CN114599306A - 用于引导机器人操纵器的手术系统 - Google Patents

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CN114599306A CN202080074172.7A CN202080074172A CN114599306A CN 114599306 A CN114599306 A CN 114599306A CN 202080074172 A CN202080074172 A CN 202080074172A CN 114599306 A CN114599306 A CN 114599306A
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R·库拉纳
D·G·鲍林
M·汤普森
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Mako Surgical Corp
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Abstract

一种手术系统，包括：工具，所述工具用于接合目标部位；操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；以及感测系统，所述感测系统被配置来检测与所述工具、所述操纵器、所述目标部位或它们的组合中的一者或多者相关联的一个或多个系统条件。联接到所述操纵器和所述感测系统的控制器被配置来在以下模式之间操作所述操纵器：第一模式，以根据所述第一约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；以及第二模式，以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。所述控制器响应于确定所述一个或多个系统条件中的至少一个满足预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。

Description

用于引导机器人操纵器的手术系统
相关申请的交叉引用
本主题申请要求于2019年10月1日提交的美国临时专利申请号62/908,915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。
背景技术
机器人操纵器经常用于协助医疗专业人员进行各种常规手术程序。为此，外科医生可在手术期间使用手术机器人或另一类型的操纵器来引导、定位、移动、致动或以其他方式操纵各种工具、部件、假体等。
手术机器人可用于协助外科医生进行多种不同类型的手术程序，并且通常用于涉及矫正、切除或置换退化关节的程序，以帮助改善患者活动性并且减轻疼痛。作为例示性实例，在髋关节置换程序中，外科医生用人工假体部件置换患者髋关节的部分。为此，在全髋关节置换术中，外科医生通常去除患者股骨的部分以容纳包括头部的假体股骨部件，并且用扩孔器对骨盆的髋臼进行表面重整，以促进安装成形为接收假体股骨部件的头部的假体杯。
根据正在进行的具体程序，手术机器人可用于帮助外科医生接近手术部位、去除关节和/或骨骼的部分、安装假体部件等。例如，为了将假体杯安装到骨盆的髋臼中，外科医生将杯连接到冲击器以通过敲击冲击器以施加力(例如，诸如使用木槌)将杯植入所准备的髋臼中。为了促进安装杯，手术机器人帮助保持冲击器相对于髋臼对齐，并且外科医生在冲击期间密切监视杯的轨迹和深度，以确保杯的恰当对齐。这里，对髋臼进行扩孔或切除通常限定杯的预期位置，所述预期位置进而限定冲击的轨迹，所述轨迹可经由紧固到骨盆的跟踪器来监视，所述跟踪器经由导航系统来跟踪。
根据假体部件、冲击工具和手术机器人的配置，利用某些途径和手术技术可能难以维持设定轨迹，其中杯或其他假体部件的不对齐通常由不恰当的对齐和/或冲击力的施加导致。此外，当杯被植入扩孔的髋臼时，患者的身体以一个或多个自由度有效地物理附接到冲击器和手术机器人。这里，由于手术机器人通常基于紧固到骨盆的跟踪器限制冲击器相对于轨迹的移动，因此在冲击期间可能在杯与轨迹之间出现的不对齐有时可能因手术机器人试图将冲击器工具带回到与轨迹对齐而导致“逃离”条件，其中冲击器和骨盆同时移动。由于手术机器人与骨盆之间的物理连接，此类型的“逃离”条件可导致患者的所不期望的移动和/或植入或部分植入的杯的脱位。
在采用由手术机器人引导的不同类型的工具的其他手术程序期间可能出现类似的“逃离”条件。通过非限制性实例，包括电动手术装置的工具可用于驱动能量施加器，所述能量施加器被配置来去除手术部位处的组织。这里，在某些操作条件下，能量施加器可接合组织，其方式为使得有效地在能量施加器与组织之间产生锁定条件。例如，驱动钻头或骨钻的旋转器械当在脊柱的椎骨的椎弓根中形成导向孔时可能会变得不对齐或卡在骨骼中。这里同样地，“逃离”条件也可能导致患者和/或抵靠组织诸如骨骼接合的能量施加器的所不期望的移动。
因此，本领域仍然需要解决这些缺陷中的一个或多个。
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，所述工具用于接合目标部位；操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；感测系统，所述感测系统被配置来检测与所述工具、所述操纵器、所述目标部位或它们的组合中的一者或多者相关联的一个或多个系统条件；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述感测系统，所述控制器被配置来在以下模式之间操作所述操纵器：第一模式，以根据第一约束标准来维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；以及第二模式，以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准来维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；并且其中所述控制器被进一步配置来响应于确定所述一个或多个系统条件中的至少一个满足预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
根据第二方面，提供一种操作所述第一方面的手术系统的方法。
根据第三方面，提供一种手术系统，其包括：工具，所述工具用于沿着轨迹接合目标部位；操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置来获得指示在所述目标部位与所述操纵器之间出现的力的测量结果；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述至少一个传感器，所述控制器被配置来在以下模式之间操作所述操纵器：第一模式，以根据第一约束标准来维持所述工具相对于所述轨迹的对齐的；以及第二模式，以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准来维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；并且其中所述控制器被进一步配置来响应于确定所述力满足预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
根据第四方面，提供一种操作所述第三方面的手术系统的方法。
根据第五方面，提供一种手术系统，其包括：工具，所述工具用于接合目标部位；操纵器，所述操纵器被配置来相对于所述目标部位支撑所述工具；患者跟踪器，所述患者跟踪器适于相对于所述目标部位附接；导航系统，所述导航系统被配置来跟踪所述患者跟踪器的状态；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述导航系统，所述控制器被配置来在以下模式之间操作所述操纵器：第一模式，以根据第一约束标准来维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；以及第二模式，以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准来维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；其中所述控制器被进一步配置来基于从所述导航系统接收的被跟踪状态将所述工具的被跟踪移动与所述患者跟踪器的移动进行比较；并且其中所述控制器被进一步配置来响应于确定所述工具的被跟踪移动对应于所述患者跟踪器的移动而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
根据第六方面，提供一种操作所述第五方面的手术系统的方法。
根据第七方面，提供一种操作手术系统的方法，所述手术系统包括：冲击器组件，所述冲击器组件具有用于可释放地紧固假体的界面；引导件，所述引导件具有形成来接收所述冲击器组件的通道；操纵器，所述操纵器被配置来相对于目标部位沿着轨迹支撑所述引导件；至少一个传感器；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述至少一个传感器并且被配置来执行以下步骤：在第一模式中操作所述操纵器以根据第一约束标准维持所述引导件相对于所述轨迹的对齐；在第二模式中操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述引导件相对于所述轨迹的对齐；基于来自所述至少一个传感器的测量结果来检测在所述目标部位与所述操纵器之间出现的力；以及确定所述力满足预定条件并且作为响应将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
根据第七方面，提供一种手术系统，其包括：工具，所述工具用于接合目标部位；操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；感测系统，所述感测系统被配置来检测与所述工具、所述操纵器、所述目标部位或它们的组合中的一者或多者相关联的一个或多个系统条件；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述感测系统，所述控制器被配置来：操作所述操纵器以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；并且响应于检测到所述一个或多个系统条件，操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
根据第八方面，提供一种操作所述第七方面的手术系统的方法。
根据第九方面，提供一种手术系统，其包括：工具，所述工具用于沿着轨迹接合目标部位；操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置来获得指示在所述目标部位与所述操纵器之间出现的力的测量结果；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述至少一个传感器，所述控制器被配置来：操作所述操纵器以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；评估指示所述力的所获得的测量结果；并且响应于所述评估，操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述轨迹的对齐。
根据第十方面，提供一种操作所述第九方面的手术系统的方法。
根据第十一方面，提供一种手术系统，其包括：工具，所述工具用于接合目标部位；操纵器，所述操纵器被配置来相对于所述目标部位支撑所述工具；患者跟踪器，所述患者跟踪器适于相对于所述目标部位附接；导航系统，所述导航系统被配置来跟踪所述患者跟踪器的状态；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述导航系统，所述控制器被配置来：操作所述操纵器以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；基于从所述导航系统接收的所述患者跟踪器的被跟踪状态来评估所述工具相对于所述患者跟踪器的移动的被跟踪移动；并且响应于所述评估，操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
根据第十二方面，提供一种操作所述第十一方面的手术系统的方法。
根据第十三方面，提供一种手术系统，其包括：工具，所述工具用于接合目标部位；操纵器，所述操纵器被配置来相对于所述目标部位支撑所述工具；患者跟踪器，所述患者跟踪器适于相对于所述目标部位附接；导航系统，所述导航系统被配置来跟踪所述患者跟踪器的状态；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述导航系统，所述控制器被配置来：操作所述操纵器以根据第一约束标准约束所述工具相对于与所述目标部位相关联的虚拟边界的移动；基于从所述导航系统接收的所述患者跟踪器的被跟踪状态来评估所述工具相对于所述患者跟踪器的移动的被跟踪移动；并且响应于所述比较，操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准约束所述工具相对于所述虚拟边界的移动。
根据第十四方面，提供一种操作所述第十三方面的手术系统的方法。
上述任何方面都可部分地或完全地组合。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，第一约束标准包括其中工具的移动相对于目标部位受到限制的第一数量的自由度。在一个实施方式中，第二约束标准包括其中工具的移动相对于目标部位受到限制的第二数量的自由度。在一个实施方式中，自由度的第二数量不同于自由度的第一数量。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一数量的自由度维持工具相对于目标部位的对齐；以及第二模式，以基于第二数量的自由度维持工具相对于目标部位的对齐。
在一个实施方式中，自由度的第二数量小于自由度的第一数量，使得控制器在第二模式中比在第一模式中容许工具相对于目标部位在多至少一个自由度上的移动。在一个实施方式中，第一约束标准包括至少一个位置自由度和至少一个取向自由度。在一个实施方式中，第一约束标准和第二约束标准各自包括至少一个取向自由度。在一个实施方式中，第一约束标准比第二约束标准包括多至少一个位置自由度。在一个实施方式中，第一约束标准和第二约束标准包括至少一个公共自由度。
在一个实施方式中，第一约束标准包括第一弹性参数，并且第二约束标准包括不同于第一弹性参数的第二弹性参数。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一弹性参数维持工具相对于目标部位的对齐；以及第二模式，以基于第二弹性参数维持工具相对于目标部位的对齐。在一个实施方式中，控制器在第二模式中比在第一模式中容许工具相对于目标部位的更大弹性的移动。在一个实施方式中，第一弹性参数和第二弹性参数各自与工具相对于目标部位在公共自由度上的弹性移动相关联。
在一个实施方式中，工具限定工具中心点。在一个实施方式中，控制器被配置来在第一模式中操作操纵器以根据第一约束标准限制工具中心点远离目标部位的移动。
在一个实施方式中，控制器被配置来在第二模式中操作操纵器以根据第二约束标准容许工具中心点远离目标部位的移动。
在一个实施方式中，模式指示器联接到控制器。在一个实施方式中，控制器被配置来响应于确定一个或多个系统条件中的至少一个满足预定条件而激活模式指示器以向用户传达操纵器的操作从第一模式到第二模式的改变。
在一个实施方式中，控制器被配置来在第一模式中操作操纵器以根据第一约束标准容许工具相对于目标部位在至少一个自由度上的移动。
在一个实施方式中，控制器被配置来在第二模式中操作操纵器以根据第二约束标准容许工具相对于目标部位在至少一个自由度上的移动。
在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在第三模式中操作操纵器以根据不同于第一约束标准和第二约束标准两者的第三约束标准维持工具相对于目标部位的对齐。在一个实施方式中，预定条件被进一步限定为第一预定条件。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来响应于确定一个或多个系统条件中的至少一个满足不同于第一预定条件的第二预定条件而将操纵器的操作从第二模式改变到第三模式。
在一个实施方式中，第一约束标准包括其中工具的移动相对于目标部位受到限制的第一数量的自由度。在一个实施方式中，第二约束标准包括其中工具的移动相对于目标部位受到限制的第二数量的自由度。在一个实施方式中，第三约束标准包括其中工具的移动相对于目标部位受到限制的第三数量的自由度。在一个实施方式中，自由度的第三数量不同于自由度的第一数量和自由度的第二数量中的一者或多者；并且其中控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一数量的自由度维持工具相对于目标部位的对齐；第二模式，以基于第二数量的自由度维持工具相对于目标部位的对齐；以及第三模式，以基于第三数量的自由度维持工具相对于目标部位的对齐。
在一个实施方式中，第一约束标准还包括第一弹性参数。在一个实施方式中，第二约束标准还包括第二弹性参数。在一个实施方式中，第三约束标准还包括不同于第一弹性参数和第二弹性参数中的一者或多者的第三弹性参数。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一数量的自由度并且还基于第一弹性参数维持工具相对于目标部位的对齐；第二模式，以基于第二数量的自由度并且还基于第二弹性参数维持工具相对于目标部位的对齐；以及第三模式，以基于第三数量的自由度并且还基于第三弹性参数维持工具相对于目标部位的对齐。
在一个实施方式中，自由度的第三数量小于自由度的第一数量，使得控制器在第三模式中比在第一模式中容许工具相对于目标部位在多至少一个自由度上的移动。在一个实施方式中，自由度的第三数量小于自由度的第二数量，使得控制器在第三模式中比在第二模式中容许工具相对于目标部位在多至少一个自由度上的移动。在一个实施方式中，第一约束标准和第二约束标准各自包括至少一个位置自由度和至少一个取向自由度。在一个实施方式中，第一约束标准、第二约束标准和第三约束标准各自包括至少一个取向自由度。在一个实施方式中，第一约束标准比第三约束标准包括多至少一个位置自由度。在一个实施方式中，第二约束标准比第三约束标准包括多至少一个位置自由度。在一个实施方式中，控制器在第二模式中比在第一模式中容许工具相对于目标部位的更大弹性的移动。在一个实施方式中，控制器在第二模式中比在第三模式中容许工具相对于目标部位的更大弹性的移动。
在一个实施方式中，第一约束标准包括第一弹性参数，第二约束标准包括第二弹性参数，并且第三约束标准包括不同于第一弹性参数和第二弹性参数中的一者或多者的第三弹性参数；并且其中控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一弹性参数维持工具相对于目标部位的对齐；第二模式，以基于第二弹性参数维持工具相对于目标部位的对齐；以及第三模式，以基于第三弹性参数维持工具相对于目标部位的对齐。
在一个实施方式中，感测系统包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置来获得指示在目标部位与操纵器之间出现的力的测量结果；并且其中指示由至少一个传感器获得的力的测量结果限定一个或多个系统条件中的至少一个，使得控制器被配置来：响应于确定由至少一个传感器检测到的力满足第一预定条件而将操纵器的操作从第一模式改变到第二模式；并且响应于确定由至少一个传感器检测到的力满足第二预定条件而将操纵器的操作从第二模式改变到第三模式。在一个实施方式中，第一预定条件由至少一个传感器检测到的第一力限定，第二预定条件由至少一个传感器检测到的第二力限定，并且第二力大于第一力。
在一个实施方式中，患者跟踪器适于相对于目标部位附接。在一个实施方式中，感测系统包括导航系统，所述导航系统被配置来跟踪患者跟踪器的状态。在一个实施方式中，患者跟踪器的被跟踪状态限定一个或多个系统条件中的至少一个，使得控制器被配置来响应于确定患者跟踪器的被跟踪状态满足预定条件而将操纵器的操作从第一模式改变到第二模式。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来基于从导航系统接收的被跟踪状态而将工具的被跟踪移动与患者跟踪器的移动进行比较。在一个实施方式中，工具的被跟踪移动限定一个或多个系统条件中的至少一个。在一个实施方式中，预定条件基于对应于患者跟踪器的被跟踪状态的工具的被跟踪移动来限定。
在一个实施方式中，感测系统包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置来获得指示在目标部位与操纵器之间出现的力的测量结果。在一个实施方式中，指示由至少一个传感器获得的力的测量结果限定一个或多个系统条件中的至少一个，使得控制器被配置来响应于确定由至少一个传感器检测到的力满足预定条件而将操纵器的操作从第一模式改变到第二模式。
在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在第一模式中操作操纵器以抵抗工具相对于目标部位的移动，其中弹性随着指示由至少一个传感器获得的力的测量结果向预定条件增大而增大。在一个实施方式中，工具包括具有通道的引导件，所述通道被形成来接收冲击器组件并且容许冲击器组件相对于引导件的有限移动，所述冲击器组件具有用于可释放地紧固假体的接口。在一个实施方式中，操纵器被配置来在冲击器组件被接收在引导件的通道中时并且在假体被紧固到冲击器组件时相对于目标部位沿着轨迹支撑引导件。在一个实施方式中，目标部位被进一步限定为髋臼杯。在一个实施方式中，至少一个传感器被配置来检测由于施加在冲击器组件上以将假体安装在髋臼杯中的力而出现的力。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来基于所检测到的力推断施加到髋臼杯的扭矩。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来响应于确定施加到髋臼杯的所推断的扭矩满足预定条件而将操纵器的操作从第一模式改变到第二模式。
在一个实施方式中，至少一个传感器被进一步限定为以下中的一者或多者：力扭矩换能器；关节致动器电流传感器；关节力传感器；关节扭矩传感器；和关节编码器。
在一个实施方式中，第一约束标准包括其中工具的移动相对于轨迹受到限制的第一数量的自由度。在一个实施方式中，第二约束标准包括其中工具的移动相对于轨迹受到限制的第二数量的自由度。在一个实施方式中，自由度的第二数量不同于自由度的第一数量。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一数量的自由度维持工具相对于轨迹的对齐；以及第二模式，以基于第二数量的自由度维持工具相对于轨迹的对齐。
在一个实施方式中，自由度的第二数量小于自由度的第一数量，使得控制器在第二模式中比在第一模式中容许工具相对于轨迹在多至少一个自由度上的移动。在一个实施方式中，第一约束标准包括至少一个位置自由度和至少一个取向自由度。在一个实施方式中，第一约束标准和第二约束标准各自包括至少一个取向自由度。在一个实施方式中，第一约束标准比第二约束标准包括多至少一个位置自由度。在一个实施方式中，第一约束标准和第二约束标准包括至少一个公共自由度。
在一个实施方式中，第一约束标准包括第一弹性参数，并且第二约束标准包括不同于第一弹性参数的第二弹性参数。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一弹性参数维持工具相对于轨迹的对齐；以及第二模式，以基于第二弹性参数维持工具相对于轨迹的对齐。
在一个实施方式中，控制器在第二模式中比在第一模式中容许工具相对于轨迹的更大弹性的移动。在一个实施方式中，第一弹性参数和第二弹性参数各自与工具相对于轨迹在公共自由度上的弹性移动相关联。
在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在第一模式中操作操纵器以抵抗工具相对于轨迹的移动，其中弹性随着指示由至少传感器获得的力的测量结果向预定条件增大而增大。
在一个实施方式中，工具限定工具中心点，并且控制器被配置来在第一模式中操作操纵器以根据第一约束标准限制工具中心点远离轨迹的移动。在一个实施方式中，控制器被配置来在第二模式中操作操纵器以根据第二约束标准容许工具中心点远离轨迹的移动。
在一个实施方式中，模式指示器联接到控制器，并且控制器被配置来响应于确定指示由至少一个传感器获得的力的测量结果满足预定条件而激活模式指示器以向用户传达操纵器的操作从第一模式到第二模式的改变。
在一个实施方式中，控制器被配置来在第一模式中操作操纵器以根据第一约束标准容许工具相对于轨迹在至少一个自由度上的移动。
在一个实施方式中，控制器被配置来在第二模式中操作操纵器以根据第二约束标准容许工具相对于轨迹在至少一个自由度上的移动。
在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在第三模式中操作操纵器以根据不同于第一约束标准和第二约束标准两者的第三约束标准维持工具相对于轨迹的对齐。在一个实施方式中，预定条件被进一步限定为第一预定条件。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来响应于确定指示由至少一个传感器获得的力的测量结果满足不同于第一预定条件的第二预定条件而将操纵器的操作从第二模式改变到第三模式。在一个实施方式中，第一预定条件由从至少一个传感器获得的测量结果所检测的第一力限定，第二预定条件由从至少一个传感器获得的测量结果所检测的第二力限定，并且第二力大于第一力。在一个实施方式中，第一约束标准包括其中工具的移动相对于轨迹受到限制的第一数量的自由度，第二约束标准包括其中工具的移动相对于轨迹受到限制的第二数量的自由度，并且第三约束标准包括其中工具的移动相对于轨迹受到限制的第三数量的自由度，自由度的第三数量不同于自由度的第一数量和自由度的第二数量中的一者或多者；并且其中控制器被进一步配置来下以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一数量的自由度维持工具相对于轨迹的对齐；第二模式，以基于第二数量的自由度维持工具相对于轨迹的对齐；以及第三模式，以基于第三数量的自由度维持工具相对于轨迹的对齐。
在一个实施方式中，第一约束标准还包括第一弹性参数，第二约束标准还包括第二弹性参数，并且第三约束标准还包括不同于第一弹性参数和第二弹性参数中的一者或多者的第三弹性参数；并且其中控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一数量的自由度并且还基于第一弹性参数维持工具相对于轨迹的对齐；第二模式，以基于第二数量的自由度并且还基于第二弹性参数维持工具相对于轨迹的对齐；以及第三模式，以基于第三数量的自由度并且还基于第三弹性参数维持工具相对于轨迹的对齐。
在一个实施方式中，自由度的第三数量小于自由度的第一数量，使得控制器在第三模式中比在第一模式中容许工具相对于轨迹在多至少一个自由度上的移动。在一个实施方式中，自由度的第三数量小于自由度的第二数量，使得控制器在第三模式中比在第二模式中容许工具相对于轨迹在多至少一个自由度上的移动。
在一个实施方式中，第一约束标准和第二约束标准各自包括至少一个位置自由度和至少一个取向自由度。在一个实施方式中，第一约束标准、第二约束标准和第三约束标准各自包括至少一个取向自由度。在一个实施方式中，第一约束标准比第三约束标准包括多至少一个位置自由度。在一个实施方式中，第二约束标准比第三约束标准包括多至少一个位置自由度。在一个实施方式中，控制器在第二模式中比在第一模式中容许工具相对于轨迹的更大弹性的移动。在一个实施方式中，控制器在第二模式中比在第三模式中容许工具相对于轨迹的更大弹性的移动。
