模拟器88基于其虚拟模拟来计算和输出下一个命令姿势CP。控制系统60被配置来命令操纵器14基于命令姿势CP移动工具20，这理想地致使工具20以通过向用户提供引导用户将工具20放置在目标状态的触觉反馈来引导用户将工具20放置在目标状态的方式移动。因此，用户能够手动操纵工具20，同时控制系统60通过利用引导约束来协助引导工具移动。用户施加到工具20的力和扭矩仍然可影响工具20的整体移动，因为在运行虚拟模拟以确定命令姿势CP之前，外力Fext与约束力Fc相结合。在一些情况下(例如，时间步)，总力FT包括来自外力Fext的力和扭矩分量，所述分量的大小和方向足以克服约束力Fc的力和扭矩，使得工具20可移动远离目标状态。然而，如先前所提及，引导约束具有可配置的刚度和阻尼，在某些情形下，所述可配置的刚度和阻尼可被调谐以使得外力Fext的影响较小。
图15总结由行为控制74实行的各种步骤。这些包括由如上所述的约束求解器86和虚拟模拟器88进行的步骤。在步骤100中，基于从力/扭矩传感器S获取的读数来计算外力Fext。在步骤102中，将与各种虚拟约束相关联的约束数据从路径处理程序82、引导处理程序84、边界处理程序89和/或其他约束源馈送到约束求解器86中。
在步骤104-108中，由虚拟模拟器88实行刚性主体计算以确定虚拟刚性主体的逆质量矩阵M-1、惯性力F惯性和阻尼力F阻尼。在步骤110-114中，约束求解器86利用来自在步骤104-108中进行的刚性主体计算的输出以及在步骤102中提供的约束数据来进行先前描述的约束力计算以最终得到约束力Fc。在步骤116中，将约束力Fc与变换到虚拟质量坐标系VM的外力Fext(Fcgext)、阻尼力F阻尼和惯性力F惯性相加，以得到总力FT。在步骤118中，在由虚拟模拟器88进行的虚拟模拟中将总力FT施加到虚拟刚性主体，以在步骤120中确定虚拟刚性主体的新的姿势和速度，并且最终在步骤122中将新的姿势和速度变换到TCP。在步骤124中，由虚拟模拟器88输出新的命令姿势CP(TTCP)和速度(VTCP)。
IV.实施例
a.用于髋臼准备的引导
图16A至图16D例示引导-触觉模式的应用。在此实例中，控制系统60已激活引导-触觉模式和相关联引导约束以协助用户(参见用户手的表示)将工具20的TCP放置在位于患者的髋臼中心的目标位置以及适合于避免工具20与髋臼碰撞的目标取向。在六个自由度上采用引导约束来将用户朝向目标状态引导，即，将被引导坐标系GF的原点引导到目标坐标系TF的原点的沿着目标坐标系TF的x、y、z轴的三个位置约束，以及将被引导坐标系GF的x、y、z轴引导成与目标坐标系TF的x、y、z轴对齐的关于目标坐标系TF的x、y、z轴的三个取向约束。值得注意的是，图16A至图16D仅示出单个引导约束为沿着目标坐标系TF的z轴是活动的(例如，如由相关联Δd表示)并且目标坐标系TF的速度为零—从而导致约束力Fc直接沿着目标坐标系TF的z轴限定。然而，其他引导约束(沿着目标坐标系TF的x轴和y轴限定)通常也将是活动的，尽管未示出。
在一些情况下，关于z轴的取向引导约束可被去除或不活动，使得被引导坐标系GF的x、y轴可不被引导成与目标坐标系TF的x、y轴对齐，因为工具20可包括不需要关于z轴精确定向工具20的骨钻或其他能量施加器。在一些情况下，可仅使用一个、两个、三个或四个引导约束。也可使用多于六个引导约束，诸如当针对任何自由度限定多于一个引导约束时。出于说明目的，从图16A至图16D的进展示出被引导坐标系GF由于六个引导约束而在所有六个自由度上与目标坐标系TF对齐。
在从图16A至图16D的进展中，工具20的TCP被示出为朝向目标状态(在此情况下，朝向目标坐标系TF的原点)移动。在每个时间步，计算约束力Fc并且考虑引导约束，以有效地引导用户施加使工具20理想地朝向目标状态移动的力和扭矩。引导约束可以是动态的，因为它们的调谐参数在每个时间步被调节。例如，当前状态越靠近目标状态(例如，被引导坐标系GF越靠近目标坐标系TF—参见Δd)，引导约束可具有越强的弹簧和/或阻尼特性。因此，随着被引导坐标系GF逼近目标坐标系TF，约束力Fc(其可包括与更强的弹簧和/或阻尼特性相关的力和/或扭矩分量)可在大小上增大。
b.用于椎骨体准备的引导
图17和图18例示用于协助用户将工具20放置在目标状态的引导-触觉模式的另一实例。在此实例中，控制系统60已激活引导-触觉模式和相关联引导约束以协助用户将工具20(例如，骨钻25或钻)的TCP放置在相对于椎弓根螺钉的计划孔洞的目标位置以及将工具20与计划孔洞对齐的目标取向。在四个自由度上采用引导约束来将用户朝向目标状态引导，即，沿着目标坐标系TF的x、y轴的两个位置约束以及关于目标坐标系TF的x、y轴的两个取向约束。类似目标状态可用于多个平行轴孔。可采用另外的引导约束(例如，z轴位置约束)来帮助用户在针对计划孔洞生成的虚拟边界71的入口部分71a处定位和定向工具20，以降低工具20违背虚拟边界71的可能性。
在每个时间步，计算约束力Fc并且考虑引导约束，以有效地引导用户施加使工具20理想地朝向目标状态移动的力和扭矩。引导约束可以是动态的，因为它们的调谐参数在每个时间步被调节。例如，当前状态越靠近目标状态(例如，被引导坐标系GF在目标坐标系TF的z轴方向上越靠近目标坐标系TF—参见z距离)，引导约束可具有越大的刚度。因此，参考图18，约束力Fc可具有随着z距离大小(例如，距离的绝对值)的减小而在大小上增大的相对于x、y轴的力和扭矩分量。引导约束的调谐参数也可基于当前状态与目标状态之间的其他关系来调节，所述其他关系诸如当前状态与目标状态之间的x、y和/或z距离、当前状态与目标状态之间的x、y和/或z角度、或距离和角度的任何组合。在一些版本中，查找表可能够由控制系统60访问，所述查找表将调谐参数与x、y和/或z距离的大小和/或投影到某一平面等上和/或基于x、y和/或z角度的大小的x、y和/或z距离相关。在一些版本中，可调节调谐参数，使得约束力Fc具有基于x、y和/或z距离和/或x、y和/或z角度的符号(+/-)缩放或以其他方式调节的力和扭矩分量。例如，沿着z轴的引导约束的调谐参数可基于工具20的TCP是正在逼近目标坐标系TF(例如，工具20的TCP是正在逼近轴孔/钻孔，其中z轴位置为正)还是已经到达目标坐标系TF并且现在正在穿透超过目标坐标系TF(例如，工具20的TCP位于钉孔/钻孔以内，其中z轴位置为负)来调节。可能期望例如随着工具20的TCP逼近轴孔/钻孔(随着z距离从大的正值走向零)具有逐渐增大的刚度，然后随着用户移动到轴孔中(随着z距离从零走向愈发负的值)而继续维持最大刚度。另选地，对于一些情况，可能期望通过针对z距离的负值将引导约束中的一个或多个的刚度设定为零来有效地禁用所述一个或多个引导约束。
工具20在引导-触觉模式中的引导式对齐还可协助例如通过在孔的机加工之前或期间控制能量施加器(诸如骨钻25或钻头)的位置和取向来机加工用于某些植入物的轴孔。如先前所论述，各种约束的调谐参数可根据所需的灵活性而不同。例如，与工具20的取向相关联的引导约束可被调谐为比与工具20的TCP的位置关相联的引导约束相对更弱，使得用户能够经由由用户施加到工具20的力和扭矩来容易地更改工具20的取向，而与此同时(经由细微的触觉反馈)给予用户指示工具20的目标取向的指示。这可使用户在机加工轴孔时更容易避开某些解剖结构、牵开器等。
c.用于全膝植入物的股骨准备的引导
图19和图20例示用于协助用户将工具20放置(例如，利用锯片27)在目标状态的引导-触觉模式的另一实例。在此实例中，控制系统60已激活引导-触觉模式和相关联引导约束以协助用户将工具20的TCP放置在相对于用于全膝置换的期望切割平面73c定位的目标位置以及使工具20与期望切割平面73c对齐的目标取向。在此情况下，目标坐标系TF的原点从期望切割平面73c偏移刀片厚度的至少一半以将刀片厚度考虑在内。在三个自由度上采用三个引导约束来将用户朝向目标状态引导，即，沿着目标坐标系TF的y轴的一个位置约束以及关于目标坐标系TF的x、z轴的两个取向约束。可采用另外的引导约束(例如，z轴位置约束)来帮助引导用户在虚拟边界71的入口71a处定位和定向工具20，以降低工具20违背虚拟边界71的可能性。
在每个时间步，计算约束力Fc并且考虑引导约束，以有效地引导用户施加使工具20理想地朝向目标状态移动的力和扭矩。引导约束可以是动态的，因为它们的调谐参数在每个时间步被调节。例如，当前状态越靠近目标状态(例如，被引导坐标系GF在z轴方向上越靠近目标坐标系TF—基于z距离大小)，引导约束可具有越大的刚度。因此，参考图21，与引导约束的调谐参数相关联的刚度可随着z距离大小的减小而在大小上增大。在一些版本中，可调节调谐参数，使得约束力Fc具有基于z距离的符号(+/-)缩放或以其他方式调节的力和/或扭矩分量。例如，可基于工具20的TCP具有正还是负z轴位置来调节沿着z轴的引导约束的调谐参数。
将工具20与期望切割平面对齐协助用户沿着股骨和/或胫骨进行精确切割，从而例如为全膝植入物腾出空间。返回参考图9，引导约束可用于将工具20对齐到股骨可能需要的五个切割平面73a-73e中的每一个。引导约束可类似地在切割过程期间保持活动，使得连续地将用户朝向目标状态引导。这可用于降低用户向工具20施加虚拟地致使工具20违背虚拟边界71的力和扭矩的可能性。在一些版本中，目标坐标系TF可限定虚拟边界(例如，由xz平面限定的无限平面虚拟边界)。引导处理程序84最初将生成引导约束以将工具20拉到xz平面，然后引导处理程序84将通过生成引导约束以将工具20保持在xz平面上来有效地充当边界处理程序89。在此情况下，每个引导约束的刚度可随着工具20逼近xz平面而增大，以帮助将工具20保持在xz平面上。因此，引导约束也可被视为边界约束。利用平面虚拟边界，用户可控制切割的宽度和深度以避开软组织等，或可限定单独的虚拟边界来控制宽度和/或深度。
d.用于自主机加工的起始位置的引导
参考图22A至图22F，当将系统10准备好用于在半自主模式中操作时，引导-触觉模式也可用于引导用户。更具体地，引导-触觉模式可帮助引导用户将工具20移动到相对于工具路径TP(诸如所示的铣削路径72)的起始位置和/或起始取向。这可包括将用户引导到在铣削路径72上或与铣削路径72间隔开的起始位置。起始位置可位于铣削路径72之外的自由空间中，或位于铣削路径72上的自由空间中，使得能量施加器24可在接合任何组织之前通电以减少失速等。起始取向可以是存储在控制系统60中的优选取向。可限定引导约束以将工具20的TCP放置在起始位置(例如，沿着x、y、z轴的三个位置约束)和相对于两个自由度的起始取向(例如，关于x、y轴的两个取向约束)。
