CN116710017A - 减轻运动学部件的不期望定向运动的机器人系统和方法 - Google Patents

Abstract

机器人外科手术系统包括由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定的运动链。至少一个控制器识别该运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。该至少一个控制器改变操纵器的操作，以减轻当前或预期的不期望定向运动。

Description

减轻运动学部件的不期望定向运动的机器人系统和方法

相关申请的交叉引用

本国际专利申请要求2020年12月31日提交的美国临时专利申请号63/132,821的优先权和全部权益，所述临时专利申请的内容据此全文以引用方式并入。

技术领域

本公开总体上涉及用于控制考虑机器人的运动链中的部件的不期望定向运动的机器人系统和方法。

背景技术

在外科手术部位处执行外科手术规程的机器人系统通常包括：操纵器，该操纵器具有基部、多个连杆和关节；以及端部执行器，该端部执行器联接到操纵器。许多时候，端部执行器包括或支撑具有能量施加器的外科手术工具，该能量施加器被设计成在外科手术部位处去除组织。由基部、连杆和关节以及包括能量施加器的外科手术工具限定运动链。

对于导纳控制的机器人系统，力作为输入被接收，并且能量施加器的命令位置被输出。由于导纳控制的逆运动学性质，能量施加器的命令位置被输出为任务空间(x,y,z)坐标，并且运动链部件的相应位姿(位置和定向)根据满足由复杂方程组限定的约束的解被输出。

能量施加器通常根据命令位置沿着工具路径移动。能量施加器沿着工具路径移动的速度通常被称为能量施加器的“进给速率”。现有系统已经设想调整进给速率以考虑条件或输入，诸如用户手动选择进给速率、组织的特性、施加到能量施加器的感测力、路径的曲率等。现有导纳控制的机器人系统中的进给速率的调整仅响应于直接影响能量施加器沿着工具路径的移动的期望(或预期)输入或条件。然而，用于调整进给速率的现有技术没有考虑运动链的除了能量施加器之外的部件(即，非工具路径部件)诸如操纵器的工具轴、关节或连杆发生不期望定向运动的可能性。当根据复杂逆运动学解运动学地操纵此类非工具路径部件时，此类非工具路径部件可经历突然的角速度、角加速度或角加加速度。非工具路径部件的此类不期望定向运动可能导致命令位置不准确。例如，非工具路径部件的惯性可能导致运动或方向的意外变化，从而导致偏离命令位置。此外，此类不期望定向运动可能会中断外科手术工作流程或用户体验，因为操作者可能会被此类运动吓到，并且可能想要手动减慢或停止操作。仍然需要解决至少上述缺点。

发明内容

根据第一方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及改变能量施加器的进给速率以考虑该不期望定向运动。

根据第二方面，提供了一种操作根据第一方面的外科手术系统的方法。

根据第三方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及修改操纵器的操作以考虑该不期望定向运动。

根据第四方面，提供了一种操作根据第三方面的外科手术系统的方法。

根据第五方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器推进的速度；根据该进给速率控制操纵器将能量施加器推进到多个命令位置；识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在能量施加器根据该进给速率推进期间发生的不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑该不期望定向运动。

根据第六方面，提供了一种操作根据第四方面的外科手术系统的方法。

根据第七方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且被配置为支撑外科手术工具，并且其中由包括操纵器的基部和多个连杆和关节的部件以及包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进的速度；在半自主模式下控制操纵器以根据该进给速率沿着工具路径将能量施加器推进到多个命令位置；识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据该进给速率沿着工具路径推进能量施加器期间发生的不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑该不期望定向运动。

根据第八方面，提供了一种操作根据第七方面的外科手术系统的方法。

根据第九方面，具有至少一个控制器的外科手术系统设置有非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，该模拟数据指示运动链的一个或多个部件的不期望定向运动，其中模拟数据从被配置为模拟控制操纵器以将能量施加器推进到多个命令位置的模拟中获得，并且其中该至少一个控制器被配置为：从非暂时性计算机可读介质检索模拟数据；基于该模拟数据识别该运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及修改操纵器的操作以考虑不期望定向运动。

根据第十方面，提供了一种操作根据第九方面的外科手术系统的方法。

根据第十一方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括轴和位于轴的远侧端部处的能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具；至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：在外科手术工具的轴上的位置处将一个或多个虚拟触觉对象相对于该轴相关联；将虚拟边界相对于外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；检测与轴相关联的一个或多个虚拟触觉对象和与外科手术部位相关联的虚拟边界之间的碰撞；响应于检测到碰撞，控制操纵器以约束轴不超过虚拟边界。

根据第十二方面，提供了一种操作根据第十一方面的外科手术系统的方法。

上述方面中的任何方面都可部分或全部组合。

对于任何上述方面，单独地或组合地设想了以下实施方式中的任何一个或多个实施方式：

在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器推进的速度。

在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为根据进给速率控制操纵器以将能量施加器推进到多个命令位置。

在一些实施方式中，根据该进给速率，在能量施加器的推进期间发生不期望定向运动。

在一些实施方式中，操纵器包括多个连杆和关节，该多个连杆和关节是运动链的一部分。

在一些实施方式中，进给速率用于特别地根据命令位置沿着工具路径推进能量施加器。

在一些实施方式中，进给速率用于特别地在半自主操作模式下推进能量施加器。

在一些实施方式中，该至少一个控制器通过被进一步配置为按因子减小进给速率来改变进给速率以考虑不期望定向运动，该因子与运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件所经历的或将经历的不期望定向运动的幅度相关。在一些实施方式中，改变的进给速率是非零速度，该非零速度小于改变进给速率之前存在的进给速率的速度。

在一些实施方式中，该至少一个控制器通过被进一步配置为执行以下操作来识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动：将不期望定向运动与阈值或范围进行比较；以及响应于不期望定向运动满足阈值或范围，改变进给速率以考虑不期望定向运动。

在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：在根据进给速率沿着工具路径将能量施加器推进到多个命令位置期间，获得运动链的正向运动学测量结果；以及评估正向运动学测量结果以识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。

在一些实施方式中，非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，该模拟数据指示运动链的一个或多个部件的不期望定向运动，其中该模拟数据是从手术前模拟获得的，该手术前模拟被配置为模拟在半自主模式下控制操纵器以根据该进给速率沿着工具路径将能量施加器推进到多个命令位置。在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：从非暂时性计算机可读介质检索模拟数据；以及基于模拟数据识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。

在一些实施方式中，一个或多个传感器被配置为生成与运动链的任何一个或多个部件相关的测量结果。在一些实施方式中，一个或多个传感器包括以下各项中的任何一者或多者：传感器，该传感器联接到任何一个或多个关节并且被配置为感测关节位置、关节速度和关节加速度中的任何一者或多者；电流传感器，该电流传感器被配置为感测由关节中的任何一个或多个关节的致动器汲取的电流；导航系统，该导航系统被配置为检测联接到运动链的任何一个或多个部件的跟踪器的状态；以及视觉系统，该视觉系统被配置为检测运动链的任何一个或多个部件的运动。在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为分析测量结果，以识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。

在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：在非暂时性计算机可读介质中存储运动链的任何一个或多个部件的惯性值；并且在一些实施方式中，利用存储的惯性值来识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。在一个实施方式中，惯性值是旋转惯性值。在一个实施方式中，惯性值是平移或线性惯性值。

在一些实施方式中，在能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进期间，该至少一个控制器被进一步配置为：使得外科手术工具能够重新定向；识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历响应于外科手术工具的重新定向而进一步发生的不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑响应于外科手术工具的重新定向而进一步发生的不期望定向运动。在一些实施方式中，重新定向由用户发起。在其他实施方式中，重新定向是由系统自动进行的。

在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：将一个或多个虚拟触觉对象相对于运动链的一个或多个部件相关联；限定虚拟边界；检测一个或多个虚拟触觉对象和虚拟边界之间的碰撞；响应于检测到碰撞，控制操纵器以约束运动链的具有与其相关联的虚拟触觉对象的一个或多个部件不超过虚拟边界；响应于检测到碰撞，识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历响应于对运动链的一个或多个部件的约束而进一步发生的不期望定向运动；以及响应于检测到碰撞，改变进给速率以考虑响应于对运动链的一个或多个部件的约束而进一步发生的不期望定向运动。

在一些实施方式中，外科手术工具包括轴和位于轴的远侧端部处的能量施加器，并且该至少一个控制器被配置为：在外科手术工具的轴上除了远侧端部之外的位置处将虚拟触觉对象中的一个或多个虚拟触觉对象相对于该轴相关联；将虚拟边界相对于外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；响应于检测到轴的一个或多个虚拟触觉对象和外科手术部位的虚拟边界之间的碰撞，控制操纵器以约束轴不超过虚拟边界；识别轴正在经历或将经历不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑轴所经历的或将经历的不期望定向运动。

在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为通过被进一步配置为评估在轴的一个或多个虚拟触觉对象和外科手术部位的虚拟边界之间发生的穿透来识别轴正在经历或将经历不期望定向运动。在一些实施方式中，可以评估在一个或多个虚拟触觉对象和虚拟边界之间发生的穿透的值/幅度，并且可以响应于该评估来调整进给速率。

在一些实施方式中，响应于改变进给速率以考虑不期望定向运动，该至少一个控制器被配置为：识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件不再经历或将不再经历不期望定向运动，并且作为响应，还原或恢复在改变进给速率之前存在或之后计划的进给速率。

在一些实施方式中，不期望定向运动被进一步定义为运动链的除了能量施加器之外的任何一个或多个部件所经历的或将经历的不期望角速度、角加速度或角加加速度中的一者或多者。

在一些实施方式中，外科手术器械包括轴和位于轴的远侧端部处的能量施加器，其中能量施加器被进一步限定为切割锉。

在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：将外科手术器械和能量施加器建模为虚拟刚性体；以及基于施加到虚拟刚性体的虚拟力来改变器械进给速率以考虑不期望定向运动。

在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：基于多个变量计算进给速率，这些变量包括以下各项中的一者或多者：能量施加器所施加到的空间的形状；能量施加器的类型；患者健康；能量施加器所施加到的组织的性质；以及工具路径的路径区段的几何形状。

在一些实施方式中，除了改变进给速率以考虑不期望定向运动之外，该至少一个控制器被进一步配置为基于以下各项中的任何一者或多者来调整确定的器械进给速率：器械进给速率的用户调整；能量施加器受到的力和扭矩；工具路径的路径区段的曲率；器械功率；组织温度；以及患者或解剖结构跟踪器的移动或施加到患者或解剖结构跟踪器的外力。

在一些实施方式中，在进给速率的改变期间，能量施加器沿着工具路径的线性且不弯曲的区段推进。

在一些实施方式中，该一个或多个控制器通过以除了改变进给速率FR之外的方式或替代改变进给速率FR的方式改变操纵器的行为来减轻不期望定向运动。在一些实施方式中，该一个或多个控制器可以预测地或动态地：例如在零空间内操纵关节运动、关节限制或关节位姿；改变工具的轨迹；修改工具路径；调整虚拟边界或其他约束；禁止机器人功能，诸如重新定向、反向驱动或由用户进行的进给速率调整等。