在一个实施方式中，第一约束标准包括第一弹性参数，第二约束标准包括第二弹性参数，并且第三约束标准包括不同于第一弹性参数和第二弹性参数中的一者或多者的第三弹性参数。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来在以下模式中操作操纵器：第一模式，以基于第一弹性参数维持工具相对于轨迹的对齐；第二模式，以基于第二弹性参数维持工具相对于轨迹的对齐；以及第三模式，以基于第二弹性参数维持工具相对于轨迹的对齐。
在一个实施方式中，患者跟踪器适于相对于目标部位附接，并且导航系统被配置来跟踪患者跟踪器的状态；并且其中控制器联接到导航系统并且被进一步配置来基于从导航系统接收的患者跟踪器的被跟踪状态来限定轨迹。
在一个实施方式中，工具包括具有通道的引导件，所述通道被形成来接收冲击器组件并且容许冲击器组件相对于引导件的有限移动，所述冲击器组件具有用于可释放地紧固假体的接口。在一个实施方式中，操纵器被配置来相对于目标部位支撑引导件。
在一个实施方式中，操纵器被配置来在冲击器组件被接收在引导件的通道中时并且在假体被紧固到冲击器组件时相对于目标部位支撑引导件，并且其中目标部位被进一步限定为髋臼杯。在一个实施方式中，至少一个传感器被配置来获得指示由于施加在冲击器组件上以将假体安装在髋臼杯中的力而出现的力的测量结果。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来基于所检测到的力推断施加到髋臼杯的扭矩。在一个实施方式中，控制器被进一步配置来响应于确定施加到髋臼杯的所推断的扭矩满足预定条件而将操纵器的操作从第一模式改变到第二模式。
在一个实施方式中，控制器被配置来基于来自感测系统的所检测到的系统条件来确定第二约束标准的参数。
在一个实施方式中，控制器被配置来基于指示力的所获得的测量结果来确定第二约束标准的参数。
在一个实施方式中，控制器被配置来基于所评估的被跟踪移动来确定第二约束标准的参数。
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，可完全地或部分地组合任何上述实施方式。
在结合附图阅读后续描述之后，将易于了解并更好地理解本公开的其他特征和优点。
附图说明
图1是手术系统的透视图，所述手术系统包括操纵器、导航系统和用于接合目标部位的工具，其中所述工具中的一个被示出为具有用于驱动能量施加器的电动手术装置，并且其中所示工具中的另一个被示出为具有联接到假体并且由附接到操纵器的引导件沿着轨迹支撑的冲击器组件。
图2是用于控制图1的手术系统的控制系统的框图。
图3是图2的控制系统的软件程序的功能框图。
图4是被实现为髋臼的目标部位的例示图，其描绘图3的软件程序的边界生成器的输出。
图5是图4的目标部位的例示图，其描绘图3的软件程序的路径生成器的输出。
图6是目标部位以及图1的工具中的一个的例示图，其描绘手术系统的虚拟约束。
图7是可由图2的控制系统操作的模块的框图。
图8描绘图2的控制系统的样本约束方程。
图9描绘用于利用图2的控制系统实行虚拟模拟的样本正向动力学算法。
图10描绘用于实施图9的正向动力学算法的一组示例性步骤。
图11描绘由图2的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12是图1的工具的例示性示意图，工具被示出为沿着与目标部位的轨迹对齐的轴线支撑能量施加器，并且其中示出能量施加器与目标部位间隔开。
图13A是图12的工具、能量施加器和目标部位的另一例示性示意图，其中示出能量施加器沿着轨迹接合目标部位。
图13B是图13A的工具、能量施加器和目标部位的另一例示性示意图，其中示出能量施加器沿着轨迹推进并且更深地接合到目标部位中。
图14A是图13B的工具、能量施加器和目标部位的另一例示性示意图，其中示出能量施加器在与目标部位接合时遇到围绕轴线的旋转阻力。
图14B是图14A的工具、能量施加器和目标部位的另一例示性示意图，其中示出能量施加器响应于图14A所例示的旋转阻力而相对于轨迹不对齐地接合目标部位，其中工具和能量施加器相对于轨迹以夸张的不对齐布置以例示逃离条件。
图14C是图14B的工具、能量施加器和目标部位的另一例示性示意图，其中示出工具与能量施加器和目标部位一起移动远离支撑表面以例示图1的操纵器试图使工具与由目标部位限定的轨迹对齐时的逃离条件。
图14D是图14C的工具、能量施加器和目标部位的另一例示性示意图，其中示出工具与能量施加器和目标部位一起进一步移动远离支撑表面以例示在图1的操纵器继续试图使工具与由目标部位限定的轨迹对齐时的逃离条件。
图15是图1的手术系统的部分的部分透视图，其描绘包括引导件的工具和支撑假体的冲击器组件，所述假体与由导航系统经由跟踪器监视的目标部位所限定的轨迹间隔开。
图16A是图15的冲击器组件的透视图，冲击器组件被示出为具有与假体间隔开的接口，其中轴在接口与凸缘之间延伸，所述凸缘被布置成邻近在凸缘与头部之间延伸的柄部。
图16B是图16A的冲击器组件的分解透视图。
图17A是图15的引导件的透视图。
图17B是图17A的引导件的部分分解透视图，引导件被示出为包括限定通道的主体。
图18是图15至图17B的假体和工具的例示性示意图，其中示出引导件限定与目标部位的轨迹对齐的引导轴线，并且其中示出冲击器组件附接到假体并且与目标部位和引导件两者间隔开。
图19A是图18的工具、假体和目标部位的另一例示性示意图，其中示出假体和冲击器组件被定位成邻近目标部位，其中冲击器组件的凸缘被支撑在引导件的通道中，并且施加的力作用于引导件上。
图19B是图19A的工具、假体和目标部位的另一例示性示意图，其中示出工具和假体响应于图19A所例示的施加的力而相对于轨迹和目标部位移动。
图20A是图18的工具、假体和目标部位的另一例示性示意图，其中示出假体和冲击器组件被定位成邻近目标部位，其中冲击器组件的凸缘被支撑在引导件的通道中，并且施加的力基本上沿着轨迹作用于冲击器组件的头部上。
图20B是图20A的工具、假体和目标部位的另一例示性示意图，其中示出假体响应于图20A所例示的施加的力而沿着轨迹在目标部位处植入。
图21A是图18的工具、假体和目标部位的另一例示性示意图，其中示出假体和冲击器组件被定位成邻近目标部位，其中冲击器组件的凸缘被支撑在引导件的通道中，并且施加的力横向于轨迹作用于冲击器组件的头部上。
图21B是图21A的工具、假体和目标部位的另一例示性示意图，其中示出假体响应于图20A所例示的施加的力而相对于轨迹不对齐地在目标部位处植入，其中工具和假体相对于轨迹以夸张的不对齐布置以例示逃离条件。
图21C是图21B的工具、假体和目标部位的另一例示性示意图，其中示出工具与所植入的假体和目标部位一起移动远离支撑表面以例示图1的操纵器试图使引导件与由目标部位限定的轨迹对齐时的逃离条件。
图21D是图21C的工具、假体和目标部位的另一例示性示意图，其中示出工具与所植入的假体和目标部位一起进一步移动远离支撑表面以例示图1的操纵器继续试图使引导件与由目标部位限定的轨迹对齐时的逃离条件。
图22A是图15至图17B的引导件、支撑假体的冲击器组件和目标部位的另一部分透视图，其中示出假体布置在目标部位处并且与联接到操纵器的引导件间隔开。
图22B是图22A的引导件、支撑假体的冲击器组件和目标部位的另一部分透视图，其中示出联接到操纵器的引导件已经朝向轨迹移动，其中冲击器组件的轴布置在引导件的通道内。
图22C是图22B的引导件、支撑假体的冲击器组件和目标部位的另一部分透视图，其中示出联接到操纵器的引导件已经沿着轨迹移动以使冲击器组件的凸缘与引导件的通道接合。
图23是图22C的引导件、支撑假体的冲击器组件和目标部位的另一部分透视图，其中示出联接到操纵器的引导件已经从以虚线描绘的先前布置在一个旋转自由度上围绕轨迹旋转。
图24A是图22B的引导件、支撑假体的冲击器组件和目标部位的另一部分透视图，其中示出联接到操纵器的引导件沿着轨迹布置，其中冲击器组件的凸缘设置成与引导件的通道接合，并且施加的力横向于轨迹作用于冲击器组件的头部上。
图24B是图24A的引导件、支撑假体的冲击器组件和目标部位的另一部分透视图，其中示出假体响应于图24A所例示的施加的力而在目标部位部分地植入并且相对于轨迹不对齐，并且其中工具和假体相对于轨迹并且相对于以虚线描绘的先前布置以夸张的不对齐布置。
图24C是图24B的引导件、支撑假体的冲击器组件和目标部位的另一部分透视图，其中示出假体响应于图24A所例示的施加的力而在目标部位部分地植入并且进一步相对于轨迹不对齐，并且其中工具和假体相对于轨迹以进一步夸张的不对齐布置。
图25是描绘根据本公开的实施方案的感测系统、控制器与图1的操纵器之间的交互的框图。
图26例示由于骨钻被捕陷在虚拟边界与目标部位骨骼之间而出现的逃离条件。
在整个附图中描绘的任一个或多个实施方案的某些部件、结构特征和/或组件可出于例示性目的被去除、示意性描绘和/或以虚线示出。
具体实施方式
现在参考图1，示出包括支撑工具104的机器人操纵器102的手术系统100。手术系统100可用于治疗患者P的身体B的解剖体积或目标部位TS，诸如骨骼或软组织。为此，操纵器102通常包括底座106、机械臂108和联接件110。机械臂108由底座106支撑并且被配置来在使用期间移动、维持或以其他方式控制联接件110相对于底座106的位置和/或取向。联接件110适于可释放地紧固一种或多种类型的工具104，所述一种或多种类型的工具104进而通常支撑或以其他方式包括结合各种类型的手术程序利用的器械112。在一些实施方案中，器械112可被配置来支撑、驱动、旋转、振荡、振动和/或以其他方式将能量引导到能量施加器114(例如，钻头、丝锥、骨钻、刀片、锯、扩孔器等)，所述能量施加器114用于在目标部位TS处或其附近进行治疗。在一些实施方案中，器械112可被配置来在目标部位TS处或相对于目标部位TS(诸如沿着由操纵器102维持的轨迹T)支撑、定位、对齐和/或引导可植入部件116(例如，杯、柄、螺钉、销、杆、线、锚固件、假体等)。
在图1中，患者P正在经历例示性手术程序，其中目标部位TS包括患者的髋和股骨的部分或以其他方式由这些部分限定。然而，本公开设想到各种类型的手术程序，包括但不限于涉及部分或全膝或髋置换手术、肩置换手术、脊柱手术、足踝手术等的手术程序。手术程序可涉及组织去除或其他形式的治疗(例如，切割、钻孔、扩孔、凝固、损伤、其他原位组织治疗等)。在一些实施方案中，手术系统100可被设计来促进切掉将由可植入部件116(也称为“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)置换的材料。一些类型的可植入部件116在标题为“Prosthetic Implant and Method of Implantation”的美国专利号9,381,085中示出，所述专利申请的公开内容特此以引用方式以其全文并入。然而，并且如从以下后续描述中将了解，设想到其他配置，并且手术系统100可结合多种不同的手术程序利用，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可采用各种类型、样式和配置的操纵器102、工具104、器械112、能量施加器114和/或可植入部件116。此外，手术系统100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，或可用于其中利用机器人系统的工业应用或其他应用。
操纵器102(也称为“手术机器人”)经由机械臂108相对于目标部位TS并且相对于底座106移动工具104，以除其他事项外协助医疗专业人员在对工具104、器械112、能量施加器114和/或可植入部件116的移动和定位进行精确控制的情况下实行各种类型的手术程序。如上所指出，操纵器102通常包括底座106、机械臂108和联接件110。底座106固定到操纵器推车118并且支撑机械臂108，所述机械臂108进而被配置来在使用期间移动、维持或以其他方式控制联接件110相对于底座106的位置和/或取向。为此，图1所例示的机械臂108包括以串联臂配置布置的多个连杆120和关节J。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，操纵器102可采用不同配置。通过非限制性实例，操纵器102可具有并联臂配置或任何其他合适的配置。在一些实施方案中，可以多臂配置利用多于一个操纵器102。机械臂108的一个示例性布置在标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a SurgicalInstrument in Multiple 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以其全文并入。在不脱离本公开的范围的情况下，机械臂108以及操纵器102的其他部分可以多种不同配置来布置。
在图1所示的实例中，操纵器102包括位于关节J处以用于确定关节J的位置数据的多个关节编码器122。为简单起见，图1中标记仅一个关节编码器122，但可类似地例示其他关节编码器122。在本文所例示的代表性实施方案中，机械臂108具有实现操纵器102的至少六个自由度(DOF)的六个关节J1、J2、J3、J4、J5、J6。然而，操纵器102可具有任何合适数量的自由度，可具有任何合适数量的关节J，并且可具有冗余关节J。操纵器102不需要关节编码器122，但可另选地或另外地利用存在于每个关节J处的马达上的马达编码器。此外，操纵器102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。
手术系统100能够通过利用以下项来监视、跟踪和/或确定操纵器102、机械臂108、工具104、器械112、能量施加器114和/或可植入部件116的一个或多个部分以及患者的身体B的各种部分在公共坐标系内的相对位置和/或取向的改变：各种类型的跟踪器(例如，多自由度光学、惯性和/或超声感测装置)、导航系统(例如，机器视觉系统、电荷耦合装置相机、跟踪器传感器、表面扫描仪和/或测距仪)、解剖计算机模型(例如，患者P的解剖结构的磁共振成像扫描)、来自先前手术程序和/或先前进行的手术技术的数据(例如，在手术程序的先前步骤期间记录的数据)等。为了这些目的，并且如图1中示意性地描绘，手术系统100采用控制系统124(也称为“控制器”124)，其可包括机器人控制系统126、导航系统128和工具控制系统130中的一者或多者或以其他方式与之通信，这些系统协作以促进经由操纵器102相对于目标部位TS以及手术系统100的其他部分定位、移动和/或驱动工具104，如以下更详细地描述。示例性控制方法在标题为“Robotic System and Method for Backdriving theSame”的美国专利号10,327,849中有所描述，所述专利的公开内容特此以引用方式以其全文并入。
底座106或操纵器102的另一部分通常为操纵器102的其他部件和/或手术系统100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106的固定参考点处。底座106可相对于操纵器102的任何合适的部分诸如连杆120中的一个或多个限定。另选地或另外地，底座106可相对于操纵器推车118限定，诸如在操纵器102物理地附接到推车118的情况下。在一些实施方案中，底座106限定在关节J1的轴线与关节J2的轴线的交点处。因此，尽管关节J1和关节J2实际上是移动部件，但关节J1和关节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102和/或操纵器推车118移动。在一些实施方案中，操纵器102可以是手持式的，使得底座106将由工具的底座部分(例如，由用户徒手握持的部分)限定，所述工具具有可相对于底座部分移动的工具尖端(例如，末端执行器)。在此实施方案中，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相对于路径的姿势，因此可控制工具尖端的移动以跟随路径。这种类型的手持式操纵器102的一个实例在标题为“SurgicalInstrument Including Housing,A Cutting Accessory that Extends from theHousing and Actuators that Establish the Position of the Cutting AccessoryRelative to the Housing”的美国专利号9,707,043中示出，所述专利的公开内容特此以引用方式以其全文并入。前述内容是非限制性的例示性实例，并且本公开设想到其他配置。
如图1中示意性地描绘，机器人控制系统126包括操纵器控制器132，导航系统128包括导航控制器134，并且工具控制系统130包括工具控制器136。在所例示的实施方案中，操纵器控制器132、导航控制器134和工具控制器136通常设置成诸如经由物理电连接(例如，拴系线束)和/或经由一种或多种类型的无线通信(例如，利用WiFiTM网络、
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无线电网络等)与彼此(例如，直接或间接)和/或与手术系统100的其他部件通信。操纵器控制器132、导航控制器134和/或工具控制器136可被实现为计算机、处理器、控制单元等的各种布置或与其一起实现，并且可包括离散部件或可集成(例如，共享硬件、软件、输入、输出等)。设想到其他配置。
操纵器控制器132、导航控制器134和/或工具控制器136各自可被实现为具有处理器138(例如，中央处理单元)和/或其他处理器、存储器140和/或存储装置(未示出)的计算机，并且通常加载有软件，如以下更详细地描述。处理器138可包括用于控制操纵器102、导航系统128或工具104的操作的一个或多个处理器。处理器138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132、导航控制器134和/或工具控制器136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、软件和/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。机器人控制系统126、导航系统128和/或工具控制系统130还可包括、限定或以其他方式采用具有一个或多个输出装置144(例如，屏幕、显示器、状态指示器等)和/或输入装置146(例如，下压按钮、键盘、鼠标、麦克风、语音激活装置、手势控制装置、触摸屏、脚踏板、挂件等)的用户接口142。设想到其他配置。
如上所指出，一个或多个工具104(有时称为“末端执行器”)可释放地附接到操纵器102的联接件110，并且可相对于底座106移动以在某些模式中与患者P的解剖结构(例如，目标部位TS)交互。工具104可由用户(例如，外科医生)抓握。工具104通常包括安装件148，所述安装件148适于可释放地附接到操纵器102的联接件110。安装件148可支撑器械112或以其他方式由器械112限定，在一些实施方案中，器械112可被配置为采用发电组件152(例如，马达、致动器、齿轮系等)的电动手术装置150，发电组件152用于驱动附接到其上(例如，经由卡盘、联接件等)的能量施加器114。这种类型的操纵器102、工具104和器械112的一个示例性布置在先前引用的标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling aSurgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利号9,119,655中有所描述。操纵器102、工具104和/或器械112可以另选配置布置。在一些实施方案中，工具104和/或器械112可与标题为“End Effector of a Surgical Robotic Manipulator”的美国专利号9,566,121中所示者类似，所述专利的公开内容特此以引用方式以其全文并入。在一些实施方案中，工具104和/或器械112可与标题为“End Effectors And Methods For Driving ToolsGuided By Surgical Robotic Systems”的美国专利申请公布号US2019/0231447A1中所示者类似，所述专利申请公布的内容特此以引用方式以其全文并入。设想到其他配置。在一些实施方案中，并且如以下更详细地描述，器械112可不被配置为电动手术装置150。
在一些实施方案中，能量施加器114被设计来接触和去除患者P在目标部位TS处的组织。为此，在一些实施方案中，能量施加器114可包括骨钻154。骨钻154可以是基本上球形的并且包括球心、半径和直径。另选地，能量施加器114可以是钻头、锯片、超声振动尖端等。工具104、器械112和/或能量施加器114可包括任何几何特征，包括但不限于周边、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。可考虑几何特征来确定如何相对于手术部位TS处的组织定位工具104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，将描述具有或以其他方式限定工具中心点(TCP)的球形骨钻154，但并不意图将工具104、器械112和/或能量施加器114局限于任何特定形式。在本文所述的一些实施方案中，工具中心点TCP由器械112或工具104的一部分而不是能量施加器114的一部分限定。设想到其他配置。
在一些实施方案中，诸如在器械112被实现为电动手术装置150的情况下，工具104可采用工具控制器136来促进工具104的操作，诸如控制到发电组件152(例如，旋转马达)的功率、控制工具104的移动、控制工具104的冲洗/抽吸等。工具控制器136可与操纵器控制器132和/或手术系统100的其他部件通信。在一些实施方案中，操纵器控制器132和/或工具控制器136可容纳在操纵器102和/或操纵器推车118中。在一些实施方案中，工具控制器136的部分可容纳在工具104中。设想到其他配置。工具控制系统130还可包括具有一个或多个输出装置144和/或输入装置146的用户接口142，所述用户接口142可形成为工具104的一部分和/或可由手术系统和/或控制系统124(例如，机器人控制系统126和/或导航系统128)的其他部分实现100。设想到其他配置。
操纵器控制器132控制工具104(例如，工具中心点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132可控制工具104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114处限定的预定参考点。然而，如上所指出，在一些实施方案中，工具104和/或器械112的其他部件可限定工具中心点TCP。无论如何，工具中心点TCP具有相对于其他坐标系的已知姿势。工具中心点TCP的姿势可以是静态的，或可以是计算的。在一些实施方案中，能量施加器114的几何形状是在工具中心点TCP坐标系中已知的或相对于工具中心点TCP坐标系限定的。工具中心点TCP可位于由工具104的器械112支撑或限定的能量施加器114的骨钻154的球心处，使得跟踪仅一个点。工具中心点TCP可根据能量施加器114、器械112、工具104等的配置以各种方式限定。
操纵器102可采用关节编码器122(和/或马达编码器，如上所指出)，或任何其他非编码器位置感测方法，以使得能够确定工具中心点TCP的姿势。操纵器102可使用关节J测量结果来确定工具中心点TCP姿势，和/或可采用各种技术来直接测量工具中心点TCP姿势。工具104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104。设想到其他配置。
继续参考图1，如上所指出，手术系统100还包括导航系统128，所述导航系统128除其他事项外被配置来跟踪、监视、检测或以其他方式感测各种对象诸如工具104、用于配准对象(例如，解剖结构的部分、跟踪器等)的指针156以及患者的身体B的部分(例如，位于或邻近目标部位TS的骨骼或其他解剖结构)的移动。为此，导航系统128采用定位器158，所述定位器158被配置来感测跟踪器160在定位器坐标系LCLZ内的位置和/或取向。导航控制器134被设置成与定位器158通信并且收集在定位器158的视野内感测到的每个跟踪器160在定位器坐标系LCLZ中的位置和/或取向数据。
定位器158可感测多个跟踪器160的位置和/或取向以在定位器坐标系LCLZ内跟踪对应多个对象。通过实例，并且如图1所描绘，跟踪器160可包括联接到指针156的指针跟踪器160P；联接到操纵器102的底座106的操纵器跟踪器160M；联接到工具104的部分的一个或多个工具跟踪器160G、160I；联接到患者P的解剖结构的一部分的第一患者跟踪器160A，联接到患者P的解剖结构的另一部分的第二患者跟踪器160B，以及另外的患者跟踪器；用于另外的医疗和/或手术工具、器械等的跟踪器。
在一些实施方案中，并且如图1所示，一个或多个工具跟踪器160G、160I可各自牢固地附连到工具104的不同部分，诸如可被配置来相对于彼此和/或相对于操纵器跟踪器160M移动的那些部分，操纵器跟踪器160M牢固地附连到操纵器102的底座106。通过非限制性实例，并且如以下更详细地描述，第一工具跟踪器160G可联接到安装件148(或工具104的另一部分)以经由操纵器102与联接件110同时移动，和/或第二工具跟踪器160I可联接到工具104的不同部分，所述不同部分相对于安装件148和/或联接件110以一个或多个自由度移动。虽然导航系统128可使用图1中描绘的第一工具跟踪器160G和第二工具跟踪器160I来经由定位器158容易地确定工具104的不同部分的相对位置和/或取向，但是本公开的某些实施方案可被配置来以其他方式(例如，诸如利用一个或多个传感器)促进此确定。这里，本公开设想到其他配置，并且可利用跟踪器160、传感器、预定几何关系等的各种组合以便跟踪某些对象或以其他方式将那些对象与被跟踪对象相关。
继续参考图1，第一患者跟踪器160A牢固地附连到患者的身体B在目标部位TS处或其附近的一块骨骼(例如，在髋臼附近附连到骨盆)，并且第二患者跟踪器160B牢固地附连到不同骨骼(例如，附连到股骨的一部分)。虽然未详细示出，但是患者跟踪器160A、160B可以各种方式联接到患者的身体B中的多个不同骨骼，诸如通过螺纹接合、夹持或通过其他技术。类似地，第一工具跟踪器160G和/或第二工具跟踪器160I可以各种方式固定到工具104的部分，诸如通过在制造期间集成或通过在手术程序之前或期间可释放地附接。各种跟踪器160可以多种不同方式牢固地附连到不同类型的被跟踪对象(例如，离散骨骼、工具、指针等)。例如，跟踪器160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(例如，补充)的方式来确定所述相应跟踪器160和与其相关联的对象或解剖结构的关系(例如，测量结果)即可。
跟踪器160相对于它们所附接到的对象或解剖结构的位置和/或取向可通过利用已知的配准技术来确定。例如，确定患者跟踪器160A、160B相对于它们所附接到的患者的身体B的部分的姿势可利用各种形式的基于点的配准来完成，诸如其中指针156的远侧尖端用于与特定解剖标志接合(例如，触碰骨骼的特定部分)或用于在定位器158监视指针跟踪器160P的位置和取向时接合骨骼的若干部分以用于基于表面的配准。接着可采用常规的配准技术来使患者跟踪器160A、160B的姿势与患者的解剖结构(例如，与股骨和髋臼中的每一者)相关联。
其他类型的配准也是可能的，诸如通过使用具有机械夹具的患者跟踪器160A、160B，所述机械夹具附接到骨骼并且具有触觉传感器(未示出)以确定夹具所附接到的骨骼的形状。接着可将骨骼的形状与骨骼的三维模型进行匹配以用于配准。触觉传感器与患者跟踪器160A、160B上的标记162之间的已知关系可键入导航控制器134或以其他方式由导航控制器134已知(例如，存储在存储器140中)。基于此已知关系，可确定标记162相对于患者的解剖结构的位置。导航控制器134可使用多种不同的配准/导航技术来收集、确定或以其他方式处理位置和/或取向数据，以确定每个跟踪器160在定位器坐标系LCLZ或另一合适的坐标系内的坐标。这些坐标被传达到控制系统124的其他部分，诸如传达到机器人控制系统126以促进操纵器102的关节运动和/或以其他方式协助外科医生进行手术程序，如以下更详细地描述。