图22A例示工具20已经被放置在相对于目标坐标系TF限定的起始位置和起始取向，即，用户已经经由引导-触觉模式将工具20和被引导坐标系GF放置在由目标坐标系TF限定的起始位置和起始取向。如图22A所示，当半自主模式激活(或预先准备)时，控制系统60生成从起始位置到铣削路径72的起点的引入路径72a。如先前所指出，起始位置可与铣削路径72间隔开以使能量施加器24能够在接合任何组织之前通电。可由路径处理程序82生成的引入路径72a可限定自主工具路径节段(在一些情况下是线性的)以将工具20引导至铣削路径72的起点，使得能量施加器在能量施加器24已经上电之后接合组织。控制系统60接着指示操纵器14移动工具20，使得工具20的TCP沿循引入路径72a。当激活半自主模式时，工具控制器21可同时向能量施加器24供应能量，使得在能量施加器24自主地沿着引入路径72a移动时能量施加器24是活动的，例如，骨钻25可在用于移除材料的期望速度下旋转。在一些版本中，可不采用引入路径72a。在一些情况下，起始位置位于铣削路径72的起点处，但铣削路径72的起点位于自由空间中以使得能量施加器24能够在接合任何组织之前通电。
图22B和图22C例示控制系统60在半自主模式中操作以将工具20的TCP沿着铣削路径72移动以从股骨移除材料，从而为股骨干植入物腾出空间。参考图22C，当控制系统60在半自主模式中操作并且用户指示控制系统60切换到手动模式(或某一其他模式)时，或当控制系统60自动切换到手动模式(或某一其他模式)时，控制系统60记录铣削路径72上的工具20在切换之前在半自主模式中所占据的最后已知位置/点KP。
图22D例示用户已经致使例如在手动模式中将工具20的TCP沿着撤回路径72b移动(拉动)远离最后已知位置/点KP。控制系统60可存储工具20的在手动模式中沿着撤回路径72b计算的每个命令姿势CP。此后，如下文进一步描述的，可使用撤回路径72b来帮助引导用户回到最后已知位置/点KP。
参考图22E，在半自主模式中的机加工期间，控制系统60可跟踪工具20的进展，以便确定在用户已如图22D所示将工具20移动远离铣削路径72之后如何帮助引导用户返回半自主模式中的机加工。例如，控制系统60可根据机加工的进展来确定工具20要被引导到的新起始位置(也称为重启位置SP)。如图22E所示，重启位置SP被限定为新目标坐标系TF的原点。重启位置SP也可从沿着重启路径72c限定的多个可能的重启位置IN中选择。重启路径72c可基于虚拟边界71的形状。在一些情况下，重启路径72c相对于虚拟边界71居中限定并且从虚拟边界71的入口部分71a延伸到虚拟边界71的管部分71b的远侧尖端。重启路径72c也可基于撤回路径72b，并且可与撤回路径72b相同。
重启位置SP可如图所示或基于工具20在被移出铣削路径72之前在铣削路径72上的最后已知位置/点KP从多个其他可能的重启位置IN中选择。如先前所描述，控制系统60确定在工具20移出工具20所遍历的铣削路径72之前在铣削路径72上的最后已知位置/点KP，并且将最后已知位置/点KP存储在存储器中以用于稍后检索。重启位置SP可由控制系统60计算为重启路径72c上最靠近最后已知位置/点KP的点。在一些版本中，在找到重启路径72c上的最靠近点之后，可将重启位置SP(以及目标坐标系TF的后续设置)沿着重启路径72c朝向重启路径72c的起点以固定距离(例如，0.1英寸、0.5英寸、1.0英寸等)设定，以确保重启位置SP未被覆盖或部分覆盖在组织中。
控制系统60还可限定和存储沿着重启路径72c的多个可能的重启位置，随着铣削的进展，当每个位置被工具20虚拟地暴露时，即，当工具20已经移除占据与重启位置相同的虚拟空间时，或当工具20已经以至少预定深度虚拟地暴露可能的重启位置(例如，至少0.1英寸、0.5英寸、1.0英寸等的自由空间在所有方向上包围可能的重启位置)时，所述多个可能的重启位置被激活。随着工具20进一步进展到要从目标部位移除的材料的体积中，越来越深的重启位置被暴露。因此，活动重启位置变为已经被暴露并且最靠近工具20的TCP在铣削路径72上的最后已知位置/点KP的重启位置。参见例如图22E中从其他非活动重启位置IN中选择的重启位置SP。
如图22E和图22F所示，一旦确定重启位置SP，就可激活引导-触觉模式以引导用户将工具20放置在重启位置SP处。如先前所描述，这可包括利用在目标坐标系TF的x、y、z轴中限定的位置约束来引导用户。
在一些版本中，可采用引导-触觉模式通过沿着重启路径72c以增量施加引导约束来引导用户沿循重启路径72c，直到到达活动重启位置SP。这些增量可被限定为沿着重启路径72c的、在高于活动重启位置SP的其他暴露的不活动重启位置IN中的每一个不活动重启位置处的相等增量。因此，用户被引导追踪重启路径72c以避免工具20的TCP与解剖结构碰撞。取向约束也可以相同、更少或不同刚度沿着重启路径72c施加。
一旦用户已经被引导到距重启位置SP的预限定阈值距离内，控制系统60就能够生成从工具20的TCP的当前位置(基于最后命令姿势CP)到最后已知位置/点KP的引入路径。引入路径的生成可响应于用户切换到半自主模式，或响应于控制系统60自动切换到半自主模式。接着用户可操作系统10以在半自主模式中自主地将工具20沿着引入路径移动到最后已知位置/点KP。因此，当切换回半自主模式时，控制系统60可返回到最后已知位置/点KP以从半自主模式停止的地方开始。换句话讲，一旦工具20位于重启位置SP处或在其预限定阈值距离内，则半自主操作可自动开始或遵循用户提示和选择，并且接着可生成引入路径以返回到最后已知位置/点KP。当激活半自主模式时，工具控制器21可同时向能量施加器24供应能量，使得能量施加器24在能量施加器24自主地沿着引入路径移动时是活动的。
重启取向也可与重启位置SP一起限定。可能需要重启取向以提高机加工效率、改进对最后已知位置/点KP的接近，以及通常协助用户理解如何最好地定向工具20，特别是对于要机加工的组织的可见度有限的情况。例如，取决于骨钻出屑槽几何形状、切割方向、常规/顺铣途径等，骨钻通常考虑骨钻轴与骨骼(或其他组织)之间的具体角度被设计来实现优化的切割性能。在许多情况下，可能期望避免利用骨钻进行端部切割(甚至是部分端部切割)，这可通过确保相对于骨骼的合适起始取向以及任选地在连续铣削期间进一步维持所述取向来避免。作为另一实例，参考图22F，如果没有提供取向引导约束以关于工具20的取向引导用户，则用户可能以工具20的轴可与虚拟边界71和/或与未移除的骨骼碰撞的方式来定向工具20(参见工具20的隐藏线)。在一些情况下，仅监视工具20的TCP与虚拟边界71的碰撞，而不监视工具20的轴。因此，在那些情况下，取向引导约束可帮助保持工具20的轴远离虚拟边界71和/或未移除的骨骼。优选工具取向可用作在将工具20移动到重启位置SP(现在有效地被视为重启姿势，以将取向考虑在内)时帮助引导用户的重启取向。重启取向可在目标坐标系TF中的一个或多个旋转自由度中限定。在这种情况下，可选择目标坐标系TF的一个或多个轴以给出被引导坐标系GF的期望取向。因此，引导-触觉模式可协助用户将工具20的TCP引导到重启姿势SP。如上所述，位置和取向约束可具有不同刚度/阻尼调谐参数以给出期望的用户交互和感觉。随着工具20逼近重启姿势SP(例如，随着与重启位置/取向的距离/角度减小)，也可如先前所述缩放调谐参数以增大虚拟吸引力和扭矩。
返回参考图22B和图22C，当控制系统60在半自主模式中操作操纵器14时，控制系统60可采用取向调整器，所述取向调整器在工具20沿着铣削路径72移动时维持工具20的优选取向。优选取向可以是与位置信息一起包括作为铣削路径72的一部分的路径限定的取向，例如，优选取向可针对铣削路径72的每个节段或沿着铣削路径72的一系列节段给出，并且优选取向可在工具20遍历铣削路径72时自动更新。优选取向可以是一个或多个离散取向或一系列取向，并且可由虚拟枢轴和孔径引导件限定。这种取向调整器及其操作在2015年6月15日提交的标题为“Robotic System and Method for Reorienting a SurgicalInstrument Moving Along a Tool Path”的美国专利号9,681,920中有详细描述，所述专利特此以引用方式并入本文。工具20的用户接口UI上的输入装置(例如，按钮、手势控件、触摸传感器、脚踏板等)可由用户致动以在工具20在半自主模式中沿着铣削路径72的自主移动期间根据需要重新定向工具20。当致动输入装置时，取向调整器暂时禁用并且用户能够根据需要重新定向工具20，例如，以避开软组织或牵开器、提高可见度或出于某一其他原因。更具体地，操纵器14可操作来在工具20(例如，TCP)保持在铣削路径72上时响应于用户施加到工具20的用户力和扭矩来重新定向工具20。当释放输入装置时，取向调整器被重置以将工具20的取向保持在用户设定的新取向。沿着铣削路径72的自主机加工期间的优选取向可体现在由路径处理程序82生成的取向约束(例如，控制/调整取向的路径约束)中。当用户致动输入装置以重新定向工具20时，此类取向约束将暂时禁用，但与位置相关联的由路径处理程序82生成的路径约束将保持启用以将工具20的TCP保持在铣削路径72上。当在用户重新定向到工具20之后释放输入装置时，取向约束重新启用以将工具20保持在新的用户限定的取向。
在一些情况下，可能期望用户在用户已重新定向工具20之后返回到优选取向。例如，用户可最初重新定向工具20以避开软组织或牵开器，但一旦工具20已越过这种障碍物，用户就可能希望返回到可提供更有效的铣削、可见度等的优选取向。因此，引导-触觉模式可与半自主模式分开或结合采用来引导用户将工具20移动到优选取向。在此情况下，当按下输入装置以重新定向工具20时，可启用在一个、两个或三个旋转自由度上包括目标取向的目标状态。引导处理程序84获得目标取向(例如，优选取向)，并且引导处理程序84接着基于目标取向(优选取向)和当前取向来生成一个或多个引导约束。约束求解器86接着基于一个或多个引导约束来计算适于将工具20从当前取向朝向目标取向吸引的约束力Fc。约束力Fc因此具有以下力和/或扭矩分量，所述力和/或扭矩分量施加细微虚拟吸引，以如先前所述通过向用户提供引导用户将工具20放置在优选取向的触觉反馈来引导用户恢复优选取向。实际上，在此实施方案中，输入装置用于在两组不同的约束之间切换，即，在：(1)维持优选取向的由取向调整器提供的取向约束(例如，由路径处理程序82生成的取向约束，或甚至在一些情况下引导约束)；与(2)作用来向用户提供指示优选取向的触觉反馈的引导约束之间切换。当致动(例如，按压)输入装置时，上述引导约束被启用以向用户建议优选取向，并且由取向调整器提供的取向约束被禁用。当释放输入装置时，由取向调整器提供的取向约束被启用以维持优选取向，并且引导约束被禁用。在一些情况下，由取向调整器提供的取向约束(在刚度/阻尼方面)比提供来指示优选取向的引导约束更强。
与将用户引导到优选取向相关联的虚拟吸引力和扭矩可被用户施加到工具20的力和扭矩克服，以允许用户将工具20重新定向远离优选取向。然而，虚拟吸引力和扭矩强到足以向用户给出触觉反馈以向用户指示如何移动工具20以返回优选取向。一旦释放输入装置，引导约束和相关联虚拟吸引力和扭矩就被禁用，并且随着半自主模式的继续，取向调整器接着再次接管以控制工具20的取向。可使用其他取向对齐方法向用户建议优选取向。虚拟吸引(或排斥)力也可用于返回(或避免)某些取向，诸如当从一种操作模式过渡到另一种操作模式时，例如，当从手动模式或从另一种模式返回到半自主操作模式时。