上述实施方式中的任一个实施方式可单独地或与上述方面中的任一个的任何部分组合地使用。

附图说明

将会容易地了解本公开的优点，因为通过参考以下结合附图考虑的具体实施方式将会更好地理解它们。

图1是机器人外科手术系统的一种实施方式的透视图。

图2是机器人外科手术系统的操纵器的一种实施方式的布局，示出了相应的连杆、关节和端部执行器以及联接到端部执行器的工具。

图3是由包括工具及其能量施加器的操纵器的部件形成的运动链的一种实施方式的示意图。

图4是根据一个实施方式的用于控制机器人外科手术系统的控制系统(包括部件和控制器)的框图。

图5是根据一个实施方式的机器人外科手术系统所利用的软件程序的功能框图。

图6示出了根据一个实施方式的软件程序的边界生成器的示例性输出。

图7示出了根据一个实施方式的软件程序的路径生成器的示例性输出。

图8是可变输入的框图，该可变输入可被路径生成器用来确定能量施加器的进给速率。

图9示出了能量施加器沿着工具路径的路径区段在命令位置之间推进的一个示例，其中针对路径区段限定了能量施加器的进给速率。

图10示意性地示出了运动链的某些非工具路径部件经历不期望定向运动(例如基于能量施加器根据限定的进给速率的推进而发生)的示例。

图11示意性地示出了根据一个实施方式的在能量施加器到达下一个命令位置之前图10的能量施加器的进给速率的减小，以减轻某些非工具路径部件的不期望定向运动。

图12示意性地示出了运动链的某些非工具路径部件经历不期望定向运动(例如基于能量施加器根据限定的进给速率的推进而发生)的另一个示例。

图13示意性地示出了根据一个实施方式的在能量施加器到达下一个命令位置之后图12的能量施加器的进给速率的减小，以减轻某些非工具路径部件的不期望定向运动。

图14是影响运动链的非工具路径部件的不期望定向运动的存在或预期存在的因素的框图。

图15示意性地示出了工具的轴的示例，该轴包括与该轴相关联的虚拟触觉对象，其中响应于虚拟触觉对象和虚拟边界之间的碰撞而产生反作用力。

图16示意性地示出了根据一个实施方式，图15的轴响应于来自边界碰撞的反作用力而经历的不期望定向运动，以及进给速率的减小以减轻不期望定向运动。

图17示意性地示出了当能量施加器根据进给速率沿着工具路径推进时，操纵器重新定向的示例。

图18示意性地示出了根据一个实施方式的图17的运动链的某些非工具路径部件响应于重新定向而经历的不期望定向运动，以及进给速率的减小以减轻不期望定向运动。

图19是示出由机器人外科手术系统利用以改变能量施加器的进给速率以考虑当前或预期的不期望定向运动的算法的一个实施方式的流程图。

具体实施方式

I.系统概述

参考图1，示出了机器人外科手术系统10。系统10用于治疗患者12的外科手术部位或解剖容积(A)，诸如治疗骨骼或软组织。在图1中，患者12正在经受外科手术规程。图1中的解剖结构包括患者12的股骨F和胫骨T。外科手术规程可涉及组织去除或其他形式的治疗。治疗可包括切割、凝固、损伤组织、其他原位组织治疗等。在一些示例中，外科手术规程涉及部分或全部膝关节或髋关节置换外科手术、肩关节置换外科手术、脊柱外科手术或踝关节外科手术。在一些示例中，系统10被设计成切除要被外科手术植入物置换的材料，所述外科手术植入物诸如髋关节和膝关节植入物，包括单室膝关节植入物、双室膝关节植入物、多室膝关节植入物或全膝关节植入物。这些类型的植入物中的一些在名称为“ProstheticImplant and Method of Implantation”的美国专利申请公布号2012/0330429中示出，所述专利申请的公开内容据此以引用的方式并入本文。本文公开的系统10和技术可用于执行其他外科手术或非外科手术规程，或者可用于工业应用或利用机器人系统的其他应用。

如图1至图3所示，系统10包括操纵器14。操纵器推车17(如图1所示)可支撑操纵器14，使得操纵器14固定到操纵器推车17。操纵器14具有基部16和多个连杆18a-18n。在一个示例中，成对的相邻连杆18通过关节J中的一个关节连接。连杆18共同形成操纵器14的一个或多个臂23。操纵器14可具有串联臂配置(如图1至图3所示)、并联臂配置或任何其他合适的操纵器配置。在其他示例中，可以在多臂配置中使用多于一个操纵器14。根据一个示例的操纵器14具有六个关节J1至J6，这六个关节实现操纵器14的至少六个自由度(DOF)。操纵器14可具有任何数量的自由度并且可具有任何合适数量的关节J并且可具有冗余关节。

在每个关节J处，可以存在致动器，诸如设置在相邻连杆18之间的关节马达27(参见图2)。关节马达27被配置为旋转连杆18。这样，连杆18的位置由关节马达27设定。每个关节马达27可以附接到操纵器14内部的结构框架。在一个示例中，关节马达27是伺服马达，诸如永磁无刷马达。关节马达27可以具有其他配置，诸如同步马达、刷式DC马达、步进马达、感应马达等。

关节马达27被定位在多个角位置(在下文中称为关节角)中的一个角位置处。关节角是相邻连杆18之间的关节J的角度。每个关节J可以被配置为承受关节扭矩。关节扭矩是关节J的转动或扭转“力”，并且是在距关节J的枢轴点一定长度处施加的力的函数。扭矩传感器可以连接到一个或多个关节马达27，用于测量关节J的关节扭矩。另选地，表示施加到关节马达27的电流的信号可以用于测量关节扭矩。

一个或多个关节马达27可以配备有位置传感器或编码器19。为了简单起见，在图1中示出了一个关节编码器19，但是可以类似地示出其他关节编码器19。另选地，由关节马达27驱动的一个或多个连杆18可以配备有位置传感器或编码器19。编码器19可测量相应关节J的关节角。在一些实施方案中，两个编码器(一个用于关节马达27，并且一个用于被移动的连杆18)可以用于确定关节角(诸如通过对关节角求平均)以及通过柔性传动装置在关节马达27和关节之间的位移。操纵器14不一定需要关节编码器19，而是可替代地或另外使用存在于一个或多个关节J处的关节马达27上的马达编码器。另外，操纵器14不一定需要旋转关节，而是可替代地或另外使用一个或多个移动关节。某些关节J可以是可被动移动和锁定的，而其他关节J可以被主动地驱动。设想了关节类型的任何合适的组合。

参考图1，操纵器14的基部16通常是操纵器14的为操纵器14或总体而言系统10的其他部件提供固定参考坐标系的一部分。一般来讲，操纵器坐标系MNPL的原点限定在基部16的固定参考处。基部16可相对于操纵器14的任何合适的部分(诸如连杆18中的一个或多个)来限定。替代地或另外，基部16可相对于操纵器推车17限定(诸如限定在操纵器14物理地附接到操纵器推车17的位置)。在一个示例中，基部16限定在关节J1和关节J2的轴线的相交部处。因此，尽管关节J1和J2在现实中是移动部件，但是关节J1和J2的轴线的相交部仍然是虚拟固定参考位姿，其提供固定位置和定向参考两者并且不相对于操纵器14和/或操纵器推车17移动。在其他示例中，操纵器14可以是手持式操纵器，其中基部16是工具的基部部分(例如，由用户徒手握持或联接到装配连杆的部分)，并且工具尖端相对于基部部分是(例如，半自主地)可移动的。基部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。工具尖端的移动可被控制以遵循路径，因为可确定其相对于路径的位姿。此类手持式配置可类似于名称为“Surgical Instrument Including Housing,aCutting Accessory thatExtends from the Housing and Actuators that Establish the Position of theCutting Accessory Relative to the Housing”的美国专利号9,707,043中所述的配置，所述专利的全部内容据此引用的方式并入本文。

工具20联接到操纵器14并且可相对于基部16移动以在某些模式下与解剖结构相互作用。工具20是物理和外科手术工具，并且在某些实施方案中是或形成由操纵器14支撑的端部执行器22的一部分。工具20可由用户抓握。操纵器14和工具20的一种可能布置在名称为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instr ument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中进行了描述，所述专利的公开内容据此以引用的方式并入本文。操纵器14和工具20可以替代配置布置。工具20可类似于2014年3月15日提交的名称为“End Effector of a Surgical Robotic Manipulator”的美国专利申请公布号2014/0276949中所示的工具，所述专利申请据此以引用的方式并入本文。

工具20包括能量施加器24，该能量施加器被设计成在外科手术部位处接触并去除患者12的组织。在一个示例中，能量施加器24是锉25或外科手术切割器。工具20可以包括工具轴33，该工具轴具有联接到操纵器14的近侧端部和能量施加器24所在的远侧端部。工具轴33围绕切割轴线旋转，使得能量施加器24可以操纵组织。锉25可以是大致球形的并且包括球形中心、半径(r)和直径。替代地，能量施加器24可以是钻头、锯片、超声振动尖端等。工具20和/或能量施加器24可包括任何几何特征，例如周长、圆周、半径、直径、宽度、长度、体积、面积、表面/平面、运动包络范围(沿着任何一个或多个轴线)等。可以考虑几何特征来确定如何在外科手术部位处相对于组织定位工具20，以执行期望的治疗。在本文所述的一些实施方案中，为了方便和易于说明，将描述具有工具中心点(TCP)的球形锉，但并非意图将工具20限制为任何特定形式。

图2示出了操纵器14的一个示例。在该示例中，操纵器14具有串联臂配置。更具体地，操纵器14包括五个连杆18a、18b、18c、18d、18e，其中连杆18a最接近基部16，并且连杆16e最远离基部16。图2中的操纵器14还包括标识为J1、J2、J3、J4、J5、J6的六个关节。关节J1设置在基部16与连杆18a之间。关节J2设置在连杆18a与连杆18b之间。关节J3设置在连杆18b与连杆18c之间。关节J4设置在连杆18c与连杆18d之间。关节J5设置在连杆18d与连杆18e之间。关节J6设置在连杆18e与端部执行器22之间。由于图2中的操纵器14是串联臂，任何一个关节J1至J6的移动都引起下游所有连杆的移动(即，从移动的关节到操纵器的远侧端部的所有连杆)。

每个关节J1至J6被配置为分别围绕其自己的单独轴线A1、A2、A3、A4、A5、A6旋转。通过具有六个关节J1至J6，操纵器14在6个自由度(DOF)上自由移动。也就是说，操纵器14沿着三个垂直轴线自由地向前/向后、向上/向下和向左/向右平移地移动。操纵器14还可以通过围绕三个垂直轴线的旋转移动(通常称为俯仰、横摆和侧倾)自由改变定向。本领域的技术人员理解，操纵器14可以根据诸如工具20是否需要围绕其自己的轴线旋转的因素来实现5DOF移动。例如，当锉削时，由于锉单独旋转，所以操纵器14可以5DOF操作。在这种情况下，存在冗余，因为关节的数量大于所需的自由度的数量。当锯削时，操纵器14可以6DOF操作。

位于基部16处的关节J1实现类似于腰部的旋转的移动。通过围绕轴线A1旋转，关节J1允许操纵器14从左向右旋转。关节J2实现类似肩部旋转的移动。通过围绕轴线A2旋转，关节J2允许操纵器14向前和向后延伸。关节J3实现类似肘部弯曲的移动。通过围绕轴线A3旋转，关节J3允许操纵器14上升和下降。关节J4实现类似腕部扭转的移动。通过围绕轴线A4旋转，关节J4允许操纵器14以圆周运动旋转上连杆18d、18e，从而改变工具20的定向。关节J5实现类似腕部弯曲的移动。通过围绕轴线A5旋转，关节J5允许连杆18e和外科手术工具20向上和向下倾斜，并且负责俯仰和横摆运动。类似于J4，关节J6实现类似腕部扭转的移动。关节J6围绕轴线A6旋转，以允许更精确地控制工具20。

参考图3，运动链KC由操纵器14(包括任何刚性附接的部件，诸如基部16、多个连杆18和关节J)、包括轴33(如果适用)和能量施加器24的工具20形成。端部执行器22也可以是运动链KC的部分。此外，联接在操纵器14与端部执行器22之间的任何安装系统或无菌接口都可以是运动链KC的部分。可以作为运动链KC的部分的安装系统和/或无菌接口机构的一个示例在名称为“Mounting System With Sterile Barrier Assembly For Use InCoupling Surgical Components”的美国专利申请公布号US 2020/0170724A1中进行了描述，所述专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。如本文所用，术语“运动链”是通过关节连接的刚性体的总成，其中刚性体的刚度实现受约束的运动，使得可以确定刚性体的运动学并使用数学模型将所述运动学与运动链中的其他刚性体相关。在图3的示例中，运动链KC进一步形成“机构”，因为至少一个连杆被机械接地。

如图2所示，传感器S(诸如力-扭矩传感器)可以安装在远侧连杆18e和端部执行器22之间。力-扭矩传感器S被配置为输出作为端部执行器22和/或工具20受到的力和/或扭矩的函数的可变信号。通过这样做，力-扭矩传感器S允许感测由用户施加到端部执行器22和/或工具20的输入力。可以利用输入力来控制操纵器14的移动，以对用户施加的力/扭矩进行仿真。力-扭矩传感器S还可以感测施加到能量施加器24的外力。在一个实施方式中，力-扭矩传感器S是6DOF传感器，使得力-扭矩传感器S被配置为输出表示三个相互正交的力和围绕施加到工具20的正交力的轴线的三个扭矩的信号。附加地或另选地，施加到端部执行器22和/或工具20的输入力可以使用关节马达27上的关节扭矩或电流传感器来确定。

参考图1，操纵器14和/或操纵器推车17可以容纳操纵器控制器26或其他类型的控制单元。操纵器控制器26可包括一个或多个计算机，或指导操纵器14的运动的任何其他合适形式的控制器。操纵器控制器26可具有中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、存储器(未示出)以及存储装置(未示出)。操纵器控制器26加载有如下文所描述的软件。处理器可包括用于控制操纵器14的操作的一个或多个处理器。处理器可为任何类型的微处理器、多处理器和/或多核处理系统。操纵器控制器26可另外或替代地包括：一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、分立电路和/或可执行本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。术语处理器并非意图将任何实施方式限制于单个处理器。操纵器14还可包括具有一个或多个显示器和/或输入装置(例如，按钮、键盘、鼠标、传声器(语音激活)、手势控制装置、触摸屏等)的用户界面UI。

