CN115568947A - 与机器人外科手术系统一起使用的端部执行器臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与机器人外科手术系统一起使用的端部执行器臂，所述端部执行器臂包括：被构造成附接到外科手术机器人臂的端部执行器联接器的基部，以及机械连杆。所述机械连杆包括可旋转地联接到所述基部的第一端和与所述第一端相对的第二端，所述第二端被构造成可移除地联接到手持式外科手术工具。所述端部执行器臂还包括弹簧机构，所述弹簧机构被构造成基于所述机械连杆相对于所述基部的旋转角度来向所述机械连杆赋予可变旋转力。

Description

与机器人外科手术系统一起使用的端部执行器臂

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年6月21日提交的美国临时专利申请号63/212,949 的优先权权益，该专利申请的内容全文以引用方式并入本文。

本申请涉及于2019年9月30日提交的美国专利申请号16/587,203和于2020年1月8日提交的美国专利申请号16/737,054，这两篇专利申请的内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及机器人外科手术，并且更具体地涉及与机器人辅助的外科手术系统一起使用的端部执行器臂。

背景技术

许多外科手术干预都需要切骨术，即，沿着目标平面切割解剖结构诸如骨。全膝关节成形术通常需要切割股骨骨骺和胫骨骨骺，以便移除受损的骨和软骨并安装膝关节假体。外科医生可以使用振荡外科手术锯对股骨执行五次或更多次切割并且对胫骨执行一次或多次切割。

在矫形外科手术(包括关节和膝关节)期间，在切割骨上的期望位置时准确地对准并稳定锯非常重要。外科医生对外科手术部位的可见性有限，再加上难以控制锯的移动，造成了骨的不期望部分或相邻组织被切割的风险。在切割时由锯产生的振动可能会降低切割的准确性。在膝关节外科手术期间，骨切割(平面切割)的精确度影响了植入物可以连接到暴露的骨的精确度。

在一些常规系统中，直接矢状锯片引导结构可以使用被机器人臂定位在空间中的被动运动学，该被动运动学将刀片限制在其切除平面中。还被指定为端部执行器臂的被动结构可以包括向刀片提供3个自由度(两个平移和一个旋转)的三个连杆系列结构。矢状锯手持件通过刀片刚性地连接到被动结构，并提供机械动力来致动该刀片。为了实现足够的切除准确性，被动结构必须被设计为具有最高可能的横向刚度。为了借助编码器集成测量功能以及降低制造成本，因此选择铝作为用于联接件的结构零件的适当材料。这影响了这些结构零件的重量。当切除平面是水平的时，由于连接件质量而产生的重力由关节轴承完全支撑。然而，在许多切除中，切除平面相对于水平平面倾斜或几乎是竖直的。在此类构型中，由外科医生的手部分或完全支撑连接件的重量，这可能导致外科医生的手上存在不期望的应变或应力，并且可能对外科医生的表现产生负面影响。

因此，需要一种外科手术引导系统，该外科手术引导系统允许锯片或其他手持式外科手术工具自由移动而不需要外科医生支撑附加系统部件的重量。

发明内容

本发明涉及机器人外科手术，并且更具体地涉及与机器人辅助的外科手术系统一起使用的端部执行器臂。

根据一些实施方案，与外科手术导航系统一起使用的端部执行器臂包括：被构造成附接到外科手术机器人臂的端部执行器联接器的基部，以及机械连杆。该机械连杆包括可旋转地联接到基部的第一端和与第一端相对的第二端，该第二端被构造成可移除地联接到手持式外科手术工具。该端部执行器臂还包括弹簧机构，该弹簧机构被构造成基于机械连杆相对于基部的旋转角度来向该机械连杆赋予可变旋转力。

根据一些实施方案，外科手术工具引导系统包括机器人臂，该机器人臂被构造成由包括端部执行器联接器的外科手术机器人定位。该系统还包括端部执行器臂，该端部执行器臂包括：被构造成附接到机器人臂的端部执行器联接器的基部，以及机械连杆。该机械连杆包括可旋转地联接到基部的第一端和与第一端相对的第二端。该端部执行器臂还包括弹簧机构，该弹簧机构被构造成基于机械连杆相对于基部的旋转角度来向该机械连杆赋予可变旋转力。该系统还包括手持式外科手术工具，该手持式外科手术工具被构造成联接到机械连杆的第二端。

根据一些实施方案，外科手术系统包括跟踪系统，该跟踪系统被配置为确定要由手持式外科手术工具接合的解剖结构的位姿并且确定该外科手术工具的位姿。该系统还包括外科手术机器人，该外科手术机器人包括机器人基部和连接到该机器人基部的机器人臂，该机器人臂包括端部执行器联接器。该机器人还包括至少一个马达，该至少一个马达操作地连接以使机器人臂相对于机器人基部移动。该系统还包括端部执行器臂，该端部执行器臂包括：被构造成附接到机器人臂的端部执行器联接器的基部，以及机械连杆。该机械连杆包括可旋转地联接到基部的第一端和与第一端相对的第二端。该端部执行器臂还包括弹簧机构，该弹簧机构被构造成基于机械连杆相对于基部的旋转角度来向该机械连杆赋予可变旋转力。该系统还包括手持式外科手术工具，该手持式外科手术工具联接到机械连杆的第二端。

附图说明

为了进一步理解本公开而包括在内的并且构成本申请的一部分的附图示出了本发明概念的某些非限制性实施方案。在附图中：

图1是根据本公开的一些实施方案的外科手术系统的实施方案；

图2示出了根据本公开的一些实施方案的图1的外科手术系统的外科手术机器人部件；

图3示出了根据本公开的一些实施方案的图1的外科手术系统的相机跟踪系统部件；

图4示出了能够连接到机器人臂并且根据本公开的一些实施方案构造的被动端部执行器的实施方案；

图5示出了医疗操作，其中外科手术机器人和相机系统设置在患者周围；

图6示出了根据本公开的一些实施方案的被构造用于连接到被动端部执行器的机器人臂的端部执行器联接器的实施方案；

图7示出了图6的端部执行器联接器的剖视图的实施方案；

图8示出了根据本公开的一些实施方案的外科手术系统的部件的框图；

图9示出了根据本公开的一些实施方案的外科手术系统计算机平台的框图，该外科手术系统计算机平台包括外科手术计划计算机，该外科手术计划计算机可以与外科手术机器人分开并且操作地连接到该外科手术机器人或者至少部分地并入该外科手术机器人中；

图10示出了根据本公开的一些实施方案的可以与外科手术机器人和被动端部执行器组合使用的C形臂成像装置的实施方案；

图11示出了根据本公开的一些实施方案的可以与外科手术机器人和被动端部执行器组合使用的O形臂成像装置的实施方案；并且

图12示出了根据本公开的一些实施方案构造的被动端部执行器的实施方案。

图13是显示器的屏幕截图，其示出了在外科手术规程期间骨切割的进展。

图14示出了根据本公开的一些实施方案的端部执行器臂的实施方案，该端部执行器臂具有用于补偿端部执行器臂部件上的重力的弹簧机构。

图15示出了根据本公开的一些实施方案的图14的具有弹簧机构的端部执行器臂的实施方案，其示出了当端部执行器臂处于竖直切除平面中时施加到该端部执行器臂部件的力。

图16A和图16B示出了根据本公开的一些实施方案的图14和图15的端部执行器臂的一部分，其示出了当端部执行器臂处于对接位置和伸展位置中时施加到该端部执行器臂的第一联接件的力。

图17是根据本公开的一些实施方案的当端部执行器臂处于竖直切除平面中时该端部执行器臂上的重力和补偿力的曲线图。

图18是根据本公开的一些实施方案的当端部执行器臂处于相对于水平为大约30度的切除平面中时在该端部执行器臂上的重力和补偿力的曲线图。

图19A至图19C示出了根据本公开的一些实施方案的锁定机构，该锁定机构被构造成相对于端部执行器臂的基部选择性地固定外科手术工具。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述发明构思，这些附图中示出了发明构思的实施方案的示例。然而，发明构思可以多种不同形式体现，并且不应将其理解为受限于本文所述的示例性实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开将是周密且完整的，并且将对本领域技术人员充分传达各种本发明构思的范围。还应注意，这些实施方案不是相互排斥的。来自一个实施方案的部件可以被默认为在另一个实施方案中存在或被使用。

本文所公开的各种实施方案涉及在执行需要切骨术的外科手术干预时改善外科手术系统的操作。公开了能够连接到由外科手术机器人定位的机器人臂的被动端部执行器。被动端部执行器具有将工具附接机构(诸如外科手术锯)的移动限制到一定移动范围内的机构。这些机构可以被构造成将锯片的切割平面限制为平行于工作平面。

被动端部执行器包括弹簧机构，该弹簧机构被构造成基于机械连杆相对于基部的旋转角度来向该机械连杆赋予可变旋转力。当端部执行器处于倾斜和/或竖直切除平面中时，可变旋转力在一定旋转角度范围内可以足以克服端部执行器臂的远侧端部上的重力。

与用于外科手术的其他机器人和手动解决方案相比，这些实施方案和其他相关实施方案可以操作来改善对工具的引导的精确度，并且减少了外科医生的手由于端部执行器臂的重量而花费的力气和由此造成的疲劳。弹簧机构还可以被构造成使补偿效果在端部执行器臂的整个运动范围内的变化最小化，以在端部执行器上提供净力的逐渐且可预测的变化。

图1是根据本公开的一些实施方案的外科手术系统2的实施方案。在执行矫形外科手术规程之前，可以使用例如图10的C形臂成像装置104或图11的O形臂成像装置106或从另一个医疗成像装置(诸如计算机断层扫描(CT)图像或Mill)获取患者的计划外科手术区域的三维(“3D”)图像扫描。该扫描可以在术前(例如，最常见的是在规程前几周进行)或术中进行。然而，根据外科手术系统2的各种实施方案，可以使用任何已知的3D或2D图像扫描。图像扫描被发送到与外科手术系统2通信的计算机平台，诸如图9的外科手术系统计算机平台900，该外科手术系统计算机平台包括外科手术机器人800(例如，图1中的外科手术系统2的机器人)和外科手术计划计算机910。在外科手术计划计算机910(图9)的显示装置上查看图像扫描的外科医生生成限定要切割患者的解剖结构的目标平面的外科手术计划。该平面是患者解剖结构限制、选定的植入物及其大小的函数。在一些实施方案中，限定目标平面的外科手术计划是在显示装置上显示的3D图像扫描上计划的。

图1的外科手术系统2可以在医疗规程期间通过例如握持工具、对准工具、使用工具、引导工具和/或定位所使用的工具来辅助外科医生。在一些实施方案中，外科手术系统2包括外科手术机器人4和相机跟踪系统6。这两个系统可以通过任何各种机构机械地联接在一起。合适的机构可以包括但不限于机械闩锁、带、夹具、支撑物或磁性或磁化表面。机械地联接外科手术机器人4和相机跟踪系统6的能力可以允许外科手术系统2作为单个单元进行操纵并移动，允许外科手术系统2在区域中具有很小的占地面积，允许更容易地移动通过狭窄的通道并围绕弯道移动，并且允许存储在较小的区域内。

矫形外科手术规程可以开始于外科手术系统2从医疗存储装置移动到医疗规程室。外科手术系统2可以被操纵通过门道、走廊和电梯到达医疗规程室。在该室内，外科手术系统2可以物理地分成两个单独且不同的系统，即，外科手术机器人4和相机跟踪系统6。外科手术机器人4可以定位在与患者相邻的任何合适的位置以恰当地辅助医疗人员。相机跟踪系统6 可以定位在患者的脚底、患者肩部或适合于跟踪患者位姿和外科手术机器人4和患者的跟踪部分的位姿的移动的任何其他位置。外科手术机器人4 和相机跟踪系统6可以由机载电源供电和/或插入外壁插座中。