在本文所例示的代表性实施方案中，操纵器控制器132和工具控制器136操作性地附接到操纵器102的底座106，并且导航控制器134和定位器158支撑在移动推车164上，所述移动推车164可相对于操纵器102的底座106移动。移动推车164还可支撑用户接口142以通过向外科医生或另一用户显示信息和/或通过从外科医生或另一用户接收信息来促进手术系统100的操作。虽然在图1所例示的代表性实施方案中示出为导航系统128的一部分，但是用户接口142可形成控制系统124的部分或以其他方式与控制系统124的其他部分(诸如机器人控制系统126和/或工具控制系统130)通信。为此，用户接口142可设置成与导航控制器134、操纵器控制器132和/或工具控制器136通信，并且同样可包括用于向外科医生或其他用户呈现信息(例如，图像、视频、数据、图形、可导航菜单等)的一个或多个输出装置144(例如，监视器、指示器、显示屏等)，以及一个或多个输入装置146(例如，物理或虚拟输入控件、按钮、触摸屏、键盘、鼠标、基于手势或语音的输入装置等)。在此类型的导航系统128中利用的一种类型的移动推车164和用户接口142在标题为“Surgery System”的美国专利号7,725,162中有所描述，所述专利的公开内容特此以引用方式以其全文并入。
由于移动推车164以及操纵器102的底座106可相对于彼此并且还相对于患者的身体B定位，因此手术系统100的一个或多个部分通常被配置来将经由定位器158感测的每个跟踪器160的坐标从定位器坐标系LCLZ变换到操纵器坐标系MNPL(或变换到其他坐标系)，或反之亦然，使得可至少部分地基于某些跟踪器160在公共坐标系(例如，操纵器坐标系MNPL、定位器坐标系LCLZ或另一公共坐标系)内的相对位置和/或取向来进行操纵器102的关节运动。定位器坐标系LCLZ内的坐标可使用多种不同的变换技术来变换为操纵器坐标系MNPL(或其他坐标系)内的坐标，且反之亦然。坐标系之间的数据转换或变换的一个实例在标题为“Registration of Anatomical Data Sets”的美国专利号8,675,939中有所描述，所述专利的公开内容特此以引用方式以其全文并入。
在所例示的实施方案中，定位器158是光学定位器并且包括相机单元166，所述相机单元166具有一个或多个光学传感器168并且在一些实施方案中具有摄像机170。定位器158还可包括与导航控制器134通信或以其他方式形成导航系统128的一部分的定位器控制器(未示出)。导航系统128采用相机单元166的光学传感器168来感测跟踪器160在定位器坐标系LCLZ内的位置和/或取向。在本文所例示的代表性实施方案中，跟踪器160各自采用多个标记162(参见图2)，所述多个标记162可由相机单元166的光学传感器168感测到。此类型的导航系统128的一个实例在标题为“Navigation System Including Optical and Non-Optical Sensors”的美国专利号9,008,757中有所描述，所述专利的公开内容特此以引用方式以其全文并入。在一些实施方案中，标记162是有源标记(例如，发光二极管“LED”)，所述有源标记发射可由定位器158感测到的光。在一些实施方案中，跟踪器160可采用无源标记(例如，反射器)，所述无源标记反射从定位器158或另一光源发射的光。尽管在整个附图中例示导航系统128的一个实施方案，但导航系统128可具有用于监视跟踪器160的任何合适的配置，所述任何合适的配置如从下面的后续描述中将了解可具有各种类型和配置。例如，导航系统128可包括相同或不同类型的多个定位器158和/或跟踪器160。
在一些实施方案中，导航系统128和/或定位器158是基于射频(RF)的。例如，导航系统128可包括联接到导航控制器134和/或联接到另一计算装置、控制器等的RF收发器。这里，跟踪器160可包括RF发射器或应答器，所述RF发射器或应答器可以是无源的或可以是有源激励的。RF收发器传输RF跟踪信号，并且RF发射器以RF信号作出响应，使得将被跟踪状态传达到导航控制器134(或由导航控制器134解释)。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，基于RF的导航系统的实施方案可具有不同于本文所例示的基于有源标记的导航系统128的结构配置。
在一些实施方案中，导航系统128和/或定位器158是基于电磁(EM)的。例如，导航系统128可包括联接到导航控制器134和/或联接到另一计算装置、控制器等的EM收发器。这里，跟踪器160可包括附接到其上的EM部件(例如，各种类型的磁性跟踪器、电磁跟踪器、感应跟踪器等)，其可以是无源的或可以是有源激励的。EM收发器生成EM场，并且EM部件以EM信号作出响应，使得将被跟踪状态传达到导航控制器134(或由导航控制器134解释)。导航控制器134可分析所接收的EM信号以使相关联状态与其相关联。这里同样地，基于EM的导航系统的实施方案可具有不同于本文所例示的基于有源标记的导航系统128的结构配置。
在一些实施方案中，导航系统128和/或定位器158可基于一种或多种类型的成像系统，所述成像系统不一定需要将跟踪器160固定到对象以便确定与其相关联的位置数据。例如，可提供基于超声的成像系统以促进获取(例如，被跟踪对象的特定已知结构特征、紧固到被跟踪对象的标记或标贴等的)超声图像，使得基于超声图像将被跟踪状态(例如，位置、取向等)传达到导航控制器134(或由导航控制器134解释)。超声图像可以是三维的、二维的或它们的组合。导航控制器134可近实时地处理超声图像以确定被跟踪状态。超声成像装置可具有任何合适的配置并且可不同于图1所示的相机单元166。通过进一步的实例，可提供基于荧光检查的成像系统以促进获取不透射线标记(例如，附接到被跟踪对象的具有已知结构特征的标贴、标签等)的X射线图像，使得基于X射线图像将被跟踪状态传达到导航控制器134(或由导航控制器134解释)。导航控制器134可近实时地处理X射线图像以确定被跟踪状态。类似地，可提供其他类型的基于光学的成像系统以促进获取特定已知对象(例如，基于与被跟踪对象或其结构部件或特征的虚拟表示的比较)和/或标记(例如，附接到被跟踪对象的标贴、标签等)的数字图像、视频等(例如，经由电荷耦合装置“CCD”传感器，诸如摄像机170)，使得基于数字图像将被跟踪状态传达到导航控制器134(或由导航控制器134解释)。导航控制器134可近实时地处理数字图像以确定被跟踪状态。
因此，在不脱离本公开的范围的情况下，各种类型的成像系统，包括相同或不同类型的多个成像系统，可形成导航系统128的一部分。导航系统128和/或定位器158可具有本文未具体列举的任何其他合适的部件或结构。例如，导航系统128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。此外，与图1所例示的导航系统128相关联的技术、方法和/或部件中的任一者可以多种不同方式实施，并且本公开设想到其他配置。
在一些实施方案中，手术系统100能够诸如利用呈现在一个或多个输出装置144(例如，显示屏)上的患者的身体B的解剖结构、工具104、器械112、能量施加器114等的图像和/或图形表示来向手术系统100的外科医生或其他用户显示被跟踪对象的相对位置和取向的虚拟表示。操纵器控制器132和/或导航控制器134还可利用用户接口142来显示指令或请求信息，使得外科医生或其他用户可与机器人控制系统126交互(例如，使用图形用户接口GUI)以促进操纵器102的关节运动。设想到其他配置。
如上所指出，定位器158跟踪跟踪器160以确定每个跟踪器160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158可执行已知的三角测量技术来确定跟踪器160和相关联对象的状态。定位器158将跟踪器160的状态提供给导航控制器134。在一些实施方案中，导航控制器134确定跟踪器160的状态并且将所述状态传达给操纵器控制器132。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。设想到其他配置。
参考图2，外科手术系统100通常包括控制系统124，所述控制系统124除其他部件之外可包括或以其他方式被限定为如上所指出的机器人控制系统126、导航系统128和/或工具控制系统130的操纵器控制器132、导航控制器134、工具控制器136和/或各种部件。控制系统124还可包括图3所示的一个或多个软件模块。软件模块可以是在操纵器控制器132、导航控制器134、工具控制器136或它们的任何组合上操作以处理用于促进或以其他方式协助手术系统100的控制的数据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132、导航控制器134、工具控制器136或它们的组合上的非暂时性存储器140中以由控制器136、132、134中的一个或多个的一个或多个处理器138执行。
存储器140可具有任何合适的配置，诸如随机存取存储器(RAM)、非易失性存储器等，并且可在本地或从远程位置(例如，数据库、服务器等)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模块或程序的一部分，并且可包括存储在操纵器控制器132、导航控制器134、工具控制器136或它们的任何组合上的存储器140中的指令。用户可与任何用户接口142(例如，图1所示的导航系统128的用户接口142)的输入装置146和/或输出装置144中的任一者交互以与软件模块和/或程序通信。控制系统124还可包括用户接口142(例如，图形用户接口GUI)或其他软件或模块，所述其他软件或模块可在与操纵器控制器132、导航控制器134和/或工具控制器136分离的装置(例如，便携式电子装置，诸如平板计算机)上运行。设想到其他配置。
控制系统124可包括适合于实行本文所述的功能和方法的输入、输出和处理装置的任何合适的布置和/或配置。手术系统100可包括操纵器控制器132、导航控制器134或工具控制器136或它们的任何组合，或可包括这些控制器中的仅一些或包括另外的控制器，其中任何控制器可形成如上所指出的控制系统124的一部分。控制器132、134、136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124也可称为控制器，并且同样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。设想到其他配置。
参考图3，在一些实施方案中，控制系统124所采用的软件可包括边界生成器172。如图4所示，边界生成器172是生成用于约束工具104的移动和/或操作的虚拟边界174的软件程序或模块。虚拟边界174可以是一维的、二维的或三维的，并且可包括点、线、轴线、轨迹、平面或其他形状，包括复杂几何形状。在一些实施方案中，虚拟边界174是由三角网格限定的表面。此类虚拟边界174也可称为虚拟对象。虚拟边界174可相对于解剖模型AM诸如三维骨骼模型来限定。由于解剖模型AM经由配准或其他过程映射到患者P的解剖结构，解剖模型Am与患者P的真实解剖结构相关联。在图4的实例中，虚拟边界174包括基本上围绕髋臼的大体球形网格，所述球形网格具有使得能够进入髋臼的入口部分(例如，开口)。入口部分具有漏斗或圆锥形状。在此代表性实施方案中，虚拟边界174与骨盆的髋臼的三维模型相关联。
解剖模型AM和相关联虚拟边界174被配准到一个或多个患者跟踪器160A、160B。因此，解剖模型AM(和患者P的相关联真实解剖结构)和固定到解剖模型AM的虚拟边界174可由患者跟踪器160A、160B跟踪。虚拟边界174可以是植入物特定的(例如，基于可植入部件116的尺寸、形状、体积等限定)，和/或患者特定的(例如，基于患者P的解剖结构限定)。虚拟边界174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174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。无论如何，控制系统124通过在存储器140中存储/从存储器140检索虚拟边界174、从存储器140获得虚拟边界174、在术前产生虚拟边界174、在术中产生虚拟边界174等来获得虚拟边界174。
操纵器控制器132和/或导航控制器134可跟踪工具104相对于虚拟边界174的状态。在一些实施方案中，相对于虚拟边界174测量工具中心点TCP的状态，以便确定要经由虚拟模拟VS施加到虚拟刚性主体VRB模型的触觉力，使得工具104保持与虚拟边界174处于期望的位置关系(例如，不移动超过虚拟边界174)。虚拟模拟VS的结果被下达给操纵器102。控制系统124(例如，机器人控制系统126的操纵器控制器132)以效仿物理机头在存在物理边界/障碍物时将作出响应的方式的方式来控制/定位操纵器102。边界生成器172可在操纵器控制器132上实现。另选地，边界生成器172可在其他部件诸如导航控制器134或控制系统124的其他部分上实现。设想到其他配置。
参考图3和图5，路径生成器176是可由控制系统124运行的另一软件程序或模块。在一些实施方案中，路径生成器176由操纵器控制器132运行。路径生成器176生成供工具104遍历诸如以用于去除患者P在目标部位TS处的解剖结构的区段以接收可植入部件116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可以是笔直节段、弯曲节段、它们的组合等。工具路径TP还可相对于解剖模型AM来限定。工具路径TP可以是植入物特定的(例如，基于可植入部件116的尺寸、形状、体积等限定)，和/或患者特定的(例如，基于患者P的解剖结构限定)。设想到其他配置。
在本文所述的一些实施方案中，工具路径TP被限定为邻近目标部位TS的组织去除路径。然而，在一些实施方案中，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MP。应当理解，术语“铣削路径”通常是指工具104在目标部位TS附近用于铣削解剖结构的路径，并且并不意图要求工具104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MP可包括工具104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MP的其他形式的组织去除，诸如组织消融等。铣削路径MP可以是在术前、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MP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。无论如何，控制系统124通过在存储器140中存储/从存储器140检索铣削路径MP、从存储器140获得铣削路径MP、在术前产生铣削路径MP、在术中产生铣削路径MP等来获得铣削路径MP。铣削路径MP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。设想到其他配置。
用于生成虚拟边界174和/或铣削路径MP的系统和方法的一个实例在先前引用的标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中有所描述。另外的实例在标题为“HapticGuidance System and Method”的美国专利号8,010,180；和标题为“Guidance System andMethod for Surgical Procedures with Improved Feedback”的美国专利号7,831,292中有所描述，所述专利的公开内容均特此以引用方式以其全文并入。在一些实施方案中，虚拟边界174和/或铣削路径MP可离线生成，而不是在操纵器控制器132、导航控制器134或手术系统100的另一部件上生成。此后，虚拟边界174和/或铣削路径MP可在运行时由操纵器控制器132利用。
返回参考图3，示出用于进行行为控制178的可在操纵器控制器132和/或导航控制器134上运行的另一软件程序或模块。行为控制178是计算指示工具104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178输出仅工具中心点TCP的位置或取向，而在其他情况下，从行为控制178输出工具中心点TCP的位置和取向。在一些实施方案中，来自边界生成器172、路径生成器176和传感器180(例如，六自由度DOF力/扭矩换能器)的输出可作为输入馈送到行为控制178中以确定工具104的下一个命令位置和/或取向。行为控制178可处理这些输入以及如以下更详细地描述的一个或多个虚拟约束VC以确定命令姿势CP。
继续参考图3，示出用于进行运动控制182的可在操纵器控制器132和/或导航控制器134上运行的另一软件程序或模块。运动控制182的一个方面是操纵器102的控制。运动控制182从行为控制器178接收限定下一个命令姿势CP的数据。基于这些数据，运动控制182确定操纵器102的机械臂108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102能够按照行为控制178的命令(例如，以命令姿势CP)定位工具104。换句话讲，运动控制182将可在笛卡尔空间中限定的命令姿势CP处理成操纵器102的关节角度，使得操纵器控制器132可相应地命令关节马达，以便将操纵器102的关节J移动到对应于工具104的命令姿势CP的命令关节角度。在一些实施方案中，运动控制182校准机械臂108的每个关节J的关节角度并且连续地调节每个关节马达输出的扭矩，以便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172、路径生成器176、行为控制178和运动控制182可以是软件程序184的子集(例如，模块)。另选地，每个都可以是单独地和/或独立地或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172、路径生成器176、行为控制178和/或运动控制182中的任一者或多者。软件程序184可在操纵器控制器132、导航控制器134或它们的任何组合上实现，或可由控制系统124以任何合适的方式实现。
在一些实施方案中，可提供临床应用程序186以促进用户交互和协调手术工作流，包括术前规划、植入物放置、配准、骨骼准备可视化、植入物配合的术后评估等。临床应用程序186可被配置来将数据输出到输出装置144(例如，显示器、屏幕、监视器等)、从输入装置146接收输入数据、或以其他方式与用户接口142交互，并且可包括或形成图形用户接口GUI的一部分。临床应用程序186可在其自己的单独处理器上运行，或可与导航控制器134、操纵器控制器132和/或工具控制器136或控制系统124的任何其他合适的部分一起运行。
在一个实施方案中，临床应用程序186在用户设定植入物放置之后与边界生成器172和/或路径生成器176交互，然后将由边界生成器172和/或路径生成器176返回的虚拟边界174和/或工具路径TP发送到操纵器控制器132以用于执行。这里，操纵器控制器132如本文所述执行工具路径TP。操纵器控制器132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132还可处理虚拟边界174以生成对应虚拟约束VC，如以下更详细地描述。
手术系统100可在手动模式中操作，诸如先前引用的标题为“SurgicalManipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利号9,119,655中所描述。这里，用户手动指导，并且操纵器102在手术部位执行工具104及其能量施加器114的移动。用户(例如，外科医生)物理地接触工具104以致使在手动模式中移动工具104。在一些实施方案中，操纵器102监视用户放置在工具104上的力和扭矩以便定位工具104。为此，手术系统100可采用传感器180(例如，多自由度DOF力/扭矩换能器)，所述传感器180检测和测量用户施加到工具104的力和扭矩并且生成由控制系统124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(或其他模式)中移动工具104。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，如先前引用的标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中所描述。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Fext，从而影响工具104在手动模式和/或在如以下更详细描述的其他模式中的整体移动。
传感器180可包括六自由度DOF力/扭矩换能器，所述六个自由度DOF力/扭矩换能器被布置来检测在操纵器102与目标部位TS之间出现的力和/或扭矩(例如，由用户施加到工具104的力)。出于例示性目的，传感器180被一般地描绘为邻近操纵器102的联接件110或以其他方式作为操纵器102的联接件110的一部分(例如，联接到机械臂108的关节J6)。然而，设想到其他配置和布置。操纵器控制器132、导航控制器134、工具控制器136和/或手术系统100的其他部件可从传感器180接收信号(例如，作为输入)。响应于用户施加的力和扭矩，操纵器102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104。工具104在手动模式中的移动也可关于由边界生成器172生成的虚拟边界174受到约束。在一些实施方案中，将由传感器180取得的测量结果从传感器180的传感器坐标系SN变换到另一坐标系，诸如其中对工具104的虚拟刚性主体VRB模型实行虚拟模拟VS的虚拟质量坐标系VM，使得可在虚拟模拟VS中将力和扭矩虚拟地施加到虚拟刚性主体VRB，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VRB的移动，如下所述。
手术系统100还可在半自主模式中操作，在所述半自主模式中操纵器102沿着铣削路径MP以自动化方式移动工具104，诸如通过操作操纵器102的活动关节J以移动工具104，而无需来自用户的在工具104上的力/扭矩。在半自主模式中的操作的实例也在先前引用的标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中有所描述。在一些实施方案中，当操纵器102在半自主模式中操作时，操纵器102能够在没有用户协助的情况下移动工具104。这里，“没有用户协助”可意味着用户并不物理地接触工具104或机械臂108以移动工具104。相反，用户可使用某种形式的遥控器(例如，挂件；未示出)来控制移动的开始和停止。例如，用户可按住遥控器的按钮以开始工具104的移动并且释放按钮以停止工具104的移动。体现在用户挂件中的这种类型的遥控器的实例在标题为“Robotic Systems and Methods forControlling a Tool Removing Material from Workpiece”的美国专利号10,117,713中有所描述，所述专利的公开内容特此以引用方式以其全文并入。设想到其他配置。
在手动模式中，用户将工具104从当前状态SC移动到目标状态ST(例如，移动到目标位置PT、目标取向OT或目标姿势)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104移动到特定目标状态ST，诸如将工具104放置在与铣削路径MP的期望接近度内，将工具104放置在适用于准备组织以接收可植入部件116以用于将工具104与特定轨迹/平面对齐的取向等等。然而，用户可能难以足够精确地放置工具104。当患者P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，这可能尤其困难。这里，手术系统100可诸如以先前引用的标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a SurgicalInstrument in Multiple Modes”的美国专利号9,119,655中所述的方式从手动模式切换到半自主模式。因此，为了将工具104放置在目标状态ST，操纵器102可自主地将工具104从当前状态SC移动到目标状态ST。
如果用户希望在朝向目标状态ST的移动期间维持与工具104的手动接触以实现对工具104的控制，则手术系统100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104放置在目标状态ST或以其他方式处于目标状态ST(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，仍由传感器180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VS中以至少部分地影响工具104的整体移动。另外地，在引导-触觉模式中，手术系统100生成在虚拟约束VC力Fc中体现的虚拟吸引(或排斥)力VF(或扭矩)，所述虚拟约束力Fc与外力Fext一起被馈送到虚拟模拟VS中。引导-触觉模式可用于使工具104远离目标状态ST(排斥触觉)，和/或将工具104朝向目标状态ST吸引(吸引触觉)。
虚拟吸引力VF包括在虚拟模拟VS中可虚拟地施加到虚拟刚性主体VRB并且适于将工具104朝向目标状态ST吸引或以其他方式推进的力和/或扭矩。虚拟吸引力VF以向用户提供触觉反馈以向用户指示应如何移动工具104以到达目标状态ST的方式影响工具104的整体移动ST。更具体地，在虚拟模拟VS中，与虚拟吸引力VF相关联的力和/或扭矩可抵消外力Fext的力和/或扭矩(和/或其他力和/或扭矩)的效应，使得工具104最终以向用户提供触觉交互效应的方式移动，所述触觉交互效指示应需要移动工具104以便到达目标状态的方向/旋转ST。因此，引导-触觉模式依赖于手动操纵来移动工具104，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，而是被主动控制以便将用户朝向目标状态ST引导。因此，引导-触觉模式允许用户与工具104的直接接合，同时提供与工具104的自主(或半自主)移动相关联的益处。
在引导-触觉模式中，工具104被有效地朝向目标状态ST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DOF上生成以将工具104朝向目标状态ST吸引。因此，目标状态ST可被限定为使得仅在一个自由度DOF上吸引工具104，或可被限定为使得在多于一个自由度DOF上吸引工具104。因此，目标状态ST可包括在目标坐标系TF中限定的目标位置PT、目标取向OT或两者(例如，目标姿势TP)。目标位置PT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，x位置XP、y位置YP和/或z位置ZP)。在一些情况下，目标位置PT可表示为目标坐标系TF的原点。类似地，目标取向OT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，x取向XO、y取向YO和/或z取向ZO)。x位置XP、y位置YP、z位置ZP、x取向XO、y取向YO和z取向ZO各自表示(例如，坐标系的)相应自由度DOF。在一些情况下，目标取向OT可表示为目标坐标系TF的x、y和z轴的取向。术语“目标姿势”TP意味着一个或多个位置分量XP、YP、ZP和一个或多个取向分量XO、YO、ZO的组合。在一些情况下，目标姿势TP可包括在目标坐标系TF的所有六个自由度DOF上的目标位置PT和目标取向OT。在一些情况下，目标位置PT和/或目标取向OT也可称为起始位置和/或起始取向。