工具20可包括工具控制器21以控制工具20的操作，诸如控制工具的动力(例如，控制工具20的旋转马达的动力)，控制工具20的移动，控制工具20的冲洗/抽吸和/或类似操作。工具控制器21可以与操纵器控制器26或其他部件通信。工具20还可包括具有一个或多个显示器和/或输入装置(例如，按钮、键盘、鼠标、传声器(语音激活)、手势控制装置、触摸屏等)的用户界面UI。操纵器控制器26控制工具20(例如，TCP)相对于诸如操纵器坐标系MNPL的坐标系的状态(位置和/或定向)。操纵器控制器26可控制工具20的(线或角)速度、加速度或其他运动导数。

在一个示例中，工具中心点(TCP)是限定在能量施加器24处的预定参考点。TCP具有相对于其他坐标系的已知或能够计算(即，不一定是静态的)的位姿。能量施加器24的几何形状在TCP坐标系中是已知的或相对于TCP坐标系限定。TCP可以位于工具20的锉25的球形中心处，使得跟踪一个点。TCP可以根据能量施加器24的配置以各种方式限定。操纵器14可采用关节/马达编码器或任何其他非编码器位置感测方法，以使得能够确定TCP的位姿。操纵器14可使用关节测量以确定TCP位姿和/或可采用技术直接测量TCP位姿。工具20的控制不限于中心点。例如，可以使用任何合适的图元、网格等来表示工具20。

如图1所示，系统10还可包括导航系统32。在2013年9月24日提交的名称为“Navigation System Including Optical and Non-Opti cal Sensors”的美国专利号9,008,757中描述了导航系统32的一个示例，所述专利据此以引用的方式并入本文。导航系统32跟踪各种对象的移动。此类对象包括例如操纵器14、工具20和解剖结构(例如，股骨F和胫骨T)。导航系统32跟踪这些对象以采集对象相对于(导航)定位器坐标系LCLZ的状态信息。定位器坐标系LCLZ中的坐标可使用转换而转换为操纵器坐标系MNPL和/或反之亦然。

导航系统32包括容纳导航控制器36的推车组件34，和/或其他类型的控制单元。导航用户界面UI与导航控制器36操作性地通信。导航用户界面包括一个或多个显示器38。导航系统32可使用一个或多个显示器38向用户显示所跟踪的对象的相对状态的图形表示。导航用户界面UI还包括一个或多个输入装置以将信息输入到导航控制器36中或以其他方式选择/控制导航控制器36的某些方面。此类输入装置包括交互式触摸屏显示器。输入装置可包括按钮、键盘、鼠标、传声器(语音激活)、手势控制装置等中的任何一者或多者。

导航系统32还包括联接到导航控制器36的导航定位器44。在一个示例中，定位器44是光学定位器并且包括相机单元46相机单元46具有容纳一个或多个光学传感器50的外部壳体48。定位器44可包括其自己的定位器控制器49并且还可包括摄像机VC。

导航系统32包括一个或多个跟踪器。在一个示例中，跟踪器包括指针跟踪器PT、一个或多个操纵器跟踪器52A、52B，第一患者跟踪器54和第二患者跟踪器56。在图1所示的示例中，操纵器跟踪器牢固地附接到工具20(即，跟踪器52A)，第一患者跟踪器54牢固地附连到患者12的股骨F，并且第二患者跟踪器56牢固地附连到患者12的胫骨T。在此示例中，患者跟踪器54、56牢固地附连到骨骼部分。指针跟踪器PT牢固地附连到指针P，所述指针用于将解剖结构与定位器坐标系LCLZ配准。操纵器跟踪器52A、52B可附连到操纵器14的除了工具20之外或以外的任何合适的部件，诸如基部16(即，跟踪器52B)，或操纵器14的任何一个或多个连杆18。跟踪器52A、52B、54、56、PT可以任何合适的方式固定到其相应的部件。例如，跟踪器可以是刚性固定的、灵活连接的(光纤)或根本不物理连接的(超声波)，只要有合适的(补充)方式来确定该相应跟踪器与和其相关联的对象的关系(测量值)即可。

跟踪器中的任何一个或多个跟踪器可包括有源标记物58。有源标记物58可包括发光二极管(LED)。替代地，跟踪器52A、52B、54、56、PT可具有无源标记物，诸如反射从相机单元46发射的光的反射器。可使用本文未具体描述的其他合适的标记物。

定位器44跟踪跟踪器52A、52B、54、56、PT以确定跟踪器52A、52B、54、56、PT的状态，它们分别对应于分别与其附接的对象的状态。定位器44可执行已知的三角测量技术以确定跟踪器52、54、56、PT和相关联的对象的状态。定位器44将跟踪器52A、52B、54、56、PT的状态提供到导航控制器36。在一个示例中，导航控制器36确定跟踪器52A、52B、54、56、PT的状态并且将其传送到操纵器控制器26。如本文所用，对象的状态包括但不限于限定所跟踪对象的位置和/或定向或者位置和/或定向的等同项/推导项的数据。例如，状态可以是对象的位姿，并且可包括线速度数据，和/或角速度数据等等。

导航控制器36可包括一个或多个计算机，或任何其他合适形式的控制器。导航控制器36具有中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、存储器(未示出)以及存储装置(未示出)。处理器可为任何类型的处理器、微处理器或多处理器系统。导航控制器36加载有软件。例如，软件将从定位器44接收的信号转化成表示被跟踪对象的位置和定向的数据。导航控制器36可另外或替代地包括：一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、分立电路和/或可执行本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。术语处理器不意图限制于单个处理器。

尽管导航系统32的一个示例被示出为采用三角测量技术来确定对象状态，但导航系统32可具有用于跟踪操纵器14、工具20和/或患者12的任何其他合适的配置。在另一个示例中，导航系统32和/或定位器44是基于超声波的。例如，导航系统32可包括联接到导航控制器36的超声成像装置。超声成像装置对前述对象(例如操纵器14、工具20和/或患者12)中的任一者进行成像，并且基于超声图像来向导航控制器36生成状态信号。超声图像可以是2-D、3-D或两者的组合。导航控制器36可近实时地处理图像以确定对象的状态。超声成像装置可具有任何合适的配置并且可不同于图1所示的相机单元46。

在另一个示例中，导航系统32和/或定位器44是基于射频(RF)的。例如，导航系统32可包括联接到导航控制器36的RF收发器。操纵器14、工具20和/或患者12可包括附接到其的RF发射器或转发器。RF发射器或转发器可以是无源的或有源通电的。RF收发器基于从RF发射器接收的RF信号来传输RF跟踪信号并且向导航控制器36生成状态信号。导航控制器36可分析所接收的RF信号以将相关状态与其相关联。RF信号可以具有任何合适的频率。RF收发器可定位在任何合适的位置以使用RF信号有效地跟踪对象。此外，RF发射器或转发器可具有任何合适的结构配置，所述任何合适的结构配置可在很大程度上与图1所示的跟踪器52A、52B、54、56、PT不同。

在又一个示例中，导航系统32和/或定位器44是基于电磁的。例如，导航系统32可包括耦接到导航控制器36的EM收发器。操纵器14、工具20和/或患者12可包括附接到其的EM部件，诸如任何合适的磁跟踪器、电磁跟踪器、感应跟踪器等等。跟踪器可以是无源的或有源通电的。EM收发器生成EM场并且基于从跟踪器接收的EM信号来向导航控制器36生成状态信号。导航控制器36可分析所接收的EM信号以将相关状态与其相关联。同样，此类导航系统32示例可具有与图1所示的导航系统32配置不同的结构配置。

导航系统32可具有本文未具体列举的任何其他合适的部件或结构。此外，以上相对于所示导航系统32描述的技术、方法和/或部件中的任一者可实现或提供用于本文所述的导航系统32的其他示例中的任一者。例如，导航系统32可仅使用惯性跟踪或跟踪技术的任何组合，并且可另外或替代地包括基于光学纤维的跟踪、机器视觉跟踪等等。

参考图4，系统10包括控制系统60，所述控制系统除其他部件外包括操纵器控制器26、导航控制器36和工具控制器21。控制系统60还包括图5所示的一个或多个软件程序和软件模块。软件模块可以是在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或它们的任何组合上操作来处理数据以辅助系统10的控制的一个或多个程序的部分。软件程序和/或模块包括存储在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或它们的组合上的非暂时性存储器64中以由控制器21、26、36的一个或多个处理器70执行的计算机可读指令。存储器64可以是任何合适的存储器配置，诸如RAM、非易失性存储器等，并且可在本地或从远程数据库实现。另外，用于提示和/或与用户进行通信的软件模块可形成一个或多个程序的一部分，并且可包括存储在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或其任何组合上的存储器64中的指令。用户可与导航用户界面UI或其他用户界面UI的输入装置中的任一个进行交互以与软件模块进行通信。用户界面软件可在与操纵器控制器26、导航控制器36和/或工具控制器21分开的装置上运行。

控制系统60可包括适合于执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配置。控制系统60可包括操纵器控制器26、导航控制器36或工具控制器21，或它们的任何组合，或者可包括这些控制器中的一个控制器。这些控制器可经由如图4所示的有线总线或通信网络、经由无线通信或以其他方式进行通信。控制系统60也可称为控制器。控制系统60可包括一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、分立电路、传感器、显示器、用户界面、指示器和/或能够执行本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。

参考图5，由控制系统60采用的软件包括边界生成器66。如图6所示，边界生成器66是生成用于约束工具20的移动和/或操作的虚拟边界71的软件程序或模块。虚拟边界71可以是一维的、二维的、三维的，并且可以包括点、线、轴线、轨迹、平面或其他形状，包括复杂的几何形状。在一些实施方案中，虚拟边界71是由三角形网格限定的表面。此类虚拟边界71也可以被称为虚拟对象。虚拟边界71可以关于诸如3D骨骼模型的解剖模型AM来限定。在图6的示例中，虚拟边界71是平面边界，以描绘整个膝盖植入物的五个平面，并且与股骨F的头部的3D模型相关联。将解剖模型AM配准到一个或多个患者跟踪器54、56，使得虚拟边界71变得与解剖模型AM相关联。虚拟边界71可以是植入物特定的，例如基于植入物的大小、形状、体积等限定的，和/或是患者特定的，例如基于患者的解剖结构限定的。虚拟边界71可以是在术前、术中或它们的组合创建的边界。换句话说，虚拟边界71可以在外科手术规程开始之前、外科手术规程期间(包括组织去除期间)或它们的组合中限定。在任何情况下，控制系统60通过在存储器中/从存储器存储/检索虚拟边界71、从存储器获得虚拟边界71、在术前创建虚拟边界71、在术中创建虚拟边界71等来获得虚拟边界71。

操纵器控制器26和/或导航控制器36跟踪工具20相对于虚拟边界71的状态。在一个示例中，相对于虚拟边界71测量TCP的状态，以便经由虚拟模拟确定要施加到虚拟刚性体模型的触觉力，使得工具20保持与虚拟边界71的期望位置关系(例如，不移动超过它们)。虚拟模拟的结果被命令至操纵器14。控制系统60以仿真物理手持件在存在物理边界/障碍物时将进行响应的方式控制/定位操纵器14。边界生成器66可以在操纵器控制器26上实施。另选地，边界生成器66可以在其他部件诸如导航控制器36上实施。

参考图5和图7，路径生成器68是由控制系统60运行的另一个软件程序或模块。在一个示例中，路径生成器68由操纵器控制器26运行。路径生成器68生成用于工具20穿过诸如以去除解剖结构的部分以接收植入物的工具路径TP。工具路径TP可以包括多个路径区段PS，或者可以包括单个路径区段PS。路径区段PS可以是直线区段、弯曲区段或它们的组合等。也可以相对于解剖模型AM限定工具路径TP。工具路径TP可以是植入物特定的，例如基于植入物的大小、形状、体积等限定的，和/或是患者特定的，例如基于患者的解剖结构限定的。

在本文描述的一个型式中，工具路径TP被定义为组织去除路径，但是在其他型式中，工具路径TP可以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示例包括铣削路径72。术语“铣削路径”通常是指工具20在用于铣削解剖结构的目标部位附近的路径，并且不旨在要求工具20在路径的整个持续时间内可操作地铣削解剖结构。例如，如将在下面进一步详细理解的，铣削路径72可包括其中工具20从一个位置过渡到另一个位置而不进行铣削的部分或区段。另外，可以采用沿着铣削路径72的其他形式的组织去除，诸如组织消融等。铣削路径72可以是在术前、术中或它们的组合创建的预限定路径。换句话说，铣削路径72可以在外科手术规程开始之前、外科手术规程期间(包括组织去除期间)或它们的组合中限定。在任何情况下，控制系统60通过在存储器中/从存储器存储/检索铣削路径72、从存储器获得铣削路径72、在术前创建铣削路径72、在术中创建铣削路径72等来获得铣削路径72。铣削路径72可具有任何合适的形状或形状的组合，诸如圆形、螺旋形/开塞钻形、直线形、曲线形、它们的组合等。