外科手术机器人4可以用于在医疗规程期间通过握持和/或使用工具来辅助外科医生。为了恰当地利用和握持工具，外科手术机器人4可以依赖于多个马达、计算机和/或致动器来正常运作。如图1所示，机器人主体8 可以充当可以将多个马达、计算机和/或致动器固定在外科手术机器人4内的结构。机器人主体8还可以为机器人伸缩式支撑臂16提供支撑。在一些实施方案中，机器人主体8可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于金属(诸如钛、铝或不锈钢)、碳纤维、玻璃纤维或重型塑料。机器人主体8的大小可以提供支撑附接部件的实心平台，并且可以容纳、隐藏并保护可以操作这些附接部件的该多个马达、计算机和/或致动器。

机器人基部10可以充当外科手术机器人4的下支撑件。在一些实施方案中，机器人基部10可以支撑机器人主体8并且可以将机器人主体8附接到多个动力轮12。这种与轮的附接可以允许机器人主体8在空间中高效地移动。机器人基部10可以有着机器人主体8的长度和宽度。机器人基部10 可以是约2英寸至约10英寸高。机器人基部10可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于金属(诸如钛、铝或不锈钢)、碳纤维、玻璃纤维或重型塑料或树脂。机器人基部10可以覆盖、保护并支撑动力轮 12。

在一些实施方案中，如图1所示，至少一个动力轮12可以附接到机器人基部10。动力轮12可以在任何位置附接到机器人基部10。每个单独的动力轮12可在任何方向上围绕竖直轴旋转。马达可以设置在动力轮12上方、该动力轮内或设置成与该动力轮相邻。该马达可以允许外科手术系统2 操纵到任何位置，并稳定和/或调平外科手术系统2。位于动力轮12内或与该动力轮相邻定位的杆可以通过马达压入表面中。未绘出的杆可以由任何合适的金属制成以提升外科手术系统2。合适的金属可以是但不限于不锈钢、铝或钛。除此之外，杆可以在接触表面侧端处包括缓冲器(未绘出)，该缓冲器可以防止杆滑动和/或产生合适的接触表面。材料可以是用于充当缓冲器的任何合适的材料。合适的材料可以是但不限于塑料、氯丁橡胶、橡胶或纹理化金属。杆可以将动力轮12提升到调平或以其他方式固定外科手术系统2相对于患者的取向所需的任何高度，该动力轮可以提升外科手术系统2。外科手术系统2的重量被杆通过小接触区域支撑在每个轮上，防止外科手术系统2在医疗规程期间移动。这种刚性定位可以防止对象和/或人员意外移动外科手术系统2。

可以使用机器人栏杆14来有利于移动外科手术系统2。机器人栏杆14 为人员提供了在不抓握机器人主体8的情况下移动外科手术系统2的能力。如图1所示，机器人栏杆14可以有着机器人主体8的长度，短于机器人主体8的长度，并且/或者可以有着长于机器人主体8的长度。机器人栏杆14可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于金属(诸如钛、铝或不锈钢)、碳纤维、玻璃纤维或重型塑料。机器人栏杆14还可以提供对机器人主体8的保护，防止对象和/或人员接触、撞击或碰撞到机器人主体8。

机器人主体8可以为选择顺应性关节机器人臂(其在下文被称为“SCARA”)提供支撑。由于机器人臂的可重复性和紧凑性，SCARA 24 可有益于在外科手术系统2内使用。SCARA的紧凑性可以在医疗规程期间提供附加空间，这可以允许医疗专业人员在无过度杂乱和局限的区域的情况下执行医疗规程。SCARA 24可以包括机器人伸缩式支撑件16、机器人支撑臂18和/或机器人臂20。机器人伸缩式支撑件16可以沿着机器人主体 8设置。如图1所示，机器人伸缩式支撑件16可以为SCARA 24和显示器 34提供支撑。在一些实施方案中，机器人伸缩式支撑件16可以在竖直方向上延伸和收缩。机器人伸缩式支撑件16可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于金属(诸如钛或不锈钢)、碳纤维、玻璃纤维或重型塑料。机器人伸缩式支撑件16的主体可以具有任何宽度和/或高度，以支撑置于其上的应力和重量。

在一些实施方案中，医疗人员可以通过由该医疗人员提交的命令来移动SCARA24。该命令可以源自于显示器34和/或平板电脑上接收到的输入。该命令可以来自对一个开关的按压和/或对多个开关的按压。在图4和图5中最佳地示出，激活组件60可以包括一个开关和/或多个开关。激活组件60可以操作来向SCARA 24传输移动命令，从而允许操作者手动地操纵 SCARA 24。当一个开关或多个开关被按压时，医疗人员可能能够容易地移动SCARA24。除此之外，当SCARA 24未接收到移动命令时，SCARA 24 可以锁定在适当位置以防止被人员和/或其他对象意外移动。通过锁定在适当位置，SCARA 24提供实心平台，在该实心平台上，被动端部执行器 1100和连接的外科手术锯1140(在图4和图5中示出)准备好用于医疗操作。

机器人支撑臂18可以通过各种机构设置在机器人伸缩式支撑件16 上。在一些实施方案中，在图1和图2中最佳地看到，机器人支撑臂18在任何方向上相对于机器人伸缩式支撑件16旋转。机器人支撑臂18可以围绕机器人伸缩式支撑件16旋转三百六十度。机器人臂20可以在任何合适的位置连接到机器人支撑臂18。机器人臂20可以通过各种机构附接到机器人支撑臂16。合适的机构可以是但不限于螺母和螺栓、球窝配件、压式配件、焊接、粘附、螺钉、铆钉、夹具、闩锁和/或它们的任何组合。机器人臂20可以在任何方向上相对于机器人支撑臂18旋转，在实施方案中，机器人臂20可以相对于机器人支撑臂18旋转三百六十度。这种自由旋转可以允许操作者按计划定位机器人臂20。

图4和图5中的被动端部执行器1100可以在任何合适的位置附接到机器人臂20。如下文将进一步详细说明的，被动端部执行器1100包括基部、第一机构和第二机构。该基部被构造成附接到由外科手术机器人4定位的机器人臂20的端部执行器联接器22。该基部可以通过其附接到端部执行器联接器22的各种机构可以包括但不限于闩锁、夹具、螺母和螺栓、球窝配件、压式配件、焊接、粘附、螺钉、铆钉和/或它们的任何组合。第一机构在到基部的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。第二机构在到基部的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。第一机构和第二机构围绕可旋转连接件枢转，并且可以被构造成将工具附接机构的移动限制到在工作平面内的移动范围内。可旋转连接件可以是允许1个自由度(DOF)运动的枢转接头、允许2个DOF运动的万向接头或允许3个DOF运动的球形接头。工具附接机构被构造成直接连接到具有锯片或锯片的外科手术锯1140。外科手术锯1140可以被构造成使锯片振荡以用于切割。第一机构和第二机构可以被构造成将锯片的切割平面限制为平行于工作平面。当被动端部执行器将被构造成将锯片的运动限制到切割平面时，可以优选地使用枢转接头来连接平面机构。

工具附接机构可以通过各种机构连接到外科手术锯1140或锯片，这些机构可以包括但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、带、压式配件或磁体。在一些实施方案中，动态参考阵列52附接到被动端部执行器1100 (例如，附接到工具附接机构)，并且/或者附接到外科手术锯1140。动态参考阵列在本文中也被称为“DRA”，是可以在导航外科手术规程中设置在患者、外科手术机器人、被动端部执行器和/或外科手术锯上的刚性主体。相机跟踪系统6或其他3D定位系统被配置为实时跟踪DRA的跟踪标记的位姿(例如，位置和旋转取向)。跟踪标记可以包括呈所示布置的球或其他光学标记。对跟踪标记的3D坐标的这种跟踪可以允许外科手术系统 2确定DRA 52在任何空间中相对于图5中的患者50的目标解剖结构的位姿。

如图1所示，灯光指示器28可以定位在SCARA 24的顶部上。灯光指示器28可以作为任何类型的灯光照亮以指示外科手术系统2当前正在操作的“条件”。例如，照亮绿色可以指示所有系统都是正常的。照亮红色可以指示外科手术系统2操作异常。脉动灯光可以意味着外科手术系统2正在执行功能。灯光和脉动的组合可以产生几乎不限数量的组合，以传达当前操作条件、状态或其他操作指示。在一些实施方案中，灯光可以由LED 灯泡产生，这些LED灯泡可以在灯光指示器28周围形成环。灯光指示器 28可以包括可以使灯光透过整个灯光指示器28的完全可透过的材料。

灯光指示器28可以附接到下显示器支撑件30。如图2所示，下显示器支撑件30可以允许操作者将显示器34操纵到任何合适的位置。下显示器支撑件30可以通过任何合适的机构附接到灯光指示器28。在实施方案中，下显示器支撑件30可以围绕灯光指示器28旋转。在实施方案中，下显示器支撑件30可以刚性地附接到灯光指示器28。然后，灯光指示器28可以围绕机器人支撑臂18旋转三百六十度。下显示器支撑件30可以具有任何合适的长度，合适的长度可以是约八英寸至约三十四英寸。下显示器支撑件30可以充当上显示器支撑件32的基部。

上显示器支撑件32可以通过任何合适的机构附接到下显示器支撑件 30。上显示器支撑件32可以具有任何合适的长度，合适的长度可以是约八英寸至约三十四英寸。在实施方案中，如图1所示，上显示器支撑件32可以允许显示器34相对于上显示器支撑件32旋转三百六十度。同样，上显示器支撑件32可以相对于下显示器支撑件30旋转三百六十度。

显示器34可以是可由上显示器支撑件32支撑的任何装置。在实施方案中，如图2所示，显示器34可以产生彩色图像和/或黑白图像。显示器 34的宽度可以是约八英寸至约三十英寸宽。显示器34的高度可以是约六英寸至约二十二英寸高。显示器34的深度可以是约二分之一英寸至约四英寸。

在实施方案中，平板电脑可以与显示器34结合使用和/或不与显示器 34一起使用。在实施方案中，平板电脑可以取代显示器34而设置在上显示器支撑件32上，并且可能够在医疗操作期间从上显示器支撑件32移除。另外，平板电脑可以与显示器34通信。平板电脑可能够通过任何合适的无线和/或有线连接来连接到外科手术机器人4。在一些实施方案中，平板电脑可能够在医疗操作期间对外科手术系统2进行编程和/或控制。当利用平板电脑控制外科手术系统2时，所有输入和输出命令都可以在显示器34上复制。使用平板电脑可以允许操作者操纵外科手术机器人4，而不必围绕患者50移动和/或移动到外科手术机器人4处。

如图5所示，相机跟踪系统6通过有线或无线通信网络结合外科手术机器人4来工作。参考图1和图5，相机跟踪系统6可以包括与外科手术机器人4相似的一些部件。例如，相机主体36可以提供存在于机器人主体8 中的功能。机器人主体8可以提供在其上安装相机46的结构。机器人主体 8内的结构还可以为用于操作相机跟踪系统6的电子器件、通信装置和电源提供支撑。相机主体36可以由与机器人主体8相同的材料制成。相机跟踪系统6可以通过无线和/或有线网络直接与平板电脑和/或显示器34通信，以使平板电脑和/或显示器34能够控制相机跟踪系统6的功能。