目标坐标系TF可以是其中限定目标状态ST的任何坐标系，并且目标状态ST可变换到相对于工具104的目标状态ST监视工具104的当前状态SC所期望的任何其他坐标系。目标状态ST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、工具中心点TCP坐标系等中跟踪。目标状态ST可相对于患者P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(例如，其由一个或多个患者跟踪器160A、160B跟踪)等中相对于患者P的解剖结构可以是固定的。工具104的当前状态SC可相对于被引导坐标系GF来限定。被引导坐标系GF可绑定到另一坐标系，或当前状态SC可变换到任何被引导坐标系GF以实现相对于目标状态ST对当前状态SC的跟踪。例如，当前状态SC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、工具中心点TCP坐标系等中跟踪。在一些实施方案中，工具104的当前状态SC可初始地相对于工具中心点TCP坐标系限定(例如，在TCP坐标系和被引导坐标系GF出于例示性目的被示出为相同的情况下)，并且目标状态ST可初始地相对于解剖模型坐标系限定，但是被引导坐标系GF和目标坐标系TF均可变换到公共坐标系以用于跟踪目的。目标状态ST可在术前、术中或两者中限定。术中规划、解剖模型等的各种方面在标题为“Surgical Systems and Methods for Facilitating Ad-hoc Intraoperative Planning of Surgical Procedures”的美国专利申请公布号US2018/0333207 A1中有所描述，所述专利申请公布的公开内容特此以引用方式以其全文并入。设想到其他配置。
控制系统124采用被限定为产生在虚拟模拟VS中采用的将工具104吸引到目标状态ST的虚拟吸引力VF(例如，力和/或扭矩)的虚拟约束VC。这些虚拟约束VC在本文中称为引导约束GC。引导约束GC被限定为最终影响工具104朝向目标状态ST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VC是控制系统124连同其他运动相关信息一起考虑以确定如何命令操纵器102来移动工具104的对刚性主体的运动的限制。如以下进一步描述，引导约束GC具有可配置的弹簧参数PS和阻尼参数PD，使得引导约束GC不是无限刚性的。更具体地，在一些版本中，引导约束GC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ST相反的方向上施加的力和扭矩导致的运动ST。因此，在引导-触觉模式或其他模式中，用户仍然能够违背引导约束GC而影响工具104进入与目标状态ST相反的方向中的运动，但引导约束GC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(例如，触觉交互效应)，使得用户了解应沿着哪个方向移动工具104以到达目标状态ST。例如，用户可因为将工具104朝向目标状态ST移动与移动远离目标状态ST相比的容易度(例如，用户可感觉到与将移动工具104朝向目标状态ST移动相比好像需要更多的功来将工具移动远离目标状态ST)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104的被引导坐标系GF与目标坐标系TF互连(参见图6中的弹簧和阻尼器的图示)。
一个或多个引导约束GC可由控制系统124用来引导用户，包括与目标位置PT相关联的多达三个引导约束GC和与目标取向OT相关联的多达三个引导约束GC。如以下更详细地描述，控制系统124操作来计算满足引导约束GC(和其他虚拟约束VC，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VF(例如，力和/或扭矩)以将工具104吸引到目标状态ST。引导约束GC中的每一个被视为一维虚拟约束VC。在一些实施方案中，引导约束GC是速度脉冲约束。在一些实施方案中，约束类似于在先前引用的标题为“Surgical ManipulatorCapable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利号9,119,655中描述的脉冲建模中使用的那些约束。在一些实施方案中，这些虚拟约束VC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。在一些实施方案中，虚拟约束VC在所有模式中使用。设想到其他配置。
在图6中，与目标位置PT相关联的三个引导约束GC被例示性地表示为在目标坐标系TF中限定。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104的工具中心点TCP引导到目标位置PT(例如，目标坐标系TF的原点)的并入弹簧参数PS和阻尼参数PD的吸引力。这只是一个实例。约束力Fc可包括力和扭矩分量，以便也使工具104与目标取向对齐。
引导约束GC(和其他虚拟约束VC，如果使用的话)主要由三个运行时参数限定：约束雅可比矩阵Jp、期望速度Vdes(或Vp2)和约束距离Δd。雅可比矩阵Jp将每个一维引导约束GC映射到用于虚拟模拟VS的坐标系(例如，虚拟质量坐标系VM)。期望速度Vdes(或Vp2)是引导约束GC在目标坐标系TF中的标量速度。这里，期望速度Vdes在患者P不动并且相对于患者P限定的相关联目标状态ST不移动时可为零，但在患者P移动时可不为零，原因是目标状态ST可绑定到患者P。约束距离Δd是指被引导坐标系GF与约束的接近程度并且指示是否违背约束。在一些情况下，Δd是指当前状态SC与目标状态ST的距离/角度，并且在对于相关联自由度而言当前状态SC与目标状态ST不匹配的任何时候都违背引导约束GC。
引导约束GC不是完全刚性的，相反引导约束GC中的每一个具有调谐参数TPA以调节虚拟约束VC的刚度(例如，通过并入弹簧参数PS和/或阻尼参数PD)。此类调谐参数TPA可包括约束力混合参数C和误差减小参数ε。弹簧参数PS和阻尼参数PD可在以引导-触觉模式操作期间或在如以下更详细描述的其他模式期间进行调节。在一些实施方案中，调谐参数TPA的值可基于当前状态SC与目标状态ST之间的关系而改变。例如，调谐参数TPA可被配置来随着工具104变得更接近目标状态ST而增加刚度，或调谐参数TPA可随着工具104逼近目标状态ST而降低刚度。对于不同的引导约束GC，调谐参数TPA可不同。例如，引导约束GC可包括具有调谐参数TP1的第一值的第一虚拟约束VC和具有调谐参数TPA的第二值的第二虚拟约束VC，所述第一值大于所述第二值，使得与第二虚拟约束VC相比，由于第一虚拟约束VC，在约束力Fc中体现的所得虚拟吸引力VF(例如，力和/或扭矩)适于更强烈地吸引工具104。对于位置约束，调谐参数TPA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。设想到其他配置。
调谐参数TPA也可被设定为：无论从当前状态SC到目标状态ST的距离/角度如何都保持恒定；随着当前状态SC与目标状态ST之间的距离呈指数上升/下降；随着当前状态SC与目标状态ST之间的距离线性变化；随着约束方向变化；将重力效应考虑在内；等等。与一个自由度DOF相关联的一个虚拟约束VC的调谐参数TPA可基于与另一自由度DOF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SC与目标状态ST之间沿着y轴的距离而改变)。调谐参数TPA也可根据工具104需要在其上移动以便到达目标状态ST的方向而变化(例如，当在沿着x轴的一个方向移动时比在沿着x轴的相反方向移动时更加刚性)。调谐参数TPA也可根据基于引导约束GC最终计算出的约束力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VF的固定值添加到虚拟模拟VS中。
引导约束GC的调谐参数TPA可被设定成使得用户可容易地使工具104移动远离目标位置PT和/或目标取向OT。换句话讲，调谐参数TPA可被设定成使得在虚拟模拟VS中，由用户施加的力和扭矩的影响可超过虚拟吸引力VF(例如，力和扭矩)的影响。因此，控制系统124可被配置来使得用户能够重新定位和/或重新定向工具104远离目标位置PT和/或目标取向OT，即使当启用引导约束GC时也是如此。引导约束GC的调谐参数TPA可在术前或术中设定；可在术中更新；或它们的组合。调谐参数TPA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124的任何合适的存储器140中的一个或多个查找表中以供稍后检索。
每个引导约束GC还具有配置参数CPA。配置参数CPA可包括关于以下项的信息：调谐参数TPA，诸如约束力混合参数C和误差减小参数ε；上力极限FLU和/或下力极限FLL；和/或上约束距离偏移DOU和/或下约束距离偏移DOL。上力极限FLU和下力极限FLO是指针对每个引导约束GC计算的力的极限，所述极限最终由约束求解器192求解以产生约束力Fc，如下文进一步描述。引导约束GC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)，力极限FLU、FLO可在正和负方向上设置为高(例如，-100,000/+100,000牛顿)或处于任何期望极限。上约束距离偏移DOU和下约束距离偏移DOL指示约束何时是活动的。对于引导约束GC，上约束距离偏移DOU和下约束距离偏移DOL可被设定成使得在当前状态SC不同于目标状态ST的任何时候约束都是活动的。
图7例示在一些实施方案中实行以执行引导-触觉模式的过程。这里，行为控制178包括路径处理程序188、引导处理程序190、约束求解器192和虚拟模拟器194。行为控制178还包括边界处理程序196以基于由边界生成器172生成的一个或多个虚拟边界174来生成虚拟边界约束BC。路径处理程序188、引导处理程序190、约束求解器192、虚拟模拟器194和边界处理程序196各自包括存储在以上提及的控制器132、134、136中的任一个或多个的非暂时性存储器140中并且由控制系统124实现的可执行软件。下文将更加详细地描述以上介绍的行为控制178的部分中的每一个。
引导处理程序190获得工具104的目标状态ST，并且基于工具104的目标状态ST和当前状态SC来生成一个或多个引导约束GC。如图7所示，进入引导处理程序190的两个输入包括当前状态SC和目标状态ST。当前状态SC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104的当前姿势相关。目标状态ST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SC的公共坐标系。进入引导处理程序190的其他输入包括引导约束GC的配置参数CPA和调谐参数TPA。引导处理程序190基于当前状态SC与目标状态ST之间的关系以及配置参数CPA和调谐参数TPA来限定一个或多个引导约束GC。引导约束GC从引导处理程序190输出到约束求解器192中。
可将各种虚拟约束VC馈送到约束求解器192中，这些约束包括引导约束GC、路径约束PC、边界约束BC和其他约束。这些虚拟约束VC可由控制系统124打开/关闭。例如，在一些情况下，可能不生成路径约束PC、边界约束BC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GC。行为控制178中采用的所有虚拟约束VC都可影响工具104的移动。为了说明的目的，将仅详细描述引导约束VC。
约束求解器192基于馈送到约束求解器192中的虚拟约束VC来计算要在虚拟模拟器194中虚拟地施加到工具104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GC将工具104从当前状态SC朝向目标状态ST吸引的力和/或扭矩分量。在仅将引导约束GC输入约束解算器192中的情况下，约束力Fc可被视为上述虚拟吸引力VF。然而，当采用其他虚拟约束VC时，约束求解器192的最终任务是约束力Fc的满足所有虚拟约束VC的解，并且因此其他虚拟约束VC也可影响约束力Fc的大小/方向。在那些情况下，虚拟吸引力VF(例如，力和/或扭矩)被视为约束力Fc的由于引导约束GC而朝向目标状态ST定向的那些力和扭矩分量。
参考图8所示的约束方程CEQ，约束求解器192将每个虚拟约束VC的约束数据以矩阵形式放置到约束方程CEQ的对应行中，以求解Fp。这里，Fp是目标坐标系TF中的力矢量，由此Fp的每个分量是作用在对应约束方向上的标量约束力。为了求解Fp，如以下更详细地描述，将图8所示的方程转换成矩阵方程，其中每一行表示单个一维虚拟约束VC。将约束数据与约束求解器192已知的其他信息一起放置在约束方程CEQ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3×3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194计算或以其他方式已知的，并且是基于虚拟模拟器194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六自由度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)计算的六自由度DOF力/扭矩矢量。对虚拟质量应用阻尼以提高其稳定性。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计算的六自由度DOF力/扭矩矢量。阻尼力F阻尼和惯性力F惯性可以标题为“Robotic System and Method for TransitioningBetween Operating Modes”的美国专利号9,566,122中所描述的方式来确定，所述专利的公开内容特此以引用方式以其全文并入。
约束求解器192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)以求解约束方程CEQ组，以便提供最佳地满足方程组(例如，最佳地满足各种虚拟约束VC)的解。在一些情况下，可能不会同时满足所有虚拟约束VC。例如，在运动被各种虚拟约束VC过度约束的情况下，约束求解器192实质上将鉴于各种虚拟约束VC的相对刚度/阻尼来找到“最佳拟合”解。约束求解器192求解方程组并且最终输出约束力Fc。
当采用投影高斯-赛德尔求解器时，约束求解器192基于虚拟约束VC来构造A和b矩阵，并且使用投影高斯-赛德尔求解方程组以确定所得力矢量Fp。约束求解器192接着取投影高斯-赛德尔的输出并且将其从目标坐标系TF(例如，约束坐标系)变换到虚拟质量坐标系VM。例如，使用方程Fc＝Jp TFp，其中Fc是约束力，每个所得力矢量Fp被转换成施加到虚拟质量坐标系的力/扭矩矢量。
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，单边虚拟约束VC，诸如边界约束BC)只能在一个方向上推动或“施加力”(例如，正约束力)，因此出现与LCP相关联的不等式。如果针对这种虚拟约束VC的计算力在约束求解器192的给定迭代为负(或更广泛地，在其允许范围之外)，即无效的，则必须修剪给定虚拟约束VC(或另选地限制/封顶其上或下允许值FLU、FLO)并且求解剩余约束，直到找到合适的结果(例如，收敛)。以此方式，约束求解器192确定给定时间步的活动虚拟约束VC集，然后求解它们的值。其他虚拟约束VC类型可在正和负两个方向上施加力(例如，双边虚拟约束VC)。此类虚拟约束VC包括用于引导用户将工具104朝向目标状态ST移动的引导约束GC。此类双边虚拟约束VC在启用时在约束求解器192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192计算的约束力Fc包括沿着x、y、z轴的三个力分量和围绕x、y、z轴的三个扭矩分量。虚拟模拟器194在其虚拟模拟VS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。将所得六自由度DOF力(例如，力和扭矩)施加到虚拟刚性主体VRB，并且由虚拟模拟器194计算所得运动。虚拟模拟器194因此作用来除其他事项外有效地模拟各种虚拟约束VC如何影响虚拟刚性主体VRB的运动。基于向虚拟刚性主体VRB施加给定总力FT虚拟模拟器194进行正向动力学以计算虚拟刚性主体VRB的所得六自由度DOF姿势和速度。在一些实施方案中，虚拟模拟器194包括物理引擎，所述物理引擎被实现为存储在先前提及的控制器132、134、136中的任一个或多个的非暂时性存储器140中并且由控制系统124实施的可执行软件。
对于虚拟模拟VS，虚拟模拟器194将工具104建模为虚拟质量坐标系VM中的虚拟刚性主体VRB，其中虚拟质量坐标系VM的原点位于虚拟刚性主体VRB的质心处，并且坐标轴与虚拟刚性主体VRB的主轴对齐。出于虚拟模拟VS的目的，虚拟刚性主体VRB是动态对象，并且是工具104的刚性主体表示。根据虚拟模拟VS，虚拟刚性主体VRB在笛卡尔空间中根据六个自由度DOF自由移动。虚拟模拟VS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VS不需要显示虚拟刚性主体VRB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VRB进行建模。虚拟刚性主体VRB可仅针对虚拟模拟VS而存在。然而，设想到其他配置。
虚拟刚性主体VRB及其特性(例如，质量、惯性矩阵、质心、主轴等)限定工具104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虚拟吸引力VF和/或扭矩)而移动。虚拟刚性主体VRB支配工具104将感觉到重还是轻以及它将如何响应于施加的力和扭矩而移动(例如，在平移和/或旋转中加速)。通过调节虚拟刚性主体VRB的特性，控制系统124可调节用户对工具104的感觉。诸如为了提供尽可能逼真的运动/感觉，可能期望对虚拟刚性主体VRB的特性进行建模以便合理地接近工具104的实际特性，但这不是必需的。出于控制稳定性的原因(例如，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104的虚拟质量和惯性。
虚拟刚性主体VRB可对应于可在工具104之上或之内的部件。另外地或另选地，虚拟刚性主体VRB可部分地延伸超出物理工具104。虚拟刚性主体VRB可考虑具有能量施加器114的工具104或可考虑没有能量施加器114的工具104。此外，虚拟刚性主体VRB可基于工具中心点TCP。在一个实例中，虚拟刚性主体VRB的质心被理解为在向虚拟刚性主体VRB的另一点施加虚拟力并且虚拟刚性主体VRB在其他方面不受约束(例如，不受操纵器102约束)的情况下虚拟刚性主体VRB将围绕进行旋转的点。虚拟刚性主体VRB的质心可与工具104的实际质心接近但不必相同。虚拟刚性主体VRB的质心可根据经验来确定。一旦工具104附接到操纵器102，就可重置质心的位置以适应个体用户的偏好。
虚拟模拟器194通过以下方式有效地模拟工具104的刚性主体动力学：在虚拟模拟VS中在虚拟刚性主体VRB上虚拟地施加力和/或扭矩，诸如在虚拟质量坐标系VM中在虚拟刚性主体VRB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VRB的力/扭矩可包括与外力Fcgext(例如，基于来自一个或多个传感器180的输入)相关联的力/扭矩、阻尼力F阻尼、惯性力F惯性、以及来自与各种虚拟约束VC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(或“参考框架”)变换到同一虚拟刚性主体VRB上的另一坐标系，并且在这里可采用来将外力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CEQ中使用的外力Fcgext)。虚拟模拟器194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192在其在下一个时间步中的方程组中使用。
如图9和图10所示的虚拟正向动力学算法VFA可在虚拟模拟VS中用于模拟虚拟刚性主体VRB在其在施加总力FT时VS将移动时的运动。实际上，虚拟正向动力学算法VFA在六个自由度DOF上求解方程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10所示。控制系统124将虚拟力和/或扭矩(例如，总力FT)输入到虚拟模拟器194中，并且这些虚拟力和/或扭矩在虚拟模拟VS中在虚拟刚性主体VRB处于具有初始速度的初始姿势时VRB被施加到虚拟刚性主体VRB的质心(例如，CG)。响应于控制系统124满足所输入的虚拟力和/或扭矩，虚拟刚性主体VRB在笛卡尔空间内被移动到具有不同状态(例如，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182的下一个命令姿势CP是基于由虚拟模拟器194计算的最终姿势。因此，虚拟模拟器194操作以通过使用如图10所示的虚拟正向动力学模拟在虚拟刚性主体VRB上施加总力FT的效应来确定下一个命令姿势CP。
在虚拟模拟VS中，可对虚拟刚性主体VRB强加速度极限VL。在一些情况下，可将速度极限VL设定为高，使得它们通常不影响虚拟模拟VS，或可将它们设定为任何期望的值。在虚拟模拟VS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VRB处于初始姿势(例如，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194在前一时间步中输出的最终姿势和最终速度。
最终，虚拟模拟器194基于其虚拟模拟VS来计算和输出下一个命令姿势CP。控制系统124被配置来命令操纵器102基于命令姿势CP来移动工具104，这理想地致使工具104以通过向用户提供引导用户将工具104放置在目标状态ST的触觉反馈来引导用户将工具104放置在目标状态ST的方式移动。因此，用户能够手动操纵工具104，同时控制系统124通过利用引导约束GC来协助引导工具移动。由用户施加到工具104的力和扭矩(例如，由传感器180检测到)仍然可影响工具104的整体移动，因为在运行虚拟模拟VS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104可移动远离目标状态ST。然而，如上所指出，引导约束GC具有可配置的刚度和阻尼(例如，基于弹簧参数PS和阻尼参数PD)，在某些情形中，所述可配置的刚度和阻尼可被调谐成使得外力Fext的影响变小。
图11总结由行为控制178实行的各种步骤。这些包括由如上所述的约束求解器192和虚拟模拟器194进行的步骤。在步骤1100中，基于从传感器180获取的读数来计算外力Fext。在步骤1102中，将与各种虚拟约束VC相关联的约束数据从路径处理程序188、引导处理程序190、边界处理程序196和/或其他约束源馈送到约束求解器192中。
在步骤1104-1108中，由虚拟模拟器194实行刚性主体计算以确定虚拟刚性主体VRB的逆质量矩阵M-1、惯性力F惯性和阻尼力F阻尼。在步骤1110-1114中，约束求解器192利用来自在步骤1104-1108中进行的刚性主体计算的输出以及在步骤1102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1116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1118中，在由虚拟模拟器194进行的虚拟模拟VS中将总力FT施加到虚拟刚性主体VRB，以在步骤1120中确定虚拟刚性主体VRB的新的姿势和速度，并且最终在步骤1122中将新的姿势和速度变换到工具中心点TCP。在步骤1124中，由虚拟模拟器194输出新的命令姿势CP(TTCP)和速度(VTCP)。
现在参考图12，示意性地示出手术系统100的部分(包括图1的工具104中的一个)以及一般地描绘的目标部位TS，其中目标部位TS被示出为支撑在工作表面WS诸如手术台(未详细示出)上。这里，目标部位TS表示要在手术程序期间治疗的患者P的解剖结构的一部分，诸如骨骼或另一类型的组织。为此，工具104被示出为沿着轨迹T与目标部位TS间隔开，如上所指出，所述轨迹T由导航系统128监视或以其他方式从紧固到目标部位TS的第一患者跟踪器160A的被跟踪状态已知。出于例示性目的，第一工具跟踪器160G被示出为牢固地固定到工具104。然而，虽然导航系统128可如上所指出在公共坐标系内跟踪多个跟踪器160的状态，但是被跟踪对象(例如，工具104)的姿势可以其他方式(例如，基于已知的几何关系)确定并且在坐标系之间(例如，在操纵器坐标系MNPL与定位器坐标系LCLZ之间)变换。换句话讲，手术系统100可相对于第一患者跟踪器160A确定工具104的姿势改变，而不必利用所例示的第一工具跟踪器160G，因为除其他事项外，工具104和能量施加器114的几何形状是已知的。
在此代表性实例中，工具104类似地包括安装件148(以虚线描绘)以促进可释放地附接到操纵器102的联接件110，并且器械112被实现为具有发电组件152(以虚线描绘)的电动手术装置150，发电组件152由工具控制器136或控制系统124的另一部分驱动。这里，发电组件152被实现为马达，所述马达被配置来选择性地生成围绕驱动轴线AD的旋转扭矩以驱动一种或多种类型的能量施加器114。为此，电动手术装置150包括卡盘组件198(参见图12；以虚线描绘)，所述卡盘组件198被设置成与发电组件152旋转连通以促进能量施加器114的可释放附接，在此例示性实施方案中，能量施加器114由骨钻154(附件未详细示出)实现。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，工具104、器械112和/或能量施加器114可具有多种不同的配置。这里，工具104包括布置成由用户抓握的握持区域200，所述握持区域200具有可充当输入装置146(例如，启动和停止能量施加器114的旋转)的触发器。在一些实施方案中，工具104和/或电动手术装置150可与先前引用的标题为“End Effector of a SurgicalRobotic Manipulator”的美国专利号9,566,121中所示者类似。在一些实施方案中，工具104和/或电动手术装置150可与标题为“Systems and Tools for Use With SurgicalRobotic Manipulators”的美国专利申请公布号US 2018/0110572 A1中所示者类似，所述专利申请公布的内容特此以引用方式以其全文并入。设想到其他配置。
继续参考图12，电动手术装置150的发电组件152通过框架202(一般以虚线描绘)诸如通过一个或多个紧固件(未示出)可操作地附接到安装件148。虽然在所例示的实施方案中框架202与安装件148分开形成，但是也设想到其他配置，并且安装件148可由足以促进联接到操纵器102的任何合适数量的部件形成或以其他方式实现。类似地，框架202可类似地由多个不同部件限定，所述部件协作以支撑发电组件152以及工具104的其他部分。在一些实施方案中，工具104可采用一个或多个盖204来隐藏、保护或以其他方式遮蔽某些部件(例如，安装件148)以免受外部环境影响。盖204还可隐藏电气部件(例如，线、电连接器、印刷电路板等)，并且可被成形和布置来容许触及无菌接口系统(未示出，但一般在相关领域中已知)，所述无菌接口系统布置在安装件148与操纵器102的联接件110之间，以促进将工具104可去除地附接到操纵器102。这里，可以足以将工具104紧固到操纵器102的多种不同方式来实现联接件110到安装件148的可释放附接。
在图12中，以虚线示出目标部位TS的一部分，以描绘将由骨钻154沿着轨迹T去除的组织(例如，骨骼)的预期体积，出于例示性目的，轨迹T在此代表性实例中充当铣削路径MP。这里同样地，由目标参考点TRP表示目标部位TS处的组织去除的预期“深度”，目标参考点TRP与工具中心点TCP一样可被限定为坐标系。这里，工具中心点TCP和目标参考点TRP均被示出为沿着轨迹T布置。