用于生成虚拟边界71和/或铣削路径72的系统和方法的一个示例在名称为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中进行了描述，所述专利的公开内容据此以引用的方式并入本文。在一些示例中，虚拟边界71和/或铣削路径72可以离线生成，而不是在操纵器控制器26或导航控制器36上生成。此后，虚拟边界71和/或铣削路径72可以在运行时被操纵器控制器26利用。

参考图5，两个附加的软件程序或模块在操纵器控制器26和/或导航控制器36上运行。一个软件模块执行行为控制74。行为控制74是计算指示能量施加器24的下一个命令位置CP和/或工具20的定向(例如，位姿)的数据的过程。在一些情况下，从行为控制74输出TCP的位置，而在其他情况下，输出工具20的位置和定向。来自边界生成器66、路径生成器68和力/扭矩传感器S的输出可以作为输入馈送到行为控制74，以确定能量施加器24的下一个命令位置CP和/或工具20的定向。行为控制74可处理这些输入以及下文进一步描述的一个或多个虚拟约束，以确定命令的位姿。

第二软件模块执行运动控制76。运动控制的一个方面是操纵器14的控制。运动控制76从行为控制74接收定义下一个命令位姿的数据。基于这些数据，运动控制76确定操纵器14的关节J的关节角的下一个位置(例如，经由逆运动学和雅可比计算器)，使得操纵器14能够按照行为控制74的命令将工具20定位在例如命令的位姿。换句话说，运动控制76将可在笛卡尔空间中定义的命令位姿处理成操纵器14的关节角，使得操纵器控制器26可以相应地命令关节马达27将操纵器14的关节J移动到对应于工具20的命令位姿的命令关节角。在一个型式中，运动控制76调节关节J的关节角，并且调整关节马达27输出的扭矩，以尽可能接近地确保关节马达27将相关联的关节J驱动到命令的关节角。

边界生成器66、路径生成器68、行为控制74和运动控制76中的任一者可以是软件程序78或以其任何组合单独和/或独立操作的软件程序的子集。术语“软件程序”在这里用于描述被配置为执行所描述的技术方案的各种能力的计算机可执行指令。为了简单起见，术语“软件程序”旨在至少包含边界生成器66、路径生成器68、行为控制74和/或运动控制76中的任何一者或多者。软件程序78可以在操纵器控制器26、导航控制器36或它们的任意组合上实施，或者可以由控制系统60以任何合适的方式实施。

可以提供临床应用程序80来处理用户交互。临床应用程序80处理用户交互的许多方面，并且协调外科手术工作流程，包括术前计划、植入物放置、配准、骨准备可视化和植入物配合的术后评估等。临床应用程序80被配置为向显示器38输出。临床应用程序80可以在其自己的单独处理器上运行或者可以与导航控制器36一起运行。在一个示例中，临床应用程序80在用户设定植入物放置之后与边界生成器66和/或路径生成器68交互，然后将由边界生成器66和/或路径生成器68返回的虚拟边界71和/或工具路径TP发送到操纵器控制器26以供执行。操纵器控制器26如本文所述执行工具路径TP。操纵器控制器26可以在开始或恢复加工时另外创建某些段(例如，导入段)以平稳地返回到所生成的工具路径TP。操纵器控制器26还可以处理虚拟边界71以生成对应的虚拟约束，如下文进一步描述的。

系统10可以手动模式操作，诸如在美国专利号9,119,655中描述的，所述专利通过引用并入本文。这里，用户手动引导工具20及其能量施加器24，并且操纵器14执行工具及其能量施加器在外科手术部位处的移动。用户物理地接触工具20以使工具20在手动模式下移动。在一个型式中，操纵器14监测由用户施加在工具20上以便定位工具20的力和扭矩。例如，操纵器14可包括力/扭矩传感器S，该力/扭矩传感器检测由用户施加的力和扭矩，并且生成由控制系统60使用的对应输入(例如，一个或多个对应的输入/输出信号)。

操纵器控制器26和/或导航控制器36从力/扭矩传感器S接收输入(例如，信号)。响应于用户施加的力和扭矩，操纵器14以对基于由用户施加的力和扭矩而本会发生的移动进行仿真的方式移动工具20。工具20在手动模式下的移动也可以相对于由边界生成器66生成的虚拟边界71受到约束。在一些型式中，由力/扭矩传感器S进行的测量从力/扭矩传感器S的力/扭矩坐标系FT变换为另一个坐标系，诸如虚拟质量坐标系，其中对工具20的虚拟刚性体模型执行虚拟模拟，使得可以在虚拟模拟中将力和扭矩虚拟地施加到虚拟刚性体，以最终确定这些力和扭矩(以及其他输入)将如何影响虚拟刚性体的移动，如下所述。

系统10还可以以半自主模式操作，其中操纵器14沿着铣削路径72移动工具20(例如，操纵器14的活动关节J操作以移动工具20，而不需要用户在工具20上施加力/扭矩)。在美国专利号9,119,655中也描述了半自主模式下的操作的示例，所述专利以引用的方式并入本文。在一些实施方案中，当操纵器14以半自主模式操作时，操纵器14可以在没有用户辅助的情况下移动工具20。没有用户辅助可能意味着用户没有物理地接触工具20来移动工具20。相反，用户可以使用某种形式的遥控器来控制移动的开始和停止。例如，用户可以按住遥控器的按钮以开始工具20的移动，并且释放按钮以停止工具20的移动。

包括操纵器控制器26和行为控制器74的控制系统60被配置为在虚拟模拟中模拟工具20的动态特性。虚拟模拟可以基于具有或不具有能量施加器24的工具20。在一个示例中，使用物理引擎实施虚拟模拟，物理引擎是模拟刚性体动态特性的计算机软件。虚拟模拟可以在具有非暂时性计算机可读存储介质64的计算装置上实施，该计算机可读存储介质具有存储在其上的可执行程序。虚拟模拟在工具20的此类动态特性由操纵器14物理地执行之前模拟工具20的动态特性。控制系统60将工具20建模为作为动态对象的虚拟刚性体。因此，控制系统60有效地模拟工具20的刚性体动态特性。虚拟刚性体根据虚拟模拟在笛卡尔任务空间中按照6DOF自由移动。虚拟刚性体可以被建模为单个点，该单个点可以在工具20上、工具内或工具之外。质量/惯性矩阵限定6DOF中的虚拟质量。在一个示例中，虚拟刚性体对应于工具20的质心。这里，“质心”被理解为如果将力施加到工具20的另一点并且工具20以其他方式不受约束(即不受操纵器14约束)工具20将围绕其旋转的点。虚拟刚性体的质心可以接近但不必与工具20的实际质心相同。虚拟刚性体的质心可以凭经验确定。一旦工具20附接到操纵器14，质心的位置就可以被重设以适应各个执业医师的偏好。在其他实施方案中，虚拟刚性体可以对应于工具20的其他特征，诸如重心等。

该虚拟刚性体被认为具有虚拟质量。虚拟质量具有围绕关节J中的至少一个关节的惯性。在一些情况下，虚拟质量具有围绕关节(J1至J6)中的每个关节的惯性。惯性是虚拟质量在响应于速度变化时表现出的阻力的量度。惯性可以理解为虚拟质量的属性。这样，虚拟质量可以指虚拟刚性体的质量和惯性两者。虚拟刚性体的虚拟质量通常与工具20的实际质量处于相同的数量级。虚拟质量可以被设计成大于或小于工具20的实际质量。

在一个示例中，虚拟刚性体在虚拟模拟的每次迭代开始时处于第一位姿。控制系统60可接收来自力-扭矩传感器S的用户施加的输入力和/或被建模为其他约束的其他输入力。当虚拟刚性体处于第一位姿时，输入力被施加到虚拟模拟中的虚拟刚性体。输入力导致虚拟刚性体沿着虚拟路径推进到在笛卡尔空间内具有不同位置和不同定向的第二位姿。基于虚拟模拟知道虚拟刚性体的第二位姿，控制系统60然后根据虚拟模拟命令关节J的动作。也就是说，控制系统60转换笛卡儿空间中虚拟刚性体的动态特性，以指导操纵器14的运动并控制工具20在关节空间中的定向。导致第二位姿的力被施加到雅可比计算器，该雅可比计算器计算将笛卡尔空间内的运动与关节空间内的运动相关的雅可比矩阵。

虚拟模拟可以在没有虚拟刚性体的视觉或图形表示的情况下通过计算来执行。虚拟模拟不必虚拟地显示虚拟刚性体的动态特性。换句话说，虚拟刚性体不需要在处理单元上执行的图形应用中建模。在一些情况下，跟踪到实际工具20的虚拟工具的移动可以在外科手术部位处显示，以在规程的操作期间提供视觉辅助。在这种情况下，显示的工具不是虚拟模拟的直接结果。

II.确定进给速率

能量施加器24沿路径推进的速率或速度被称为进给速率FR。在一个实施方式中，此类推进可以是半自主模式中的推进，并且更具体地，是沿着工具路径TP的推进。本部分描述了在规程前或规程期间确定进给速率FR的技术。如本部分所述，可以基于各种条件和/或变量设置和改变进给速率FR。如将在下一部分中描述的，进给速率FR可以被动态地改变以考虑运动链KC的非工具路径部件的不期望定向运动。进给速率FR可以通过在名称为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中描述的技术来计算，所述专利的公开内容据此以引用的方式并入本文。

为了根据一种实施方式确定进给速率FR，路径生成器68计算一个或多个变量。一个这些变量是当施加到虚拟刚性体时导致能量施加器24推进的力和扭矩。另一个变量是施加到虚拟刚性体以将工具20的定向保持在可接受定向范围内的力和扭矩。

在一个示例中，路径生成器68包括子模块，该子模块是进给速率计算器82，如图5和图8所示。进给速率计算器82确定当能量施加器24沿着工具路径TP的单个路径区段PS行进时能量施加器应当移动的进给速率FR(参见图9)。进给速率计算器82的输入可以是限定的进给速率(DEFINED F.R.)。在其最基本的形式中，限定的进给速率FR是标量值。在实践中，操纵器控制器26可以被提供有多个限定的进给速率FR。这些限定的进给速率可用于设置默认进给速率，并且可根据各种变量进行缩放或修改，如下所述。限定的进给速率不需要总是对应于能量施加器24推进的实际进给速率FR。此外，不一定需要将限定的进给速率设置为默认值。相反，系统10可以基于以下变量中的任何一个或多个变量动态地确定实际进给速率FR，而无需以限定的进给速率开始。换句话说，实际进给速率FR可以预先确定或“在运行中”确定，而无需预先确定任何默认或限定的进给速率。

参考图9，在一个示例中，特定的限定的进给速率FR1...FRN可以被分配给每个路径区段PS1...PSN。此进给速率FR分配可在术前或术中执行。然后可以在规程开始时或规程期间调整进给速率FR。两个或更多个连续路径区段PS可以被分配相同或不同的限定的进给速率FR。这些进给速率FR可以基于变量生成，诸如但不限于：空隙空间的形状；能量施加器24的类型；病人的健康状况；能量施加器24所施加到的组织的性质；以及路径区段PS的几何形状，等等。在实践中，限定的进给速率FR通常在5mm/s至400mm/s之间。根据具体情况，进给速率可大于或小于此范围。根据一种实施方式，进给速率FR是基于外科手术计划、系统设置和/或外科医生偏好预先确定的。另选地或附加地，可以基于术中条件确定和修改进给速率FR。也可以在能量施加器24到达下一个路径区段PS时，或在这之前的任何时间，将进给速率分配给路径区段PS。

如图9所示，该一个或多个控制器包括但不限于操纵器控制器26(包括路径生成器68和进给速率计算器82)被配置为控制操纵器14根据进给速率FR将能量施加器24推进到多个命令位置CP1-CPN。命令位置CP通常但不是必须地相对于半自主模式中的工具路径TP限定。在一个实施方式中，工具路径TP的区段PS被限定在随后的命令位置PS之间。另选地，命令位置CP可依据由系统10在手动模式中仿真的用户发起和非工具路径运动来确定。

参考图8，进给速率计算器82可以调整限定的进给速率以产生进给速率FR。在一个型式中，通过将限定的进给速率FR乘以任意数量的系数来执行此调整。每个系数可以在0和1.0之间。系数可具有超过1.0的值。这些系数中的每个系数可以作为也应用于进给速率计算器82的变量的函数而变化。