相机主体36由相机基部38支撑。相机基部38可以用作机器人基部10。在图1的实施方案中，相机基部38可以比机器人基部10更宽。相机基部38的宽度可以允许相机跟踪系统6与外科手术机器人4连接。如图1 所示，相机基部38的宽度可以大得足以容纳机器人基部10的外部。当相机跟踪系统6和外科手术机器人4连接时，相机基部38的附加宽度可以允许外科手术系统2具有附加可操纵性并允许支撑外科手术系统2。

与机器人基部10一样，多个动力轮12可以附接到相机基部38。类似于机器人基部10和动力轮12的操作，动力轮12可以允许相机跟踪系统6 稳定和调平或设置相对于患者50的固定取向。这种稳定可以防止相机跟踪系统6在医疗规程期间移动，并且可以阻止相机46丢失对在指定区域56 内连接到解剖结构54和/或工具58的一个或多个DRA 52的跟踪，如图5 所示。这种稳定性和跟踪维护增强了外科手术机器人4与相机跟踪系统6 一起有效地操作的能力。除此之外，宽相机基部38可以向相机跟踪系统6 提供附加支撑。具体地，宽相机基部38可以防止相机跟踪系统6在相机46 设置患者上方时倾斜，如图5所示。在没有宽相机基部38的情况下，伸出的相机46可能使相机跟踪系统6不平衡，这可能导致相机跟踪系统6倒下。

相机伸缩式支撑件40可以支撑相机46。在实施方案中，伸缩式支撑件40可以在竖直方向上将相机46移动得更高或更低。伸缩式支撑件40可以由任何合适的材料制成，以支撑相机46。合适的材料可以是但不限于金属(诸如钛、铝或不锈钢)、碳纤维、玻璃纤维或重型塑料。相机手柄48 可以在任何合适的位置附接到相机伸缩式支撑件40。相机手柄48可以是任何合适的手柄构型。合适的构型可以是但不限于杆状、圆形、三角形、正方形和/或它们的任何组合。如图1所示，相机手柄48可以是三角形的，从而允许操作者在医疗操作之前将相机跟踪系统6移动到计划位置中。在实施方案中，相机手柄48可以用于降低和升高相机伸缩式支撑件40。相机手柄48可以通过按压按钮、开关、操纵杆和/或它们的任何组合来执行相机伸缩式支撑件40的升高和降低。

下相机支撑臂42可以在任何合适的位置附接到相机伸缩式支撑件 40，在实施方案中，如图1所示，下相机支撑臂42可以围绕伸缩式支撑件 40旋转三百六十度。这种自由旋转可以允许操作者将相机46定位在任何合适的位置。下相机支撑臂42可以由任何合适的材料制成，以支撑相机46。合适的材料可以是但不限于金属(诸如钛、铝或不锈钢)、碳纤维、玻璃纤维或重型塑料。下相机支撑臂42的横截面可以是任何合适的形状。合适的横截面形状可以是但不限于圆形、正方形、矩形、六边形、八边形或I形梁。横截面长度和宽度可以是约一英寸至十英寸。下相机支撑臂的长度可以是约四英寸至约三十六英寸。下相机支撑臂42可以通过任何合适的机构连接到伸缩式支撑件40。合适的机构可以是但不限于螺母和螺栓、球窝配件、压式配件、焊接、粘附、螺钉、铆钉、夹具、闩锁和/或它们的任何组合。下相机支撑臂42可以用于为相机46提供支撑。相机46可以通过任何合适的机构附接到下相机支撑臂42。合适的机构可以是但不限于螺母和螺栓、球窝配件、压式配件、焊接、粘附、螺钉、铆钉和/或它们的任何组合。相机46可在相机46与下相机支撑臂42之间的附接区域处在任何方向上枢转。在实施方案中，弯曲横杆44可以设置在下相机支撑臂42上。

弯曲横杆44可以设置在下相机支撑臂42上的任何合适的位置处。如图3所示，弯曲横杆44可以通过任何合适的机构附接到下相机支撑臂42。合适的机构可以是但不限于螺母和螺栓、球窝配件、压式配件、焊接、粘附、螺钉、铆钉、夹具、闩锁和/或它们的任何组合。弯曲横杆44可以具有任何合适的形状，合适的形状可以是月牙形、圆形、卵形、椭圆形和/或它们的任何组合。在实施方案中，弯曲横杆44可以具有任何适当的长度。适当的长度可以是约一英尺至约六英尺。相机46可以沿着弯曲横杆44可移动地设置。相机46可以通过任何合适的机构附接到弯曲横杆44。合适的机构可以是但不限于辊、托架、支架、马达和/或它们的任何组合。未示出的马达和辊可以用于沿着弯曲横杆44移动相机46。如图3所示，在医疗规程期间，如果对象阻碍相机46观察一个或多个DRA 52，则马达可以使用辊沿着弯曲横杆44移动相机46。这种机动移动可以允许相机46移动到不再被对象遮挡的新位置，而无需移动相机跟踪系统6。当相机46被遮挡而无法观察DRA 52时，相机跟踪系统6可以向外科手术机器人4、显示器34 和/或平板电脑发送停止信号。停止信号可以阻止SCARA 24移动，直到相机46重新获得DRA 52。该停止可以阻止SCARA 24和/或端部执行器联接器22移动以及/或者使用医疗工具而不会被外科手术系统2跟踪。

如图6所示，端部执行器联接器22被构造成将各种类型的被动端部执行器连接到外科手术机器人4。端部执行器联接器22可以包括鞍形接头 62、激活组件60、测力传感器64(图7)和连接器66。鞍形接头62可以将端部执行器联接器22附接到SCARA 24。鞍形接头62可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于金属(诸如钛、铝或不锈钢)、碳纤维、玻璃纤维或重型塑料。鞍形接头62可以由单个金属件制成，该单个金属件可以为端部执行器提供附加强度和耐用性。鞍形接头62可以通过附接点68附接到SCARA 24。可以存在围绕鞍形接头62设置的多个附接点 68。附接点68可以是凹陷的、齐平的和/或设置在鞍形接头62上的。在一些示例中，螺钉、螺母和螺栓和/或它们的任何组合可以穿过附接点68并且将鞍形接头62固定到SCARA 24。螺母和螺栓可以将鞍形接头62连接到 SCARA 24内的马达(未示出)。马达可以在任何方向上移动鞍形接头 62。马达可以通过在当前位置处主动伺服或通过应用弹簧致动制动器被动地进一步防止鞍形接头62由于意外碰撞和/或意外接触而移动。

端部执行器联接器22可以包括插置在鞍形接头62与连接的被动端部执行器之间的测力传感器64。如图7所示，测力传感器64可以通过任何合适的机构附接到鞍形接头62。合适的机构可以是但不限于螺钉、螺母和螺栓、螺纹、压式配件和/或它们的任何组合。

图8示出了根据本公开的一些实施方案的外科手术系统800的部件的框图。参考图7和图8，测力传感器64可以是用于检测和测量力的任何合适的仪器。在一些示例中，测力传感器64可以是六轴测力传感器、三轴测力传感器或单轴测力传感器。测力传感器64可以用于跟踪施加到端部执行器联接器22的力。在一些实施方案中，测力传感器64可以与多个马达 850、851、852、853和/或854通信。当测力传感器64感测到力时，关于所施加的力的量的信息可以从一个开关阵列和/或多个开关阵列分配到控制器846。控制器846可以采用来自测力传感器64的力信息，并且利用开关算法处理该力信息。控制器846使用开关算法来控制马达驱动器842。马达驱动器842控制马达中的一个或多个马达的操作。马达驱动器842可以指示特定马达产生例如通过测力传感器64在该马达上测量到的等量的力。在一些实施方案中，所产生的力可以来自如由控制器846所指示的多个马达，例如，850-854。除此之外，马达驱动器842可以接收来自控制器846 的输入。控制器846可以从测力传感器64接收关于由测力传感器64感测到的力的方向信息。控制器846可以使用运动控制器算法来处理该信息。算法可以用于向特定马达驱动器842提供信息。为了平行测定力的方向，控制器846可以激活和/或去活某些马达驱动器842。控制器846可以控制一个或多个马达(例如，850-854中的一者或多者)，以引起被动端部执行器1100在由测力传感器64感测到的力的方向上进行运动。这种力控制的运动可以允许操作者毫不费劲地和/或在非常小的阻力下移动SCARA 24和被动端部执行器1100。可以执行被动端部执行器1100的移动来将被动端部执行器1100定位成任何合适的位姿(即，相对于限定的三维(3D)正交参考轴的位置和角度取向)，以供医疗人员使用。

连接器66被构造成能够连接到被动端部执行器1100的基部并且连接到测力传感器64。连接器66可以包括附接点68、感觉按钮70、工具引导件72和/或工具连接件/附接点74。在图6和图8中最佳地示出，可以存在多个附接点68。附接点68可以将连接器66连接到测力传感器64。连接点 68可以是凹陷的、齐平的和/或设置在连接器66上的。附接点68和76可以用于将连接器66附接到测力传感器64和/或被动端部执行器1100。在一些示例中，附接点68和76可以包括螺钉、螺母和螺栓、压式配件、磁性附接件和/或它们的任何组合。

如图6所示，感觉按钮70可以围绕连接器66的中心设置。当被动端部执行器1100连接到SCARA 24时，可以按压感觉按钮70。对感觉按钮 70的按压可以警示外科手术机器人4并继而警示医疗人员被动端部执行器 1100已被附接到SCARA 24。如图6所示，引导件72可用于有利于被动端部执行器1100恰当地附接到SCARA 24。引导件72可以是凹陷的、齐平的和/或设置在连接器66上的。在一些示例中，可以存在多个引导件72，该多个引导件可以具有任何合适的图案并且可以在任何合适的方向上取向。引导件72可以是任何合适的形状，以有利于被动端部执行器1100附接到SCARA 24。合适的形状可以是但不限于圆形、椭圆形、正方形、多面体和 /或它们的任何组合。除此之外，引导件72可以切割成斜面、直面和/或它们的任何组合。

连接器66可以具有附接点74。如图6所示，附接点74可以形成一个凸缘和/或多个凸缘。附接点74可以为连接器66提供表面，被动端部执行器1100可以在该表面上夹紧。在一些实施方案中，附接点74围绕连接器 66的任何表面设置，并且相对于连接器66以任何合适的方式取向。

在图6和图7中最佳地示出，激活组件60可以环绕连接器66。在一些实施方案中，激活组件60可以采用环绕连接器66的手镯的形式。在一些实施方案中，激活组件60可以位于外科手术系统2内的任何合适的区域中。在一些示例中，激活组件60可以位于SCARA 24的任何部分上、端部执行器联接器22的任何部分上、可以由医疗人员佩戴(并且无线地通信)和/或它们的任何组合。激活组件60可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于氯丁橡胶、塑料、橡胶、凝胶、碳纤维、织物和/或其它们的任何组合。激活组件60可以包括主按钮78和辅助按钮80。主按钮78 和辅助按钮80可以环绕整个连接器66。

主按钮78可以是可以环绕连接器66的单个隆起部，如图6所示。在一些示例中，主按钮78可以沿着距离鞍形接头62最远的端部设置在激活组件60上。主按钮78可以设置在主激活开关82上，这在图7中最佳地示出。主激活开关82可以设置在连接器66与激活组件60之间。在一些示例中，可以存在多个主激活开关82，该多个主激活开关可以沿着主按钮78的整个长度与主按钮78相邻设置并设置在该主按钮下方。在主激活开关82 上按压主按钮78可以允许操作者移动SCARA 24和端部执行器联接器22。如上文所讨论的，一旦设置在适当位置，SCARA 24和端部执行器联接器 22就可能不会移动，直到操作者对外科手术机器人4进行编程来移动 SCARA 24和端部执行器联接器22，或者使用主按钮78和主激活开关82 来移动。在一些示例中，可能需要在SCARA 24和端部执行器联接器22将对操作者命令做出响应之前，按压至少两个非相邻的主激活开关82。对至少两个主激活开关82的按压可以防止SCARA 24和端部执行器联接器22 在医疗规程期间意外移动。