从图12继续到图13A，工具104诸如通过以本文所述的各种模式中的一种或多种操作操纵器102而已经沿着轨迹T推进以与目标部位TS接合，其中能量施加器114的骨钻154沿着由操纵器102维持的轨迹T设置。更具体地，由骨钻154限定的能量施加器114的工具中心点TCP沿着轨迹T设置，其中能量施加器114围绕驱动轴线AD旋转，所述驱动轴线AD同样与轨迹T对齐。这里，工具中心点TCP与目标参考点TRP间隔开，以例示当工具104沿着轨迹T推进时将由骨钻154去除的组织(例如，骨骼)的剩余体积。这在图13B中描绘，图13B示出布置成更靠近目标参考点TRP的工具中心点TCP(比较图13B与图13A)。
图14A至图14D依次例示手术系统100的可在某些使用情况下发生的假想“逃离”条件，所述使用情况导致能量施加器114或工具104的另一部分变得有效地“附接”到操纵器102，使得目标部位TS和工具104以一个或多个自由度DOF短暂地或持续延长持续时间地一起移动。这里，通过例示性实例，能量施加器114可潜在地遇到组织类型或特性的改变、不规则性或诸如由摩擦和/或热量所致的其他类型的阻力增加、切割性能降低、组织碎片(例如，“切屑”)积聚等，它们可能显著到足以中断组织去除并且导致能量施加器114短暂地或持续延长时段地“锁定”到目标部位TS处的组织。在一些情况下，上述阻力可导致能量施加器114偏离轨迹T“锁定”到目标部位TS处的组织。
上述假想场景可通过比较图14A至图14B来例示。这里，在图14A中，能量施加器114正接合目标部位TS，并且遇到对围绕驱动轴线AD旋转的显著阻力，这使工具中心点TCP偏离由操纵器102维持的轨迹T，并且导致能量施加器114变得“锁定”到目标部位TS，如由图14B所例示的轨迹T与驱动轴线AD之间的夸大不对齐所描绘。虽然工具104的目标状态ST可以多种不同方式限定，但是在此代表性实例中出于例示性目的，目标状态ST包括驱动轴线AD与轨迹T之间的重合对齐。然而，由于图14B所示的工具104的当前状态SC包括驱动轴线AD与轨迹T之间的不对齐，其中能量施加器114“锁定”到目标部位TS，因此当操纵器102试图从当前状态SC移动到目标状态ST时可能发生“逃离”条件。“逃离”条件也可能由于患者跟踪器160从目标部位TS松动由此致使损失跟踪准确度而发生。
在此例示性实例中，并且如通过连续比较图14B至图14D所示，工具104朝向目标状态ST的移动也导致目标部位TS的对应移动，如上所指出，目标部位TS的对应移动基于由导航系统128监视的第一患者跟踪器160A的被跟踪状态来限定轨迹T(以及因此目标状态ST)。换句话讲，当操纵器102试图将工具104从当前状态SC移动到目标状态ST(例如，使得驱动轴线AD回到与轨迹T重合对齐)时，目标部位TS与工具104一起移动并且不会达到目标状态ST(例如，不会出现重合对齐)。如图14C至图14D所描绘，这最终可导致目标部位TS被“提离”工作表面WS。
本文公开用于在“逃离”条件发生时对其进行检测和/或作出响应的各种技术。为此，并且如以下更详细地描述，在一些实施方案中，手术系统100采用工具104来接合目标部位TS，其中操纵器102被配置来相对于目标部位TS支撑工具104(例如，在其中工具中心点TCP沿着轨迹T定位的目标状态ST)。如以下更详细地描述，感测系统206(参见图1至图2)被配置来检测与工具104、操纵器102、目标部位TS或它们的组合中的一者或多者相关联的一个或多个系统条件SYC。联接到操纵器102和感测系统206的控制器124(例如，操纵器控制器132、工具控制器136或手术系统100的另一合适的控制器；参见图25)被配置来在以下模式之间操作操纵器102：第一模式M1，所述第一模式M1用于根据第一约束标准C1维持工具104相对于目标部位TS的对齐；以及第二模式M2，所述第二模式M2用于根据不同于第一约束标准C1的第二约束标准C2维持工具104相对于目标部位TS的对齐。控制器124被进一步配置来响应于确定一个或多个系统条件SYC中的至少一个满足预定条件PR而将操纵器102的操作从第一模式M1改变到第二模式M2。虽然感测系统206、系统条件SYC、第一模式M1和第二模式M2、第一约束标准C1和第二约束标准C2以及预定条件PR各自在以下更详细地描述，但是可既结合经由能量施加器114接合目标部位TS的工具104又结合经由可植入部件116接合目标部位TS的工具104利用本文所述的技术，诸如图15所描绘。然而，设想到其他配置，并且以下更详细地描述另外的技术。
在一些实施方式中，第一模式M1和第二模式M2是可被激活和去激活的并且诸如其中可直接通知用户模式改变或其中模式改变之间存在暂停的操纵器102的分离且离散的操作模式。然而，另选地，在另一实施方式中，第一模式M1和第二模式M2可理解为根据反馈控制方案控制操纵器102的不同方式。例如，约束标准C1、C2可实时或近实时地改变，而无需激活或去激活任何特定模式，无需直接通知用户，或无需模式改变之间的暂停。换句话讲，约束标准C1、C2可在或不在用户甚至知道或启动任何模式M1、M2的情况下以无缝过渡方式改变。设想到这些实施方式的任何组合，并且术语“第一模式”和“第二模式”应理解为非限制性地包括这些实施方式中的任一个。
在一个实施方式中，第一约束标准C1和第二约束标准C2以及与它们相关联的任何参数的值是基于诸如临床数据、实验数据、外科医生偏好或系统默认设置等信息在术前确定或预定的。在另一实施方式中，第一约束标准C1和第二约束标准C2以及与它们相关联的任何参数的值可由控制器基于来自检测系统条件SYC或在目标部位与操纵器之间出现的力的感测系统、传感器、导航系统等的测量结果来动态地并且在术中确定和/或调节的。在其他实施方式中，第一约束标准C1和第二约束标准C2中的一个是术前确定或预定的，并且第一约束标准C1和第二约束标准C2中的另一个是术中确定的。
现在参考图15，手术系统100的部分(包括图1的工具104中的一个)被示出为邻近一般描绘的目标部位TS。在此实施方案中，工具104被配置来促进沿着由操纵器102维持的轨迹T在目标部位TS(例如，扩孔的髋臼)处冲击可植入部件116(例如，假体髋臼杯)。为此，工具104的器械112被实现为引导件208，所述引导件208除其他事项外被配置来附接到机械臂108的联接件110并且支撑冲击器组件210以用于在一个或多个自由度上进行相对移动，如以下更详细地描述。冲击器组件210除其他事项外包括：接口212，其用于可释放地紧固可植入部件116；以及头部214，其被布置来接收(例如，诸如通过用木槌敲击头部214施加的)冲击力FI。
在本文所例示的代表性实施方案中，可植入部件116是大体半球形的杯，所述杯形成适于冲击到患者P的髋臼中的人造髋关节的一部分。在冲击之前，对患者P的髋臼进行扩孔或以其他方式进行准备，以便限定目标部位TS。扩孔、准备和冲击过程在标题为“Depthof Impaction”的美国专利号8,979,859以及标题为“Tool,Kit-of-Parts for Multi-Functional Tool,and Robotic System for Same”的美国专利号8,753,346中有详细描述，所述专利的公开内容各自特此以引用方式以其全文并入。虽然本公开描述涉及髋关节的各种骨科程序，但是本文所述的主题可适用于患者P身体B中的其他关节，诸如例如肩、肘、腕、脊柱、膝、足踝等。此外，本公开的手术系统100可结合多种不同类型的骨科程序利用，并且可植入部件116可具有多种不同的类型、样式、配置等(例如，杯、柄、螺钉、销、杆、线、锚固件、假体等)。因此，设想到各种工具104，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可利用各种样式、类型和/或配置的引导件208、冲击器组件210和/或可植入部件116。
现在参考图15至图17B，引导件208的代表性实施方案被配置来促进在冲击器组件210的移动和可植入部件116因来自引导件208(以及因此操纵器102)的支撑而受到限制之前促进可植入部件116与冲击器组件210一起的有利定位。换句话讲，用户(例如，外科医生)可手动地用可植入部件116逼近目标部位TS，而不必初始地用引导件208支撑冲击器组件210。在手动完成所述逼近并且已经将可植入部件116设置在目标部位TS处之后，外科医生随后可以快速、有效且可靠的方式将可植入部件116和冲击器组件210铰接成与引导件208接合以促进将可植入部件116与由操纵器102维持的轨迹T对齐。在维持恰当对齐的情况下，外科医生可对冲击器组件210的头部214施加冲击力FI以将可植入部件116安装到目标部位TS中。为此，如以下更详细地描述，引导件208被配置来容许冲击器组件210在手术系统100的某些操作条件下相对于引导件208以一个或多个自由度移动。
现在参考图16A至图16B，如上所指出，冲击器组件210通常包括用于可释放地紧固可植入部件116的接口212以及被布置来接收冲击力FI的头部214。冲击器组件210还包括限定第一接合表面218的凸缘216，如以下更详细地描述，第一接合表面218邻接引导件208以限制冲击器组件210在使用期间的移动。冲击器组件210通常沿着第一轴线A1在邻近接口212的远侧末端220与邻近头部214的近侧末端222之间延伸。凸缘216布置在接口212与头部214之间，具有限定第一接合表面218的球形轮廓，并且限定沿着第一轴线A1的凸缘参考点FRP，所述凸缘参考点FRP布置在凸缘216的中心中(例如，限定第一接合表面218的球形轮廓的几何中心处)。类似地，可植入部件116限定沿着冲击器组件210的第一轴线A1的植入物参考点IRP，假体可释放地附接到植入物参考点IRP(参见图15)，并且目标部位TS限定沿着轨迹T的目标参考点TRP(参见图15)。轴224沿着第一轴线A1从远侧末端220延伸到凸缘216，并且带有把手228的柄部226在凸缘216与头部214之间延伸。下文将更加详细地描述以上介绍的冲击器组件210的部件中的每一个。
在本文所例示的代表性实施方案中，头部214、凸缘216和轴224由通常以230指示的冲击器主体限定，并且接口212由容纳在冲击器主体230内的承载轴232限定。更具体地，冲击器主体230限定中空区域234，所述中空区域234沿着第一轴线A1从远侧末端220穿过轴224和柄部226朝向头部214延伸。承载轴232通常沿着第一轴线A1在远侧轴末端236与近侧轴末端238之间延伸，所述远侧轴末端236与所述近侧轴末端238之间设置有一个或多个轴承区域240以促进旋转和力分布。接口212布置在远侧轴末端236处，并且可释放地接合可植入部件116，使得冲击器组件210和可植入部件116在附接时一起移动。为此，接口212和可植入部件116各自设置有通常以242指示的相应螺纹接合部(例如，内螺纹和外螺纹；参见图16A)，这允许可植入部件116可释放地附接到冲击器组件210。
邻近承载轴232的螺纹接合部242，冲击器主体230设置有形成在轴224的远侧末端220处的键部分244。键部分244具有大体矩形轮廓，所述轮廓被成形来接合形成在可植入部件116中的对应形状的凹口部分246(参见图15A；以虚线描绘)。此配置容许可植入部件116相对于轴224(以及因此柄部226)转位，这对于可植入部件116具有需要相对于目标部位TS对齐的某些特征的应用可能是有利的。此外，此配置还有助于促进可植入部件116与冲击器组件210之间的可释放附接，因为承载轴232相对于轴224的旋转和平移可用于脱离接合螺纹接合部242，而无需也使轴224围绕第一轴线A1旋转。为此，柄部226还设置有笼248，所述笼248设置在头部214与把手228之间，所述笼248被成形来容纳旋钮250并促进对旋钮250的触及，所述旋钮250进而可操作地附接到承载轴232的近侧轴末端238。在所例示的实施方案中，旋钮250包括沿着第一轴线A1形成的轴向旋钮孔252，以及横向于第一轴线A1形成并且设置成与轴向旋钮孔252连通的横向旋钮孔254。轴向旋钮孔252被成形来接收承载轴232的近侧轴末端238，并且横向旋钮孔254被成形来接收横向销256，所述横向销256也被接收在形成于承载轴232中的横向轴孔258内(参见图16B)。除了确保承载轴232的保持之外，此配置还容许旋钮250和承载轴232同时围绕第一轴线A1旋转和平移。这里，柄部226的笼248具有大体U形轮廓并且被配置来容许旋钮250沿着第一轴线A1的有限平移，同时还使外科医生能够触及旋钮250。
现在参考图15和图17A至图17B，如上所指出，工具104的例示实施方案包括引导件208以可释放地紧固冲击器组件210，以便除其他事项外促进经由操纵器102的机械臂108的轨迹T维持第一轴线A1与第一轴线A1的对齐。为此，引导件208通常包括适于附接到操纵器102的安装件148(参见图15；一般以虚线描绘)，以及操作性地附接到安装件148并且具有沿着第二轴线A2延伸的通道262的主体260。在本文所例示的代表性实施方案中，引导件208的主体260设置有一个或多个螺纹孔264和凹陷区域266(参见图17A至图17B)，所述一个或多个螺纹孔264和所述凹陷区域266被成形和布置来诸如通过紧固件(未示出)紧固到安装件148(参见图15；一般地描绘)。虽然在所例示的实施方案中图15所描绘的安装件148与主体260分开形成，但是也设想到其他配置，并且引导件208可由足以促进联接到操纵器102的任何合适数量的部件形成或以其他方式实现。这里同样地，在一些实施方案中，工具104的引导件208可采用一个或多个盖204来隐藏、保护或以其他方式遮蔽某些部件(例如，安装件148)以免受外部环境影响。盖204还可隐藏电气部件(例如，线、电连接器、印刷电路板等)，并且可被成形和布置来容许触及无菌接口系统(未示出，但一般在相关领域中已知)，所述无菌接口系统布置在安装件148与机械臂108的联接件110之间，以促进将工具104可去除地附接到操纵器102。这里同样地，可以足以将工具104紧固到操纵器102的多种不同方式来实现联接件110到安装件148的可释放附接。
如图17A至图17B所示，形成在引导件208的主体260中的通道262限定开口268，所述开口268被布置来接收冲击器组件210的轴224的一部分穿过其中。引导件208还包括通常以270指示的第二接合表面(也参见图15)和限制器272。第二接合表面270被成形来邻接第一接合表面218，并且限制器272被配置来维持接合表面218、270之间的邻接并且促进轴线A1、A2与由操纵器102维持的轨迹T的同轴对齐。引导件208的开口268被布置来当引导件208设置在凸缘216与冲击器组件210的接口212之间时容许冲击器组件210的轴224从中穿过，以便促进使第一轴线A1与第二轴线A2对齐。如图16A中以虚线描绘，冲击器组件210的轴224具有第一周边274，并且冲击器组件210的凸缘216具有大于第一周边274的第二周边276。换句话讲，凸缘216大于轴224并且无法穿过引导件208的开口268，但轴224被设定尺寸成能够穿过开口268。
继续参考图17A至图17B，如上所指出，引导件208的限制器272被配置来在冲击期间维持第一接合表面218与第二接合表面270之间的邻接，并且有助于促进实现轴线A1、A2与由操纵器102维持的轨迹T的同轴对齐。为此，所例示的实施方案的限制器272包括邻近通道262设置的通常以278指示的一对指状物。指状物278从引导件208的主体260延伸到彼此间隔开的相应指状物末端280，以便在它们之间限定开口268(参见图15)。指状物278还各自限定通常以282指示的相应弧形表面。弧形表面282被布置来当第二接合表面270邻接第一接合表面218时接触冲击器组件210的凸缘216，这维持第一接合表面218与第二接合表面270的邻接并且限制冲击器组件210相对于引导件208的移动，如下所述。限制器272的弧形表面282与引导件208的第二接合表面270基本上相连，并且第二接合表面270和弧形表面282两者至少部分地由通道262限定。更具体地，并且如图17A中最佳描绘的，限制器272的弧形表面282和引导件208的第二接合表面270各自以共同的半径284与第二轴线A2间隔开，使得通道262具有基本上连续且大体圆柱形的C形轮廓，并且限定第二接合表面270和弧形表面282两者。
当向冲击器组件210的头部214施加冲击力FI时，可植入部件116和冲击器组件210必然沿着轨迹T平移。因此，引导件208和冲击器组件210被配置来确保当凸缘216在通道262内移动时(例如，当外科医生用木槌连续敲击冲击器组件210的头部214时)维持第一接合表面218与第二接合表面270之间的邻接。为此，引导件208的通道262在第一轴向通道末端262A与第二轴向通道末端262B之间延伸，所述第一轴向通道末端262A和所述第二轴向通道末端262B沿着第二轴线A2以大于凸缘216的厚度的深度彼此间隔开(未详细示出)。这里，在此实施方案中，引导件208限定工具中心点TCP，所述工具中心点TCP沿着第二轴线A2布置在通道262的中心中(例如，在第一轴向通道末端262A与第二轴向通道末端262B之间等距地间隔)。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，工具中心点TCP可以其他方式限定。
由于凸缘216具有如上所指出的大体球形轮廓，因此当第二接合表面270邻接第一接合表面218时，只有凸缘216的限定第一接合表面218的部分实际上接合圆柱形通道262。因此，通道262有利地被配置成足够深以确保凸缘216可容易地定位在通道262内并且在冲击期间保持与通道262邻接。然而，维持第二接合表面270与第一接合表面218之间的邻接可以其他方式实现，诸如通过在冲击期间利用操纵器102沿着轨迹T并且朝向目标部位TS推进引导件208(例如，以将工具中心点TCP定位在凸缘参考点FRP处)。设想到其他配置。
如图17B中最佳所示，引导件208的主体260还包括凹坑286，所述凹坑286容纳传感器子组件288、从动子组件290和输入模块292，以下更详细地描述它们中的每一者。凹坑286延伸到与通道262连通，以促进邻近通道262坐置在凹坑286中的从动子组件290的附接。这里，从动子组件290的一部分也限定第二接合表面270的一部分(参见图17A)。
传感器子组件288通常包括传感器外壳294，所述传感器外壳294经由紧固件(未详细示出)紧固到引导件208的主体260并且支撑第一触发器传感器296、第二触发器传感器298和输入传感器300，它们中的每一者可设置成与控制器124(例如，操纵器控制器132、工具控制器136或另一合适的控制器)或手术系统100的其他部件通信(例如，有线或无线电通信)。输入传感器300被布置以便由输入模块292接合或以其他方式设置成与输入模块292通信，并且第一触发器传感器296和第二触发器传感器298被布置以便由从动子组件292接合或以其他方式设置成与从动子组件290通信。如从以下后续描述将了解，传感器子组件288的每个传感器可以是多种不同类型、样式、配置等的，并且本公开设想到除了本文具体例示的那些之外的其他配置。
输入模块292被配置用于由外科医生选择性地致动并且通常包括输入框架302和输入按钮304。输入框架302经由一个或多个紧固件(未详细示出)紧固到引导件208的主体260，并且支撑输入按钮304以便相对于输入框架302移动。输入按钮304包括突起306，所述突起306被布置成响应于外科医生的致动(例如，通过按压输入按钮304)而接合输入传感器300。在一些实施方案中，输入按钮304可诸如通过弹簧(未示出)弹性地偏置远离输入框架。然而，设想到其他配置。输入模块292可被配置来促进在手术程序期间以不同方式操作操纵器102，并且可充当输入装置146。
与传感器子组件288一样，从动子组件290容纳在形成于引导件208的主体260中的凹坑286内，并且利用紧固件(未详细示出)紧固到主体260。从动子组件290通常包括支撑第一触发器310和第二触发器312的从动子外壳308，在所例示的实施方案中，第一触发器310和第二触发器312被成形和布置来抵靠冲击器组件210的凸缘216接合。为此，第一触发器310和第二触发器312延伸到通道262中并且由从动子外壳308支撑，以便响应于与凸缘216的接合而朝向传感器子组件288偏转，并且独立地致动支撑在从动子外壳308内的相应推杆(未示出)，所述相应推杆分别接合第一触发器传感器296和第二触发器传感器298。这里，从动子组件290和传感器子组件288促进确定凸缘216在通道262内的存在和/或凸缘216在第一轴向通道末端262A与第二轴向通道末端262B之间的相对位置中的一者或多者的能力，诸如基于对应于凸缘216沿着通道262的轴向位置的改变促进可植入部件116在目标部位TS处的冲击期间沿着轨迹T的“跟踪”移动。
如上所指出，操纵器102被配置来相对于目标部位TS定位工具104并且维持轨迹T，在涉及冲击可植入部件116的实施方案中，所述轨迹T是大体线性的并且与轴线A1、A2对齐。这里，向冲击器组件210的头部214施加的外部冲击力FI转移通过冲击器组件210并且到达可植入部件116，这进而致使可植入部件116沿着轨迹T朝向目标部位TS推进。虽然以下更详细地描述冲击可植入部件116的过程，但是在某些条件下，维持轨迹T可涉及操纵器102限制引导件208相对于目标部位TS的所有或某些类型的移动，和/或在一些实施方案中，可涉及将引导件208的移动限制或引导为沿着轨迹T相对于目标部位TS平移。操纵器102可容许外科医生沿着轨迹T平移引导件208，以除其他事项外促进冲击器组件210的轴224穿过引导件208的开口268，如上所指出。手术程序的某些步骤可涉及以不同方式控制操纵器102。此外，本公开设想到工具104的各种配置，并且在一些实施方案中，手术系统100、工具104、器械112和/或可植入部件116的一个或多个部分可类似于如标题为“End Effectors,Systems,And Methods For Impacting Prosthetics Guided By Surgical Robots”的美国专利申请公布号US 2019/0231446 A1中所述，所述专利申请公布的公开内容特此以引用方式以其全文并入。设想到其他配置。
现在参考图18至图21D，示意性地示出手术系统100的部分，以及一般地描绘的目标部位TS，其中目标部位TS被示出为支撑在工作表面WS(例如，手术台；未详细示出)上。这里，目标部位TS表示可植入部件116在冲击到髋臼杯中时的预期位置(图18中以虚线示出的预期位置)。这里，髋臼已被扩孔或以其他方式准备以限定轨迹T并且具有牢固地固定到其上的第一患者跟踪器160A。如上所指出，由导航系统128监视的第一患者跟踪器160A的被跟踪状态(例如，位置和/或取向数据，或基于其的数据)用于促进维持目标状态SA以确保操纵器102与目标部位TS的对齐，诸如通过控制操纵器102的机械臂108以保持由引导件208限定的第二轴线A2与由目标部位TS限定的轨迹T重合对齐。
在图18中，工具104的安装件148(出于例示性目的由盖204表示；也参见图15)和引导件208定位成邻近由操纵器102(以虚线部分地描绘和示出)支撑的目标部位TS，其中第二轴线A2与轨迹T对齐(并且因此其中工具中心点TCP沿着轨迹T布置)。冲击器组件210被示出为与目标部位TS和引导件208间隔开，其中可植入部件116紧固到接口212并且沿着第一轴线A1布置。出于例示性目的，第一工具跟踪器160G被示出为牢固地固定到引导件208，并且第二工具跟踪器160I被示出为牢固地固定到冲击器组件210。然而，虽然导航系统128可如上所指出在公共坐标系内跟踪多个跟踪器160的状态，但是被跟踪对象(例如，工具104)的姿势可以其他方式(例如，基于已知的几何关系)确定并且在坐标系之间(例如，在操纵器坐标系MNPL与定位器坐标系LCLZ之间)变换。换句话讲，手术系统100可确定工具104相对于第一患者跟踪器160A的姿势改变，而不必利用所例示的第一工具跟踪器160G和/或第二工具跟踪器160I，因为除其他事项外，引导件208、冲击器组件210和可植入部件116的几何形状是已知的，并且当凸缘216设置在通道262内时，可确定凸缘参考点FRP相对于工具中心点TCP的布置(例如，经由传感器子组件288)。
现在参考图19A，冲击器组件210已经与可植入部件116一起移动到邻近目标部位TS(这里为扩孔的髋臼)的初始位置中，其中由冲击器组件210限定的第一轴线A1与由引导件208限定的第二轴线A2和由目标部位TS限定的轨迹T同轴对齐。这里，冲击器组件210的凸缘216设置在引导件208的通道262内，其中凸缘参考点FRP设置成与工具中心点TCP对齐。由可植入部件116限定的植入物参考点IRP与由目标部位TS限定的目标参考点TRP间隔开。
如上所指出，当在引导-触觉模式或其他模式中操作时，手术系统100可被配置来将传感器180检测到的力解释为用于驱动操纵器102的机械臂108的输入，除其他事项外，这可允许外科医生接触或以其他方式接合抵靠机械臂108和/或工具104的不同部分，以使它们在某些操作条件期间在某些方向上移动。为了例示此概念，图19A描绘诸如由于外科医生用他们的手在引导件208或冲击器组件210上推动和/或拉动(未详细示出)而作用在引导件208上的所施加的力FA。出于例示性目的，如果操纵器102未如这里所描绘被配置来维持与轨迹T的对齐(例如，其中目标状态ST被限定以便导致第二轴线A2与轨迹T之间的重合对齐)，则图19A所描绘的所施加的力FA可导致工具104(经由机械臂108)移动到图19B所描绘的布置，从而使轴线A1、A2脱离与轨迹T的重合对齐(例如，如图19A所描绘)。在此假想的例示性实例中，外科医生可在手动模式或(例如，经由输入按钮304激活的)另一模式中操作机械臂108，以精调或最终确定他们对目标部位TS的逼近并且在冲击之前将可植入部件116初始定位成与目标部位TS接合，之后随后使轴线A1、A2与由目标部位TS限定的轨迹T重合对齐并且维持与操纵器102的重合对齐，如图20A所例示。
在图20A所描绘的例示性实例中，操纵器102正被操作以便维持(由引导件208限定的)第二轴线A2与目标部位TS的对齐(例如，经由与轨迹T重合)，所述目标部位TS也与(由冲击器组件210限定的)第一轴线A1对齐。这里，目标状态ST可由沿着轨迹T设置的工具中心点TCP限定。在如这里所例示由操纵器102维持对齐的情况下，外科医生可对冲击器组件210的头部214施加冲击力FI，诸如通过用木槌(未示出)连续敲击头部214以便将可植入部件116安装到目标部位TS中。如图20B所例示，响应于恰当地向头部214施加冲击力FI，冲击器组件210和可植入部件116一起沿着轨迹T移动以使(由植入物部件116限定的)植入物参考点IRP与(由目标部位TS限定的)目标参考点TRP对齐。
这里，操纵器102可被配置来在冲击期间在槌击之间将引导件208沿着轨迹T朝向目标部位TS推进，以便使(由引导件208的通道262限定的)工具中心点TCP回到与(由冲击器组件210的凸缘216限定的)凸缘参考点FRP的对齐，如上所指出，这可经由随动子组件290和/或传感器子组件288和或经由导航系统128基于第二工具跟踪器160I和第一工具跟踪器160G的被跟踪状态来确定。如果例如轴向通道末端262A、262B以足够大的距离彼此间隔开以确保在冲击期间凸缘216将保持与通道262接合，则操纵器102可不必沿着轨迹T推进引导件208，这在以下实施方案中可能是有利的：手术系统100能够诸如通过使用联接到工具104的线性可变差动变压器(LVDT)线圈布置以高精确度确定凸缘216沿着通道262的相对位置。这种类型的LVDT线圈布置的实施方案在先前引用的标题为“End Effectors,Systems,AndMethods For Impacting Prosthetics Guided By Surgical Robots”的美国专利申请公布号US 2019/0231446 A1中有所描述。设想到其他配置。