e.使用对齐点的引导对齐
图23例示诸如当工具20包括锯片27时实行来执行引导-触觉模式的过程。在此版本中，行为控制74包括引导处理程序84、约束求解器86和虚拟模拟器88。行为控制74还包括边界处理程序89以基于由边界生成器66生成的一个或多个虚拟边界71来生成虚拟边界约束。引导处理程序84、约束求解器86、虚拟模拟器88和边界处理程序89各自包括存储在以上提及的控制器中的任一个或多个的非暂时性存储器中并且由控制系统60实施的可执行软件。路径生成器68和路径处理程序82在图23中不存在，但也可用于指导锯片27的自主移动。
在此版本中，工具20的当前状态由一组或多组对齐点APi诸如AP1、AP2表示，其中每一组包括多个点AP1、AP2。在一些情况下，可存在多于两组对齐点。工具20的目标状态由工具20的一个或多个目标平面TP1、TP2表示。如在先前所描述的版本中，引导处理程序84基于当前状态和目标状态的相对位置，即，基于多个对齐点AP1、AP2和一个或多个目标平面TP1、TP2的相对位置，来生成一个或多个引导约束。因此，如图23所示，进入引导处理程序84的一个输入包括多个对齐点AP1、AP2，所述多个对齐点AP1、AP2通常在TCP坐标系中预先限定和固定(参见图24至图27)。对齐点AP1、AP2的位置可以是基于存储在存取器中的工具的序列号或型号等。进入引导处理程序84的另一输入包括目标平面TP1、TP2。下面关于锯片对齐描述的对齐概念仅仅是一个实例，因为此对齐方法可用于其他用途。目标平面TP1、TP2包括：第一目标平面TP1，其与期望切割平面73c相关联(第一目标平面TP1可从期望切割平面73c偏移以将刀片厚度考虑在内)；以及第二目标平面TP2，其沿着要在期望切割平面73c上对股骨做出的平面切口PC的近似中心线与第一目标平面TP1正交设置(参见图26)。当特定手术程序(诸如全膝程序)需要多个平面切口时，对于不同切割平面73a-73e(参见图9)，目标平面TP1、TP2不同。
如图24至图27所示，六个对齐点AP1、AP2可用于将锯片27对齐到目标平面TP1、TP2。三个第一对齐点AP1用于将锯片27对齐到第一目标平面TP1，如图24和图25所示，并且三个第二对齐点AP2用于将锯片27对齐到第二目标平面TP2，如图26和图27所示。对齐点AP1、AP2可围绕以TCP为中心限定的圆彼此以120度增量设置。第一对齐点AP1限定在锯片27的x,z平面中，并且第二对齐点AP2限定在锯片27的y,z平面中。锯片27的y,z平面大体上垂直于锯片27并且沿着锯片27的中心线设置。在一些版本中，可仅采用三个对齐点AP1来将锯片27与仅第一目标平面TP1对齐。对齐点AP1、AP2可相对于TCP坐标系限定，因为它们与工具20、例如与锯片27相关联。最后命令姿势CP与工具20的当前姿势相关，并且给出TCP坐标系相对于操纵器坐标系MNPL的姿势和/或给出虚拟质量坐标系VM相对于操纵器坐标系MNPL的姿势。因此，对齐点AP1、AP2中的每一个的当前位置相对于操纵器坐标系MNPL是已知的，并且可变换到任何其他坐标系。
一维引导约束在目标平面TP1、TP2处限定，以按与如上所述相同的方式将对齐点AP1、AP2吸引到它们的相应目标平面TP1、TP2。更具体地，在每个时间步，引导处理程序84基于从每个对齐点AP1、AP2到其对应目标平面TP1、TP2的法向量来确定法向点NPi诸如法向点NP1、NP2在相应目标平面TP1、TP2中的位置，然后生成沿着这些法向量的引导约束。在所示的实施方案中，生成六个引导约束，包括用于涉及对齐点AP1和法向点NP1的交互的三个约束以及用于涉及对齐点AP2和法向点NP2的交互的三个约束。针对每个引导约束计算约束方向、约束雅可比矩阵Jp、期望速度Vdes和约束距离Δd。例如，约束方向是APi与NPi之间的法向量。期望速度Vdes是解剖结构速度(例如，基于相关联解剖结构跟踪器速度的骨骼速度)沿着约束方向投影的分量。约束距离Δd是APi与NPi之间沿着此约束方向投影的距离。约束雅可比矩阵Jp是将在APi处沿着约束方向施加的1-dof速度/力(就好像它牢牢附接到工具20)映射到其在虚拟质量坐标系VM处的等效6-dof效应的约束雅可比矩阵。
约束求解器86基于一个或多个引导约束来计算适于将锯片27朝向一个或多个目标平面TP1、TP2吸引的约束力Fc。约束力Fc因此包括基于在每个对齐点AP1、AP2处施加的引导约束的虚拟吸引力。每个虚拟吸引力的大小和方向是基于对应法向点NP1、NP2和对齐点AP1、AP2的相对位置。应当注意，法向点NP1、NP2总是在每个时间步在目标平面TP1、TP2上重新计算的，即，它们基于锯片27的移动而移动。在一些情况下，可引入相对于解剖结构固定的目标坐标系TF，并且如先前所论述，可使用z距离或z距离大小改变弹簧和/或阻尼参数，使得锯片27越靠近解剖结构，用户被越强烈地引导来与期望切割平面对齐。一旦锯片27在限定虚拟切割引导槽的虚拟边界71内，就可禁用引导约束或以其他方式改变它们的参数。在一些情况下，诸如当虚拟边界71是目标平面TP1时，可使用于与对齐点AP1相关联的引导约束的弹簧和/或阻尼参数变刚性，并且可禁用与对齐点AP2相关联的引导约束，以允许用户在目标平面TP1中自由地左右移动锯片27，同时将锯片27保持在目标平面TP1上。
f.启用/禁用引导约束
参考图28，用户可能够启用/禁用与要相对于患者的解剖结构产生的多个不同特征相关联的各种引导约束和/或虚拟边界71。此类特征包括例如平面切口、所切除体积、骨钻孔/钻孔等。可经由工具20、操纵器14、导航系统32等上的用户接口UI来进行与不同特征相关联的引导约束和/或虚拟边界71的启用/禁用。例如，用户可从全膝程序中需要的可能的六个平面切口(股骨上的5个平面切口和胫骨上的1个平面切口)中选择要做出的特定平面切口。通过例如经由用户接口UI中的一个选择切口中的一个，控制系统60可启用相关联引导约束和相关联虚拟边界71，同时禁用与其他平面切口相关联的引导约束和虚拟边界71。工具20的不同目标状态(例如，位置、取向和/或速度)与每个特征相关联，使得根据用户选择哪个特征，将需要生成不同引导约束来引导用户将工具20移动到相应目标状态。对特征中的一个特征的选择也可由控制系统60基于工具20距特征的目标状态的接近度(例如，工具20的当前状态与目标状态之间的距离和/或角度差)来进行。对特征中的一个的选择也可由控制系统60基于工具20距与不同特征相关联的多个虚拟边界71(例如，与从股骨切割体积相关联的虚拟边界对比与从骨盆切割体积相关联的虚拟边界)的接近度来进行。选择可自动进行，或可在用户确认之后进行，并且可在手动模式、自由模式、选择模式等中进行。
如图28所示，工具20被定位成使得工具20的TCP最靠近前倒角切割平面。控制系统60可测量TCP(当前状态)到在公共坐标系中限定平面切口(例如，特征)的切割平面(目标状态)中的每一个的最近距离，以选择要进行的特定平面切割并且因此相应地控制(即，启用/禁用)引导约束和/或虚拟边界71。还可比较来自限定锯片27的平面的法向量和每个切割平面的法向量的点积，以进一步相较于切割平面中的每一个确定用户的选择，例如，理解锯片27的姿势。最大的点积揭示最低的角度，并且可相应地做出选择，例如，最低的角度进一步指示用户意图接下来在此切割平面处进行切割，因为锯片27与所述切割平面最紧密地对齐。显示器38可向用户提供视觉反馈以指示正在选择哪个切割平面。例如，显示器38可显示在视觉上突出显示所选择切割平面/切口的选择屏幕。为了选择下一个切割平面/切口，用户可将工具20从当前切割平面移走并且重复选择过程。
还设想选择特征及其相关联切割平面、切割轴线等以及启用相关联引导约束和/或相关联虚拟边界71的其他方法。例如，在一些版本中，控制系统60可简单地测量限定锯片27的平面与切割平面中的每一个之间的角度，并且基于形成最小角度(大小)的切割平面来选择要做出的平面切口。在此情况下，TCP的xz平面限定锯片27的平面(参见图24)，并且控制系统60测量xz平面(当前状态)与切割平面(目标状态)中的每一个之间的角度以找到最小大小角度(例如，它们的法向量的最大点积)。这可类似地进行以选择要产生的骨钻孔/钻孔，即，通过确定由骨钻或钻杆限定的轴线和与骨钻孔/钻孔相关联的多个切割轴线之间的角度并且找到最小大小角度来进行。
当两个或更多个切割平面具有几乎相同的法向量(诸如前切割平面和后切割平面)，即，由于锯片27与平面切口的相关联切割平面之间的测量角度在彼此的阈值(例如，5度、10度等)内而存在多个候选平面切口时，则从工具20的TCP到每个候选切割平面的距离将帮助确定选择哪个平面切口。一旦选择并执行平面切割，就可将此平面切割排除作为下一次选择的候选。因此，剩下用于下一次选择的候选的数量将减少，因此可能避免用于下一次选择的多个候选。
在另一种方法中，控制系统60不是评估从工具20的TCP到每个切割平面的距离，而是从工具20的TCP向前投射射线(例如，沿着图24中的z轴)并且选择沿着所述射线从工具20的TCP向前距工具20的TCP固定距离(例如，0.5英寸、1.0英寸、2.0英寸等)的投影点(类似于图24所示的中心线对齐点AP1)。控制系统60接着基于此投影点与每个切割平面之间的距离来选择活动平面切口。投影点有效地弄清用户指向或朝向哪个切割平面，而不是哪个平面最靠近。在一些情况下，投影点的虚拟表示可与锯片27的虚拟表示一起显示在显示器中的一个或多个上。
在另一种方法中，用户对工具20的移动可经由用户接口UI中的任一个作为输入装置用于选择期望平面切口(或用于其他选择)。在此情况下，例如，锯片27的xz平面的角度变化(例如，相对于解剖结构、底座16等)将作用来滚动在显示器中的一个或多个上示出的平面切口中的每一个的列表(例如，顺序地一次一个地)，同时显示当前选择的平面切口。例如，正角度变化使光标或其他虚拟选择器在列表中向上移动，并且负角度变化使光标或其他虚拟选择器在列表中向下移动。接着可致动工具20上的输入装置或其他输入装置以做出最终选择。
也可使用相同或类似方法来：(i)从需要组织移除的多个孔中选择下一次要切割的孔(例如，骨钻孔/钻孔)；(ii)从需要组织移除的多个骨骼中选择下一次要机加工的骨骼：(iii)从多个虚拟边界中选择要在给定骨骼上启用的虚拟边界；(iv)它们的组合等。这些方法可基于工具20的移动、患者解剖结构位置(例如，相对于工具20)以及预期工作流程的合理假设来做出此类选择。此外，本文所述的任何选择方法可以任何合适的方式组合/加权。