通过主按钮78和主激活开关82激活，测力传感器64可以测量由操作者(即，医疗人员)施加在端部执行器联接器22上的力大小和/或方向。该信息可以被传递到SCARA 24内的马达，这些马达可以用于移动SCARA 24和端部执行器联接器22。关于由测力传感器64测量到的力的大小和方向的信息可以导致马达使SCARA 24和端部执行器联接器22在与由测力传感器64感测到的方向相同的方向上移动。由于在操作者正在移动SCARA 24和端部执行器联接器22的同时马达正在移动SCARA 24和端部执行器联接器22，因此这种力控制的移动可以允许操作者容易地移动SCARA 24和端部执行器联接器22而无需耗费大量的力。

如图6所示，辅助按钮80可以设置在激活组件60的最接近鞍形接头 62的端部上。在一些示例中，辅助按钮80可以包括多个隆起部。该多个隆起部可以彼此相邻地设置，并且可以环绕连接器66。除此之外，辅助按钮 80可以设置在辅助激活开关84上。如图7所示，辅助激活开关84可以设置在辅助按钮80与连接器66之间。在一些示例中，操作者可以使用辅助按钮80作为“选择”装置。在医疗操作期间，外科手术机器人4可以通过显示器34和/或灯光指示器28向医疗人员通知某些条件。外科手术机器人 4可以提示医疗人员选择功能、模式和/或评估外科手术系统2的条件。在辅助激活开关84上按压辅助按钮80一次可以激活某些功能、模式和/或通过显示器34和/或灯光指示器28向医疗人员传达的确认信息。除此之外，在辅助激活开关84上接连不断按压辅助按钮80可以激活附加功能、模式和/或通过显示器34和/或灯光指示器28向医疗人员传达的选择信息。在一些示例中，在辅助按钮80可以正常运作之前，可以按压至少两个非相邻的辅助激活开关84。该要求可以防止由于医疗人员意外碰撞到激活组件60而意外使用辅助按钮80。主按钮78和辅助按钮80可以使用软件架构86将医疗人员的命令传达到外科手术系统2。

图8示出了根据本公开的一些实施方案配置的外科手术系统800的部件的框图，并且该外科手术系统可以对应于上述外科手术系统2。外科手术系统800包括平台子系统802、计算机子系统820、运动控制子系统840和跟踪子系统830。平台子系统802包括电池806、配电模块804、连接器面板808和充电站810。计算机子系统820包括计算机822、显示器824和扬声器826。运动控制子系统840包括驱动电路842、马达850、851、852、853、854、稳定器855、856、857、858、端部执行器连接器844和控制器 846。跟踪子系统830包括位置传感器832和相机转换器834。外科手术系统800还可包括可移除脚踏开关880和可移除平板计算机890。

输入电力经由电源提供给外科手术系统800，该电源可被提供给配电模块804。配电模块804接收输入电力，并且被配置为生成提供给外科手术系统800的其他模块、部件和子系统的不同电源电压。配电模块804可以被配置为向连接器面板808提供不同的电压供应，该电压供应可被提供给其他部件诸如计算机822、显示器824、扬声器826、驱动器842以例如为马达850-854和端部执行器联接器844供电，并且被提供给相机转换器834 和外科手术系统800的其他部件。配电模块804还可以连接到电池806，该电池在配电模块804未从输入电力接收到电力的情况下充当临时电源。在其他时间，配电模块804可以用于对电池806充电。

连接器面板808可以用于将不同的装置和部件连接到外科手术系统 800和/或相关联的部件和模块。连接器面板808可以包含容纳来自不同部件的线或连接件的一个或多个端口。例如，连接器面板808可以具有：可将外科手术系统800接地到其他装备的接地端子端口、用于连接脚踏开关 880的端口、用于连接跟踪子系统830的端口，该跟踪子系统可包括位置传感器832、相机转换器834和标记跟踪相机870。连接器面板808还可以包括其他端口，以允许与其他部件诸如计算机822进行USB、以太网、 HDMI通信。

控制面板816可以提供控制外科手术系统800的操作的各种按钮或指示器，并且/或者提供来自外科手术系统800的信息以供操作员观察。例如，控制面板816可以包括打开或关闭外科手术系统800、提升或降低支撑臂16的竖直柱以及提升或降低稳定器855-858的按钮，这些稳定器可被设计成接合万向轮(例如，动力轮12)以锁定外科手术系统800使其无法进行物理上的移动。其他按钮可能会在紧急情况下停止外科手术系统800，这可能会切断所有马达电力，并应用机械制动器来停止所有运动的发生。控制面板816还可以具有通知操作者某些系统条件(诸如线路电力指示器或电池806的充电状态)的指示器。

计算机子系统820的计算机822包括操作系统和软件以操作外科手术系统800的指定功能。计算机822可以接收并处理来自其他部件(例如，跟踪子系统830、平台子系统802和/或运动控制子系统840)的信息，以便向操作者显示信息。此外，计算机子系统820可以通过扬声器826为操作者提供输出。扬声器可以是外科手术机器人的一部分、头戴式显示部件的一部分或在外科手术系统2的另一个部件内。显示器824可以对应于图1 和图2所示的显示器34，或者可以是将图像投影到透视显示屏上的头戴式显示器，该透视显示屏形成叠加在透过透视显示屏可见的真实世界对象上的增强现实(AR)图像。

跟踪子系统830可以包括位置传感器832和相机转换器834。跟踪子系统830可以对应于图3的相机跟踪系统6。标记跟踪相机870与位置传感器 832一起操作以确定DRA 52的位姿。这种跟踪可以符合本公开的方式进行，该方式包括使用分别跟踪DRA 52的有源或无源元件诸如LED或反射标记的位置的红外或可见光技术。可以将具有这些类型的标记(诸如DRA 52)的结构的位置、取向和定位提供给计算机822，并且可以在显示器824 上向操作者展示上述信息。例如，如图4和图5所示，具有DRA 52或连接到具有以这种方式(其可以被称为导航空间)跟踪的DRA 52的端部执行器联接器22的外科手术锯1240可以相对于患者解剖结构的三维图像向操作者展示。

运动控制子系统840可以被配置为物理地移动竖直柱16、上臂18、下臂20或旋转端部执行器联接器22。物理移动可以通过使用一个或多个马达 850-854来进行。例如，马达850可以被配置为竖直地提升或降低竖直柱 16。如图2所示，马达851可以被配置为围绕与竖直柱的接合点侧向移动上臂18。如图2所示，马达852可以被配置为围绕与上臂18的接合点侧向移动下臂20。马达853和854可以被配置为移动端部执行器联接器22以提供沿着大约三维轴的平移移动和旋转。图9所示的外科手术计划计算机910 可以向控制器846提供控制输入，该控制器引导端部执行器联接器22的移动，以相对于在外科手术规程期间要切割的解剖结构将连接到该端部执行器联接器的被动端部执行器定位成具有计划的位姿(即，相对于限定的3D 正交参考轴的位置和角度取向)。运动控制子系统840可以被配置为使用集成位置传感器(例如，编码器)来测量被动端部执行器结构的位置。在实施方案中的一个实施方案中，位置传感器直接连接到被动端部执行器结构的至少一个接头，但也可以定位在该结构中的另一个位置中，并且通过正时皮带、导线或任何其他同步传输互连件的互连来远程测量接头位置。

图9示出了根据本公开的一些实施方案的外科手术系统计算机平台 900的框图，该外科手术系统计算机平台包括外科手术计划计算机910，该外科手术计划计算机可以与外科手术机器人800分开并且操作地连接到该外科手术机器人或者至少部分地并入该外科手术机器人中。另选地，本文所公开的外科手术计划计算机910的操作的至少一部分可以由外科手术机器人800的部件诸如由计算机子系统820执行。

参考图9，外科手术计划计算机910包括：显示器912、至少一个处理器电路914(为简洁起见，也被称为处理器)、包含计算机可读程序代码 918的至少一个存储器电路916(为简洁起见，也被称为存储器)，以及至少一个网络接口920(为简洁起见，也被称为网络接口)。网络接口920可以被配置为连接到图10中的C形臂成像装置104、图11中的O形臂成像装置106、另一个医疗成像装置、医疗图像的图像数据库950、外科手术机器人800的部件和/或其他电子装备。

当外科手术计划计算机910至少部分地集成在外科手术机器人800内时，显示器912可以对应于图2的显示器34和/或图8的平板电脑890和/ 或头戴式显示器，网络接口920可以对应于图8的平台网络接口812，并且处理器914可以对应于图8的计算机822。

处理器914可以包括一个或多个数据处理电路，诸如通用和/或专用处理器，例如微处理器和/或数字信号处理器。处理器914被配置为执行存储器916中的计算机可读程序代码918以执行操作，这些操作可以包括在本文被描述为由外科手术计划计算机执行的操作中的一些或全部操作。

处理器914可以操作来在显示装置912上显示从成像装置104和106 中的一者和/或通过网络接口920从图像数据库950接收的骨的图像。处理器914接收操作者对在一个或多个图像中示出的解剖结构(即，一个或多个骨)要被切割的位置的限定，限定方式是诸如通过操作者触摸在显示器 912上选择用于计划外科手术切割的位置或使用基于鼠标的光标来限定用于计划外科手术切割的位置。

外科手术计划计算机910使得解剖结构测量能够适用于膝关节外科手术，如对确定髋关节的中心的各种角度、角度的中心、自然界标(例如，经股骨上髁线、怀特赛德线、后髁线等)等的测量。一些测量可以是自动的，而一些其他测量涉及用户输入或辅助。该外科手术计划计算机910允许操作者选择用于患者的正确植入物，包括选择大小和对准。外科手术计划计算机910使得能够对CT图像或其他医疗图像进行自动或半自动(涉及人类输入)分割(图像处理)。患者的外科手术计划可以存储在基于云的服务器中以供外科手术机器人800检索。在外科手术期间，外科医生将使用计算机屏幕(例如，触摸屏)或经由例如头戴式显示器进行的增强现实交互来选择要进行的切割(例如，后股骨、近侧胫骨等)。外科手术机器人4可以将外科手术锯片自动移动到计划位置，使得计划切割的目标平面最佳地放置将外科手术锯片和机器人臂20互连的被动端部执行器的工作空间内。用户可以使用各种模态例如脚踏开关来给出启用移动的命令。

在一些实施方案中，外科手术系统计算机平台900可以使用两个DRA 来跟踪患者解剖结构位置：一个DRA在患者胫骨上，另一个DRA在患者股骨上。平台900可以使用标准导航仪器(例如，类似于用于脊柱外科手术的Globus ExcelsiusGPS系统中使用的指针)来进行配准和检查。也可以使用允许参考跟踪的解剖结构检测DRA移动的跟踪标记。

膝关节外科手术中的重大难点是如何计划植入物在膝关节中的位置，并且许多外科医生很难在呈现3D解剖结构的2D表示的计算机屏幕上进行计划。平台900可以通过使用增强现实(AR)头戴式显示器在实际患者膝关节周围生成植入物叠加来解决这个问题。例如，外科医生可以操作地显示虚拟手柄以抓取植入物并将其移动成期望的位姿并调整计划的植入物放置。之后，在外科手术期间，平台900可以通过AR头戴式显示器渲染导航来向外科医生展示非直接可见的对象。而且，可以实时显示骨移除的进展 (例如，深度或切口)。可以通过AR显示的其他特征可以包括但不限于沿着接头运动范围的间隙或韧带平衡、沿着接头运动范围的植入物上的接触线、透过颜色或其他图形叠加的韧带张力和/或松弛等。