如上所指出，工具104的所例示的实施方案通常被配置来容许冲击器组件210相对于引导件208平移，以促进使可植入部件116与目标部位TS接合。此外，工具104的实施方案还通常被配置来容许冲击器组件210相对于引导件208以一个或多个自由度旋转，和/或反之亦然。此相对旋转通过第一接合表面218与第二接合表面270之间出现的轴承型接触(例如，滑动接触)来实现。这里，冲击器组件210相对于引导件208旋转和平移的能力有助于防止大量的力和/或扭矩诸如例如在冲击力FI的施加期间从冲击器组件210转移到引导件208(并且因此转移到操纵器102)。然而，由于引导件208与冲击器组件210之间出现的物理接触，某一量的力和/或扭矩必然以一个或多个自由度DOF转移到操纵器102。
在图21A中，冲击器组件210、引导件208、可植入部件116和操纵器102通常以与图20A所描绘相同的方式布置，其中(由引导件208限定的)第二轴线A2与目标部位TS对齐(例如，经由与轨迹T重合)，所述目标部位TS也与(由冲击器组件210限定的)第一轴线A1对齐，并且其中可植入部件116在冲击之前被布置成与目标部位TS接合。然而，在图21A中，冲击力FI被示出为不恰当地施加到冲击器组件210的头部214(例如，横向于轨迹T)。这里，冲击力FI的不恰当施加(例如，大小相对高和/或与轨迹T不对齐)可能导致可植入部件116以与轨迹T不对齐(例如，其中第一轴线A1和第二轴线A2与轨迹T不重合)的方式坐置(例如，部分地坐置)到目标部位TS中。图21B中描绘这种假想场景，图21B出于例示性目的示出轴线A1、A2与轨迹T之间的夸大不对齐。
在图21B中，像以上结合图14A至图14D所描述的场景一样，由于与轨迹T的不对齐，可能会出现手术系统100的假想“逃离”条件。这里，冲击力FI的不恰当施加已经使可植入部件116以致使第一轴线A1和第二轴线A2与轨迹T不对齐的方式坐置到目标部位TS中。虽然工具104的目标状态ST可以多种不同的方式限定，但是在此代表性实例中出于例示性目的，目标状态ST包括(或以其他方式导致)第二轴线A2与轨迹T之间的重合对齐(例如，其中工具中心点TCP沿着轨迹T设置)。然而，由于图21B所示的工具104的当前状态SC包括第二轴线A2与轨迹T之间的不对齐，其中可植入部件116“锁定”到目标部位TS，因此在操纵器102试图从当前状态移动到目标状态ST时，可类似地发生“逃离”条件。“逃离”条件也可能由于患者跟踪器160从目标部位TS松动由此致使损失跟踪准确度而发生。
在此例示性实例中，并且如通过连续比较图21B至图21D所示，工具104(例如，引导件208)朝向目标状态ST的移动(例如，以使工具中心点TCP回到轨迹T上)也导致目标部位TS的对应移动，如上所指出，目标部位TS的对应移动基于由导航系统128监视的第一患者跟踪器160A的被跟踪状态来限定轨迹T(以及因此目标状态ST)。换句话讲，当操纵器102试图将工具104(例如，引导件208)从当前状态SC移动到目标状态ST(例如，使得第一轴线A1和第二轴线A2回到与轨迹T重合对齐)时，目标部位TS与工具104一起移动并且不会达到目标状态ST(例如，不会出现重合对齐)。这里同样地，如图21C至图21D所描绘，这最终可导致目标部位TS被“提离”工作表面WS。
如上所指出，本公开设想到用于在“逃离”条件发生时检测“逃离”条件和/或对其作出响应的各种技术，包括：手术系统100，其利用具有器械112诸如引导件208的工具104来支撑冲击器组件210以促进可植入部件116与目标部位TS的接合(例如，如以上结合图18至图21D所描述)；以及手术系统100，其利用具有器械112诸如电动手术装置150的工具104来促进能量施加器114与目标部位TS的接合(例如，如以上结合图12至图14D所描述)。为此，控制器124可通过针对一个或多个预定条件PR(例如，第一预定条件PR1、第二预定条件PR2等)监视一个或多个系统条件SYC(例如，如经由感测系统206检测到)来检测“逃离”条件，如上所指出并且如以下更详细地描述。
感测系统206被配置来检测与工具104、操纵器102、目标部位TS或它们的组合中的一者或多者相关联的一个或多个系统条件SYC，如上所指出(参见图25)。换句话讲，感测系统206可检测与工具104相关联的一个或多个系统条件SYC、与操纵器102相关联的一个或多个系统条件SYC、和/或与目标部位TS相关联的一个或多个系统条件SYC。为此，在一些实施方案中，感测系统206可包括用于检测目标部位TS与操纵器102之间出现的力FD的传感器180。这里，例如，由传感器180检测到的力FD(例如，一个或自由度DOF上的力和/或扭矩)可限定由控制器124用来促进在第一模式M1与第二模式M2之间改变操纵器102的操作的系统条件SYC，如以下更详细地描述。在一些实施方案中，感测系统206可包括导航系统128的一个或多个部件(例如，定位器158)和/或一个或多个跟踪器160。这里，例如，由定位器158监视的跟踪器160的被跟踪状态可限定由控制器124用来促进在第一模式M1与第二模式M2之间改变操纵器102的操作的系统条件SYC，如以下更详细地描述。这里同样地，如上所指出，手术系统100的一个或多个部件能够(直接地或间接地)确定工具104在一个或多个坐标系内的布置(例如，工具中心点TCP在定位器坐标系LCLZ内的姿势)。这里，工具104的布置以及工具104的布置改变(例如，相对于一个或多个跟踪器160的移动)可限定由控制器用来促进在第一模式M1与第二模式M2之间改变操纵器102的操作的系统条件SYC，如以下更详细地描述。在一些实施方式中，感测系统206或传感器180可另外地或另选地包括：被配置来检测来自关节J的致动器中的任一个或多个的电流的传感器180；用于检测施加到关节J或关节致动器中的任一个或多个的扭矩或扭矩的传感器；或用于检测施加到关节J中的任一个或多个的任何其他外部(例如，反向驱动)力或扭矩的传感器。用于计算关节上的反向驱动力的方法的一个实例可像标题为“Robotic System and Method for Backdriving The Same”的美国专利号10,327,849中所描述者，所述专利以引用方式并入本文。由传感器180在关节J的致动器中的任一个或多个处获得的电流测量结果可转换成力或扭矩测量结果，所述力或扭矩测量结果可投影到工具104正在交互的目标部位TS上。在一些实例中，可将从关节获得的这些力扭矩测量结果可与来自被布置来检测在操纵器102与目标部位TS之间出现的力和/或扭矩的六个自由度DOF力/扭矩换能器的测量结果进行比较，或与由导航系统获得的有关患者或工具的状态数据进行比较。感测系统206可包括手术系统100的各种部件(或以其他方式与之通信)，通过非限制性实例，所述部件包括一个或多个器械112、关节编码器122、控制器124、132、134、136、输入装置146、输出装置144、用户接口142、发电组件152、指针156、定位器158、跟踪器160、摄像机170等。设想到其他配置。
系统条件SYC可以多种不同方式限定，包括基于手术系统100的不同部件和/或目标部位TS之间的关系。例如，(例如，在定位器坐标系LCLZ内跟踪的)第一患者跟踪器160A的姿势和(例如，变换到定位器坐标系LCLZ中或在定位器坐标系LCLZ内跟踪的)工具104的工具中心点TCP的姿势各自可限定相应系统条件SYC，并且第一患者跟踪器160A的姿势与工具中心点TCP的姿势一起的同时移动可限定不同的系统条件SYC。因此，本公开设想到多个不同的系统条件SYC，所述多个不同的系统条件SYC可基于在工具104、操纵器102和/或目标部位TS中的一者或多者处和/或之间出现的改变以各种方式限定。
现在参考图22A，如上所指出，控制器124被配置来在第一模式M1中操作操纵器102以基于第一约束标准C1维持工具104相对于目标部位TS的对齐，以及在第二模式M2中操作操纵器102以基于不同于第一约束标准C1的第二约束标准C2维持工具104相对于目标部位TS的对齐。为此，在一些实施方案中，第一约束标准C1和第二约束标准C2之间的差异可基于在其上限制(或容许)工具104相对于目标部位TS的移动的自由度DOF，以及可实现一个或多个自由度DOF上的移动的方式(也参见图25)。虽然以下结合图24A至图24C更详细地描述此概念，但出于例示性目的，图22A示出支撑工具104的器械112(这里，引导件208)的操纵器102，器械112与紧固到设置成与支撑在工作表面WS上的目标部位TS初始接合的可植入部件116的冲击器组件210间隔开，其中工具104的工具中心点TCP和目标部位TS的目标参考点TRP各自被示出为包括以笛卡尔格式表示的六个相应自由度DOF。
更具体地，工具中心点TCP和目标参考点TRP各自在公共坐标系(例如，定位器坐标系LCLZ或另一合适的坐标系)内限定相应x位置XP自由度DOF、y位置YP自由度DOF、z位置ZP自由度DOF、x取向ZO自由度DOF、y取向YO自由度DOF和z取向ZO自由度DOF。这里，工具中心点TCP相对于工具104是“固定的”并且为控制器124已知(例如，基于工具104与操纵器102的联接件110之间的几何关系)。类似地，目标参考点TRP相对于目标部位TS是“固定的”并且为控制器124已知(例如，基于联接到目标部位TS并且通过铰削髋臼限定的第一患者跟踪器160A的被跟踪状态)。出于例示性目的，工具中心点TCP和目标参考点TRP在图22A至图24C中被描绘为坐标系，其中x、y和z轴各自表示两个自由度DOF：坐标系在沿着轴线的方向上的平移，以及坐标系在围绕轴线的方向上的旋转。在图22A中，出于例示性目的，工具中心点TCP被布置成使得其z轴平行于轨迹T并且使得其x轴横向于轨迹T，并且目标参考点TRP被布置成使得其z轴与轨迹T重合。
在一些实施方案中，第一约束标准C1可包括其中工具104的移动相对于目标部位TS受到限制的第一数量N1的自由度DOF，并且第二约束标准C2可包括其中工具104的移动相对于目标部位TS受到限制的第二数量N2的自由度DOF，其中自由度DOF的第二数量N2不同于自由度DOF的第一数量N1。因此，在一些实施方案中，控制器124可被配置来以下模式中操作操纵器102：第一模式M1，以基于第一数量N1的自由度DOF维持工具104相对于目标部位TS的对齐；以及第二模式M2，以基于(不同的)第二数量N2的自由度DOF维持工具104相对于目标部位TS的对齐。
这里，第一数量N1可表示在第一模式M1中限定目标状态ST的“活动”自由度DOF的数量，并且第二数量N2可表示在第二模式M2中限定目标状态ST的“活动”自由度DOF的数量。例如，在感测系统206包括用于检测在目标部位TS与操纵器102之间出现的力FD以限定系统条件SYC的传感器180的情况下，在一些实施方案中，控制器124可基于用于在第一模式M1中操作操纵器102的总共六个自由度DOF(例如，x位置XP、y位置YP、z位置ZP、x取向XO、y取向YO和z取向ZO)来限定目标状态ST，并且可自动改变限定目标状态ST的方式以基于三个自由度DOF(例如，x取向XO、y取向YO和z取向ZO)在第二模式M2中操作操纵器102，只要由传感器180检测到的力FD满足预定条件PR即可。这里，预定条件PR可限定为由传感器180检测到的力FD(例如，一个或多个自由度DOF上的力和/或扭矩)，所述力FD指示诸如通过可植入部件116变得在目标部位TS处“固定”到患者P的解剖结构限定的潜在“逃离”条件，由此控制器124在第二模式M2中有效地改变目标状态ST以不再维持工具中心点TCP相对于目标部位TS的位置(例如，x位置XP、y位置YP和z位置ZP)。
因此，在一些实施方案中，控制器124可被配置来在第一模式M1中操作操纵器102以根据第一约束标准C1(例如，其基于目标取向OT和目标位置PT来限定目标状态ST)并且基于第一数量N1的自由度DOF来限制工具中心点TCP远离目标部位TS(或轨迹T)的移动，以及在第二模式M2中操作操纵器102以根据第二约束标准C1(例如，其基于目标取向OT而不是目标部位PT来限定目标状态ST)并且基于(不同的)第二数量N2的自由度DOF来容许工具中心点TCP远离目标部位TS的移动。虽然以下结合图24A至图24C更详细地描述此例示性实例，但是设想到其他配置，并且基于满足预定条件PR而在模式之间改变可基于经由感测系统206确定的各种系统条件SYC以多种不同的方式发生。
在一些实施方案中，自由度DOF的第二数量N2小于自由度DOF的第一数量N1，使得控制器124在第二模式M2中比在第一模式M1中容许工具104相对于目标部位TS在多至少一个自由度DOF上的移动。这里同样地，在一些实施方案中，第一约束标准C1和第二约束标准C2各自可包括至少一个取向自由度DOF(例如，x取向XO、y取向YO和/或z取向ZO)，第一约束标准C1可包括比第二约束标准C2多至少一个位置自由度DOF(例如，x位置XP、y位置YP和/或z位置ZP)，并且第一约束标准C1和第二约束标准C2两者可包括至少一个公共自由度DOF(例如，x取向XO、y取向YO和/或z取向ZO)。此外，在一些实施方案中，第一约束标准C1可包括至少一个位置自由度DOF(例如，x位置XP、y位置YP和/或z位置ZP)和至少一个取向自由度DOF(例如，x取向XO、y取向YO和/或z取向ZO)。然而，如从以下后续描述中将了解，设想到其他配置，并且第一标准C1和/或第二约束标准C2可根据例如在目标部位TS处进行的手术程序的类型、工具104(和/或能量施加器114或可植入部件116)的具体布置和配置、由操纵器102相对于目标部位TS布置工具104的方式等而以多种不同的方式限定。
在一些实施方案中，第一约束标准C1可包括第一弹性参数R1，并且第二约束标准C2可包括不同于第一弹性参数R1的第二弹性参数R2。因此，在一些实施方案中，控制器124可被配置来在第一模式M1中操作操纵器102以基于第一弹性参数R1维持工具104相对于目标部位TS的对齐，以及在第二模式M2操作操纵器102以基于(不同的)第二弹性参数R2维持工具104相对于目标部位TS的对齐。这里，第一弹性参数R1可表示或以其他方式对应于限定第一模式M1的一个或多个引导约束GC的调谐参数TPA(例如，弹簧参数PS和/或阻尼参数PD)，并且第二弹性参数R2可表示或以其他方式对应于限定第二模式M2的一个或多个引导约束GC的调谐参数TPA(例如，弹簧参数PS和/或阻尼参数PD)。如从以下后续描述中将了解，第一约束标准C1和/或第二约束标准C2可以多种不同的方式配置或限定，所述方式通过非限制性实例包括：当在第一模式M1或第二模式M2中操作时，针对每个“活动的”自由度DOF限定弹性参数。换句话讲，第一约束标准C1可包括三个“活动的”自由度DOF，每个自由度具有相应第一弹性参数，所述相应第一弹性参数彼此可相同或可不同。设想到其他配置。
在一些实施方案中，控制器124可被配置来在第二模式M2中比在第一模式M1中容许工具104相对于目标部位TS的更大弹性的移动。换句话讲，第二弹性参数R2的“刚性”可低于第一弹性参数R1，使得与目标状态ST的偏离在第一模式M1中比在第二模式M2中更难。然而，设想到其他配置。在一些实施方案中，第一弹性参数R1和第二弹性参数R2各自与工具104相对于目标部位TS在至少一个公共自由度DOF上(例如，在x位置XP、y位置YP、z位置ZP、x取向XO、y取向YO或z取向ZO上)的弹性移动相关联。通过非限制性实例，z取向ZO自由度DOF可以是“活动的”并且形成第一约束标准C1和第二约束标准C2两者的一部分，其中第一弹性参数R1和第二弹性参数R2各自与z取向ZO自由度DOF相关联。
在一些实施方案中，第一约束标准C1、第二约束标准C2和/或预定条件PR可以是可由用户诸如经由用户接口142调节和/或配置的。为此，可提供阈值控制314(参见图2；还参见图25)以促进调节限定预定条件PR的方式。通过实例，阈值控制314可被配置为输入装置146，所述输入装置146改变满足预定条件PR所需的由传感器180检测到的力FD的量(例如，系统条件SYC)，诸如在控制器124将从第一模式M1改变为第二模式M2之前需要检测到更多或更少的力FD(例如，在特定方向上的力和/或扭矩)。通过进一步的实例，阈值控制314可被配置为输入装置146，所述输入装置146改变工具104和目标部位TS一起移动以便满足预定条件PR的时间量(例如，如经由导航系统128确定)，诸如在控制器124将从第一模式M1改变为第二模式M2之前需要同时移动持续更多或更少的时间。以上提供的实例是例示性的而非限制性的，并且设想到其他配置。
在一些实施方案中，可提供刚度控制316(参见图2；还参见图25)以促进调节限定第一约束标准C1(或在一些实施方案中，第二约束标准C2)的方式。通过实例，刚度控制316可被配置为输入装置146，所述输入装置146改变用于限定第一模式M1的一个或多个引导约束GC的调谐参数TPA和/或配置参数CPA(例如，以促进维持目标状态ST)，诸如通过增大或减小第一弹性参数R1以导致操纵器102限制从目标状态ST的移动的方式的对应改变(例如，具有更多或更少的“刚度”)。这里同样地，前述实例是例示性的而非限制性的，并且设想到其他配置。
在其他实施方式中，第一约束标准C1或第二约束标准C2可基于来自感测系统或传感器180的测量结果动态地确定或调节。控制器可例如使用存储在存储器中的查找表使所感测的测量结果的大小或值与刚度值相关。此技术可用如上所述的阈值来实施，或不考虑任何阈值。
在一些实施方案中，手术系统100还包括模式指示器318(参见图2；还参见图25)，所述模式指示器318联接到控制器124以传达操纵器102的操作从第一模式M1到第二模式M2(或在其他模式之间)的改变。这里，模式指示器318可形成用户接口142的一部分(例如，作为警报器、扬声器、指示灯、显示屏的一部分和/或另一种类型的输出装置144)，并且控制器124可被配置来响应于确定一个或多个系统条件SYC中的至少一个满足预定条件PR而激活模式指示器318。
如上所指出，图22A示出支撑工具104的器械112(这里，引导件208)的操纵器102，器械112与紧固到设置成与支撑在工作表面WS上的目标部位TS初始接合的可植入部件116的冲击器组件210间隔开，其中工具104的工具中心点TCP和目标部位TS的目标参考点TRP彼此间隔开。将图22A与图22B进行比较例示工具104在x位置XP自由度DOF上(例如，在沿着工具中心点TCP的x轴的方向上)的移动，其中冲击器组件210的轴224已经穿过引导件208的开口268并且进入通道262，以将工具中心点TCP带到轨迹T上(并且还带到目标参考点TRP的z轴上)。
将图22B与图22C进行比较例示工具104在z位置ZP自由度DOF上(例如，在沿着工具中心点TCP的z轴的方向上)的移动，其中冲击器组件210的凸缘216已经变成设置在引导件208的通道262内，其中第一接合表面218邻接第二接合表面270，并且其中工具中心点TCP布置成与凸缘参考点FRP重合并且仍然沿着轨迹T设置。
在一些实施方案中，控制器124可被配置来在第二模式M2中操作操纵器102以根据第二约束标准C2容许工具104相对于目标部位TS在至少一个自由度DOF上移动。类似地，在一些实施方案中，控制器124可被配置来在第一模式M1中操作操纵器102以根据第一约束标准C1容许工具104相对于目标部位TS在至少一个自由度DOF上移动。这里，例如，将图22C与图23进行比较例示工具104在z取向ZO自由度DOF上(例如，在围绕工具中心点TCP的z轴的方向上)的移动，其中引导件208已经相对于冲击器组件210和目标部位TS从图22C所描绘的布置(在图23中描绘为虚线轮廓)移动，但是工具104的工具中心点TCP保持布置成与凸缘参考点FRP重合并且同样地沿着轨迹T设置。
换句话说，通过比较图22C至图23所例示的工具104的移动可表示以下场景：其中第一约束标准C1包括五个活动自由度DOF(例如，x位置XP、y位置YP、z位置ZP、x取向XO和y取向YO)，并且当在第一模式M1中操作时容许在一个自由度DOF(例如，Z取向ZO)上移动以限定目标状态ST。例如，此配置可被实施以便允许用户围绕轨迹T(例如，在对冲击器组件210的头部214的锤击之间)将引导件208“旋转”到由操纵器102维持的不同布置(例如，通过基于用户将引导件208定位在何处来重新限定目标状态ST)。
然而，第一约束标准C1可以多种不同方式配置以当在第一模式M1中操作时限定目标状态ST。例如，不是容许用户以操纵器102基于用户围绕轨迹T“旋转”引导件208来重新限定目标状态ST的方式在第一模式M1中调节引导件208围绕轨迹T的取向，第一约束标准C1替代地可被配置来在所有六个自由度DOF上限定目标状态ST，同时容许在一个或多个自由度DOF上比在其他自由度上的更大弹性的移动(例如，更小“刚性”的移动)。作为例示性实例，图22C所描绘的布置可实际上表示第一模式M1中的目标状态ST，其中第一约束标准C1被配置成使得与z取向ZO自由度DOF相关联的第一弹性参数R1具有如图23所示容许用户围绕轨迹T“旋转”引导件208但仍然将工具104推向目标状态ST的相对“弱的”值。这里，在此实例中，图23所描绘的工具104的布置将表示当前状态SC，其中目标状态ST被示出为虚线轮廓(还参见图22C)。
现在参考图24A至图24C，在一些实施方案中，控制器124可被进一步配置来在第三模式M3中操作操纵器102以根据不同于第一约束标准C1和第二约束标准C2的第三约束标准C3维持工具104相对于目标部位TS的对齐。这里，在此实施方案中，控制器124被配置来响应于确定一个或多个系统条件SYS中的至少一个满足第一预定条件PR1而将操纵器102的操作从第一模式M1改变到第二模式M2，并且响应于确定一个或多个系统条件SYS中的至少一个满足不同于第一预定条件PR1的第二预定条件PR2而将操纵器102的操作从第二模式M2改变到第三模式M3。这里，在此例示性实施方案中，第一约束标准C1包括其中工具104的移动相对于目标部位TS受到限制的第一数量N1的自由度DOF，第二约束标准C2包括其中工具104的移动相对于目标部位TS受到限制的第二数量N2的自由度DOF，并且第三约束标准C3包括其中工具104的移动相对于目标部位TS受到限制的第三数量N3的自由度DOF。此外，在此例示性实施方案中，第一约束标准C1还包括第一弹性参数R1，第二约束标准C2还包括第二弹性参数R2，并且第三约束标准C3还包括第三弹性参数R3。
因此，在结合图24A至图24C所例示的代表性实施方案中，控制器124被配置来在以下模式中操作操纵器102：第二模式M1，以基于第一数量N1的自由度DOF并且还基于第一弹性参数R1来维持工具104相对于目标部位TS的对齐；第二模式M2，以基于第二数量N2的自由度DOF并且还基于第二弹性参数R2来维持工具104相对于目标部位TS的对齐；以及第三模式M3，以基于第三数量N3的自由度DOF并且还基于第三弹性参数R3来维持工具104相对于目标部位TS的对齐。这里，自由度DOF的第三数量N3不同于自由度DOF的第一数量N1和自由度DOF的第二数量N2中的一者或多者。更具体地，在此实施方案中，自由度DOF的第三数量N3小于自由度DOF的第一数量N1，使得控制器124在第三模式M3中比在第一模式M1中容许工具104相对于目标部位TS在多至少一个自由度DOF上移动。类似地，在此实施方案中，自由度DOF的第三数量小于自由度DOF的第二数量N2，使得控制器124在第三模式M3中比在第二模式M2中容许工具104相对于目标部位TS在多至少一个自由度DOF上移动。
更具体地，在此代表性实施方案中，自由度DOF的第一数量N1等于自由度DOF的第二数量N2，所述数量均不同于自由度DOF的第三数量N3。然而，设想到其他配置。这里，在此实施方案中，第一约束标准C1与第二约束标准C2之间的差异是基于第一弹性参数R1和第二弹性参数R2，如以下更详细地描述，而不是基于在第一模式M1和第二模式M2中“活动”的自由度DOF的第一数量N1和第二数量N2。
在一些实施方案诸如结合图24A至图24C所例示的实施方案中，第一约束标准C1和第二约束标准C2各自包括至少一个位置自由度DOF(例如，x位置XP、y位置YP和/或z位置ZP)和至少一个取向自由度DOF(例如，x取向XO、y取向YO和/或z取向ZO)；并且第一约束标准C1、第二约束标准C2和第三约束标准C3中的每一者包括至少一个取向自由度(例如，x取向XO、y取向YO和/或z取向ZO)。这里同样地，第一约束标准C1和第二约束标准C2各自包括比第三约束标准C3多至少一个位置自由度DOF。然而，设想到其他配置。
如上所指出，在图24A至图24C所例示的代表性实施方案中，第一约束标准C1与第二约束标准C2之间的差异是基于第一弹性参数R1和第二弹性参数R2，而不是基于在第一模式M1和第二模式M2中“活动”的自由度DOF的第一数量N1和第二数量N2。这里，第三弹性参数R3不同于在此实施方案中也彼此不同的第一弹性参数R1和第二弹性参数R2中的一个或多个。更具体地，并且如以下更详细地描述，控制器124在第二模式M2中比在第一模式M1中容许工具104相对于目标部位TS的更大弹性的移动(例如，更小“刚性”的移动)，并且在第二模式M2中比在第三模式M3中容许工具104相对于目标部位TS的更大弹性的移动(例如，更小“刚性”的移动)。这里同样地，前述内容意图为非限制性实例，并且设想到手术系统100的其他配置。
在图24A中，控制器124正在第一模式M1中根据第一约束标准C1操作操纵器102，所述第一约束标准C1在此代表性实施方案中限定如图所例示的目标状态ST，其中工具104被布置成使得存在轴线A1、A2与轨迹T的重合对齐，如上所指出。为此，第一约束标准C1包括第一数量N1的自由度DOF和第一弹性参数R1两者。出于此例示性实例的目的，第一数量N1包括六个“活动”自由度DOF：x位置XP、y位置YP、z位置ZP、x取向XO、y取向YO和z取向ZO。此外，在此例示性实例中，第一弹性参数R1被设定成使得以由例如引导约束GC的调谐参数TPA限定的相对“刚性的触觉”维持工具104处于目标状态ST，其中弹簧参数PS被设定成相对高以抵抗在六个活动自由度DOF中的每一个上的移动。
继续参考图24A，冲击力FI被示出为不恰当地施加到冲击器组件210的头部214(例如，横向于轨迹T)。这里，冲击力FI的不恰当施加(例如，大小相对高和/或与轨迹T不对齐)可能导致可植入部件116以与轨迹T不对齐的方式(诸如图24B中出于例示性目的以轴线A1、A2与轨迹T之间的夸张的不对齐所描绘)部分地坐置到目标部位TS中。这里，在图24B中，传感器180检测由所例示的当前状态SC与目标状态ST(这里以虚线轮廓描绘)的偏差导致的目标部位TS与操纵器102之间的力FD，其中传感器180充当感测系统206的一部分以检测系统条件SYC(例如，力FD)。在此场景中，不是继续移动操纵器102以便将工具104带到目标状态ST(例如，通过将工具中心点TCP往回移动到轨迹T上)，控制器124响应于由传感器180检测到的力FD已经满足第一预定条件PR1而从第一模式M1改变到第二模式M2，所述第一预定条件PR1在此实施方案中限定为由传感器180检测到的第一力F1(例如，在一个或多个自由度DOF上的力和/或扭矩)。因此，图24B描绘操纵器102在第二模式M2中根据第二约束标准C2进行的操作。
在图24B中，控制器124在第二模式M2中根据第二约束标准C2操作操纵器102，其中目标状态ST仍由图24A所描绘的布置限定(在图24B中示出为虚线轮廓)。这里，第二约束标准C2包括第二数量N2的自由度DOF和第二弹性参数R2。出于此例示性实例的目的，第二数量N2包括六个“活动”自由度DOF：x位置XP、y位置YP、z位置ZP、x取向XO、y取向YO和z取向ZO。然而，在此例示性实例中，第二弹性参数R2被设定成使得以由例如引导约束GC的调谐参数TPA限定的相对“宽松的触觉”(例如，第二弹性参数R2小于第一弹性参数R1)将工具104朝向目标状态ST推动，其中弹簧参数PS被设定成相对低以容许在六个活动自由度DOF中的每一个上的一定量的弹性移动。在此配置下，操纵器102仍试图返回到目标状态ST(例如，通过将工具中心点TCP带回到轨迹T上)，但是由第二约束标准C2提供的“宽松的触觉”容许出现与目标状态ST的一定量的偏离，由此防止当可植入部件116在不对齐时部分地坐置到目标部位TS中时出现“逃离”条件，并且保持将目标部位TS支撑在工作表面WS上。