对于本文所述的任何选择方法，一旦识别用于选择的最终候选(例如，平面切口、孔、骨骼、虚拟边界等)，就可基于接受标准内的角度和/或距离进行最终接受检查。例如，如果平面切口的最终候选具有在15度接受角度内(在锯片27的平面xz与切割平面之间)的相关联切割平面，则激活所述切割平面(例如，启用用于所述平面切口的任一个或多个相关联引导约束和/或虚拟边界71)。如果不满足接受标准，则不选择最终候选。另选地或另外地，可围绕患者的解剖结构诸如围绕患者的膝盖(没有槽)启用保护性虚拟边界71(例如，球形或其他形状)，以防止用户接触骨骼，直到选择满足接受标准的特征为止。另外，工作流信息可用于在应用本文所述的任何选择方法之前进一步减少候选。例如，工具20可能够以一种或多种配置操作，其中某些配置指示用户的选择。例如，可将锯片27及其xz平面翻转180度以进行某些切割而对于其他切割则不翻转。因此，根据用户放置工具20的配置(例如，翻转或不翻转)，在控制系统60做出最终选择之前，可相应地有效缩减候选平面切口和相关联切割平面。另外地，在一些情况下，可移除已经完成的平面切口(或其他特征)以免作为候选和/或对其应用减小的加权因子(或严格的标准)以降低它们再次被选择的可能性。
在一些版本中，当使用诸如上述那些的选择方法时，可围绕解剖结构(例如，膝盖)限定选择区域(例如，球形区域，或其他形状的区域或体积)以促进选择、选择改变等。例如，选择区域可由相对于膝盖中心定位的具有预定半径(例如，具有5.0、6.0、7.0英寸半径等)的球体来限定。当工具20的TCP在选择区域之外超过预限定时间量(例如，大于0、1、2、3秒等)时，控制系统60可进入选择模式，在所述选择模式中，禁用与最后选择的特征相关联的任何引导约束和/或虚拟边界71(尽管可启用保护性虚拟边界)并且采用选择方法(诸如上述那些方法中的任一种或其组合)以做出新选择(例如，选择要产生的新特征)。在选择模式中，在一个或多个用户接口UI上向用户显示选择。例如，对于全膝程序，显示器中的一个或多个显示膝盖的侧视图(矢状)，以允许各种平面切口的更好可视化。一旦在选择模式中做出选择，并且响应于用户将工具20的TCP移动到选择区域中(例如，朝向膝盖)，就启用用于选择的引导约束和/或虚拟边界。通常，控制系统60接着将更新显示器中的一个或多个以显示最适合于选择(例如，最适合于所选择的平面切口)的具体可视化/取向。当在选择区域内时，选择有效地被冻结并保持启用，直到用户再次将工具20的TCP移动到选择区域之外以重复选择过程。这有助于用户避免在处于选择区域内时无意中做出新选择。
引导-触觉模式也可以各种其他方式采用。例如，引导-触觉模式可在从其他操作模式过渡到半自主模式以使工具20的TCP回到工具路径TP时帮助引导用户。引导-触觉模式还可在从半自主模式过渡到某一其他模式诸如手动模式时协助用户将工具20移出工具路径TP。引导-触觉模式可用于对齐钻头和/或用于螺钉、锚固件或其他紧固件的丝锥。引导-触觉模式可用于将冲击器与用于冲击髋臼杯植入物的期望轨迹对齐，以将髋臼杯植入物安置准备好的髋臼中。引导-触觉模式可用于对齐用于安置其他类型植入物的工具。引导-触觉模式可用于对齐/引导用于放置克氏针、套管、套管针、牵开器等的工具。
可采用遥控器RC来在操纵器14的各种操作模式之间切换。也可采用诸如各种用户接口UI上的其他输入装置来切换/激活操纵器14的各种操作模式。例如，工具20的UI可具有输入装置(按钮、触摸传感器、手势输入、脚踏板等)，所述输入装置可被致动以激活一个或多个引导约束，使得约束力Fc包括与将工具朝向目标状态吸引相关联的力和扭矩分量。控制系统60可被配置来在某些情形中自动切换模式。例如，如果控制系统60最初(即，在切换到引导-触觉模式之前)在半自主模式中操作操纵器14，那么一旦用户关闭引导-触觉模式，控制系统60就可自动重启半自主模式。控制系统60还可在自动以半自主模式继续之前首先提示用户(诸如通过在显示器38中的一个或多个上提供可选择提示)以半自主模式继续。用户可选择以手动模式、引导-触觉模式、半自主模式等继续。
在一些情况下，用户可在工具20上施加合适大小和方向的力，从而指示结束以引导-触觉模式操作的期望，诸如通过在与目标状态相反的方向上施加力。在此情况下，当这种力在与目标状态相反的方向上超出预限定阈值时，控制系统60可自动切换回手动模式或自由模式。
工具20相对于目标状态、铣削路径72和/或相对于手术部位的当前状态可由导航系统32输出并且经由工具20、目标状态、虚拟边界71、铣削路径72和/或手术部位的图形表示在显示器38上表示，所述手术部位例如股骨F、胫骨T、骨盆PEL、椎骨体或其他解剖结构。这些图形表示可实时更新，使得用户能够可视化他们在引导-触觉模式中相对于目标状态、虚拟边界71、铣削路径72、解剖结构等的移动。例如，工具20和解剖结构的图形表示可随着操纵器14对工具20的实际移动和解剖结构的实际移动而在显示器38上实时移动。
本文所述的引导-触觉模式可在各种类型的手术系统中采用。例如，操纵器可包括远距操纵的机械臂，所述远距操纵的机械臂经由相对于远距操纵的机械臂远程定位以控制远距操纵的机械臂的用户接口来控制。用户接口可包括单独的操纵器，诸如由用户手动操纵的6-DOF控制单元，例如，具有活动关节以向用户提供触觉反馈的单独的操纵器。提供给用户接口的此触觉反馈可利用吸引/排斥力和扭矩来基于引导约束的生成等将被引导坐标系GF对齐到目标坐标系TF。
对于本文阐述的所有实例，边界约束可设定为具有比引导约束显著更高的刚度，以最小化工具20超过虚拟边界71的穿透。
本文所述的用于将工具20吸引到目标状态的原理也可采用来从目标状态排斥工具20。这可通过在相反方向上施加引导约束以向用户指示需要如何移动工具20以远离目标状态来实现。
本申请与2019年3月8日提交的美国临时专利申请号62/815,739有关，所述临时专利申请的公开内容特此以引用方式以其全文并入本文。
前述描述中已经论述若干实施方案。然而，本文所论述的实施方案并不意图是详尽的或将本发明局限于任何特定形式。已经使用的术语意图具有描述性而非限制性字词的本质。鉴于以上教义，许多修改和变化是可能的，并且本发明可以具体所描述之外的其他方式来实践。
上述系统、方法和/或技术的任何方面或实施方式可参考以下条款中的任一条进行描述：
条款
C1.一种用于进行手术的手持式操纵器系统，所述手持式操纵器系统包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的目标状态并且基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束，所述一个或多个虚拟约束包括引导约束；约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力；以及虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述约束力的输入在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学并且输出命令姿势，所述控制系统被配置来命令所述手持式操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片并且将所述锯片放置在所述目标状态。
C2.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述目标状态包括目标位置、目标取向或目标姿势，并且所述当前状态包括当前位置、当前取向或当前姿势。
C3.如条款C2所述的手持式操纵器系统，其中所述一个或多个虚拟约束包括与所述目标位置相关联的多达三个虚拟约束和与所述目标取向相关联的多达三个虚拟约束。
C4.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述目标状态包括目标坐标系并且所述锯片包括被引导坐标系，所述约束力适于将所述被引导坐标系朝向所述目标坐标系吸引。
C5.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的差相对于一个或多个自由度计算所述一个或多个虚拟约束。
C6.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述控制系统包括用户接口，所述用户接口用于激活所述一个或多个虚拟约束，使得所述约束力包括与将所述锯片朝向所述目标状态吸引相关联的力和扭矩分量。
C7.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来计算所述一个或多个虚拟约束。
C8.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述一个或多个虚拟约束中的每一个具有调谐参数的值，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来改变所述调谐参数的所述值。
C9.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述一个或多个虚拟约束包括具有调谐参数的第一值的第一虚拟约束和具有所述调谐参数的第二值的第二虚拟约束，所述第一值不同于所述第二值，使得与所述第二虚拟约束相比，由于所述第一虚拟约束，所得约束力适于更强烈地移动所述锯片。
C10.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述虚拟模拟器被配置来通过以下方式来模拟所述锯片的动力学：将所述锯片表示为具有虚拟质量的虚拟刚性主体，并且在所述虚拟模拟中将所述约束力施加到所述虚拟质量以得到所述命令姿势。
C11.如条款C1所述的手持式操纵器系统，其中所述控制系统被配置来：计算施加到所述手持式机器人锯的外力；并且基于所述约束力和所述外力来计算用于在所述虚拟模拟中使用的总力。
C12.一种手持式操纵器系统，其包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的多个对齐点和一个或多个目标平面并且基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述一个或多个目标平面移动的约束力；以及虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述约束力的输入在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学并且输出命令姿势，所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片以将所述锯片放置在所述一个或多个目标平面。
C13.一种控制手持式操纵器的锯片的方法，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片，所述方法包括以下步骤：获得所述锯片的目标状态；基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力；基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学；基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片以将所述锯片放置在所述目标状态。
C14.如条款C13所述的方法，其中所述目标状态包括目标位置、目标取向或目标姿势，并且所述当前状态包括当前位置、当前取向或当前姿势。