在一些实施方案中，外科手术计划计算机910可以允许计划使用标准植入物(例如，后稳定的植入物和十字状保持植入物、骨水泥和无骨水泥植入物)、与例如总体或部分膝关节和/或髋部替换和/或创伤有关的外科手术的修正系统。

处理器914可以在显示器912上以图形方式示出一个或多个切割平面，该一个或多个切割平面在由操作者选择用于切割解剖结构的位置处与所显示的解剖结构相交。处理器914还确定一组或多组角度取向和位置，其中端部执行器联接器22必须定位成使得外科手术锯片的切割平面将与目标平面对准以执行操作者限定的切割，并且该处理器将成组的角度取向和位置作为数据存储在外科手术计划数据结构中。处理器914使用被动端部执行器的工具附接机构的已知移动范围来确定需要将附接到机器人臂20的端部执行器联接器22定位在何处。

外科手术机器人800的计算机子系统820从外科手术计划数据结构接收数据，并从相机跟踪系统6接收信息，该信息指示要切割的解剖结构的当前位姿并且指示通过DRA跟踪的被动端部执行器和/或外科手术锯的当前位姿。计算机子系统820基于限定解剖结构要被切割的位置的外科手术计划并基于解剖结构的位姿来确定目标平面的位姿。计算机子系统820基于目标平面的位姿与外科手术锯的位姿的比较来生成转向信息。该转向信息指示被动端部执行器需要移动到的位置，该被动端部执行器移动到该位置使得锯片的切割平面变得与目标平面对准，并且锯片变得被定位成与要切割的解剖结构相距一定距离，该距离在被动端部执行器的工具附接机构的移动范围内。

如上所述，外科手术机器人包括机器人基部、连接到该机器人基部的机器人臂以及操作地连接以使该机器人臂相对于该机器人基部移动的至少一个马达。外科手术机器人还包括连接到该至少一个马达并被配置为执行操作的至少一个控制器，例如，计算机子系统820和运动控制子系统840。

如将在下文参照图12至图19进一步详细描述的，被动端部执行器包括基部，该基部被构造成附接到机器人臂、第一机构和第二机构的激活组件。第一机构在到基部的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。第二机构在到基部的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。第一机构和第二机构围绕可旋转连接件枢转，并且可以被构造成将工具附接机构的移动限制到在工作平面内的移动范围内。可旋转连接件可以是允许1个自由度(DOF)运动的枢转接头、允许2个DOF 运动的万向接头或允许3个DOF运动的球形接头。工具附接机构被构造成连接到包括用于切割的锯片的外科手术锯。第一机构和第二机构可以被构造成将锯片的切割平面限制为平行于工作平面。

在一些实施方案中，由外科手术机器人的该至少一个控制器执行的操作还包括：基于转向信息来控制该至少一个马达的移动，以重新定位被动端部执行器，使得锯片的切割平面变得与目标平面对准并且锯片变得被定位成与要切割的解剖结构相距一定距离，该距离在被动端部执行器的工具附接机构的移动范围内。可以显示转向信息来引导操作者移动外科手术锯，并且/或者该至少一个控制器可以使用该转向信息来自动移动外科手术锯。

在一个实施方案中，由外科手术机器人的该至少一个控制器执行的操作还包括：向显示装置提供转向信息以用于显示从而引导操作者移动被动端部执行器，使得锯片的切割平面变得与目标平面对准并且锯片变得被定位成与要切割的解剖结构相距一定距离，该距离在被动端部执行器的工具附接机构的移动范围内。显示装置可以对应于显示器824(图8)、图1的显示器34和/或头戴式显示器。

例如，转向信息可以在将图像投影到透视显示屏上的头戴式显示器上显示，该透视显示屏形成叠加在透过透视显示屏可见的真实世界对象上的增强现实图像。这些操作可以显示目标平面的图形表示，该目标平面的位姿叠加在骨上并且该目标平面与骨之间的相对取向与关于计划切割骨的方式的外科手术计划对应。这些操作可以另选地或除此之外显示锯片的切割平面的图形表示，使得操作者可以更容易地将切割平面与计划的目标平面对准以切割骨。由此，操作者可以由此在视觉上观察和执行移动以将锯片的切割平面与目标平面对准，使得锯片变得相对于骨定位并且定位在被动端部执行器的工具附接机构的运动范围内。

自动成像系统可以与外科手术计划计算机910和/或外科手术系统2结合使用以获取患者的术前、术中、术后和/或实时图像数据。图10和图11 中示出了示例性自动成像系统。在一些实施方案中，自动成像系统是C形臂104(图10)成像装置或

106(图11)。(

的版权归 Medtronic Navigation公司所有，该公司在美国科罗拉多州的路易斯维尔有营业场所)可能期望的是，从许多不同位置获取患者的x射线图像，而不需要频繁地手动重新定位患者(在x射线系统中需要频繁地手动重新定位患者)。C形臂104x射线诊断装备可以解决频繁地手动重新定位的问题，并且在外科手术和其他介入规程的医疗领域中可能是众所周知的。如图10 所示，C形臂包括终止于“C”形状的相对远侧端部112的细长C形构件。 C形构件附接到x射线源114和图像接收器116。臂的C形臂104内的空间为医师提供了空间来照顾患者，而基本上不受x射线支撑结构的干扰。

安装C形臂以使得臂能够在两个自由度上(即，围绕球面运动中的两个垂直轴)进行旋转移动。C形臂可滑动地安装到x射线支撑结构，这允许C形臂围绕其曲率中心进行绕轨旋转移动，这可以准许x射线源114和图像接收器116竖直地和/或水平地进行选择性取向。C形臂也可以是可侧向旋转的(即，在相对于绕轨方向的垂直方向上可旋转，以使得能够选择性地调节x射线源114和图像接收器116相对于患者的宽度和长度的定位)。C形臂设备的球面旋转方面允许医师以相对于正被成像的特定解剖条件确定的最佳角度获取患者的x射线图像。

图11所示的

106包括机架外壳124，该机架外壳可以包围图像捕获部分(未示出)。图像捕获部分包括x射线源和/或发射部分和x射线接收和/或图像接收部分，它们可以彼此相距大约一百八十度设置并相对于图像捕获部分的轨迹安装在转子(未示出)上。图像捕获部分可能可操作为在图像采集期间旋转三百六十度。图像捕获部分可以围绕中心点和/或轴旋转，从而允许从多个方向或多个平面中获取患者的图像数据。

具有机架外壳124的

106具有用于围绕要成像的对象定位的中心开口、可围绕机架外壳124的内部旋转的辐射源，该辐射源可适于从多个不同投射角度投射辐射。检测器系统适于检测每个投射角度处的辐射，以用准同时方式从多个投影平面获取对象图像。机架可以悬臂方式附接到支撑结构(

支撑结构)，诸如具有轮的轮式移动推车。定位单元优选地在计算机化运动控制系统的控制下将机架平移和/或倾斜到计划的位置和取向。机架可以包括在该机架上彼此相对设置的源和检测器。源和检测器可以固定到机动转子，该机动转子可以使源和检测器围绕机架的内部彼此协调地旋转。可以利用部分和/或全部的三百六十度旋转在多个位置和取向上脉冲源，以用于对位于机架内部的目标对象进行多平面成像。机架还可以包括用于在其旋转时引导转子的轨道和轴承系统，该轨道和轴承系统可以承载源和检测器。

106和C形臂104中的两者和/或任一者可以用作自动成像系统以扫描患者并将向外科手术系统2发送信息。

由自动成像系统捕获的图像可以在外科手术计划计算机910的显示装置、外科手术机器人800和/或外科手术系统2的另一个部件上显示。

现在在图12至图19C的上下文中描述被构造成与外科手术系统一起使用的被动端部执行器的各种实施方案。

如下文将进一步详细说明的，图12至图19C所示的各种被动端部执行器可以各自包括基部、第一平面机构和第二平面机构。该基部被构造成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和图2中的机器人臂20)的端部执行器联接器(例如，图4和图5中的端部执行器联接器22)。可以使用各种夹紧机构来将基部牢固地附接到端部执行器联接器，从而移除反冲力并确保合适的刚度。可以用于将基部附接到端部执行器联接器的不可逆夹紧机构可以包括但不限于切换接头机构或不可逆的锁定螺钉。用户可以使用另外的工具(诸如但不限于螺丝刀、扭矩扳手或驱动器)来激活或拧紧夹紧机构。第一机构在到基部的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。第二机构在到基部的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。第一机构和第二机构围绕可旋转连接件枢转。可旋转连接件可以是允许1个自由度(DOF)运动的枢转接头、允许2个DOF运动的万向接头或允许3个DOF运动的球形接头。当使用枢转接头时，第一机构和第二机构可以被构造成将工具附接机构的移动限制到在工作平面内的移动范围内。工具附接机构被构造成连接到具有锯片的外科手术锯，该锯片被构造成振荡以用于切割。第一机构和第二机构可以被构造成经由具有1个DOF运动的枢转接头将锯片的切割平面限制为平行于工作平面。工具附接机构可以通过各种机构连接到外科手术锯或锯片，这些机构可以包括但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、带、压式配件或磁体。DRA可以连接到工具附接机构或外科手术锯，以使得能够通过相机跟踪系统6(图3)跟踪锯片的位姿。

如上所述，外科手术系统(例如，图1和图2中的外科手术系统2)包括外科手术机器人(例如，图1和图2中的外科手术机器人4)和跟踪系统 (例如，图1和图3中的相机跟踪系统6)，该跟踪系统被配置为确定要由锯片切割的解剖结构的位姿并确定该锯片的位姿。外科手术机器人包括机器人基部、可旋转地连接到该机器人基部并被构造成定位被动端部执行器的机器人臂。至少一个马达操作地连接以使机器人臂相对于机器人基部移动。至少一个控制器连接到该至少一个马达并被配置为执行操作，这些操作包括基于限定解剖结构要被切割的位置的外科手术计划并基于解剖结构的位姿来确定目标平面的位姿，其中该外科手术计划可以由图9的外科手术计划计算机910基于来自操作者的输入(例如，外科医生或其他外科手术人员)来生成。这些操作还包括基于目标平面的位姿与外科手术锯的位姿的比较来生成转向信息。该转向信息指示被动端部执行器需要移动到的位置，该被动端部执行器移动到该位置以定位该被动端部执行器的工作平面，使得锯片的切割平面与目标平面对准。

在一些另外的实施方案中，由该至少一个控制器执行的操作还包括：基于转向信息来控制该至少一个马达的移动，以重新定位被动端部执行器，使得锯片的切割平面变得与目标平面对准并且锯片变得被定位成与要切割的解剖结构相距一定距离，该距离在被动端部执行器的工具附接机构的移动范围内。

这些操作可以包括：向显示装置提供转向信息以用于显示从而引导操作者移动被动端部执行器，使得锯片的切割平面变得与目标平面对准并且锯片变得被定位成与要切割的解剖结构相距一定距离，该距离在被动端部执行器的工具附接机构的移动范围内。

如上所述，一些外科手术系统可以包括头戴式显示装置，该头戴式显示装置可以由外科医生、执业护士和/或辅助外科手术规程的其他人员穿戴。外科手术系统可以显示信息，该信息允许穿戴者更准确地定位被动端部执行器，并且/或者确认该被动端部执行器已经准确定位，其中锯片与目标平面对准以用于切割解剖结构上的计划位置。向显示装置提供转向信息的操作可以包括将该转向信息配置用于在具有透视显示屏的头戴式显示装置上显示，该透视显示屏将该转向信息显示为在要切割的解剖结构上的叠加，以引导操作者移动被动端部执行器，使得锯片的切割平面变得与目标平面对准并且锯片变得被定位成与该解剖结构相距一定距离，该距离在被动端部执行器的工具附接机构的移动范围内。