这些变量中的第一变量可以是进给速率FR的用户调整(USER ADJUST)，如图8所示。这是随着规程的进行，执业医师实时执行的进给速率FR的调整。执业医师可以通过遥控器诸如利用图1中所示的示教器88来进行进给速率的这种调整。示教器的示例可以类似于名称为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instr ument inMultiple Modes”的美国专利号9,119,655中描述的那些，所述专利的公开内容据此以引用的方式并入本文。进给速率计算器82输出作为执业医师输入的命令的函数的系数以增加或减小进给速率F R。

如图8所示，可用于选择性地缩放限定的进给速率FR的第二变量是能量施加器24受到的力和扭矩(SNSD F/T)。能量施加器24刚性地附接到工具20，该工具可以刚性地附接到端部执行器22。因此，由力/扭矩传感器S输出的信号是表示能量施加器24受到的力和扭矩的信号。进给速率计算器82可以基于操纵器14施加到工具20和能量施加器24的力/扭矩的量与器械推进速率之间存在关系的原理来设置进给速率FR。一般来说，现代医疗实践的目标是使未正在被去除的组织的加热最小化。这个目标的一个原因是使这种不必要的加热可能对组织造成的伴随损伤最小化。因此，操纵器14被配置为在确定可感知量的力和/或扭矩被施加到器械或能量施加器24时，减慢路径区段PS的进给速率FR。

进给速率FR的这种调整有用的一个示例是当能量施加器24穿过路径区段PS行进通过皮质骨和松质骨两者时。皮质骨(即外骨)相对较硬。松质骨(即内骨)比皮质骨更加多孔并且更易去除。因此，如果能量施加器24以恒定速率移动穿过两种类型的骨，则需要施加比松质骨更大的力/扭矩来移动施加器穿过皮质骨。这意味着，在不调整进给速率FR的情况下，皮质骨将比松质骨的相邻部分经受更多潜在的损伤诱导加热。操纵器14的这个特征通过响应于力/扭矩传感器S提供指示增加到推进能量施加器24所需的力/扭矩量的信号而减慢进给速率FR，从而使这种不期望的加热的可能性最小化。

一旦能量施加器24从切割皮质骨移动到松质骨，推进器械所需的力/扭矩减小。在这种情况下，可以提高进给速率FR，而不会明显增加能量施加器24所施加到的骨被加热的程度。这减少了对患者执行规程所需的时间量。这进一步促进了现代外科手术实践的目标，以使对患者执行规程所花费的时间最小化，这减少了患者的内部组织暴露和存在感染可能性的时间量，并且减少了外科医生疲劳的可能性和患者必须保持麻醉的时间量两者。

进给速率计算器82基于以下各项中的一个、两个或三个确定力/扭矩调整系数：(1)由单独的力和扭矩分量组成的六分量矢量的幅度；(2)由单独的力分量组成的三分量矢量的幅度；以及(3)由单独的力和/或扭矩分量的任意组合组成的矢量的幅度。另选地，该系数基于最大力或扭矩分量中的一个或多个分量。基于这些变量中的一个或多个变量，进给速率计算器82通过参考相关联的查找表84中的数据可以确定力/扭矩调整系数。

除了调整进给速率FR，能量施加器24的旋转切割速率也可以变化。更具体地，在能量施加器24是锉的情况下，锉的切割齿的速率可以被调整和优化，以提高组织去除的精度，并且使组织处的热量产生最小化。锉切割齿的最佳速率是切割器旋转速率和切割器直径的因素，切割器旋转速率和切割器直径基于齿的几何形状和被去除的材料的类型进行优化。

第三变量是路径区段的曲率(PATH CRVTR)，根据该第三变量可调整限定的进给速率以产生进给速率FR，如图8所示。执行该调整以确保当命令能量施加器24的位置并使其沿着弯曲路径区段PS移位时，能量施加器24不以动量导致能量施加器24远离工具路径TP或路径区段PS移动的高速率移位。在一些示例中，当路径区段PS是线性的或者具有相对小的曲率时，不基于曲率调整进给速率FR。当进给速率计算器82接收到能量施加器24正沿着具有相对较大曲率或较小半径的路径区段PS行进的指示时，进给速率计算器82可基于该变量向下调整限定的进给速率FR，以便产生进给速率FR。

进给速率计算器82从曲率计算器接收能量施加器24行进所沿的路径的曲率PATHCRVTR变量的指示，曲率计算器可以是路径生成器68的另一子模块部件。基于该输入变量，进给速率计算器82可以参考查找表84中的一个查找表来确定反映进给速率FR应该被调整的程度的系数。当一个或多个路径区段PS是线性的或具有接近零的曲率时，可以不基于曲率调整限定的进给速率FR，并且系数处于或接近1.0。当进给速率计算器82接收到能量施加器24正沿着具有相对较大曲率的路径区段PS行进的指示时，计算器基于该变量向下调整限定的进给速率，以便产生进给速率FR。检索的系数从1开始减小。在一些型式中，如果曲率为0.05mm^-1或更低，则进给速率计算器82不基于能量施加器24沿其推进的区段PD的曲率来使进给速率FR衰减。曲率计算器基于限定多个间隔开的过滤目标位置的数据来确定当前过滤路径的曲率。表示该曲率的数据作为PATH CRVTR变量被转发到进给速率计算器82。

改变进给速率FR以考虑路径区段PS的曲率是基于能量施加器24相对于工具路径TP的位置(x,y,z)命令或预期位置，而不考虑能量施加器24或运动链KC的任何其他部件的定向运动(例如，角速度、角加速度、角加加速度)。

如图8所示，第四变量是器械功率(INST POWER)，根据该第四变量可以调整限定的进给速率以产生进给速率FR。该变量是工具20和/或能量施加器24向患者施加的功率量。器械功率被用作用于调整进给速率FR的输入变量，因为一般来说，随着器械施加到组织的功率增加，组织被该功率加热的程度也增加。如上所述，使组织受到潜在破坏性加热的程度最小化是有益的。还可能存在这样的情况，其中器械的大功率输出指示操纵器14正在进入这样的状态，在该状态中，如果进给速率FR没有减小，则能量施加器24的性能将下降。例如，如果需要向锉25施加大量的功率，则功率的这种增加可能指示锉25可能正进入难以去除其应该去除的材料的状态。为了确保锉25如预期的那样工作，减小锉25的推进速度是有益的。这有助于提高材料去除的精度。提高组织去除的精度增强了在应用锉25之后剩余的组织的表面光洁度和清晰度(definition)。因此，当存在由工具20和/或能量施加器24施加的功率增加的指示时，进给速率计算器82减小进给速率FR。

在工具20是机动工具的构造中，功率变量可以是由工具马达输出的扭矩的量。一般来讲，施加到工具20的电流和由工具20输出的扭矩之间存在直接比例关系。因此，由工具20汲取的电流的测量结果被用作器械功率变量。表示该变量的器械功率信号由工具控制器21生成，并且施加到操纵器控制器26。更具体地，工具控制器21的电路可以监测由工具20汲取的电流，并且输出表示由工具20汲取的电流的信号。该信号是根信号，根据该根信号生成施加到进给速率计算器82的模拟或数字INST POWER信号。进给速率计算器82基于INSTPOWER信号并通过参考查找表84中的一个查找表来确定系数，该系数指示限定的进给速率应该基于器械功率缩放的程度以确定进给速率FR。

可用作用于调整限定的进给速率以产生进给速率FR的因素的第五变量是组织温度(TISSUE TEMP.)，如图8所示。这是由于现代外科手术实践的上述目标是使患者的未切割组织被加热的程度最小化。可以利用温度传感器来提供组织温度(TISSUE TEMP)的指示。温度传感器可以安装到工具20。同样，温度传感器输出的信号可以表示组织的温度或能量施加器24的温度。由温度传感器输出的信号可以通过工具控制器21路由到操纵器控制器26。除了未切割组织的温度之外，用于调整限定的进给速率的另一个因素可以包括由能量施加器24去除的碎片的温度。碎屑和去除的材料通常称为“浆料(slurry)”。浆料的温度可以以任何合适的方式(包括温度传感器)测量。进给速率计算器82基于由TISSUE TEMP信号表示的温度并通过参考查找表84中的一个查找表来确定适当的组织温度进给速率调整系数。如果TISSUE TEMP信号指示组织温度在可接受的范围内，则该系数可以处于或接近1.0。另选地，如果TISSUE TEMP信号指示组织或能量施加器24的温度接近或高于可能对组织造成明显损伤的水平，则检索的系数可从1减小。

如图8所示，可由进给速率计算器82用来调整限定的进给速率以生成进给速率FR的第六变量是计算的力(CMPTD FORCE)。如下所述，该计算的力是施加到虚拟刚性体的力。响应于该力，运动控制过程沿着工具路径TP推进能量施加器24。计算的力由行为控制过程软件模块中的另一个软件模块计算。可以包括扭矩分量的该计算的力用作输入变量，根据该输入变量确定能量施加器24的命令位置。进给速率计算器82生成进给速率FR，因此在计算的力和进给速率FR之间存在逆关系。在计算的力增加以实现能量施加器24的推进的情况下，进给速率计算器82减小进给速率FR。进给速率FR的这种减小降低了操纵器将以如下速率推进能量施加器24的可能性，在该速率之上，能量施加器24施加到组织的精度将受到不利影响。在一些型式中，进给速率计算器82基于计算的力的幅度并参考查找表84中的一个查找表来确定系数。该系数表示限定的进给速率应作为计算的力的幅度的函数而被缩放的程度。

如图8所示，可由进给速率计算器82用来调整限定的进给速率以生成进给速率FR的第七变量可以基于虚拟边界71碰撞(VB COLLISION)。如果能量施加器24或工具20穿透虚拟边界71，则可以调整限定的进给速率FR。碰撞可能因多种因素、事件或条件而发生。在一个示例中，碰撞由于操纵器14的命令运动而发生(例如，在半自主模式或手动模式期间)。例如，在手动模式下，用户可以向端部执行器施加输入力，这导致穿透边界71的命令位置。附加地或另选地，碰撞可能由于操纵器14外部的源而发生。此类源可以是对患者解剖结构、患者移动、患者跟踪器54、56移动等的改变。例如，患者跟踪器54、56中的一个或多个患者跟踪器可以从其当前位置移动到不同位置。患者跟踪器54、56的移动可能是由于患者解剖结构的移动。患者的移动可能是由于工作人员重新定位患者或者可能是由于与解剖结构的碰撞而导致的。例如，机器人操纵器或能量施加器24可与患者解剖结构碰撞并推动患者解剖结构。在其他示例中，在解剖结构的操纵期间，能量施加器24可以物理地推动解剖结构。工作人员可能无意中撞击到解剖结构。患者跟踪器54、56的移动可以相对于患者跟踪器54、56所附接到的骨骼/解剖结构。换句话说，患者跟踪器54、56到解剖结构的刚性固定可能变得分离、移位或松动。在一个示例中，患者跟踪器54、56的移动引起虚拟边界71的对应移动，该虚拟边界被配准到患者跟踪器54、56被附连到的对应解剖结构。虚拟边界71的移动可能与操纵器14或能量施加器24碰撞。在另一种情况下，患者跟踪器54、56的移动可以导致工具路径TP或其区段的再生或更新。能量施加器24所在的再生或更新的工具路径TP或区段可具有与在患者跟踪器54、56移动之前存在的最后进给速率相比不同的限定的进给速率。与虚拟边界71的碰撞可以发生在本文描述的任何场景中，并且可以基于本文没有具体描述的其他条件而发生。

限定的进给速率FR可以响应于任何碰撞条件进行调整。调整可以是前摄的或追溯的，并且进给速率FR可以增加或减少。调整可以作为预防措施(例如，使能量施加器或工具减速)或减轻碰撞的当前/预期效果而发生。可以通过调整进给速率FR来抵抗、顺应或避免碰撞。可以增加进给速率FR以到达远离能量施加器24移动的解剖结构，或者可以响应于解剖结构朝向能量施加器24移动而降低进给速率FR。设想了响应于能量施加器24/工具20对虚拟边界71的碰撞来调整进给速率FR的其他方式。

如图8所示，可以由进给速率计算器82采用以调整限定的进给速率从而生成进给速率FR的两个附加输入变量是实际的不期望定向运动(实际UOM)和预期的不期望定向运动(预期UOM)。这些输入在随后的部分中详细描述，并且由控制算法提供，该控制算法可以确定、识别或监测运动链KC的一个或多个非工具路径部件的实际或预期的不期望定向运动。可以输入这些变量以主动地或前摄地改变进给速率FR，以便减轻定向运动的不期望的影响。用于识别、计算和监测不期望定向运动的技术在下一部分中描述。