C15.如条款C14所述的方法，其中所述一个或多个虚拟约束包括与所述目标位置相关联的多达三个虚拟约束和与所述目标取向相关联的多达三个虚拟约束。
C16.如条款C13所述的方法，其中所述目标状态包括目标坐标系并且所述锯片包括被引导坐标系，所述约束力适于将所述被引导坐标系朝向所述目标坐标系移动。
C17.如条款C13所述的方法，其包括：基于所述当前状态与所述目标状态之间的差相对于一个或多个自由度计算所述一个或多个虚拟约束。
C18.如条款C13所述的方法，其包括：激活所述一个或多个虚拟约束，使得所述约束力包括与将所述锯片朝向所述目标状态移动相关联的力和扭矩分量。
C19.如条款C13所述的方法，其包括：基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来计算所述一个或多个虚拟约束。
C20.如条款C13所述的方法，其包括：基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来改变所述一个或多个虚拟约束的调谐参数的值。
C21.如条款C13所述的方法，其包括：将所述一个或多个虚拟约束的第一虚拟约束的调谐参数设定为第一值并且将所述一个或多个虚拟约束的第二虚拟约束的所述调谐参数设定为第二值，所述第一值不同于所述第二值，使得与所述第二虚拟约束相比，由于所述第一虚拟约束，所得约束力适于更强烈地移动所述锯片。
C22.如条款C13所述的方法，其包括通过以下方式来模拟所述锯片的动力学：将所述锯片表示为具有虚拟质量的虚拟刚性主体，并且在所述虚拟模拟中将所述约束力施加到所述虚拟质量以得到所述命令姿势。
C23.如条款C13所述的方法，其包括：计算外力；以及基于所述约束力和所述外力来计算用于在所述虚拟模拟中使用的总力。
C24.如条款C14所述的方法，其包括：限定所述一个或多个虚拟约束中的三个虚拟约束以将所述锯片朝向期望切割平面移动。
C25.一种引导由手持式操纵器支撑的锯片的方法，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片，所述操纵器支撑和移动所述锯片，所述方法包括以下步骤：获得所述锯片的多个对齐点和一个或多个目标平面；基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述一个或多个目标平面移动的约束力；基于来自所述约束力的输入在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学；基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片以将所述锯片放置在所述一个或多个目标平面。
C26.一种控制手持式操纵器的锯片的移动以产生多个特征的方法，其中所述多个特征中的每一个具有所述锯片的不同目标状态，所述方法包括以下步骤：在已知坐标系中相对于所述锯片针对所述多个特征的所述目标状态确定所述锯片的当前状态以确定正选择所述多个特征中的哪个特征来产生；基于所选择的特征从多个引导约束中为所述手持式操纵器启用一个或多个引导约束；以及基于所述一个或多个引导约束控制所述锯片的移动，其中所述一个或多个引导约束起作用来将所述锯片放置在针对所选择的特征的所述目标状态。
C27.如条款C26所述的方法，其中启用所述一个或多个引导约束包括：基于与所选择的特征相关联的所述目标状态并且基于所述锯片的所述当前状态来生成所述一个或多个引导约束，并且其中基于所述一个或多个引导约束控制所述锯片的移动包括：基于所述一个或多个引导约束计算适于将所述锯片从所述当前状态朝向所述目标状态移动的约束力；至少部分地基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学；基于所述虚拟模拟输出命令姿势；以及命令所述手持式操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片以将所述锯片放置在所述目标状态。
C28.如条款C26所述的方法，其中在所述已知坐标系中相对于所述锯片针对所述多个特征的所述目标状态确定所述锯片的所述当前状态包括：在所述已知坐标系中确定由锯片限定的平面相对于多个切割平面的位置
C29.如条款C28所述的方法，其中在所述已知坐标系中相对于所述锯片针对所述多个特征的所述目标状态确定所述锯片的当前状态包括：确定所述锯片的当前取向与所述锯片的多个目标取向之间的角度，确定所述锯片的当前位置与所述锯片的多个目标位置之间的距离，或确定所述角度和所述距离两者；以及基于所述角度的值、所述距离的值、或所述角度的所述值和所述距离的所述值两者来确定所述多个特征中由所选择的特征。
C30.如条款C26所述的方法，其包括：基于所选择的特征为所述锯片启用一个或多个虚拟边界。
C31.如条款C30所述的方法，其包括：相对于所述多个特征限定选择区域，其中与所选择的特征相关联的所述一个或多个虚拟边界和所述一个或多个引导约束在所述锯片位于所述选择区域内时被启用以产生所选择的特征，并且在所述锯片移动到所述选择区域之外时被禁用，使得能够产生新特征。
C32.一种用于进行手术的手持式操纵器系统，所述手持式操纵器系统包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的目标状态并且基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；以及约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力，其中所述锯片的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以将所述锯片放置在所述目标状态。
C33.一种用于进行手术的手持式操纵器系统，所述手持式操纵器系统包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的多个对齐点和一个或多个目标平面并且基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；以及约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述一个或多个目标平面移动的约束力，其中所述锯片的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以将所述锯片放置在所述一个或多个目标平面。
C34.一种引导手持式操纵器的锯片的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述锯片的目标状态；基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力；以及基于所述约束力控制所述锯片的移动以将所述锯片放置在所述目标状态。
C35.一种引导由手持式操纵器支撑的锯片的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述锯片的多个对齐点和一个或多个目标平面；基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述锯片朝向所述一个或多个目标平面移动的约束力；以及基于所述约束力控制所述锯片的移动以将所述锯片放置在所述一个或多个目标平面。
C36.一种用于进行手术的手持式操纵器系统，所述手持式操纵器系统包括：手持式操纵器，所述手持式操纵器包括由用户徒手握持的底座部分和可相对于所述底座部分移动的工具尖端，所述工具尖端包括矢状锯片；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述工具尖端的移动，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述锯片的目标状态并且基于所述目标状态和所述锯片的当前状态来生成一个或多个虚拟约束，所述一个或多个虚拟约束包括引导约束，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来计算引导约束，其中所述引导约束具有调谐参数的值，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来改变所述调谐参数的所述值；约束求解器，所述约束求解器用于基于所述引导约束计算适于将所述锯片朝向所述目标状态移动的约束力；以及虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述约束力的输入在虚拟模拟中模拟所述锯片的动力学并且输出命令姿势，所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述锯片并且将所述锯片放置在所述目标状态。
C37.一种手术系统，其包括：工具；操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具；一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于提供传感器输入信号；以及控制系统，所述控制系统包括：引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力；以及虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的所述传感器输入信号和所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势，所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，并由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。

Claims (85)

1.一种手术系统，其包括：
工具；
操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具；
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于测量施加到所述工具的力和扭矩；以及
控制系统，所述控制系统包括：
引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；
约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力；以及
虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的输入以及所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势，