将转向信息配置用于在头戴式显示装置上显示的操作可以包括：生成目标平面的图形表示，该图形表示被显示为锚定到要切割的解剖结构并与其对准的叠加；以及生成锯片的切割平面的另一个图形表示，该另一个图形表示被显示为锚定到该锯片并与其对准的叠加。由此，穿戴者可以移动外科手术锯以提供经图形渲染的目标平面与经图形渲染的切割平面之间在视觉上观察到的对准。

将转向信息配置用于在头戴式显示装置上显示的操作可以包括生成锯片切入被切割的解剖结构的图形表示中所产生的切割深度的图形表示。因此，尽管对切割的直接观察被组织或其他结构遮挡，但是穿戴者可以使用切割深度的图形表示来更好地监测锯片切割穿骨的方式。

跟踪系统可以被配置为基于确定附接到解剖结构的跟踪标记(例如 DRA)的位姿来确定要由锯片切割的解剖结构的位姿，并且可以被配置为基于确定连接到外科手术锯和被动端部执行器中的至少一者的跟踪标记的位姿来确定外科手术锯的位姿。跟踪系统可以被配置为基于旋转位置传感器来确定外科手术锯的位姿，该旋转位置传感器被配置为在工具附接机构在工作平面内移动期间测量第一机构和第二机构的旋转位置。如上所述，位置传感器可以直接连接到被动端部执行器结构的至少一个接头，但也可以定位在该结构中的另一个位置中，并且通过正时皮带、导线或任何其他同步传输互连件的互连来远程测量接头位置。除此之外，可以基于附接到结构基部的跟踪标记、被动结构中的位置传感器和结构的运动模型来确定锯片的位姿。

本文所公开的各种被动端部执行器可以是可灭菌的或未经灭菌的(由无菌盖布覆盖)被动3DOF(自由度)机械结构，从而允许沿着平行于锯片 (限定切割平面)的平面中的两个平移和垂直于该切割平面(仪器取向) 的一个旋转机械地引导外科手术锯或锯片(诸如矢状锯)。在外科手术期间，外科手术机器人4将端部执行器联接器22、被动端部执行器和附接到其的外科手术锯自动移动到接近膝关节或其他解剖结构的位置，使得所有要切割的骨都在被动端部执行器的工作空间内。该位置取决于要进行的切割、外科手术计划和植入物构造。被动端部执行器可以具有3个DOF以在切割平面上引导矢状锯或锯片，提供两个平移(X方向和Y方向)和旋转(围绕Z轴)，如图12所示。

当外科手术机器人4到达计划位置时，该外科手术机器人保持该位置 (通过制动或主动马达控制)，并且在特定骨切割期间不移动。允许外科手术锯的锯片沿着计划的目标平面移动的是被动端部执行器。这种平面切割对于经典全膝关节成形术特别有用，其中所有骨切割都是平面的。在部分膝关节成形术中，存在特殊类型的植入物(被称为“高嵌体(on- lay)”)，其可以与用锯制备的骨表面结合使用。各种被动端部执行器具有机械结构，该机械结构可以确保在切割期间引导的精确度(精确度高于经典治具)，并且提供足够的工作空间范围以切割计划的所有骨，同时提供足够的横向刚度(与锁定DOF对应)，尽管除由外科医生所施加的力和骨反作用力之外还存在来源于外科手术锯的显著量的振动。

同时，优选的是测量被动端部执行器位置，因为这使得外科外科手术机器人4能够告知外科医生已经移除多少骨(规程进度)。提供关于骨移除的实时信息的一种方式是，外科手术机器人4测量锯片根据骨穿过的位置，因为刀片仅可通过骨已经被切割的位置。为了测量锯片位置，可以将 DRA安装到外科手术锯和/或被动端部执行器。这使得能够在3D空间中直接或间接测量锯位置。测量锯片位置的另选方式是，将位置(旋转或平移)传感器(例如，编码器、分解器)集成到被动端部执行器的位置信息中，以便使用被动端部执行器几何形状的位置与锯片的尖端之间的限定关系的数学模型来计算锯片的位置。

在一个实施方案中，常规矢状锯机构可以与外科手术系统计算机平台 900一起使用，但几乎没有变化。可能的变化将涉及调整外部屏蔽件以使得外科手术锯能够容易地附接到被动端部执行器，但是不一定涉及内部机构的变化。被动端部执行器可以被构造成连接到由例如DeSoutter公司提供的常规矢状锯。另外，锯片可以在没有锯手持件的情况下直接附接到被动端部执行器。

为了在外科手术机器人4定位被动端部执行器时防止锯进行意外的被动端部执行器移动，例如，为了防止外科手术锯由于重力而掉落在患者身上，被动端部执行器可以包括在接合操作与脱离接合操作之间转变的锁定机构。当接合时，锁定机构可以通过锁定外科手术锯的自由度(DOF)直接地或通过制动或锁定被动端部执行器的特定接头非直接地防止锯片相对于机器人端部执行器联接器移动。当脱离接合时，被动端部执行器的第一机构和第二机构可以相对于基部移动而不受锁定机构的干扰。在下文相对于图19A至图19C更详细地描述的锁定机构还可以在外科医生握持外科手术锯并通过向该外科手术锯施加力和扭矩来控制外科手术机器人4移动时使用。使用集成在机器人臂20的远侧端部中的图6和图7的测力传感器64 的外科手术机器人4测量施加的力和扭矩并在机器人臂20上生成响应力和扭矩，使得外科医生可以更容易地来回地、左右地移动被动端部执行器，施加围绕各种轴的旋转。

图12示出了被动端部执行器的实施方案。被动端部执行器1200包括基部1202，该基部被构造成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和图2中的机器人臂18)的端部执行器联接器(例如，图4和图 5中的端部执行器联接器22)。被动端部执行器1200还包括第一联接件区段1210和第二联接件区段1220。第一联接件区段1210在到基部1202的可旋转连接件与到第二联接件区段1220的一端的可旋转连接件之间延伸。第二联接件区段1220的另一端可旋转地连接到工具附接机构。旋转轴q1、q2 和q3彼此平行，以便为刀片1242提供平面的切割平面。因此，锯1240的 3个DOF运动包括x方向Tx、y方向Ty和围绕z轴Rz的旋转方向。针对该实施方案公开的可旋转连接件中的一个或多个可旋转连接件可以是允许1 个DOF运动的枢转接头、允许2个DOF运动的万向接头或允许3个DOF 运动的球形接头。

附接到端部执行器基部1202和锯1240的跟踪标记(例如，DRA 52) 连同骨(例如，胫骨和股骨)上的跟踪标记一起可以用于精确地且连续地监测刀片1242和刀片尖端相对于被切割的患者骨的实时位置。尽管在其他图中未明确示出，但在所有实施方案中，跟踪标记可以附接到锯1240和所有端部执行器(例如，端部执行器1200、端部执行器臂1400等)以跟踪刀片相对于被切割的患者骨的位置。尽管未示出，另选地或除了跟踪标记之外，编码器可以定位在联接件区段1210和1220中的每一者中，以精确地确定锯片尖端始终处于何处。

示例性外科手术规程

在手术室(OR)中使用外科手术机器人4的示例性外科手术规程可包括：

可选步骤：基于医疗图像对外科手术做出术前计划

外科手术机器人4系统在手术室(OR)的外部。当患者准备好进行外科手术时，护士将系统拿到OR。

护士打开机器人并部署机器人臂。护士验证机器人和跟踪系统的精确度。

就经灭菌的被动端部执行器而言，擦洗护士将无菌盖布放在机器人臂上并且将具有矢状锯的被动端部执行器安装在该机器人臂上。擦洗护士利用锁定机构锁定被动端部执行器。擦洗护士通过盖布将DRA附接到被动结构(如有必要)。对于未经灭菌的被动端部执行器，在被动端部执行器附接到机器人臂上之后放置盖布，利用居中于其间的盖布将DRA附接到该被动端部执行器，并且利用居中于其间的盖布将无菌锯或锯片附接到该被动端部执行器。接合锁定机构以便固定锯片相对于端部执行器联接器的位置。

外科医生将导航标记附接到患者的骨，例如，胫骨和股骨。使用例如 Horn点对点算法、表面匹配或其他算法来将骨与相机跟踪系统6配准。可以执行软组织平衡评估，由此系统允许外科医生评估手术室中软组织的平衡，例如，通过在外科医生在不同方向上施加力(例如，内翻/外翻应力) 时跟踪股骨和胫骨的相对移动。软组织平衡信息可以用于更改外科手术计划(例如，移动植入物部分、改变植入物类型等)。

当外科医生准备好切割骨时，擦洗护士将外科手术机器人4拿到手术台接近要手术的膝关节的位置，并且将外科手术机器人4稳定在地板上。系统可以操作来引导护士寻找机器人4位置，使得所有切割平面都在机器人和被动结构工作空间中。

外科医生根据要进行第一次切割的外科手术的计划(要切割的骨、期望的切割计划等)来在外科手术机器人4的屏幕上选择不同参数。

外科手术机器人4自动移动机器人臂20以重新定位被动端部执行器，使得锯片的切割平面变得与目标平面对准，并且锯片变得被定位成与要切割的解剖结构相距一定距离，该距离在被动端部执行器的工具附接机构的移动范围内。

外科医生解锁被动端部执行器。

外科医生执行被限制到由被动端部执行器提供的切割平面的切割。外科手术机器人4可以提供锯片相对于骨的跟踪位置的实时显示，使得外科医生可以监测骨移除的进展。以一种方式，跟踪子系统基于相机图像和附接到锯、机器人臂、端部执行器、股骨和胫骨的各种跟踪标记来实时地处理锯相对于骨的位置。然后，在完成切割时，外科医生可以使用锁定机构来锁定被动端部执行器。

外科医生在屏幕上选择要执行的下一次切割，并且如前所述那样进行。

外科医生可以执行试验性植入物放置和中间软组织平衡评估，并且基于上述两点可以改变植入物计划和相关联的切割。

在完成所有切割之后，护士从手术台移除外科手术机器人4，并从机器人臂卸下被动端部执行器。

外科医生放置植入物并完成外科手术。

在以上步骤9中，由于骨周围的组织和韧带、由切割产生的碎屑以及骨附近的其他外科手术器械，医师可能难以在视觉上确认切割的进展。即使视觉确认可能是可接受的，也存在医师无法看到的骨的区域，诸如被切割的骨的后部部分。

有利地，本发明的一个机器人系统实施方案提供了一种医师用于在多个维度上确认被切割的骨的进展的方式。相机跟踪系统6连同附接到端部执行器基部1202、机器人臂20和锯1240的跟踪标记一起允许跟踪子系统 830和计算机子系统820实时计算锯片相对于骨的精确位置，使得外科医生可以监测骨移除的进展。在该实施方案和其他实施方案中，锯1240用作手持式外科手术装置的示例，该手持式外科手术装置附接到被动端部执行器臂并由被动端部执行器臂引导。然而，应当理解，根据需要，其他手持式外科手术装置诸如钻头、解剖刀、驱动器等也可以与本文的实施方案一起使用。