进给速率计算器82可以将限定的进给速率乘以上述系数。该过程的乘积是进给速率FR，即能量施加器24应当沿着当前路径区段推进的实际速率。

到进给速率计算器82的附加输入可以是从力超控器(图8)模块(也是路径生成器68的部件)断言的信号。在能量施加器24的半自主推进期间，可能出现导致外科医生突然试图重新定位工具20的情况。当采取该动作时，执业医师可能会无意中未释放示教器88触发器。如果这种情况发生，响应于执业医师将工具20从工具路径TP移开的努力，力/扭矩传感器S受到相对高的力和扭矩。这些力和扭矩高于由力超控器模块保持的力/扭矩上限。力超控器模块被配置为输出信号以将操纵器14从所述半自主模式转换到手动模式。力超控器还评估力-扭矩传感器S的输出，以确定这些力/扭矩是否在大于指定时间段的时间内超过了它们的上限值。如果上述评估测试为真，则力超控器断言导致器械动力生成单元停用的命令。力超控器还可以断言导致能量施加器24的半自主推进停止的命令。响应于来自力超控器的信号的断言，进给速率计算器82输出零速率进给速率FR。通常，进给速率计算器82使器械斜变至零速率进给速率。一旦力超控器基于来自执业医师的其他命令的输入停止向进给速率计算器82断言信号，进给速率计算器82返回至输出非零速率进给速率FR。

如图8所示，路径内插器(PATH INTRPLTR)是路径生成器68的另一个子模块部件。路径内插器86确定能量施加器24的坐标系的目标位置。能量施加器24的远侧端部的位姿被理解为相对于能量施加器24的坐标系是固定的。这些目标位置是能量施加器24的远侧端部应该沿着其行进以执行任务的点。路径内插器86的输入包括但不限于：限定路径区段PS的起点和终点的数据；该数据指示区段PS是直的还是弯曲的，并且如果是弯曲的，则指示曲线的特性。路径内插器86的另一个输入是来自进给速率计算器82的进给速率FR。这是由进给速率计算器82确定的器械应沿着路径区段行进的速率。基于上述输入变量，路径内插器86根据一个实施方式中的以下步骤确定能量施加器24的远侧端部的目标位置：1)假设能量施加器24的坐标系的原点在初始位置处。初始位置是沿着路径区段PS的能量施加器24应当行进越过的位置。如果能量施加器24位于区段PS的起点，则该点是能量施加器24的坐标系的初始位置。初始位置和目标位置两者都是骨骼坐标系中的点。2)基于进给速率FR，计算能量施加器24在单个时间帧中沿着区段PS行进的距离。在一些型式中，时间帧的周期为0.1毫秒至2毫秒。3)基于初始位置、计算的距离的长度和区段终点的位置，路径内插器86生成限定目标位置的数据。用于确定目标位置的另一个变量是来自工具路径生成器的数据，该数据描述路径区段的特性：直的或是弯曲的；以及曲率半径(如果为弯曲的)。4)重复步骤1至3，直到确定坐标系EAPP已经到达该路径区段的终点。在与区段原点间隔开的第一目标位置的计算之后，在每个帧中计算的目标位置被用作初始位置，下一帧的目标位置的计算基于该初始位置。5)一旦目标位置等同路径区段PS的终点位置，路径内插器86重复步骤1至4，以生成沿着新区段定位的一组目标位置。

在单个帧的时间段期间，能量施加器24可以行进的距离可以大于到当前区段的终点位置的距离。如果路径内插器86确定能量施加器24将处于这种状态，则内插器针对从确定能量施加器24将处于当前路径区段的终点时开始的时间点生成指示能量施加器24在该帧的末尾处应该沿着的下一路径区段位于何处的数据。

一旦执业医师准备好开始工具20的半自主推进，执业医师利用遥控器或示教器88，如图1所示。执业医师可以按压示教器88的按钮90a、90b。在一些型式中，一个或多个控制器基于按钮90的按压输出表示进给速率FR的用户调整的系数。在一些型式中，系数为0.0、0.25、0.40、0.70或1.0。这是作为USER ADJUST输入而应用于进给速率计算器82的系数，如图8所示。示教器按钮90a的每次按下导致将进给速率系数向上重新调整到下一更高水平。示教器按钮90b的每次按压都导致将进给速率系数向下重新调整至一定水平。一个或多个控制器监测示教器88，以确定按钮90中的任一者是否被按压。开始器械推进的命令可以是将USER ADJUST系数重置到0以上的命令。

不要求在所有型式中进给速率计算器82总是基于变量的瞬时值计算进给速率FR。在一些型式中，这些输入变量可被过滤。同样，可能存在改变用作乘数的系数以建立任何变量影响馈送速率FR的程度的理由。特定变量的应用可能会延迟。可以对系数的变化进行过滤或斜变以混入/混出系数的幅度变化的影响。这种过滤或混合使得工具20的推进变得平滑。器械推进的这种平滑化可以减少由于器械定位的快速变化，操纵器可能变得不稳定或超过目标位置的可能性。可以选择性地忽略任何变量的影响。例如，可能期望基于最小系数或最大系数生成进给速率FR，而忽略其他系数。

在一些型式中，可以将两个或更多个变量组合到进给速率计算器82中。这种组合可以通过求和、相乘、平均或相除来实现。计算的系数同样可以被求和、相乘、平均或相除，以提供用于基于限定的进给速率建立进给速率FR的最终系数。同样地，不需要仅基于变量-系数进给速率表来确定系数。用于确定这些系数的其他方法基于使用变量作为方程的输入变量，方程的结果是用于建立进给速率FR的系数。方程可以是多项式方程或非线性方程。

同样地，除了器械电流消耗之外的数据可以被进给速率计算器82用作充当器械功率的标记的数据。这些数据包括施加于器械以保持恒定输出所需的电压或占空比。该输出可以是速率或温度。在闭环能量输出装置的情况下，输出的测量结果可以用作器械功率的标记。更具体地，输出的下降可以用作器械功率变化的标记。例如，如感测到的参数是马达速率，速率下降指示器械的功率需求增加。基于功率需求已经改变的该推断指示，调整应用于进给速率计算器82的INST POWER系数。

III.用于改变进给速率以考虑运动链的非工具路径部件的不期望定向运动的技术

如前述部分所述，可以基于各种条件和/或变量设置和改变进给速率FR。如本部分所述，可以改变进给速率FR，以考虑运动链KC的非工具路径部件的不期望定向运动。在此，非工具路径部件是用于描述运动链KC的不位于(定位成偏离)工具路径TP上的那些部件的术语，所述部件诸如为操纵器14、基部16、连杆18、关节J、端部执行器22、工具轴33(如果适用)、安装系统和/或无菌接口机构。换句话说，非工具路径部件包括运动链KC的排除位于工具路径TP上的能量施加器24的任何部件。因为要减轻的不期望定向运动是针对运动链KC的非工具路径部件，改变进给速率FR以考虑不期望定向运动甚至可以在能量施加器24沿着其推进的工具路径TP的区段PS是线性的时发生。如下文将描述的，存在影响不期望定向运动的存在或预期存在的各种情况，并且无论在减轻时工具路径TP是线性的还是弯曲的，这种情况都可能存在。

一个或多个控制器26、68、82被配置为识别运动链KC的除了能量施加器24之外的一个或多个部件(运动链KC的非工具路径部件)正在经历或将经历不期望定向运动。换句话说，一个或多个控制器26、68、82可以确定不期望定向运动正在积极地并且在当前发生或者预期会发生。在任一场景下，作为响应，一个或多个控制器26、68、82改变能量施加器24的进给速率FR以考虑不期望定向运动。

A.不期望定向运动和影响

关于定向运动的术语“不期望”描述非工具路径运动学运动(无论是有意的还是无意的)，系统10被配置为将该运动确定或识别为应当由系统10消除或减轻的运动，因为由于与系统性能或用户体验相关的原因，此类运动是不期望的。关于运动的术语“定向”本质上可以理解为角度，例如非工具路径部件的旋转运动。定向运动可以是但不一定是沿着圆形路径。相反，不期望定向运动可以是沿二维或三维的任何弯曲路径的运动。这里，“路径”仅描述运动链KC的任何非工具路径部件所采取的运动路径，并且不一定意味着(但可以包括)预定义运动路径。关于定向的术语“运动”可被定义为运动链KC的除了能量施加器24之外的任何一个或多个部件所经历的或将要经历的不期望角速度、角加速度或角加加速度中的一者或多者。术语“运动”排除非工具路径部件的静态位置或位移，而是包括位置随时间的变化率或其任何导数。

因为本文描述的非工具路径部件不包括能量施加器24，所以本文描述的不期望定向运动明确地排除能量施加器24的旋转，诸如切割锉25围绕其切割轴线的旋转。定向运动排除运动链KC的非工具路径部件的线性运动。与由至少一些定向(例如，围绕x、y、z轴的旋转)命令的运动相比，定向运动还排除由位置(x,y,z)严格命令的运动。这种定向运动可以是位置命令运动的补充或排除。例如，命令位置CP限定TCP相对于工具路径TP的(x,y,x)位置，并且不限定非工具路径部件的定向位姿或移动，因为此类定向位姿或移动是由逆运动学解决定的定向位姿。因此，不管路径区段PS是线性的还是弯曲的，能量施加器24沿着工具路径TP的命令定位是期望的位置运动，而不是不期望定向运动。

在一些实施方式中，考虑不期望定向运动意味着改变进给速率FR以减轻定向运动的不期望影响。例如，不期望定向运动可能导致运动链KC的除了能量施加器24之外的一个或多个部件进行突然的转动运动。在一些情况下，突然的转动运动可能会增加非工具路径部件和另一个对象之间潜在意外碰撞的可能性。通过改变进给速率FR来减轻不期望定向运动可以降低此类碰撞的可能性。另外，非工具路径部件的突然转动可造成操纵器14的意外摇动，这继而可导致能量施加器24相对于工具路径TP或外科手术部位的命令位置不准确。通过改变进给速率FR来减轻不期望定向运动可以降低此类不准确性的可能性。此外，突然的转动运动对执业医师来说可能是视觉上令人担忧的。通过改变进给速率FR来减轻不期望定向运动提供了非工具路径部件的更平滑、更一致的运动，从而改善了用户体验。

B.改变进给速率以考虑不期望定向运动

改变进给速率FR以考虑不期望定向运动可通过一个或多个控制器26、68、82改变实际进给速率FR或限定的进给速率而发生，如前面部分所述。图8中的变量(实际UOM)和(预期UOM)可以连同任何其他变量一起直接输入到进给速率计算器82，以便将进给速率FR输出到路径内插器86。

在另一实施方式中，来自变量(实际UOM)和(预期UOM)的输入可以绕过进给速率计算器82，并且替代地被输入到路径内插器86中，从而超控由进给速率计算器82输出的进给速率，如图8中的虚线所示。这种超控可能有利于确保减轻不期望定向运动，诸如在其他进给速率变量可能另有规定的情况下。当识别出不期望定向运动时，此类进给速率超控可以是默认设置或某些情况下的例外。一个或多个控制器26、68、82可以基于任何合适的标准或条件来确定何时存在进给速率超控条件，诸如但不限于：超过与不期望定向运动相关的阈值(例如，幅度、方向、持续时间)、外科手术规程的阶段、与不期望定向运动的容限相关的外科医生偏好、识别的可能导致不期望定向运动的任何条件的存在(如图14所示)、与工具路径TP或区段相关的任何因素、由进给速率计算器82输出的进给速率的值，或在计算进给速率中使用的上述变量中的任何变量的输入值。

在一些实施方式中，一个或多个控制器26、68、82被配置为将工具20和能量施加器24建模为虚拟刚性体，并且基于施加到虚拟刚性体的虚拟力来改变进给速率FR以考虑不期望定向运动。这样，与不期望定向运动或来自变量(实际UOM)和(预期UOM)的输入相关的参数可以包括在虚拟力中，该虚拟力可以是上述的计算力(CMPTD FORCE)变量。

在一些实施方式中，一个或多个控制器26、68、82通过被进一步配置为降低进给速率FR来改变进给速率FR以考虑不期望定向运动。在一个示例中，进给速率FR按因子减小，该因子与运动链KC的除了能量施加器24之外的一个或多个部件所经历或将经历的不期望定向运动的幅度和/或方向相关。在一些实施方式中，改变的进给速率FR是非零速度，该非零速度小于改变进给速率之前存在的进给速率的速度。换句话说，可以降低现有进给速率FR，以减轻不期望定向运动。改变或减少可以是逐渐的或脉冲式的，并且可以在任何持续时间内发生或持续任何持续时间，诸如由减轻不期望定向运动所需的一个或多个控制器26、68、82确定的持续时间。