所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，并且由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。
2.如权利要求1所述的手术系统，其中所述目标状态包括目标位置、目标取向或目标姿势，并且所述当前状态包括当前位置、当前取向或当前姿势。
3.如权利要求2所述的手术系统，其中所述一个或多个虚拟约束包括与所述目标位置相关联的多达三个虚拟约束和与所述目标取向相关联的多达三个虚拟约束。
4.如权利要求2所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来使得所述用户能够背离所述目标取向重新定向所述工具。
5.如权利要求2所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来使得所述用户能够背离所述目标位置重新定位所述工具。
6.如权利要求1所述的手术系统，其中所述目标状态包括目标坐标系并且所述工具包括被引导坐标系，所述约束力适于将所述被引导坐标系朝向所述目标坐标系吸引。
7.如权利要求1所述的手术系统，其中所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的差相对于一个或多个自由度计算所述一个或多个虚拟约束。
8.如权利要求1所述的手术系统，其中所述控制系统包括用户接口，所述用户接口用于激活所述一个或多个虚拟约束，使得所述约束力包括与将所述工具朝向所述目标状态吸引相关联的力和扭矩分量。
9.如权利要求1所述的手术系统，其中所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来计算所述一个或多个虚拟约束。
10.如权利要求1所述的手术系统，其中所述一个或多个虚拟约束中的每一个具有调谐参数的值，所述引导处理程序被配置来基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来改变所述调谐参数的所述值。
11.如权利要求1所述的手术系统，其中所述一个或多个虚拟约束包括具有调谐参数的第一值的第一虚拟约束和具有所述调谐参数的第二值的第二虚拟约束，所述第一值不同于所述第二值，使得与所述第二虚拟约束相比，由于所述第一虚拟约束，所计算约束力适于更强烈地吸引或排斥所述工具。
12.如权利要求1所述的手术系统，其中所述虚拟模拟器被配置来通过以下方式来模拟所述工具的动力学：将所述工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚性主体，并且在所述虚拟模拟中将所述约束力施加到所述虚拟质量以得到所述命令姿势。
13.如权利要求1所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来：
基于来自所述一个或多个传感器的输入计算外力；并且
基于所述约束力和所述外力计算用于在所述虚拟模拟中使用的总力，其中所述外力能够具有大小和方向足以克服所述约束力的力分量。
14.如权利要求1所述的手术系统，其中所述工具包括骨钻或钻，并且所述一个或多个虚拟约束包括限定来将所述骨钻或所述钻朝向期望取向吸引的两个虚拟约束。
15.如权利要求1所述的手术系统，其中所述工具包括骨钻，并且所述一个或多个虚拟约束包括限定来将所述骨钻朝向期望起始位置吸引的三个虚拟约束。
16.如权利要求1所述的手术系统，其中所述工具包括锯片，并且所述一个或多个虚拟约束包括限定来将所述锯片朝向期望切割平面吸引的三个虚拟约束。
17.一种手术系统，其包括：
工具；
操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且移动所述工具，所述操纵器能够在第一模式中操作，在所述第一模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具；并且所述操纵器能够在第二模式中操作，在所述第二模式中所述操纵器响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具；
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于测量施加到所述工具的力和扭矩；以及
控制系统，所述控制系统包括：
引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；
约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力；以及
虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的输入以及所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势，
其中所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
18.如权利要求17所述的手术系统，其中所述目标状态包括起始位置、起始取向或起始姿势，并且所述当前状态包括当前位置、当前取向或当前姿势。
19.如权利要求18所述的手术系统，其中所述一个或多个虚拟约束包括与所述起始位置相关联的多达三个虚拟约束和与所述起始取向相关联的多达三个虚拟约束。
20.如权利要求18所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来使得所述用户能够背离所述起始取向重新定向所述工具。
21.如权利要求18所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来使得所述用户能够背离所述起始位置重新定位所述工具。
22.如权利要求18所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来从多个可能的起始位置中选择所述起始位置。
23.如权利要求22所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来基于所述工具在移出所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知位置从所述多个可能的起始位置中选择所述起始位置。
24.如权利要求22所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来将所述起始位置限定为沿着重启路径的重启位置。
25.如权利要求24所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来：
确定在所述工具被移出所述工具所遍历的所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知点；并且
基于所述最后已知点计算所述重启路径上的所述重启位置。
26.如权利要求25所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来基于所述工具在移出所述工具所遍历的所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知位置来计算所述工具路径上的所述最后已知点。
27.如权利要求25所述的手术系统，其中所述控制系统被配置来：
计算从所述重启位置到所述最后已知点的引入路径；并且在所述第一模式中沿着从所述重启位置到所述最后已知点的所述引入路径来移动所述工具。
28.如权利要求27所述的手术系统，其中所述工具包括能量施加器并且所述控制系统包括工具控制器，所述工具控制器用于在所述能量施加器在所述第一模式中沿着所述引入路径移动时向所述能量施加器供应能量。
29.如权利要求17所述的手术系统，其中所述目标状态包括重启路径上的重启位置，其中所述重启路径是基于虚拟边界的形状。
30.如权利要求17所述的手术系统，其中所述目标状态包括重启路径上的重启位置，其中所述重启路径是基于撤回路径限定的，当将所述工具移出所述工具路径时所述用户使所述工具沿着所述撤回路径移动。
31.如权利要求17所述的手术系统，其中所述目标状态包括从沿着重启路径限定的多个可能的重启位置中选择的重启位置，所述控制系统被配置来基于所述工具相对于所述多个可能的重启位置取得的切割进展来选择所述重启位置。
32.如权利要求17所述的手术系统，其中所述第一模式包括半自主模式并且所述第二模式包括引导-触觉模式。
33.一种手术系统，其包括：
工具；
操纵器，所述操纵器能够在半自主模式中操作，在所述半自主模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具，所述操纵器进一步能够操作来在所述工具保持在所述工具路径上的同时响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来重新定向所述工具；
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于测量施加到所述工具的力和扭矩；以及
控制系统，所述控制系统包括：
引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的优选取向并且基于所述优选取向和所述工具的当前取向来生成一个或多个虚拟约束；
约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前取向朝向所述优选取向吸引的约束力；以及
虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的输入以及所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势，
其中所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述优选取向的触觉反馈。
34.一种手术系统，其包括：
工具；
操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具；
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于测量施加到所述工具的力和扭矩；以及
控制系统，所述控制系统包括：
引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的多个对齐点和一个或多个目标平面，并且基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；
约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具朝向所述一个或多个目标平面吸引的约束力；以及
虚拟模拟器，所述虚拟模拟器用于基于来自所述一个或多个传感器的输入以及所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学，并且输出命令姿势，