图13是显示器的屏幕截图，其示出了在外科手术规程期间骨切割的进展。图13示出了显示以下三种图像的子系统830和820：侧视图、A-P视图和顶视图。在每个图像中，锯片1242相对于骨(例如，胫骨1300)的实时位置在显示器34上显示。侧视图和顶视图对于医师来说尤其有用，因为它们显示了不易看到的锯片位置。在显示器的顶部部分处，计算机子系统 830、820显示切割程序的数量和当前正在运行的程序。例如，如屏幕截图所示，医师可能编程了6次平面切割，并且当前切割程序是第一个。此外，因为子系统830和820可以利用跟踪标记来跟踪刀片可能已经行进到的位置，所以这些子系统可以确定已经完成了多少特定切割程序的骨切割(被切割的区域)，并且进展的百分比在显示器34中显示。骨图像本身优选地是从患者身体的实际图像导出的，以获得更准确的表示。子系统820 利用轮廓线增强骨图像，该轮廓线示出了皮质骨1304和松质骨1302。这对于医师来说可能是重要的，因为切割的阻力的量在这两种类型的骨之间差异很大。

如果使用增强现实(AR)头戴式显示器，则计算机子系统820可以生成示出皮质骨和松质骨的相同轮廓线，并且在医师移动他/她的头部时将该轮廓线连续地重叠在实际腿部上。已经被切割的区域可以黑色阴影叠加在实际骨上。此外，要插入在切割区域上方的植入物也可以叠加在骨上，以向医师示出沿着植入物的平面正确完成了切割。这都是可能的，因为子系统830和820可以跟踪刀片的位置和该刀片相对于具有跟踪标记的骨和相机子系统的移动的历史。

如相对于上述示例所讨论的，膝关节外科手术可能需要根据由植入物给出的位置和取向切除股骨和胫骨上的平面表面，该植入物将进一步放置在这些切除的表面上。为了执行这些切除，具有切割元件诸如图12的锯 1240的振荡矢状锯片的动力手持件可以由外科医生握持，其中被动端部执行器臂诸如图12的被动端部执行器1200将锯维持在固定的切除平面内，同时允许刀片在该平面内具有三个自由度，即平行于切除平面的x方向和y 方向，以及围绕垂直于该切除平面的旋转轴的旋转方向。

为了实现足够的切除准确性，期望提供具有高水平横向刚度的被动端部执行器1200。例如，由于铝的高刚度和其他因素诸如制造成本，铝是用于被动端部执行器1200的一种合适的材料。然而，使用铝和/或其他高刚度材料可能影响这些结构零件的重量。

在膝关节外科手术期间，锯1240和端部执行器1200两者都相对于患者解剖结构定位在计划的切除平面中。当切除平面是水平的时，由于端部执行器1200的重量而产生的重力完全由端部执行器1200的接头轴承(例如，接头1403、1443、1445的轴承)支撑。然而，许多切除操作通常采用相对于水平平面倾斜高达并包括90度(即，竖直)的切除平面。在此类构型中，端部执行器1200的联接件区段1210、1220的重量可以由外科医生的手部分或完全支撑。因此，为了将锯1240维持在正确的位置，除了支撑锯1240的重量之外，外科医生还在端部执行器1200的方向上施加足以补偿端部执行器1200上的竖直重力的反作用力。这可能导致锯1240的感知重量的显著增加，这会负面影响可用性。

端部执行器1200的运动行为还可能导致不可接受的风险，尤其是当切除平面几乎是竖直的时。例如，当外科医生解锁锯1240以允许锯1240相对于机器人臂移动以执行切除时，施加到端部执行器1200的部件(例如，联接件区段1210、1220)的重心的重力可能导致不期望的加速度，这可能导致端部执行器1200结构的意外行为。除了有锯1240与患者无意接触的风险之外，加速度还可能倾向于根据联接件区段1210、1220的取向来向外科医生的手施加侧向力。例如，端部执行器1200的构型可能在没有适当的支撑的情况下突然改变，尤其是当联接件区段1210、1220基本上共线 (即，接近奇异构型)时。

因此，期望补偿当端部执行器1200处于倾斜切除平面中时由于重力而在端部执行器1200上产生的这些不期望的力。就这一点而言，图14示出了根据本公开的一些实施方案的端部执行器臂1400的实施方案，该端部执行器臂具有用于补偿端部执行器臂部件上的重力的弹簧机构1412。在该示例中，端部执行器臂1400包括基部1402，该基部被构造成附接到外科手术机器人臂的端部执行器联接器，诸如例如图4和图5的端部执行器联接器 22。端部执行器臂1400包括机械连杆1404，该机械连杆包括在基部接头 1403处可旋转地联接到基部1402的第一端1406和与第一端1406相对的第二端1408。例如，第二端1408被构造成可移除地联接到手持式外科手术工具，诸如图12的锯1240。端部执行器臂1400包括弹簧机构1412，该弹簧机构被构造成基于机械连杆1404相对于基部1402的旋转角度来向机械连杆1404赋予可变旋转力。

如下文将讨论的，该实施方案和其他实施方案可以补偿端部执行器臂 1400的部件的重量，以便在经受重力时(例如，当端部执行器臂1400解锁时)避免这些部件的意外加速。这些实施方案和其他实施方案还可以减少外科医生的手由于端部执行器臂1400的重量而花费的力气和由此造成的疲劳。

例如，图14的示例的实施方案可以被构造成当端部执行器臂1400处于竖直切除平面中时，完全补偿第一联接件1436的重量并且部分补偿第二联接件1440的重量。端部执行器臂还可以被构造成使补偿效果在端部执行器臂1400的整个运动范围内的变化最小化。

为了实现这一优点和其他优点，弹簧机构1412被集成到端部执行器臂 1400的结构中，并且被构造成在用没有任何电能的情况下补偿端部执行器臂1400部件的重量。例如，在该实施方案中，当切除平面是竖直的时，弹簧机构1412提供弹性势能以补偿与第一联接件1436相关联的势能的全部损失，以及与第二联接件1440相关联的势能的部分损失。

在该示例中，弹簧1414具有第一端1416和第二端1418，其中弹簧 1414的第一端1416联接到端部执行器臂1400的基部1402。缆线1420具有第一端1421和第二端1423，其中第一端1421联接到弹簧1414的第一端 1416。在该示例中，弹簧1414是设置在基部1402中的通道1422内的压缩线圈弹簧，其中弹簧1414的第一端1416邻接该通道中的止动件1428并且凸台1426设置在弹簧1414的第二端1418处。引导杆1424附接到凸台 1426，朝向第一联接件1436延伸穿过弹簧，并且附接到缆线1420的第一端1421，使得缆线1420中的张力被传递到弹簧1414的第二端1418以压缩弹簧1414，并且基于弹簧1414的压缩量来向缆线1420施加反作用力。

然而，应当理解，可以根据需要使用其他类型的弹簧机构和/或构型。例如，合适的弹簧机构可以使用张力线圈弹簧、液压和/或气动弹簧、弹性体、医疗级橡胶带和/或用于响应于所施加的力而施加弹性反作用力的任何其他合适的机构或部件。

返回参考图14，凸轮1430例如经由第一联接件1436与基部1402之间的接头的轴1431联接到机械连杆的第一端1406，使得凸轮1430与第一联接件1436一起相对于基部1402旋转。缆线1420的第二端1423联接到凸轮 1430，其中缆线1420的第二端1423在机械连杆1404相对于基部1402旋转期间被容纳在并引导到凸轮1430的凸轮引导件1432内。

然而，应当理解，可以根据需要使用其他布置。例如，在一些实施方案中，弹簧可以设置在第一联接件1436中，并且凸轮可以联接到基部，使得第一联接件1436和弹簧相对于基部1402和凸轮旋转。

在该实施方案中，凸轮1430相对于轴1431具有可变半径，这导致机械连杆1404以线性速率相对于基部1402旋转以使弹簧1414以非线性速率变形。凸轮1430可以被构造成使得对于第一联接件1436相对于基部1402 的每个角度位置而言，围绕轴1431施加补偿扭矩M_补偿，该补偿扭矩对应于由施加到端部执行器臂1400的重心1437的重力生成的粗略估计的力矩。补偿扭矩M_补偿可以对应于一个或多个分量的总和。例如，例如，如图 15所示，一个分量可以是基部接头1403周围由施加到第一联接件1436的重心1437的重力PL1生成的力矩的幅值，其中力矩M1等于PL1乘以第一联接件1436的重心1437与基部接头1403之间的水平距离RL1。另一个分量可以是由重力PL2生成的力矩的幅值，该重力对应于施加在第一联接件1436的第一端1442与第二端1438之间的接头1443处的第二联接件1440 的质量的限定部分，其中力矩M2等于PL2乘以接头1443与基部接头1403 之间的水平距离RL2。这是因为向下的力PL2的有效幅值可以基于第二联接件1440的竖直角度而变化，这继而使得第二联接件1440的重心1441的实际距离也发生变化。因此，在该示例中，PL2可以是根据需要基于任何数量的因素(诸如，在第二联接件240上的实际重力的平均幅值、最大幅值等)来粗略估计的。

在一些实施方案中，由弹簧机构1412赋予的可变旋转力在机械连杆 1404相对于基部1402的旋转角度范围内足以克服端部执行器臂1400的第二端1408上的重力。例如，凸轮1430可以被构造成使得可变旋转力在该旋转角度范围内基本上等于在端部执行器臂1400的第二端1408上的重力、平均重力和/或粗略估计的重力。

还应当理解，在一些实施方案中，可以采用多个弹簧机构。例如，在以上图14和图15的示例中，可以在第一联接件1436与第二联接件1440之间添加第二弹簧机构，例如，以相对于第一联接件1436为第二联接件1440 提供重力补偿。这可以允许主弹簧机构1412的弹簧力减小，因为总补偿扭矩同时由两个机构提供。在一些实施方案中，除了弹簧机构1412之外或代替该弹簧机构，可以根据需要在第一联接件1436与第二联接件1440之间或两个其他联接件之间使用弹簧机构。

就这一点而言，图16A和图16B示出了根据本公开的一些实施方案的图14和图15的端部执行器臂1400的一部分，其示出了施加到端部执行器臂1400的第一联接件1436的力。如图16A所示，当端部执行器臂1400处于对接位置中时，由于第一联接件1436的形状，第一联接件1436的重心 1437与竖直方向水平地偏移。在该示例中，弹簧1414被构造成向缆线1420施加张力F_s1，该张力赋予了补偿扭矩M_补偿1，该补偿扭矩等于张力 F_s1乘以凸轮1430在对接位置角度处的半径R₁。在该示例中，根据需要，补偿扭矩M_补偿1被设置为高于由机械连杆1404上的重力产生的力矩，使得为了安全、人体工程学和/或其他原因，机械连杆1404被朝向对接位置偏置。

如图16B所示，第一联接件1436相对于对接位置角度成142度的角度。凸轮1430的旋转使得弹簧1414由于凸轮1430的142度旋转而被压缩等于设置在凸轮引导件1432中的缆线的附加长度的长度。弹簧1414的这种压缩成比例地增加了张力F_s2。同时，由于机械连杆的重心，以及第一联接件1436的重心1437和/或机械连杆1404相对于基部接头1403的水平距离的变化，机械连杆1404的旋转还改变了补偿机械连杆1404上的重力所需的扭矩的量。在该示例中，凸轮1430在该角度处的半径R₂被构造成产生补偿扭矩M_补偿2，该补偿扭矩等于张力F_s2乘以半径R₂，并且足以克服该角度的端部执行器臂1400的第二端1408上的重力。通过定制凸轮1430和弹簧1414的轮廓，可以定制补偿扭矩M_补偿来补偿机械连杆1404上的重力，以当机械连杆1404固定在成角度的切除平面中时最小化和/或消除外科医生的手上的机械连杆1404的感知重量。