在一些情况下，一个或多个控制器26、68、82可以通过附加地或另选地增加进给速率FR或有意地保持原本计划增加的现有/预先确定的进给速率FR来减轻不期望定向运动。例如，一个或多个控制器26、68、82可以快速降低进给速率FR，然后增加进给速率FR以减轻不期望定向运动。

图10和图11示出了运动链KC的非工具路径部件的不期望定向运动的一个示例。在该示例中，运动链KC的经历不期望定向运动的非工具路径部件是工具20的轴33和操纵器14的一个关节J。在图10中，能量施加器24沿着命令位置CP1和CP2之间的弯曲路径区段PS1推进。在该运动期间，一个或多个控制器26、68、82识别或预测工具轴33和关节J6由于依据进给速率FR1的推进而经历或将经历不期望定向运动UOM1。关节J6和工具轴33的状态在时间步长T1用虚线表示，并且在随后的时间步长T2用实线表示。不期望定向运动UOM1导致工具轴33和关节J6在T1和T2之间的突然转动(如箭头所示)。在一个示例中，工具轴33和关节J的不期望定向运动UOM1可以使用将在本文描述的任何方法来确定，包括通过评估轴33和关节J相对于部件的相应先前位置和/或相对于操纵器14的任何其他部件的角运动。还可以相对于可能经历或可能不经历不期望定向运动的基准参考(诸如能量施加器24、工具路径TP和/或命令位置PS)来识别不期望定向运动。

在图11中，为了减轻不期望定向运动，一个或多个控制器26、68、82将进给速率FR1改变为不同的进给速率FR2。在图11中，工具轴33的状态在时间步长T2由虚线表示，并且在随后的时间步长T3由实线表示。在能量施加器24穿过相同的路径区段PS1时，改变进给速率FR2。有意地将进给速率改变为FR2继而导致工具轴33和关节J6两者的不期望定向运动UOM2在到达命令位置CP2之前被减小或消除。

在图10和图11的先前示例中，改变进给速率FR以考虑能量施加器24穿过一个路径区段PS的过程期间的不期望定向运动UOM。在图12和图13中，示出了另一个示例，其通过在能量施加器完成穿过路径区段PS1并到达下一个命令位置CP2之后改变进给速率FR来减轻不期望定向运动UOM。换句话说，不期望定向运动发生在CP1和CP2之间的路径区段PS1上，但是在CP2和CP3之间的下一个路径区段上由于进给速率从FR1变为FR2而减轻。随后的命令位置CPN可以在改变进给速率FR之前或之后确定。

这些示例示出了在发生不期望定向运动之后发生的进给速率FR的反应性调整。用于考虑不期望定向运动的进给速率FR修改可以另选地是预测性的，使得运动链KC的非工具路径部件不经历(或完全经历)不期望定向运动，因为系统10将前摄地减轻不期望定向运动。

C.不期望定向运动-影响因素和示例

参考图14，响应于一个或多个当前或预期的外部条件、场景或动作，在一个或多个当前或预期的外部条件、场景或动作期间或基于一个或多个当前或预期的外部条件、场景或动作，不期望定向运动(以UOM示出)发生或预期发生。此类因素可能由于操纵器14本身、外科手术环境或用户而发生。无论是单独地还是组合地，此类条件、场景或动作可以是影响不期望定向运动的存在或预期存在的直接或间接因素。

在一个实施方式中，对于任何当前或预期的外部条件、场景或动作，如图14中的100处所示，在能量施加器24在半自主模式中推进期间，不期望定向运动发生或预期发生。这是基于如下理解，即系统10通常在半自主模式下实现受控的进给速率，以沿着工具路径TP移动能量施加器24。在其他操作模式诸如手动模式下，可能会发生不期望定向运动。例如，操纵器14和/或端部执行器22可以配备有进给速率控制器接口或示教器，该进给速率控制器接口或示教器使用户能够手动控制工具沿例如插入轴线的进给速率。在此类场景下，即使在用户例如在手动模式下手动控制进给速率时，也可能发生不期望定向运动。在名称为“Robotic Surgical System and Methods Utilizing a Cutting Bur for BonePenetration and Cannulation”的美国专利申请公布号2020/0289133A1中描述了手动进给速率控制的一个示例，所述专利申请的内容据此以引用的方式整体并入本文。

i.确定的进给速率和变量

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的一个因素是能量施加器24根据进给速率FR或在图14中的104处所示的进给速率FR的计算中利用的变量的推进，如前一部分所述。在这种场景下，一个或多个控制器26、68、82根据进给速率FR将能量施加器24沿着工具路径TP推进到命令位置CP。由于这种进给速率推进，可以想到的是，逆运动学解可能导致运动链KC的非工具路径部件中的一个或多个非工具路径部件经历不期望定向运动。基于此类进给速率调整因素对非工具路径部件的定向运动有影响的这一理解，不期望定向运动的存在或预期存在可受到以下项中的任一项的影响：对进给速率FR的用户调整106(USERADJUST)，例如通过使用示教器88；路径曲率108(PATH CRVTR)；组织温度110(TISSUETEMP)、器械功率112(INST.POWER)和/或与虚拟边界113的碰撞(VB COLLISION)。分别在图10和图11以及图12和图13中示出的示例可以被认为是示出了基于能量施加器24根据进给速率FR或在进给速率FR的计算中利用的变量的推进而发生的不期望定向运动。

ii.约束

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的另一个因素是系统10上的或系统的约束(在114处示出)。此类约束可以是涉及运动链KC的任何部件的机械约束和/或虚拟约束。这些约束单独地或组合地可影响不期望定向运动。

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的一个约束是工作空间限制约束，如图14中的116处所示。作为由操纵器控制器26执行的运动控制过程的一部分，评估工作空间限制以确定能量施加器24是否到达限定的工作空间的边界。该工作空间的限制与坐标系MNPL的原点间隔开，并且通过参考该坐标系来定义。如果连杆18可移动到其运动范围的最大程度，则工作空间在能量施加器24可在其中移动的体积内。该工作空间有时被称为“灵巧工作空间”，并且操纵器14禁止能量施加器24推进到该工作空间之外。工作空间限制可以具有任何几何形状，并且通常小于操纵器14的整个运动范围内的空间体积，例如，以确保执业医师至少具有一些能力来如此重新定向端部执行器22。在遵守该工作空间限制的过程中，可以想到的是，运动链KC的非工具路径部件中的一个或多个非工具路径部件将通过校正重新定向而经历不期望定向运动。

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的另一个约束是干扰限制约束，如图14中的118处所示。这里，操纵器控制器26控制操纵器14以避免连杆18或操纵器14的任何结构构件之间的碰撞。防止这些碰撞的一个原因是防止连杆18的相对移动，该相对移动可能导致在连杆18之间形成夹点。防止这些碰撞还避免由此类碰撞造成的损害。基于实际关节角的表示，操纵器控制器26确定成对的潜在碰撞连杆18之间的最小距离。为了进行这种确定，操纵器控制器26可以使用正向运动学数据来确定关节J的位姿，以及成对的潜在碰撞连杆18之间的公共正常距离和最小距离。操纵器控制器26计算成对的潜在碰撞连杆18的最小距离和成对的连杆18的边界距离之间的差值。该边界距离是如下距离，低于该距离，连杆18朝向彼此的移动是不期望的。在遵守该干扰限制的过程中，可以想到的是，运动链KC的非工具路径部件中的一个或多个非工具路径部件将通过校正重新定向而经历不期望定向运动。

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的另一个约束是涉及奇异点避免(singularity avoidance)的约束，也在图14中的118处示出。奇异点是由两个或更多个机器人连杆或关节J的共线对齐引起的情况，这种情况导致不可预测的机器人运动和速度。当轴线或关节J位于奇异点处时，逆运动学可能有无限多种方式来实现TCP的相同位置。为了避免这种情况，操纵器控制器26可以实施许多控制技术中的一种控制技术。在一个示例中，可以实现上述干扰限制。在另一个示例中，可以在机器人装配或校准期间执行奇异点分析。该分析可以产生奇异点避免数据，该奇异点避免数据被存储到操纵器控制器26。响应于接近的奇异点，操纵器控制器26可以命令操纵器14采取校正动作，诸如前摄地在某些关节J中从单一笔直姿态旋转。还可以通过改变零空间内的关节J的位置来进行校正动作，其中关节J可以在不改变TCP位置的情况下被移动。端部执行器22的轨迹或定向也可以被修改以避免奇异点。在避免奇异点的过程中，可以想到的是，运动链KC的非工具路径部件中的一个或多个非工具路径部件将通过校正动作而经历不期望定向运动。

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的另一个约束是虚拟约束，如图14中的120处所示。例如，虚拟约束可以是由边界生成器66实现的，该虚拟约束可以限定例如用于约束工具20、能量施加器24和/或操纵器14的移动和/或操作的虚拟对象或边界71。如前述部分所述，此类虚拟边界71可以关于诸如3D骨骼模型的解剖模型AM来限定。操纵器控制器26和/或导航控制器36跟踪工具20相对于虚拟边界71的状态。在一个示例中，相对于虚拟边界71测量TCP的状态，以便经由虚拟模拟确定要施加到虚拟刚性体模型的触觉力，使得相应的运动学部件保持与虚拟边界71的期望位置关系(例如，不移动超过它们)。虚拟模拟的结果被命令至操纵器14。在遵守此类虚拟边界71的过程期间，可以想到的是，运动链KC的非工具路径部件中的一个或多个非工具路径部件将通过校正触觉或反作用力而经历不期望定向运动。

图15和图16示出了运动链KC的非工具路径部件通过来自约束碰撞的校正触觉或反作用力而经历不期望定向运动的示例。更具体地，在该示例中，非工具路径部件是工具20的轴33，并且约束是虚拟边界71。该示例中的虚拟边界71可以与解剖模型AM相关联，例如，与用于全髋关节手术的股骨轴相关联。虚拟边界71描绘了通过用能量施加器24从不应被去除的股骨区域铣削而去除的股骨轴的体积。能量施加器24在虚拟边界71内沿循工具路径TP。具体地，能量施加器24根据第一进给速率FR1沿着工具路径TP推进。

一个或多个控制器26、68、82可以将一个或多个虚拟触觉对象VO与运动链KC的一个或多个部件相关联。在该示例中，虚拟触觉对象VO与轴33相关联，但是可以与运动链KC的任何其他部件相关联。虚拟触觉对象VO在视觉上和物理上不存在于轴33上，而是虚拟的，即在计算上与轴33的几何形状相关。

在一些实施方式中，一个或多个控制器26、68、82可以在运动链KC的第一部件上的第一位置处将第一虚拟触觉对象VO相对于第一部件相关联。一个或多个控制器26、68、82还可以在运动链KC的第一部件上与第一位置间隔开的第二位置处将第二虚拟触觉对象VO相对于第一部件相关联。虚拟触觉对象VO可以诸如相对于一个或多个连杆18、关节J、基部16、端部执行器22、轴33等位于运动链KC的任何部件上。在一个示例中，如图15所示，虚拟触觉对象VO设置在轴33的近侧端部附近，因为轴33的不期望定向运动的可能性在轴33的近侧端部附近比轴33的能量施加器24所在的远侧端部更大。

一个或多个控制器26、68、82可以检测一个或多个虚拟触觉对象VO和虚拟边界71之间的碰撞，如图15所示。在一个实施方式中，如上所述，碰撞检测可以基于导航系统对解剖结构和工具20的跟踪。可以使用任何适当的技术基于虚拟触觉对象VO与虚拟边界71的网格的多边形元素之间的相交(诸如虚拟触觉对象与边界71的穿透深度)来检测和测量碰撞的幅度和/或方向。另选地，可以基于穿透因子来计算碰撞，该穿透因子是相对于网格多边形元素的几何形状限定的虚拟体积的几何形状的函数，诸如使用在名称为“RoboticSurgical System and Method for Producing Reactive Forces to Implement VirtualBoundaries”的美国专利申请公布号2018/0353253A1中描述的投影弧或投影面积方法，所述专利申请的内容据此以引用的方式并入本文。响应于碰撞，一个或多个控制器26、68、82控制操纵器14来限制轴33不超过虚拟边界71。具体地，基于碰撞的计算的幅度和/或方向的反作用力RF被命令给操纵器14。反作用力RF及其相应的方向在图15中由碰撞位置附近的箭头示出。

在图16中，该示例示出了操纵器14依据反作用力RF的为了避免/减轻碰撞的命令运动导致轴33的不期望定向运动UOM。同样，一个或多个控制器26、68、82可以识别轴33当前正在经历或将经历不期望定向运动UOM。响应于检测到碰撞，一个或多个控制器26、68、82将进给速率从FR1改变到FR2，以考虑响应于对轴33的约束而发生的不期望定向运动UOM。