所述控制系统被配置来命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述一个或多个目标平面的触觉反馈。
35.一种引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法，所述操纵器支撑所述工具并且响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具，所述方法包括以下步骤：
接收来自一个或多个传感器的输入，所述一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩；
获得所述工具的目标状态；
基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；
基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力；
基于来自所述一个或多个传感器的所述输入以及所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学；
基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及
命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述目标状态包括目标位置、目标取向或目标姿势，并且所述当前状态包括当前位置、当前取向或当前姿势。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述一个或多个虚拟约束包括与所述目标位置相关联的多达三个虚拟约束和与所述目标取向相关联的多达三个虚拟约束。
38.如权利要求36所述的方法，其包括：使得所述用户能够背离所述目标取向重新定向所述工具。
39.如权利要求36所述的方法，其包括：使得所述用户能够背离所述目标位置重新定位所述工具。
40.如权利要求35所述的方法，其中所述目标状态包括目标坐标系并且所述工具包括被引导坐标系，所述约束力适于将所述被引导坐标系朝向所述目标坐标系吸引。
41.如权利要求35所述的方法，其包括：基于所述当前状态与所述目标状态之间的差相对于一个或多个自由度计算所述一个或多个虚拟约束。
42.如权利要求35所述的方法，其包括：激活所述一个或多个虚拟约束，使得所述约束力包括与将所述工具朝向所述目标状态吸引相关联的力和扭矩分量。
43.如权利要求35所述的方法，其包括：基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来计算所述一个或多个虚拟约束。
44.如权利要求35所述的方法，其包括：基于所述当前状态与所述目标状态之间的关系来改变所述一个或多个虚拟约束的调谐参数的值。
45.如权利要求35所述的方法，其包括：将所述一个或多个虚拟约束的第一虚拟约束的调谐参数设定为第一值并且将所述一个或多个虚拟约束的第二虚拟约束的所述调谐参数设定为第二值，所述第一值不同于所述第二值，使得与所述第二虚拟约束相比，由于所述第一虚拟约束，所计算约束力适于更强烈地吸引或排斥所述工具。
46.如权利要求35所述的方法，其包括通过以下方式来模拟所述工具的动力学：将所述工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚性主体，并且在所述虚拟模拟中将所述约束力施加到所述虚拟质量以得到所述命令姿势。
47.如权利要求35所述的方法，其包括：
基于来自所述一个或多个传感器的所述输入计算外力；以及
基于所述约束力和所述外力计算用于在所述虚拟模拟中使用的总力，其中所述外力能够具有大小和方向足以克服所述约束力的力分量。
48.如权利要求35所述的方法，其包括：限定所述一个或多个虚拟约束中的两个虚拟约束以将所述工具朝向期望取向吸引，其中所述工具包括骨钻或钻。
49.如权利要求35所述的方法，其包括：限定所述一个或多个虚拟约束中的三个虚拟约束以将所述工具朝向期望起始位置吸引，其中所述工具包括骨钻。
50.如权利要求35所述的方法，其包括：限定所述一个或多个虚拟约束中的三个虚拟约束以将所述工具朝向期望切割平面吸引，其中所述工具包括锯片。
51.一种引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法，所述操纵器能够在第一模式中操作，在所述第一模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具；并且所述操纵器能够在第二模式中操作，在所述第二模式中所述操纵器响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具，所述方法包括以下步骤：
接收来自一个或多个传感器的输入，所述一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩；
获得所述工具的目标状态；
基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；
基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力；
基于来自所述一个或多个传感器的所述输入以及所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学；
基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及
命令所述操纵器在所述第二模式中基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
52.如权利要求51所述的方法，其中所述目标状态包括起始位置、起始取向或起始姿势，并且所述当前状态包括当前位置、当前取向或当前姿势。
53.如权利要求52所述的方法，其中所述一个或多个虚拟约束包括与所述起始位置相关联的多达三个虚拟约束和与所述起始取向相关联的多达三个虚拟约束。
54.如权利要求52所述的方法，其包括：使得所述用户能够背离所述起始取向重新定向所述工具。
55.如权利要求52所述的方法，其包括：使得所述用户能够背离所述起始位置重新定位所述工具。
56.如权利要求52所述的方法，其包括：从多个可能的起始位置中选择所述起始位置。
57.如权利要求56所述的方法，其包括：基于所述工具在移出所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知位置从所述多个可能的起始位置中选择所述起始位置。
58.如权利要求56所述的方法，其包括：将所述起始位置限定为沿着重启路径的重启位置。
59.如权利要求58所述的方法，其包括：
确定在所述工具被移出所述工具所遍历的所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知点；以及
基于所述最后已知点计算所述重启路径上的所述重启位置。
60.如权利要求59所述的方法，其包括：基于所述工具在移出所述工具所遍历的所述工具路径之前在所述工具路径上的最后已知位置来计算所述工具路径上的所述最后已知点。
61.如权利要求59所述的方法，其包括：
计算从所述重启位置到所述最后已知点的引入路径；以及
在所述第一模式中沿着从所述重启位置到所述最后已知点的所述引入路径来移动所述工具。
62.如权利要求61所述的方法，当所述工具的能量施加器在所述第一模式中沿着所述引入路径移动时，向所述能量施加器供应能量。
63.如权利要求51所述的方法，其包括：基于虚拟边界的形状来限定重启路径，其中所述目标状态包括所述重启路径上的重启位置。
64.如权利要求51所述的方法，其包括：基于撤回路径来限定重启路径，所述用户在将所述工具移出所述工具路径时使所述工具沿着所述撤回路径移动，其中所述目标状态包括所述重启路径上的重启位置。
65.如权利要求17所述的手术系统，其包括：基于所述工具相对于沿着重启路径限定的多个可能的重启位置取得的切割进展从所述多个可能的重启位置中选择重启位置，其中所述目标状态包括所述重启位置。
66.如权利要求51所述的方法，其中所述第一模式包括半自主模式并且所述第二模式包括引导-触觉模式。
67.一种引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法，所述操纵器能够在半自主模式中操作，在所述半自主模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具，并且所述操纵器能够操作来在所述工具保持在所述工具路径上的同时响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来重新定向所述工具，所述方法包括以下步骤：
接收来自一个或多个传感器的输入，所述一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩；
获得所述工具的优选取向；
基于所述优选取向和所述工具的当前取向来生成一个或多个虚拟约束；
基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具从所述当前取向朝向所述优选取向吸引的约束力；
基于来自所述一个或多个传感器的所述输入以及所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学；
基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及
命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述优选取向的触觉反馈。
68.一种引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法，所述操纵器支撑所述工具并且响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩来移动所述工具，所述方法包括以下步骤：
接收来自一个或多个传感器的输入，所述一个或多个传感器测量施加到所述工具的力和扭矩；
获得所述工具的多个对齐点和一个或多个目标平面；
基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；
基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述一个或多个目标平面吸引的约束力；
基于来自所述一个或多个传感器的所述输入以及所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学；
基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及
命令所述操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述一个或多个目标平面的触觉反馈。