继续参考图24B，另外的冲击力FI被示出为不恰当地施加到冲击器组件210的头部214(例如，横向于轨迹T)。这里，冲击力FI的不恰当施加(例如，大小相对高和/或与轨迹T不对齐)仍然可导致可植入部件116以与轨迹T进一步不对齐的方式(诸如图24C中出于例示性目的以轴线A1、A2与轨迹T之间的夸张的不对齐所描绘)进一步坐置到目标部位TS中。这里在图24C中，传感器180类似地检测目标部位TS和操纵器102之间由于所例示的当前状态SC与目标状态ST(这里描绘为轨迹T的端点)的进一步偏离产生的力FD。这里同样地，在此场景中，不是继续移动操纵器102以便讲工具104带到目标状态ST(例如，通过将工具中心点TCP往回移动到轨迹T上)，控制器124响应于由传感器180检测到的力FD已经满足第二预定条件PR2而从第二模式M2改变到第三模式M3，所述第二预定条件PR2在此实施方案中限定为由传感器180检测到的第二力F2(例如，在一个或多个自由度DOF上的力和/或扭矩)，其中第二力F2大于第一力F1。在一些实施方案中，第二力F2可小于经由与可植入部件116接合在一个或多个方向上作用于目标部位TS的力和/或扭矩量，这可能会以其他方式使部分或完全坐置的可植入部件116“脱位”。
在图24C中，控制器124根据第三约束标准C3在第三模式M3中操作操纵器102，其中目标状态ST仍由图24A所描绘的布置限定(在图24C中示出为轨迹T的端点)。这里，第三约束标准C3包括第三数量N3的自由度DOF和第三弹性参数R3。出于此例示性实例的目的，第三数量N3包括三个“活动”自由度DOF：x取向XO、y取向YO和z取向ZO。换句话说，根据第三约束标准C3，没有位置自由度DOF是活动的。这里，在此例示性实例中，第三弹性参数R3被设定成使得以由例如引导约束GC的调谐参数TPA限定的相对“刚性的触觉”将工具104朝向目标状态ST推动，其中弹簧参数PS被设定成相对高以抵抗在三个活动自由度DOF中的每一个上的移动。这里，工具104基于取向而非位置朝向目标状态ST被推动。在此配置下，操纵器102仍试图返回到目标状态ST(例如，通过将工具中心点TCP朝向目标部位TS定向)，但是缺少活动的位置自由度DOF阻止当可植入部件116在不对齐时进一步坐置到目标部位TS中时出现“逃离”条件，并且类似地保持将目标部位TS支撑在工作表面WS上。这里，外科医生或另一用户可经由模式指示器318被提醒到第三模式M3的改变，所述模式指示器318如上所指出可形成用户接口142中的一个或多个的一部分。通过非限制性实例，当控制器124从第一模式M1切换到第二模式M2时，可生成“低级”提醒(例如，在扬声器上播放的声音、通过闪光灯显示的警告或呈现在屏幕上的图形等)以提醒用户，并且当控制器124从第二模式M2切换到第三模式M2(或从第一模式M1切换到第三模式M3)时，可生成不同的或“高级”提醒以提醒用户。提醒可以足以彼此区分的多种不同的方式来限定(例如，一种是视觉的，另一种是听觉的，或者它们的组合)，并且如上所指出，模式指示器318可具有多种不同的样式、类型和/或配置。
虽然以上结合图24A至图24C描述的代表性实施方案采用三个约束标准C1、C2、C3、三个模式M1、M2、M3和两个预定条件PR1、PR2，但是在一些实施方案中，可利用两个模式和一个预定条件PR提供类似的功能。通过非限制性实例，当在预定条件PR限定为检测到的力FD(例如，在一个或多个自由度DOF上的力和/或扭矩)的情况下利用传感器180来监视系统条件SYC时，在控制器124被配置来从第一模式M1(例如，根据第一约束标准C1维持六个自由度DOF)切换到第二模式M2(例如，根据第二约束标准C2仅维持取向自由度DOF)的情况下，控制器124可被配置来在第一模式M1中操作操纵器102以抵抗工具104相对于目标部位TS的移动，其中弹性随着由传感器180检测到的力FD朝向预定条件PR增大而增大。换句话说，不是图24B描绘在与图24A所描绘不同的模式中的操作，而是图24B可表示相同模式(例如，第一模式M1)的一部分，在所述部分中，第一约束标准C1包括限定为由传感器180检测到的力FD的函数的弹性参数，直到例如检测到的力FD满足预定条件PR(例如，在力FD超出以上结合图24C所描述的第二力F2的情况下)。然而，前述实例是例示性的而非限制性的，并且设想到其他配置。
在利用传感器180作为感测系统206的一部分以促进模式(例如，第一模式M1和第二模式M2)之间的改变的实施方案中，传感器180可被进一步限定为力-扭矩传感器180，所述力-扭矩传感器180被配置来在一个或多个自由度DOF上检测在操纵器102与目标部位TS之间出现的力FD(例如，力和/或扭矩)。为此，并且如图1和图15中一般性地描绘，传感器180可联接到机械臂108(例如，作为联接件110的一部分)。然而，传感器180可以足以检测在操纵器102与目标部位TS之间出现的力FD的任何合适的方式布置，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可具有多种不同类型、样式或配置。通过非限制性实例，传感器180可被实现为联接件110的一部分、机械臂108的一部分(例如，布置在关节中的一个处)和/或工具的一部分104(例如，布置在器械112处和/或可植入部件116处)。类似地，传感器180可布置在安装件148和/或引导件208的主体260处。此外，虽然本文所例示的代表性实施方案涉及联接到操纵器102的单个多自由度DOF力-扭矩换能器，但是传感器180也可由布置在相同位置或不同位置中的多个部件(例如，一个部件在引导件208处并且一个部件在联接件110处)实现，所述多个部件协作以促进检测在目标部位TS与机械臂108之间出现的力FD。设想到其他配置。
在一些实施方案中，满足预定条件PR(例如，第一力F1、第二力F2或其他值)的由传感器180检测到的力FD的量表示或是基于施加在可植入部件116处的扭矩(或力)的量。这里，工具104和可植入部件116的已知特性可用于使传感器180处的力/扭矩与施加在可植入部件116处的力/扭矩相关。计算从传感器180到可植入部件116的刚性主体雅可比矩阵可根据FIMPLANT＝JSENSOR_TO_IMPLANT -T*FSENSOR来进行。由传感器180检测到的力FD可以多种不同方式来限定预定条件PR，并且可以是应用和/或程序特定的。在一些实施方案中，可植入部件116的类型、样式、尺寸或其他参数可至少部分地限定一个或多个预定条件PR。这里，例如，与相对“小”的可植入部件116相比，相对“大”的可植入部件116在于目标部位TS处脱位之前可能需要对其施加不同量的扭矩(或力)。基于传感器180的预定条件PR的具体参数(例如，在一个或多个自由度DOF上的力和/或扭矩的大小)可以其他方式确定，包括通过进行实验来使用。例如，在确定开始释放对冲击组件210的平移约束的基线力时，分析髋臼杯的撬出扭矩。通过了解固定良好的杯116很可能会移动或脱位的近似扭矩，可优化杯放置准确度，同时通过以指定极限或范围释放约束来避免杯撬出。在杯116的撬出强度范围为近似5Nm至25Nm的情况下，冲击组件210处的可能力极限的范围可为20N至100N(假设从末端执行器附接到杯中心的杠杆臂为0.25m)以解决不同的杯固定场景。在一个实施方式中，根据实验室评估满足预定条件PR的力FD的量为近似64N(近似16Nm撬出扭矩)。然而，根据杯类型、压配合、测试方法和材料，其他值或值的范围是预期的或可能的。在其他实例中，满足预定条件PR的力FD的量在58-66N、50-70N或40-80N之间或这些范围之间的任何值。
在一些实施方案中，阈值控制314(和/或刚度控制316)可由用户在术中基于主观考虑、观察结果等手动调节(例如，基于用户偏好将某些预定条件PR调节为更高或更低)。在一些实施方案中，预定条件PR可基于患者特定的数据(例如，身高、体重、年龄、骨密度、身体质量指数BMI等)，所述数据可使用用户接口142的输入装置146键入。在一些实施方案中，预定条件PR可至少部分地在术中确定，诸如通过类似于如标题为“System and Method ofControlling a Robotic System for Manipulating Anatomy of a Patient During aSurgical Procedure”的美国专利申请公布号US 2015/0094736 A1中所描述的“摆动测试”，所述专利申请公布的公开内容特此以引用方式以其全文并入。然而，设想到其他配置。
在其他实施方式中，第一约束标准C1或第二约束标准C2可基于来自感测系统或传感器180的测量结果动态地确定或调节。控制器可例如使用存储在存储器中的查找表使所感测的测量结果的大小或值与刚度值相关。此技术可用如上所述的阈值来实施，或不考虑任何阈值。
如上所指出，由手术系统100所提供的在于第一模式M1与第二模式M2(和/或其他模式)之间切换方面的功能可使用感测系统206的除开(和/或除了)传感器180之外的其他部件来实行。通过非限制性实例，并且再次参考图24A至图24C，定位器158和一个或多个跟踪器160(例如，第一患者跟踪器160A和第二工具跟踪器160I)可利用来监视系统条件SYC，诸如目标部位TS与冲击器组件210以满足预定条件PR的方式的同时移动。这里，满足一个或多个预定条件PR的移动可基于持续时间和方向的各种组合，诸如暗示冲击器组件210在第一轴线A1与轨迹T之间存在不对齐的情况下“固定”到目标部位TS的移动、暗示目标部位TS正被提离工作表面WS或正以其他方式在非预期方向上移动的移动等。这里，感测系统206的部件的组合可一起使用，使得满足预定条件PR以实现模式M1、M2之间的改变需要基于相同或不同类型的系统条件SYC来满足多个预定条件PR。通过非限制性实例，传感器180可用于检测用户何时在施加冲击力FI，并且可改变预定条件PR在包含冲击事件的时间段内的限定方式，以便简要解释目标部位TS在冲击期间经由第一患者跟踪器160A以不同方式进行的移动，从而防止在目标部位TS初始地对冲击力FI的施加作出反应时错误检测到“逃离”条件。设想到其他配置。
手术系统100可检测冲击力FI(或离轴力)并且对于逃离条件控制算法忽略或不考虑此类冲击力FI。在这样做时，手术系统100可确认所述事件是预期冲击力FI而不是所不期望的“逃离”条件。进而，手术系统100可确定不需要根据第二模式M2控制操纵器。在一个实例中，为了区分逃离条件和冲击力FI，系统100分析来自力扭矩传感器180的X和Y分力信号。忽略Z分力，因为Z轴力在机械设计中不受约束。为了检测逃离条件，在一个实施方式中，系统100可在组合的X轴力和Y轴力的某一持续时间(作为实例，125ms)内的平均大小力，并且确定此平均大小力是否大于力阈值。可计算所述相同持续时间内的标准偏差以确定标准偏差是否低于阈值。如果满足阈值，则系统100可确定存在逃离条件。在一项实验中，在逃离条件下在X和Y方向上的示例性力偏差在+/-10-60N的范围内。可存在确定存在逃离条件的其他方式。例如，可随时间推移将测量的X和Y力单独地与阈值极限进行比较。在确定用于检测逃离条件的阈值时可考虑其他因素。
另一方面，为了检测冲击力FI(如与逃离条件相比)，感测系统100可在其间出现冲击的时间段(例如，30-60秒)内对如由传感器180获得的力的X、Y和Z分量进行分析。在一个实例中，由于组件的机械性质，在冲击事件期间的大部分力出现在Z方向上。然而，X和Y力根据用户撞击冲击器的方式或准确度而出现。在此时间段期间，X、Y和Z分量中的每一个都产生指示每次冲击的单独信号尖峰。感测系统100可隔离指示每次冲击的每个信号尖峰。在一个实例中，每个信号尖峰在实验上确定为持续100-150ms范围内的持续时间。感测系统100接着可计算每个冲击事件的持续时间并且计算在所计算持续时间期间的标准偏差。从那里，设定阈值以限定冲击事件。如果满足阈值，则系统100可确定发生了冲击事件。在一个实验中，响应于冲击事件而在X和Y方向上出现的示例性力偏差在+/-10-30N的范围内，并且响应于冲击事件而在Z方向上出现的示例性力偏差在+/-20-40N的范围内。可存在确定发生冲击事件的其他方式。例如，可随时间推移将测量的力单独地与阈值进行比较。而且，用于检测逃离条件的阈值可取决于诸如杯类型、杯尺寸、患者数据、冲击器参数、预期冲击力等因素而变化。通过能够在逃离事件与冲击事件之间进行过滤，系统100可仅在需要抵消逃离事件时智能地修改约束标准。
此外，组合在模式M1、M2之间改变之前要满足的不同类型的预定条件PR也可用其他类型的工具104诸如以上结合图12至图14D描述的电动手术装置150来实施。例如，可将与由发电组件152的操作限定的系统条件SYC(例如，马达转速、负载等)相关联的预定条件PR与由导航系统128、传感器180等限定的系统条件SYC相关联的预定条件PR进行比较，以便避免在能量施加器114仍在旋转的情况下在模式M1、M2之间改变，即使在存在工具104和目标部位TS的同时移动(所述同时移动否则将致使控制器124在模式M1、M2之间改变)的情况下也是如此。这里同样地，以上提供的实例意图是例示性的而非限制性的，并且设想到其他配置。
在一个实例中，并且参考图26，在工具104(诸如具有骨钻154作为能量施加器114的工具)与目标部位TS骨骼接合同时受到与目标部位TS相关联的虚拟边界174约束的情形中，可能存在“逃离”条件。更具体地，如果骨钻154被捕陷、设置或楔入在虚拟边界174与目标部位TS骨骼之间，则可能存在逃离条件。由于此情形，骨钻154可部分地被推到虚拟边界174之外。因为虚拟边界174被配置来约束工具104运动，系统控制操纵器向骨钻154施加反作用力RF。此反作用力RF致使骨钻154推压目标部位TS骨骼，从而致使目标部位TS骨骼移动。目标部位TS由导航系统通过跟踪器160A跟踪。因此，目标部位TS的推动将致使相关联虚拟边界174的对应移动，这进而致使反作用力RF持续到逃离条件。上述系统、方法和技术的实施方式可完全应用于防止此场景。在此实例中，第一约束标准C1和第二约束标准C2可与上述任何标准类似，以防止逃离条件。另外地或另选地，约束标准C1、C2可涉及反作用力RD的大小或方向、与反作用力RF相关联的刚度或阻尼参数、虚拟边界174的形状、虚拟边界174的灵活性、与工具104和/或能量施加器114的取向相关联的刚度或阻尼参数，或实现工具104和/或能量施加器114的位置或取向自由度。
在一个实施方式中，本公开还涉及一种操作手术系统100的方法，所述手术系统100包括：冲击器组件210，所述冲击器组件210具有用于可释放地紧固可植入部件116的接口212；引导件208，所述引导件208具有形成来接收冲击器组件210的通道262；操纵器102，所述操纵器102被配置来相对于目标部位TS沿着轨迹T支撑引导件208；传感器180；以及控制器124，所述控制器124联接到操纵器102和传感器180并且被配置来执行不同步骤。所述步骤包括：在第一模式M1中操作操纵器102以根据第一约束标准C1维持引导件208相对于轨迹T的对齐；在第二模式M2中操作操纵器102以根据不同于第一约束标准C1的第二约束标准C2维持引导件208相对于轨迹T的对齐；利用传感器180检测目标部位TS与操纵器102之间出现的力FD；以及确定由传感器180检测到的力FD满足预定条件PC，并且作为响应将操纵器102的操作从第一模式M1改变到第二模式M2。
以此方式，本公开的手术系统100的技术、方法和实施方案结合使用操纵器102实行的各种类型的手术程序提供相对于目标部位TS支撑不同类型的工具104的显著优点。由控制器124、感测系统206和操纵器102提供的功能有助于确保外科医生和其他用户能够以安全、可靠且可预测的方式实行手术程序。具体地，响应于检测到满足预定条件PR的不同类型的系统条件SYC而在模式M1、M2之间改变的能力有助于防止否则可能经由操纵器102“提升”或“转动”患者P的“逃离”条件(以及工具104的其他类型的所不期望的移动)。
本领域普通技术人员将了解，本文所描述和例示的实施方案的方面可互换或以其他方式组合。
将进一步了解，术语“包括(include、includes和including)”与术语“包含(comprise、comprises和comprising)”具有相同的含义。此外，将了解，诸如“第一”、“第二”、“第三”等术语在本文中用于区分某些结构特征和部件，以用于清晰和一致的非限制性、例示性目的。
前述描述中已经论述若干配置。然而，本文所论述的配置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。

Claims (77)

1.一种手术系统，其包括：
工具，所述工具用于接合目标部位；
操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；
感测系统，所述感测系统被配置来检测与所述工具、所述操纵器、所述目标部位或它们的组合中的一者或多者相关联的一个或多个系统条件；以及
控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述感测系统，所述控制器被配置来在以下模式之间操作所述操纵器：
第一模式，以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐，以及
第二模式，以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；并且
其中所述控制器被进一步配置来响应于确定所述一个或多个系统条件中的至少一个满足预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
2.如权利要求1所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述目标部位受到限制的第一数量的自由度，并且所述第二约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述目标部位受到限制的第二数量的自由度，所述自由度的第二数量不同于所述自由度的第一数量；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一数量的自由度维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；以及
所述第二模式，以基于所述第二数量的自由度维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
3.如权利要求2所述的手术系统，其中所述自由度的第二数量小于所述自由度的第一数量，使得所述控制器在所述第二模式中比在所述第一模式中容许所述工具相对于所述目标部位在多至少一个自由度上的移动。
4.如权利要求2至3中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括至少一个位置自由度和至少一个取向自由度。
5.如权利要求2至4中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准和所述第二约束标准各自包括至少一个取向自由度。
6.如权利要求2至5中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准比所述第二约束标准包括多至少一个位置自由度。
7.如权利要求2至6中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准和所述第二约束标准包括至少一个公共自由度。
8.如任一前述权利要求所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括第一弹性参数，并且所述第二约束标准包括不同于所述第一弹性参数的第二弹性参数；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一弹性参数维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；以及
所述第二模式，以基于所述第二弹性参数维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
9.如权利要求8所述的手术系统，其中所述控制器在所述第二模式中比在所述第一模式中容许所述工具相对于所述目标部位的更大弹性的移动。
10.如权利要求8至9中任一项所述的手术系统，其中所述第一弹性参数和所述第二弹性参数各自与所述工具相对于所述目标部位在公共自由度上的弹性移动相关联。
11.如任一前述权利要求所述的手术系统，其中所述工具限定工具中心点；并且
其中所述控制器被配置来在所述第一模式中操作所述操纵器以根据所述第一约束标准限制所述工具中心点远离所述目标部位的移动。
12.如权利要求11所述的手术系统，其中所述控制器被配置来在所述第二模式中操作所述操纵器以根据所述第二约束标准容许所述工具中心点远离所述目标部位的移动。
13.如任一前述权利要求所述的手术系统，其还包括联接到所述控制器的模式指示器；并且
其中所述控制器被配置来响应于确定所述一个或多个系统条件中的至少一个满足所述预定条件而激活所述模式指示器以向用户传达所述操纵器的操作从所述第一模式到所述第二模式的所述改变。
14.如任一前述权利要求所述的手术系统，其中所述控制器被配置来在所述第一模式中操作所述操纵器以根据所述第一约束标准容许所述工具相对于所述目标部位在至少一个自由度上的移动。
15.如权利要求14所述的手术系统，其中所述控制器被配置来在所述第二模式中操作所述操纵器以根据所述第二约束标准容许所述工具相对于所述目标部位在至少一个自由度上的移动。
16.如任一前述权利要求所述的手术系统，其中所述控制器被进一步配置来在第三模式中操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准和所述第二约束标准两者的第三约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；
其中所述预定条件被进一步限定为第一预定条件；并且
其中所述控制器被进一步配置来响应于确定所述一个或多个系统条件中的至少一个满足不同于所述第一预定条件的第二预定条件而将所述操纵器的操作从所述第二模式改变到所述第三模式。
17.如权利要求16所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述目标部位受到限制的第一数量的自由度，所述第二约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述目标部位受到限制的第二数量的自由度，并且所述第三约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述目标部位受到限制的第三数量的自由度，所述自由度的第三数量不同于所述自由度的第一数量和所述自由度的第二数量中的一者或多者；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一数量的自由度维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；
所述第二模式，以基于所述第二数量的自由度维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；以及
所述第三模式，以基于所述第三数量的自由度维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
18.如权利要求17所述的手术系统，其中所述第一约束标准还包括第一弹性参数，所述第二约束标准还包括第二弹性参数，并且所述第三约束标准还包括不同于所述第一弹性参数和所述第二弹性参数中的一者或多者的第三弹性参数；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一数量的自由度并且还基于所述第一弹性参数维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；
所述第二模式，以基于所述第二数量的自由度并且还基于所述第二弹性参数维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；以及
所述第三模式，以基于所述第三数量的自由度并且还基于所述第三弹性参数维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
19.如权利要求18所述的手术系统，其中所述自由度的第三数量小于所述自由度的第一数量，使得所述控制器在所述第三模式中比在所述第一模式中容许所述工具相对于所述目标部位在多至少一个自由度上的移动。
20.如权利要求19所述的手术系统，其中所述自由度的第三数量小于所述自由度的第二数量，使得所述控制器在所述第三模式中比在所述第二模式中容许所述工具相对于所述目标部位在多至少一个自由度上的移动。
21.如权利要求18至20中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准和所述第二约束标准各自包括至少一个位置自由度和至少一个取向自由度。
22.如权利要求18至21中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准、所述第二约束标准和所述第三约束标准各自包括至少一个取向自由度。
23.如权利要求18至22中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准比所述第三约束标准包括多至少一个位置自由度。
24.如权利要求23所述的手术系统，其中所述第二约束标准比所述第三约束标准包括多至少一个位置自由度。
25.如权利要求18至24中任一项所述的手术系统，其中所述控制器在所述第二模式中比在所述第一模式中容许所述工具相对于所述目标部位的更大弹性的移动。
26.如权利要求25所述的手术系统，其中所述控制器在所述第二模式中比在所述第三模式中容许所述工具相对于所述目标部位的更大弹性的移动。
27.如权利要求16至26中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括第一弹性参数，所述第二约束标准包括第二弹性参数，并且所述第三约束标准包括不同于所述第一弹性参数和所述第二弹性参数中的一者或多者的第三弹性参数；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一弹性参数维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；
所述第二模式，以基于所述第二弹性参数维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；以及
所述第三模式，以基于所述第三弹性参数维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
28.如权利要求16至27中任一项所述的手术系统，其中所述感测系统包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置来获得指示在所述目标部位与所述操纵器之间出现的力的测量结果；并且
其中指示由所述至少一个传感器获得的所述力的所述测量结果限定所述一个或多个系统条件中的至少一个，使得所述控制器被配置来：
响应于确定由所述至少一个传感器检测到的所述力满足所述第一预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式，并且
响应于确定由所述至少一个传感器检测到的所述力满足所述第二预定条件而将所述操纵器的操作从所述第二模式改变到所述第一模式。
29.如权利要求28所述的手术系统，其中所述第一预定条件由所述至少一个传感器检测到的第一力限定，所述第二预定条件由所述至少一个传感器检测到的第二力限定，并且所述第二力大于所述第一力。
30.如任一前述权利要求所述的手术系统，其还包括：
患者跟踪器，所述患者跟踪器适于相对于所述目标部位附接；
其中所述感测系统包括导航系统，所述导航系统被配置来跟踪所述患者跟踪器的状态；并且
其中所述患者跟踪器的被跟踪状态限定所述一个或多个系统条件中的至少一个，使得所述控制器被配置来响应于确定所述患者跟踪器的被跟踪状态满足所述预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