现在参考图17，曲线图1700示出了根据本公开的一些实施方案的当端部执行器臂处于竖直切除平面中时端部执行器臂上的重力扭矩Mg 1702、补偿扭矩M_补偿1704和净扭矩M_净1706。在该示例中，重力扭矩M_g 1702的绘图示出了由于在0度的伸展角度(即，在竖直对接位置中)至 180度的伸展角度(即，在完全伸展位置)之间的端部执行器臂上的重力而在端部执行器臂的基部接头处施加的扭矩。在该示例中，当机械连杆的重心与基部接头之间的水平距离最大时，由于重力而产生的最大扭矩为90 度。在该示例中，重力扭矩M_g 1702可以被表示为：

M_g＝-M_连杆*L_连杆*(sinθ)*G

其中M_连杆是机械连杆的质量，L_连杆是机械连杆的质心与基部接头相距的距离，θ是机械连杆的质心与基部接头之间的线的竖直角度，G是重力常数。

补偿扭矩M_补偿1704可以类似地被表示为：

M_补偿＝-M_连杆*L_连杆*(sinθ)*G

通过构造凸轮以在该相同角度范围内产生这种补偿扭矩M_补偿轮廓，可以将净扭矩M_净1706定制为在整个角度范围内维持在零或接近零。例如，在图16A的对接构型中(即，θ＝0)，M_补偿1由于机械连杆1404的接近零的角度而相对较低，并且F_s1也由于弹簧1414的受限压缩而相对较低，其中凸轮1430被构造成具有半径R₁，以产生期望的M_补偿1。当机械连杆旋转时，M_补偿在相对于竖直方向的90度处增加到最大值，其中凸轮1430的轮廓被构造成将凸轮1430的缆线接口点和半径R考虑在内，以基于增加的弹簧力F_s来产生适当的补偿扭矩。如图16B所示，当机械连杆1404接近全冲程(即，180度)时，补偿扭矩M_补偿减小，但是弹簧力F_s2继续增加。通过构造凸轮1430的轮廓以随着凸轮1430的旋转而减小半径R₂，这以两种方式减小了补偿扭矩M_补偿2。首先，在补偿扭矩等式中，减小的半径抵消了增加的弹簧力。其次，当凸轮1430旋转时，减小的半径降低了弹簧力的增加速率，由此在凸轮在补偿扭矩等式中处于这些较大角度的情况下增加了减小的半径的贡献。

图18是根据本公开的一些实施方案的当端部执行器臂处于相对于水平方向为大约30度的切除平面中时端部执行器臂上的重力扭矩M_g 1802、补偿扭矩M_补偿1804和净扭矩M_净1806的曲线图1800。

在该示例中，重力扭矩M_g 1802可以被表示为：

M_g＝-sinθ_r*M_连杆*L_连杆(sinθ_连杆)G

其中M_连杆是机械连杆的质量，L_连杆是机械连杆的质心与基部接头相距的距离，θ是机械连杆的质心与基部接头之间的线的竖直角度，G是重力常数，并且θ_r是切除平面相对于水平方向的角度。因此，在该实施方案中，在30度切除平面中的机械连杆上的重力扭矩约为在竖直切除平面中的对应重力扭矩的一半。

在该示例中，补偿扭矩M_补偿1804的等式保持相同：

M_补偿＝-M_连杆*L_连杆*(sinθ)*G

因此，在该示例中，净扭矩M_净1706可以被表示为：

M_净＝Mg+M_补偿＝(1-sinθ_r)*M_连杆*L连杆*(sinθ_连杆)*G

因此，在该示例中，重力不仅仅是被端部执行器臂的弹簧机构完全补偿。在一些示例中，可能优选的是，弹簧机构使得端部执行器臂被拉离患者，而不是允许重力朝向患者向下推动端部执行器臂。所产生的净扭矩M _净仍然可能小于对应的重力扭矩，并且外科医生可能会发现，在操作期间，相对于克服重力向上推动外科手术工具，拉动净扭矩来接合外科手术工具可能更优选。

如上文所讨论的，图19A至图19C示出了锁定机构1906，该锁定机构被构造成相对于端部执行器臂1900的基部1902选择性地固定外科手术工具1904。如图19A所示，工具1904包括锁定机构1906，该锁定机构具有固定到工具1904的基部1908。基部1908包括用于容纳附接到端部执行器 1900的基部1902的突出部1924的通道1910(参见图19C)。锁定机构1906还包括联接到一对锁定凸缘1914的弹簧加载锁定块1912，每个锁定凸缘具有锥形接合表面1916。手动致动器1918在致动器1918的任一侧上具有手柄1920。

如图19B所示，外科医生可以按下手柄1920以将致动器移动远离基部 1908，这使得锁定凸缘1914的锥形接合表面1916移动远离通道1910的相对内壁1922，由此增加通道1910的有效直径。如图19C所示，固定到端部执行器臂1900的端部执行器基部1902的突出部1924(例如，销或其他刚性结构)插入通道1910中，并且手柄1920被释放，这允许弹簧加载锁定块将锁定凸缘1914的接合表面1916朝向突出部1924往回移动，以将突出部1924夹紧在凸缘1914的锥形接合表面1916与通道1910的相对内壁 1922之间，由此相对于端部执行器基部1902选择性地固定外科手术工具 1904。可以通过重新接合致动器1918以释放突出部1924来从端部执行器基部1902选择性地释放外科手术工具1904，由此允许移动外科手术工具 1904以在重新释放致动器1918之前移除突出部1924。

进一步的定义和实施方案：

在本发明构思的各种实施方案的上述描述中，应当理解，本文所用的术语仅用于描述特定实施方案，并且并非旨在对本发明构思进行限制。除非另有限定，否则本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还应当理解，诸如在常用词典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应当以理想化或过于正式的意义来解释，除非本文明确地如此定义。

当元件被称为“连接”、“联接”、“响应”或它们的变体到另一个元件时，该元件可以直接连接、联接或响应于其他元件或者可以存在居间元件。相反，当元件被称为“直接连接”、“直接联接”、“直接响应”或它们的变体到另一个元件时，不存在居间元件。在通篇中，相同的数字指代相同的元件。此外，如本文所用，“联接”、“连接”、“响应”或它们的变体可以包括无线联接、连接或响应。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。为了简洁和/或清楚起见，可以不详细地描述众所周知的功能或构造。术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何和所有组合。

应当理解，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件/操作，但是这些元件/操作不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件/操作与另一个元件/操作区分开。因此，在不脱离发明构思的教导内容的情况下，在一些实施方案中的第一元件/操作可以在其他实施方案中被称为第二元件/操作。在整个说明书中，相同的附图标号或相同的参考指示符表示相同或类似的元件。

如本文所用，术语“包括”、“具有”或它们的变体是开放式的，并且包括一个或多个所陈述的特征、整数、元件、步骤、部件或功能，但不排除一个或多个其他特征、整数、元件、步骤、部件、功能或它们的组的存在或添加。此外，如本文所用，源自拉丁语短语“exempligratia”的常见缩写“e.g.”可以用于引入或指定先前提及项的一个或多个一般示例，并且不旨在限制此类项。源自拉丁语短语“id est”的常见缩写“i.e.”可以用于从更一般的叙述指定特定项。

本文参考计算机实施的方法、设备(系统和/或装置)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图示来描述示例性实施方案。应当理解，框图和/或流程图图示的框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由一个或多个计算机电路执行的计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机电路、专用计算机电路和/或其他可编程数据处理电路的处理器电路，以产生一种机器，使得经由计算机和/或其他可编程数据处理设备执行的指令变换并控制晶体管、存储在存储器位置中的值以及这种电路内的其他硬件部件，以实施框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作，并且由此创建用于实施框图和/或流程图框中指定的功能/动作的装置 (功能)和/或结构。

还可以将这些计算机程序指令存储在有形计算机可读介质中，这些计算机程序指令可以指示计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式起作用，使得存储在计算机可读介质中的这些指令产生包括实施在框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的指令的制品。因此，本发明构思的实施方案可以体现在硬件中和/或软件中(包括固件、常驻软件、微代码等)，该软件在处理器诸如数字信号处理器上运行，处理器可以被统称为“电路”、“模块”或它们的变体。

还应当指出的是，在一些另选的具体实施中，框中指出的功能/动作可以不按照流程图中指出的顺序发生。例如，连续示出的两个框可能实际上基本上同时执行，或者这些框可能有时以相反顺序执行，这取决于所涉及的功能/动作。此外，流程图和/或框图的给定框的功能可以被分成多个框，并且/或者流程图和/或框图的两个或更多个框的功能可以被至少部分地集成。最后，在不脱离发明构思的范围的情况下，可以在所示的框之间添加/ 插入其他框，并且/或者可以省略框/操作。此外，尽管图示中的一些图示包括通信路径上的箭头以示出主通信方向，但是应当理解，通信可以在与所描绘的箭头相反的方向上发生。

在基本上不脱离本发明构思的原理的情况下，可以对实施方案进行许多变化和修改。所有此类变化和修改旨在在本文中被包括在本发明构思的范围内。因此，上文所公开的主题应被认为是例示性的而非限制性的，并且所附实施方案示例旨在涵盖属于本发明构思的精神和范围的所有此类修改、增强和其他实施方案。因此，在法律允许的最大程度上，本发明构思的范围将通过对包括以下实施方案示例及其等效物的本公开的最广泛的允许解释来确定，并且不应受前述详细描述的局限或限制。

Claims (10)

1.一种与机器人外科手术系统一起使用的端部执行器臂，所述端部执行器臂包括：

基部，所述基部被构造成附接到外科手术机器人臂的端部执行器联接器；

机械连杆，所述机械连杆包括可旋转地联接到所述基部的第一端和与所述第一端相对的第二端，所述第二端被构造成可移除地联接到手持式外科手术工具；和

弹簧机构，所述弹簧机构被构造成基于所述机械连杆的旋转角度来向所述机械连杆赋予可变旋转力。

2.根据权利要求1所述的端部执行器臂，所述弹簧机构包括：

弹簧，所述弹簧包括第一端和第二端，所述弹簧的所述第一端联接到所述基部和所述机械连杆的所述第一端中的一者；

缆线，所述缆线包括第一端和第二端，所述缆线的所述第一端联接到所述弹簧的所述第一端；和

凸轮，所述凸轮联接到所述基部和所述机械连杆的所述第一端中的另一者，所述缆线的所述第二端联接到所述凸轮，所述凸轮包括凸轮引导件，所述凸轮引导件被构造成在所述机械连杆相对于所述基部旋转期间将所述缆线的所述第二端容纳并维持在所述凸轮引导件内。

3.根据权利要求2所述的端部执行器臂，其中所述机械连杆在第一旋转方向上以线性速率相对于所述基部旋转使得所述弹簧以非线性速率变形。

4.根据权利要求2所述的端部执行器臂，其中所述弹簧包括压缩线圈弹簧。

5.根据权利要求2所述的端部执行器臂，其中所述弹簧包括张力线圈弹簧。

6.根据权利要求2所述的端部执行器臂，其中所述弹簧包括液压弹簧。

7.根据权利要求2所述的端部执行器臂，其中所述弹簧包括气动弹簧。

8.根据权利要求1所述的端部执行器臂，其中所述可变旋转力在所述机械连杆相对于所述基部的旋转角度范围内足以克服所述端部执行器臂的所述第二端上的重力。

9.根据权利要求1所述的端部执行器臂，其中所述可变旋转力在所述机械连杆相对于所述基部的旋转角度范围内基本上等于所述端部执行器臂的所述第二端上的重力。

10.根据权利要求1所述的端部执行器臂，所述机械连杆包括：

第一联接件，所述第一联接件包括所述机械连杆的所述第一端，以及第二端；和

第二联接件，所述第二联接件包括所述机械连杆的所述第二端，以及可旋转地联接到所述第一联接件的所述第二端的第一端。

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