69.一种控制工具的移动以产生多个特征的方法，其中所述多个特征中的每一个具有所述工具的不同目标状态，所述方法包括以下步骤：
在已知坐标系中相对于所述工具针对所述多个特征的所述目标状态确定所述工具的当前状态，以确定用户正选择所述多个特征中的哪个特征来产生；
基于由所述用户选择的所述特征从多个引导约束中启用一个或多个引导约束；以及
基于所述一个或多个引导约束控制所述工具的移动，其中所述一个或多个引导约束起作用来向所述用户生成触觉反馈，使得所述用户了解如何相对于与由所述用户选择的所述特征相关联的所述目标状态移动所述工具。
70.如权利要求69所述的方法，其中启用所述一个或多个引导约束包括：基于与由所述用户选择的所述特征相关联的所述目标状态并且基于所述工具的所述当前状态来生成所述一个或多个引导约束，并且其中基于所述一个或多个引导约束控制所述工具的移动包括：
基于所述一个或多个引导约束计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力；
至少部分地基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学；
基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及
命令操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
71.如权利要求69所述的方法，其中启用所述一个或多个引导约束包括：基于与由所述用户选择的所述特征相关联的所述目标状态并且基于所述工具的所述当前状态来生成所述一个或多个引导约束，并且其中基于所述一个或多个引导约束控制所述工具的移动包括：
基于所述一个或多个引导约束计算适于将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力；
至少部分地基于所述约束力来在虚拟模拟中模拟所述工具的动力学；
基于所述虚拟模拟来输出命令姿势；以及
命令操纵器基于所述命令姿势来移动所述工具，以由此向所述用户提供引导所述用户将所述工具背离所述目标状态放置的触觉反馈。
72.如权利要求69所述的方法，其中在所述已知坐标系中相对于所述工具针对所述多个特征的所述目标状态确定所述工具的所述当前状态包括：在所述已知坐标系中确定由锯片限定的平面相对于多个切割平面的位置。
73.如权利要求69所述的方法，其中在所述已知坐标系中相对于所述工具针对所述多个特征的所述目标状态确定所述工具的所述当前状态包括：确定由骨钻或钻杆限定的轴线相对于多个切割轴线的位置。
74.如权利要求69所述的方法，其中在所述已知坐标系中相对于所述工具针对所述多个特征的所述目标状态确定所述工具的当前状态包括：确定所述工具的当前取向与所述工具的多个目标取向之间的角度，确定所述工具的当前位置与所述工具的多个目标位置之间的距离，或确定所述角度和所述距离两者；以及基于所述角度的值、所述距离的值、或所述角度的所述值和所述距离的所述值两者来确定所述多个特征中由所述用户选择的所述特征。
75.如权利要求69所述的方法，其包括：基于由所述用户选择的所述特征为所述工具启用一个或多个虚拟边界。
76.如权利要求75所述的方法，其包括：相对于所述多个特征限定选择区域，其中与由所述用户选择的所述特征相关联的所述一个或多个虚拟边界和所述一个或多个引导约束在所述工具位于所述选择区域内时被启用以产生由所述用户选择的所述特征，并且在所述工具移动到所述选择区域之外时被禁用，使得所述用户能够选择要产生的新特征。
77.一种控制工具的移动以产生多个特征的方法，其中所述多个特征中的每一个具有所述工具的不同虚拟边界，所述方法包括以下步骤：
在已知坐标系中相对于针对所述多个特征的所述虚拟边界确定所述工具的当前状态，以确定用户正选择所述多个特征中的哪个特征来产生；
基于由所述用户选择的所述特征从多个引导约束中启用一个或多个引导约束；
基于由所述用户选择的所述特征从多个边界约束中启用一个或多个边界约束；以及
基于所述一个或多个引导约束和所述一个或多个边界约束来控制所述工具的移动，其中所述一个或多个引导约束和所述一个或多个边界约束起作用来向所述用户生成触觉反馈，以协助产生由所述用户选择的所述特征。
78.一种手术系统，其包括：
工具；
操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且移动所述工具；以及
控制系统，所述控制系统包括：
引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；以及
约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力，
其中所述工具的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以提供引导用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。
79.一种手术系统，其包括：
工具；
操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且移动所述工具，所述操纵器能够在第一模式中操作，在所述第一模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具；并且所述操纵器能够在第二模式中操作，在所述第二模式中由用户向所述工具施加力和扭矩以移动所述工具；以及
控制系统，所述控制系统包括：
引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的目标状态并且基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；以及
约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力，
其中所述工具的移动由所述操纵器在所述第二模式中基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
80.一种手术系统，其包括：
工具；
操纵器，所述操纵器能够在半自主模式中操作，在所述半自主模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具，所述工具能够在所述工具保持在所述工具路径上的同时响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩而移动；以及
控制系统，所述控制系统包括：
引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的优选取向并且基于所述优选取向和所述工具的当前取向来生成一个或多个虚拟约束；以及
约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具从所述当前取向朝向所述优选取向吸引的约束力，
其中所述工具的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述优选取向的触觉反馈。
81.一种手术系统，其包括：
工具；
操纵器，所述操纵器用于支撑所述工具并且移动所述工具；以及
控制系统，所述控制系统包括：
引导处理程序，所述引导处理程序用于获得所述工具的多个对齐点和一个或多个目标平面，并且基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；以及
约束求解器，所述约束求解器用于基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具朝向所述一个或多个目标平面吸引的约束力，
其中所述工具的移动由所述操纵器基于所述约束力控制，以提供引导用户将所述工具放置在所述一个或多个目标平面的触觉反馈。
82.一种引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法，所述方法包括以下步骤：
获得所述工具的目标状态；
基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；
基于所述一个或多个虚拟约束来计算适于将所述工具朝向所述目标状态吸引或将所述工具排斥远离所述目标状态的约束力；以及
基于所述约束力控制所述工具的移动以提供引导用户将所述工具放置在所述目标状态或背离所述目标状态放置的触觉反馈。
83.一种引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法，所述操纵器能够在第一模式中操作，在所述第一模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具；并且所述操纵器能够在第二模式中操作，在所述第二模式中所述工具响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩而移动，所述方法包括以下步骤：
获得所述工具的目标状态；
基于所述目标状态和所述工具的当前状态来生成一个或多个虚拟约束；
基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具从所述当前状态朝向所述目标状态吸引的约束力；以及
在所述第二模式中基于所述约束力控制所述工具的移动以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述目标状态的触觉反馈。
84.一种引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法，所述操纵器能够在半自主模式中操作，在所述半自主模式中所述操纵器沿着工具路径移动所述工具，并且所述工具能够在所述工具保持在所述工具路径上的同时响应于用户施加到所述工具的用户力和扭矩而移动以重新定向所述工具，所述方法包括以下步骤：
获得所述工具的优选取向；
基于所述优选取向和所述工具的当前取向来生成一个或多个虚拟约束；
基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具从所述当前取向朝向所述优选取向吸引的约束力；以及
基于所述约束力控制所述工具的移动以向所述用户提供引导所述用户将所述工具放置在所述优选取向的触觉反馈。
85.一种引导由手术系统的操纵器支撑的工具的方法，所述方法包括以下步骤：
获得所述工具的多个对齐点和一个或多个目标平面；
基于所述多个对齐点和所述一个或多个目标平面的相对位置来生成一个或多个虚拟约束；
基于所述一个或多个虚拟约束计算适于将所述工具朝向所述一个或多个目标平面吸引的约束力；以及
基于所述约束力控制所述工具的移动以提供引导用户将所述工具放置在所述一个或多个目标平面的触觉反馈。
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