31.如权利要求30所述的手术系统，其中所述控制器被进一步配置来基于从所述导航系统接收的被跟踪状态将所述工具的被跟踪移动与所述患者跟踪器的移动进行比较；并且
其中所述工具的被跟踪移动限定所述一个或多个系统条件中的至少一个；并且
其中所述预定条件基于对应于所述患者跟踪器的被跟踪状态的所述工具的被跟踪移动来限定。
32.如任一前述权利要求所述的手术系统，其中所述感测系统包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置来获得指示在所述目标部位与所述操纵器之间出现的力的测量结果；并且
其中指示由所述至少一个传感器获得的所述力的所述测量结果限定所述一个或多个系统条件中的至少一个，使得所述控制器被配置来响应于确定由所述至少一个传感器检测到的所述力满足所述预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
33.如权利要求32所述的手术系统，其中所述控制器被进一步配置来在所述第一模式中操作所述操纵器以抵抗所述工具相对于所述目标部位的移动，其中弹性随着指示由所述至少一个传感器获得的所述力的所述测量结果向所述预定条件增大而增大。
34.如权利要求32至33中任一项所述的手术系统，其中所述工具包括具有通道的引导件，所述通道被形成来接收冲击器组件并且容许所述冲击器组件相对于所述引导件的有限移动，所述冲击器组件具有用于可释放地紧固假体的接口；并且
所述操纵器被配置来在所述冲击器组件被接收在所述引导件的所述通道中时并且在所述假体被紧固到所述冲击器组件时相对于所述目标部位沿着轨迹支撑所述引导件；
其中所述目标部位被进一步限定为髋臼杯；
其中所述至少一个传感器被配置来检测由于施加在所述冲击器组件上以将所述假体安装在所述髋臼杯中的力而出现的所述力；
其中所述控制器被进一步配置来基于所检测到的力推断正施加到所述髋臼杯的扭矩；并且
其中所述控制器被进一步配置来响应于确定施加到所述髋臼杯的所推断的扭矩满足所述预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
35.如权利要求28、29和32至34中任一项所述的手术系统，其中所述至少一个传感器被进一步限定为以下中的一者或多者：力扭矩换能器；关节致动器电流传感器；关节力传感器；关节扭矩传感器；和关节编码器。
36.一种手术系统，其包括：
工具，所述工具用于沿着轨迹接合目标部位；
操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；
至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置来获得指示在所述目标部位与所述操纵器之间出现的力的测量结果；以及
控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述至少一个传感器，所述控制器被配置来在以下模式之间操作所述操纵器：
第一模式，以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述轨迹的对齐，以及
第二模式，以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；并且
其中所述控制器被进一步配置来响应于确定所述力满足预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
37.如权利要求36所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述轨迹受到限制的第一数量的自由度，并且所述第二约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述轨迹受到限制的第二数量的自由度，所述自由度的第二数量不同于所述自由度的第一数量；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一数量的自由度维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；以及
所述第二模式，以基于所述第二数量的自由度维持所述工具相对于所述轨迹的对齐。
38.如权利要求37所述的手术系统，其中所述自由度的第二数量小于所述自由度的第一数量，使得所述控制器在所述第二模式中比在所述第一模式中容许所述工具相对于所述轨迹在多至少一个自由度上的移动。
39.如权利要求37至38中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括至少一个位置自由度和至少一个取向自由度。
40.如权利要求37至39中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准和所述第二约束标准各自包括至少一个取向自由度。
41.如权利要求37至40中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准比所述第二约束标准包括多至少一个位置自由度。
42.如权利要求37至41中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准和所述第二约束标准包括至少一个公共自由度。
43.如权利要求36所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括第一弹性参数，并且所述第二约束标准包括不同于所述第一弹性参数的第二弹性参数；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一弹性参数维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；以及
所述第二模式，以基于所述第二弹性参数维持所述工具相对于所述轨迹的对齐。
44.如权利要求43所述的手术系统，其中所述控制器在所述第二模式中比在所述第一模式中容许所述工具相对于所述轨迹的更大弹性的移动。
45.如权利要求43至44中任一项所述的手术系统，其中所述第一弹性参数和所述第二弹性参数各自与所述工具相对于所述轨迹在公共自由度上的弹性移动相关联。
46.如权利要求36所述的手术系统，其中所述控制器被进一步配置来在所述第一模式中操作所述操纵器以抵抗所述工具相对于所述轨迹的移动，其中弹性随着指示由所述至少传感器获得的所述力的所述测量结果向所述预定条件增大而增大。
47.如权利要求36所述的手术系统，其中所述工具限定工具中心点；并且
其中所述控制器被配置来在所述第一模式中操作所述操纵器以根据所述第一约束标准限制所述工具中心点远离所述轨迹的移动。
48.如权利要求47所述的手术系统，其中所述控制器被配置来在所述第二模式中操作所述操纵器以根据所述第二约束标准容许所述工具中心点远离所述轨迹的移动。
49.如权利要求36所述的手术系统，其还包括联接到所述控制器的模式指示器；并且
其中所述控制器被配置来响应于确定指示由所述至少一个传感器获得的所述力的所述测量结果满足所述预定条件而激活所述模式指示器以向用户传达所述操纵器的操作从所述第一模式到所述第二模式的所述改变。
50.如权利要求36所述的手术系统，其中所述控制器被配置来在所述第一模式中操作所述操纵器以根据所述第一约束标准容许所述工具相对于所述轨迹在至少一个自由度上的移动。
51.如权利要求50所述的手术系统，其中所述控制器被配置来在所述第二模式中操作所述操纵器以根据所述第二约束标准容许所述工具相对于所述轨迹在至少一个自由度上的移动。
52.如权利要求36所述的手术系统，其中所述控制器被进一步配置来在第三模式中操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准和所述第二约束标准两者的第三约束标准维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；
其中所述预定条件被进一步限定为第一预定条件；并且
其中所述控制器被进一步配置来响应于确定指示由所述至少一个传感器获得的力的测量结果满足不同于所述第一预定条件的第二预定条件而将所述操纵器的操作从所述第二模式改变到所述第三模式。
53.如权利要求52所述的手术系统，其中所述第一预定条件由从所述至少一个传感器获得的测量结果所检测的第一力限定，所述第二预定条件由从所述至少一个传感器获得的测量结果所检测的第二力限定，并且所述第二力大于所述第一力。
54.如权利要求52至53中任一项所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述轨迹受到限制的第一数量的自由度，所述第二约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述轨迹受到限制的第二数量的自由度，并且所述第三约束标准包括其中所述工具的移动相对于所述轨迹受到限制的第三数量的自由度，所述自由度的第三数量不同于所述自由度的第一数量和所述自由度的第二数量中的一者或多者；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一数量的自由度维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；
所述第二模式，以基于所述第二数量的自由度维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；以及
所述第三模式，以基于所述第三数量的自由度维持所述工具相对于所述轨迹的对齐。
55.如权利要求54所述的手术系统，其中所述第一约束标准还包括第一弹性参数，所述第二约束标准还包括第二弹性参数，并且所述第三约束标准还包括不同于所述第一弹性参数和所述第二弹性参数中的一者或多者的第三弹性参数；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一数量的自由度并且还基于所述第一弹性参数维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；
所述第二模式，以基于所述第二数量的自由度并且还基于所述第二弹性参数维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；以及
所述第三模式，以基于所述第三数量的自由度并且还基于所述第三弹性参数维持所述工具相对于所述轨迹的对齐。
56.如权利要求55所述的手术系统，其中所述自由度的第三数量小于所述自由度的第一数量，使得所述控制器在所述第三模式中比在所述第一模式中容许所述工具相对于所述轨迹在多至少一个自由度上的移动。
57.如权利要求56所述的手术系统，其中所述自由度的第三数量小于所述自由度的第二数量，使得所述控制器在所述第三模式中比在所述第二模式中容许所述工具相对于所述轨迹在多至少一个自由度上的移动。
58.如权利要求55所述的手术系统，其中所述第一约束标准和所述第二约束标准各自包括至少一个位置自由度和至少一个取向自由度。
59.如权利要求55所述的手术系统，其中所述第一约束标准、所述第二约束标准和所述第三约束标准各自包括至少一个取向自由度。
60.如权利要求55所述的手术系统，其中所述第一约束标准比所述第三约束标准包括多至少一个位置自由度。
61.如权利要求60所述的手术系统，其中所述第二约束标准比所述第三约束标准包括多至少一个位置自由度。
62.如权利要求55所述的手术系统，其中所述控制器在所述第二模式中比在所述第一模式中容许所述工具相对于所述轨迹的更大弹性的移动。
63.如权利要求62所述的手术系统，其中所述控制器在所述第二模式中比在所述第三模式中容许所述工具相对于所述轨迹的更大弹性的移动。
64.如权利要求52所述的手术系统，其中所述第一约束标准包括第一弹性参数，所述第二约束标准包括第二弹性参数，并且所述第三约束标准包括不同于所述第一弹性参数和所述第二弹性参数中的一者或多者的第三弹性参数；并且
其中所述控制器被进一步配置来在以下模式中操作所述操纵器：
所述第一模式，以基于所述第一弹性参数维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；
所述第二模式，以基于所述第二弹性参数维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；以及
所述第三模式，以基于所述第三弹性参数维持所述工具相对于所述轨迹的对齐。
65.如权利要求36所述的手术系统，其还包括：
患者跟踪器，所述患者跟踪器适于相对于所述目标部位附接；
导航系统，所述导航系统被配置来跟踪所述患者跟踪器的状态；并且
其中所述控制器联接到所述导航系统并且被进一步配置来基于从所述导航系统接收的所述患者跟踪器的被跟踪状态来限定所述轨迹。
66.如权利要求36所述的手术系统，其中所述工具包括具有通道的引导件，所述通道被形成来接收冲击器组件并且容许所述冲击器组件相对于所述引导件的有限移动，所述冲击器组件具有用于可释放地紧固假体的接口；并且
其中所述操纵器被配置来相对于所述目标部位支撑所述引导件。
67.如权利要求66所述的手术系统，其中所述操纵器被配置来在所述冲击器组件被接收在所述引导件的所述通道中时并且在所述假体被紧固到所述冲击器组件时相对于所述目标部位支撑所述引导件；
其中所述目标部位被进一步限定为髋臼杯；
其中所述至少一个传感器被配置来获得指示由于施加在所述冲击器组件上以将所述假体安装在所述髋臼杯中的力而出现的所述力的测量结果；
其中所述控制器被进一步配置来基于所检测到的力推断正施加到所述髋臼杯的扭矩；并且
其中所述控制器被进一步配置来响应于确定施加到所述髋臼杯的所推断的扭矩满足所述预定条件而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
68.如权利要求36、46、49、52、53和67中任一项所述的手术系统，其中所述至少一个传感器被进一步限定为以下中的一者或多者：力扭矩换能器；关节致动器电流传感器；关节力传感器；关节扭矩传感器；和关节编码器。
69.一种手术系统，其包括：
工具，所述工具用于接合目标部位；
操纵器，所述操纵器被配置来相对于所述目标部位支撑所述工具；
患者跟踪器，所述患者跟踪器适于相对于所述目标部位附接；
导航系统，所述导航系统被配置来跟踪所述患者跟踪器的状态；并且
控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述导航系统，所述控制器被配置来在以下模式之间操作所述操纵器：
第一模式，以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐，以及
第二模式，以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；
其中所述控制器被进一步配置来基于从所述导航系统接收的被跟踪状态将所述工具的被跟踪移动与所述患者跟踪器的移动进行比较；并且
其中所述控制器被进一步配置来响应于确定所述工具的被跟踪移动对应于所述患者跟踪器的移动而将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
70.一种操作手术系统的方法，所述手术系统包括：冲击器组件，所述冲击器组件具有用于可释放地紧固假体的接口；引导件，所述引导件具有形成来接收所述冲击器组件的通道；操纵器，所述操纵器被配置来相对于目标部位沿着轨迹支撑所述引导件；至少一个传感器；以及控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述至少一个传感器并且被配置来执行以下步骤：
在第一模式中操作所述操纵器以根据第一约束标准维持所述引导件相对于所述轨迹的对齐；
在第二模式中操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述引导件相对于所述轨迹的对齐；
基于来自所述至少一个传感器的测量结果来检测在所述目标部位与所述操纵器之间出现的力；以及
确定所述力满足预定条件并且作为响应将所述操纵器的操作从所述第一模式改变到所述第二模式。
71.一种手术系统，其包括：
工具，所述工具用于接合目标部位；
操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；
感测系统，所述感测系统被配置来检测与所述工具、所述操纵器、所述目标部位或它们的组合中的一者或多者相关联的一个或多个系统条件；以及
控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述感测系统，所述控制器被配置来：
操作所述操纵器以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；并且
响应于检测到所述一个或多个系统条件，操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
72.如权利要求71所述的手术系统，其中所述控制器被配置来基于来自所述感测系统的所检测到的系统条件来确定所述第二约束标准的参数。
73.一种手术系统，其包括：
工具，所述工具用于沿着轨迹接合目标部位；
操纵器，所述操纵器被配置来支撑所述工具；
至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置来获得指示在所述目标部位与所述操纵器之间出现的力的测量结果；以及
控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述至少一个传感器，所述控制器被配置来：
操作所述操纵器以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述轨迹的对齐；
评估指示所述力的所获得的测量结果；并且
响应于所述评估，操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述轨迹的对齐。
74.如权利要求73所述的手术系统，其中所述控制器被配置来基于指示所述力的所获得的测量结果来确定所述第二约束标准的参数。
75.一种手术系统，其包括：
工具，所述工具用于接合目标部位；
操纵器，所述操纵器被配置来相对于所述目标部位支撑所述工具；
患者跟踪器，所述患者跟踪器适于相对于所述目标部位附接；
导航系统，所述导航系统被配置来跟踪所述患者跟踪器的状态；并且
控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述导航系统，所述控制器被配置来：
操作所述操纵器以根据第一约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐；
基于从所述导航系统接收的所述患者跟踪器的被跟踪状态来评估所述工具相对于所述患者跟踪器的移动的被跟踪移动；并且
响应于所述评估，操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准维持所述工具相对于所述目标部位的对齐。
76.如权利要求75所述的手术系统，其中所述控制器被配置来基于所评估的被跟踪移动来确定所述第二约束标准的参数。
77.一种手术系统，其包括：
工具，所述工具用于接合目标部位；
操纵器，所述操纵器被配置来相对于所述目标部位支撑所述工具；
患者跟踪器，所述患者跟踪器适于相对于所述目标部位附接；
导航系统，所述导航系统被配置来跟踪所述患者跟踪器的状态；并且
控制器，所述控制器联接到所述操纵器和所述导航系统，所述控制器被配置来：
操作所述操纵器以根据第一约束标准约束所述工具相对于与所述目标部位相关联的虚拟边界的移动；
基于从所述导航系统接收的所述患者跟踪器的被跟踪状态来评估所述工具相对于所述患者跟踪器的移动的被跟踪移动；并且
响应于所述比较，操作所述操纵器以根据不同于所述第一约束标准的第二约束标准约束所述工具相对于所述虚拟边界的移动。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2017295728B2 (en) 2016-07-15 2021-03-25 Mako Surgical Corp. Systems for a robotic-assisted revision procedure
EP3827778A1 (en) * 2019-11-28 2021-06-02 DePuy Ireland Unlimited Company Surgical system and method for triggering a position change of a robotic device
US12076094B2 (en) * 2021-09-01 2024-09-03 Orthosoft Ulc Fluoroscopic robotic prosthetic implant system and methods
CN113842217B (zh) * 2021-09-03 2022-07-01 北京长木谷医疗科技有限公司 机器人运动区域的限定方法及系统
AU2022367533A1 (en) * 2021-10-15 2024-05-02 Digital Surgery Systems, Inc. Hands-free controller for surgical microscope
US11918296B1 (en) * 2022-08-26 2024-03-05 Ix Innovation Llc Digital image analysis for in vivo robotic assembly of multi-component implants
CN117257460B (zh) * 2022-09-30 2024-05-03 北京和华瑞博医疗科技有限公司 关节手术系统
EP4389052A1 (en) * 2022-12-23 2024-06-26 Ecential Robotics System for a manipulation of a surgical tool by a user according to a planned trajectory

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010034530A1 (en) 2000-01-27 2001-10-25 Malackowski Donald W. Surgery system
US7831292B2 (en) 2002-03-06 2010-11-09 Mako Surgical Corp. Guidance system and method for surgical procedures with improved feedback
US8010180B2 (en) * 2002-03-06 2011-08-30 Mako Surgical Corp. Haptic guidance system and method
KR101606097B1 (ko) 2009-10-01 2016-03-24 마코 서지컬 코포레이션 보철 부품의 위치 선정 및／또는 수술 도구의 이동 제한용 수술 시스템
US20120059378A1 (en) * 2009-11-25 2012-03-08 James David Farrell Efficient Sculpting System
US8675939B2 (en) 2010-07-13 2014-03-18 Stryker Leibinger Gmbh & Co. Kg Registration of anatomical data sets
US9119655B2 (en) 2012-08-03 2015-09-01 Stryker Corporation Surgical manipulator capable of controlling a surgical instrument in multiple modes
US8979859B2 (en) 2011-02-14 2015-03-17 Mako Surgical Corporation Depth of Impaction
WO2012178031A1 (en) 2011-06-23 2012-12-27 Stryker Corporation Prosthetic implant and method of implantation
WO2013033566A1 (en) 2011-09-02 2013-03-07 Stryker Corporation Surgical instrument including a cutting accessory extending from a housing and actuators that establish the position of the cutting accessory relative to the housing
US9226796B2 (en) 2012-08-03 2016-01-05 Stryker Corporation Method for detecting a disturbance as an energy applicator of a surgical instrument traverses a cutting path
US9008757B2 (en) 2012-09-26 2015-04-14 Stryker Corporation Navigation system including optical and non-optical sensors
KR102380980B1 (ko) 2013-03-15 2022-04-01 스트리커 코포레이션 수술 로봇 조작기의 엔드 이펙터
US10390737B2 (en) 2013-09-30 2019-08-27 Stryker Corporation System and method of controlling a robotic system for manipulating anatomy of a patient during a surgical procedure
KR102491910B1 (ko) * 2015-05-19 2023-01-26 마코 서지컬 코포레이션 해부체를 조작하는 시스템 및 방법
US10117713B2 (en) 2015-07-01 2018-11-06 Mako Surgical Corp. Robotic systems and methods for controlling a tool removing material from a workpiece
JP6956081B2 (ja) 2015-11-11 2021-10-27 マコ サージカル コーポレーション ロボットシステム及びロボットシステムをバックドライブする方法
US10456207B2 (en) 2016-10-21 2019-10-29 Mako Surgical Corp. Systems and tools for use with surgical robotic manipulators
WO2018189725A1 (en) 2017-04-14 2018-10-18 Stryker Corporation Surgical systems and methods for facilitating ad-hoc intraoperative planning of surgical procedures
KR20240104190A (ko) 2018-01-26 2024-07-04 마코 서지컬 코포레이션 수술 로봇 시스템에 의해 가이드되는 구동 도구를 위한 엔드 이펙터 및 방법
CN118662240A (zh) 2018-01-26 2024-09-20 马科外科公司 用于冲击由手术机器人引导的假体的端部执行器、系统和方法

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