图15和图16中所示的示例并不旨在限制关于运动链KC的非工具路径部件如何通过约束而经历不期望定向运动的描述的范围，也不旨在限制关于一个或多个控制器26、68、82如何能够考虑此类不期望定向运动的描述的范围。例如，除了轴33之外的非工具路径部件可能受到任何类型的约束，诸如上面描述的那些约束。该约束也不需要一定要求诸如与虚拟触觉对象VO的碰撞，而是可以替代地基于运动限制的计算控制。例如，在虚拟触觉对象VO不存在的情况下，轴33可能与虚拟边界71碰撞。一个或多个控制器26、68、82可以基于轴33的已知物理几何形状的模型来检测碰撞。

iii.工具重新定向

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的另一个因素是外科手术工具20和/或端部执行器22的重新定向，如图14中的122处所示。此类重新定向可以发生在能量施加器24沿着工具路径TP推进期间，或者可以发生在能量施加器24静止时。

在一种情况下，外科手术工具20和/或端部执行器22的重新定向可以由系统10发起。例如，如124处所示，重新定向可以是由操纵器控制器26执行的自动重新定向。在一个示例中，自动重新定向可以是到由系统10确定的优选定向的重新定向，该定向对于外科手术规程的给定场景、条件或阶段是最佳的或优选的。在能量施加器24沿着工具路径TP推进的情况下，自动重新定向可以响应于用于接近外科手术部位的系统偏好和/或由外科手术部位附近的障碍物施加到外科手术工具20和/或能量施加器24的重新定向力和扭矩而发生。在实践中，可能存在阻碍能量施加器24沿着路径区段PS推进的障碍物。该障碍物可能是突出的组织或外科手术器械。为了防止障碍物阻挡能量施加器24的推进，工具20可能需要采取不同定向或正常定向范围之外的定向。

在一个实施方式中，自动重新定向可以如下实施。通过知道工具20的实际位姿，操纵器控制器26的定向调节器可以限定位于能量施加器24上方(例如，上方5cm-20cm)的参考表面(例如，平面)，该参考表面垂直于工具20的纵向轴线。然后，定向调节器在参考表面中限定以工具20的纵向轴线与参考表面相交的点为中心的孔口(例如，圆)。该孔口可以限定工具20的正常定向的限制。定向调节器可以确定工具20的定向已经移动或可能需要移动到孔口限制内或超出孔口限制的位姿。作为响应，操纵器控制器26可以向操纵器14发出力的命令，以在孔口内或孔口外重新定向工具。在实施自动重新定向的过程中，可以想到的是，运动链KC的非工具路径部件中的一个或多个非工具路径部件将经历不期望定向运动。

在另一种情况下，外科手术工具20和/或端部执行器22的重新定向可以由用户发起，如图14中的126处所示。在一个示例中，在能量施加器24沿着工具路径TP推进时，执业医师可以决定重置工具20的定向。可能期望如此重新定向工具20，以避免与可能在工具路径TP附近的组织或另一器械接触。如果执业医师想要如此重新定向工具20，他/她致动端部执行器22上的输入。另选地，执业医师可以尝试在不输入任何命令的情况下通过力来实施工具20的重新定向。操纵器控制器26可以例如通过监测用户输入的持续时间或基于由力/扭矩传感器S检测到的力来监测该用户输入。在任一情况下，操纵器控制器26可以命令操纵器14以对对应用户输入进行仿真的方式重新定向到工具20。在实施手动重新定向的过程中，可以想到的是，运动链KC的非工具路径部件中的一个或多个非工具路径部件将经历不期望定向运动。工具重新定向的自动或手动机器人控制的示例可以类似于在名称为“SurgicalManipulator Capable of Controlling a Sur gical Instrument in Multiple Modes”的美国专利号9,119,655和名称为“System and Method of Controlling a SurgicalTool During Auto nomous Movement of the Surgical Tool”的美国专利号9,937,014中描述的那些，所述专利中的每个专利的公开内容据此以引用的方式并入本文。

图17和图18示出了运动链KC的非工具路径部件响应于操纵器14并且更具体地工具20的重新定向而经历不期望定向运动的示例。更具体地，在该示例中的重新定向可以通过执业医师向远侧端部关节(J)(如图所示)施加力或者通过致动端部执行器22上的用户输入(未示出)来发起。在图17所示的重新定向动作期间，能量施加器24根据第一进给速率FR1沿着工具路径TP推进。在图17中，该示例示出了操纵器14依据重新定向命令的运动引起轴33和关节J的不期望定向运动UOM。同样，一个或多个控制器26、68、82可以识别这些部件当前正在经历或将经历不期望定向运动UOM。一个或多个控制器26、68、82将进给速率从FR1改变为FR2，以考虑响应于重新定向而发生的不期望定向运动UOM。

图16和图17中所示的示例并不旨在限制关于运动链KC的非工具路径部件如何通过重新定向而经历不期望定向运动的描述的范围，也不旨在限制关于一个或多个控制器26、68、82如何能够考虑此类不期望定向运动的描述的范围。

iv.外力

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的另一个因素是外力或扭矩，如图14中的122处所示。此类外力可以发生在能量施加器24沿着工具路径TP推进期间，或者可以发生在能量施加器24静止时。这些外力和扭矩可包括组织对工具20推进的阻力以及例如由执业医师或环境施加到运动链KC的任何一个或多个部件的外力和扭矩。运动控制模块可以监测操纵器14的状态，以检测外力/扭矩是否正被施加到操纵器14或工具20，或者物体是否正与操纵器或工具接触。

可影响不期望定向运动的存在或预期存在的外力/扭矩的一个示例是施加到工具20的外力/扭矩，如130处所示。在一个示例中，如上所述以及如图17和图18所示，通过执业医师手动地用力或通过用户输入重新定向工具20，该外力/扭矩被施加到工具20。此类外力可以被力/扭矩传感器S检测到。操纵器控制器26还可以监测表示由力/扭矩传感器S检测到的力和扭矩的信号，以确定是否有过大的外力被施加到工具20或能量施加器24。由于能量施加器24所施用到的组织的正常阻力，对工具20的推进存在一些阻力。在工具20的半自主推进期间，响应于组织阻力的施加，力/扭矩传感器S可以输出指示传感器正受到超出可感知限制的力和扭矩水平的信号。在命令操纵器14考虑工具20上的外力/扭矩的过程期间，可以想到的是，运动链KC的一个或多个非工具路径部件将经历不期望定向运动。

外力/扭矩的另一个示例是操纵器14的反向驱动，如132处所示。响应于施加在操纵器14、工具20和/或能量施加器24上的外力和扭矩，关节马达27输出反向驱动扭矩。反向驱动扭矩是关节马达27输出的超过克服惯性和重力所需的扭矩的扭矩。当操纵器14、工具20和/或能量施加器24受到外力和扭矩时，这些力和扭矩暂时中断工具20到命令位姿的推进。这继而暂时中断关节J中的一个或多个关节向它们的命令关节角的推进。控制回路在施加外力和扭矩的同时，调整关节马达27输出的扭矩，以补偿这些外力和扭矩。为了计算反向驱动扭矩，操纵器控制器26可以确定如果不存在外力和扭矩关节马达27应该输出的扭矩。操纵器控制器26可以利用来自编码器的测量关节角和来自正向运动学分析的计算关节角。可以确定反向驱动扭矩的其他变量是关节马达27施加到连杆18以使工具20并且因此使能量施加器24朝向命令位姿推进的实际扭矩。获得实际扭矩的一种方法是测量由关节马达27，更准确地说由减速齿轮输出的扭矩。另一种方法是监测关节马达27输出的扭矩，该扭矩由扭矩传感器或测量关节马达27的电流消耗的传感器测量。在控制操纵器14以考虑反向驱动力的过程中，可以想到的是，运动链KC的一个或多个非工具路径部件将经历不期望定向运动。机器人操纵器的反向驱动控制的示例可以类似于在名称为“Robotic System andMethod for Backdriving the Same”的美国专利号10,327,849中所描述的，所述专利中的每个专利的公开内容据此以引用的方式并入本文。

一个或多个控制器26、68、82考虑运动链KC的非工具路径部件响应于操纵器14的反向驱动而经历或将经历的不期望定向运动。在反向驱动动作期间(无论是有意发生的还是通过碰撞发生的)，能量施加器24根据第一进给速率FR1沿着工具路径TP推进。操纵器14依据反向驱动命令的反作用运动导致轴33和关节J的不期望定向运动UOM。一个或多个控制器26、68、82将进给速率从FR1改变为FR2，以考虑响应于反向驱动而发生的不期望定向运动UOM。

外力/扭矩的另一个示例是施加到患者或患者跟踪器54、56的力/扭矩，如134处所示。当施加到患者时，外力/扭矩可能因重新定位患者而产生，或因与解剖结构碰撞而产生。例如，机器人操纵器或能量施加器24可与患者解剖结构碰撞并推动患者解剖结构。在其他示例中，在解剖结构的操纵期间，能量施加器24可以物理地推动解剖结构。在其他情况下，工作人员或其他外科手术器械可能会无意中碰撞解剖结构。当施加到患者跟踪器54、56时，由于许多相同的原因可出现外力/扭矩。这里，一个或多个患者跟踪器54、56响应于外/力从其当前位置移动到不同位置。施加到患者跟踪器54、56的外力/扭矩可能是由于患者解剖结构的移动。外力/扭矩可以导致患者跟踪器54、56相对于患者跟踪器54、56所附接到的骨骼/解剖结构移动。换句话说，患者跟踪器54、56到解剖结构的刚性固定可能变得分离、移位或松动。在这些场景中的任何一个场景中，患者跟踪器54、56可能移动，并且这可能影响操纵器14的操作。在一个示例中，患者跟踪器54、56的移动引起虚拟边界71的对应移动，该虚拟边界被配准到患者跟踪器54、56被附连到的对应解剖结构。虚拟边界71的移动可能与操纵器14或能量施加器24碰撞。此类场景可导致“失控”错误状况，其中由于边界71施加到工具的反作用力，受患者虚拟边界71约束的操纵器14继续推动患者。然而，响应于此类推动，同一边界71由于其与(现在的)移动解剖结构的配准而移动。可以通过调整操纵器14操作(例如，定向、进给速率、命令位置等)来抵抗、顺应或避免这种失控状况。为了减轻这种状况，可以调整对操纵器14进行控制的约束。可由本文所述技术使用以减轻失控状况的控制系统的一个示例可类似于2020年1月10日提交的名称为“Surgical Systems and Methods forGuiding Robotic Manipulators”的国际专利申请号PCT/US 2020/053803中所述的，所述专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。在另一种情况下，患者跟踪器54、56由于外/力的移动可导致不同轨迹、工具路径TP或其区段的再生/更新。可以调整操纵器14的操作以适应新的工具路径TP或轨迹。

在控制操纵器14以考虑施加到患者和/或患者跟踪器54、56的外力的过程中，或者在减轻“失控”状况的过程中，可以想到的是，运动链KC的非工具路径部件中的一个或多个非工具路径部件将经历不期望定向运动。一个或多个控制器26、68、82考虑运动链KC的非工具路径部件响应于这些外力/扭矩而经历或将经历的不期望定向运动。在校正动作期间(无论是有意发生的还是通过碰撞发生的)，能量施加器24根据第一进给速率FR1沿着工具路径TP推进。操纵器14响应于校正动作的反作用运动导致任何非工具路径部件的不期望定向运动UOM。一个或多个控制器26、68、82将进给速率从FR1改变为FR2，以考虑响应于校正动作而发生的不期望定向运动UOM。

D.用于考虑不期望定向运动的示例性算法

参考图19，描述了用于考虑不期望定向运动的方法200的一个实施方式。方法200描述了由机器人外科手术系统的一个或多个控制器26、68、82和任何补充部件实施的算法，如将描述的。图19所示的方法200在范围上不受限制，因为可以添加或省略步骤，并且当存在时，可以以不同于所示的顺序执行。

在一个实施方式中，方法200开始于步骤202，在该步骤中确定进给速率FR。进给速率FR可以由进给速率计算器82根据前面部分中描述的技术和变量来确定，如图8所示。该进给速率FR是能量施加器24将被命令移动的速度。因此，在步骤204处，一个或多个控制器26、68、82命令操纵器14根据进给速率FR推进能量施加器24。此类推进是能量施加器24的位置受控的推进，例如诸如在半自主模式下沿着工具路径TP。运动链KC的其他部件的定向和位置控制也可以发生在步骤204，以便使能量施加器24能够移动到命令的位置，同时遵守系统的其他约束。

在步骤206处，一个或多个控制器26、68、82识别、分析和/或监测运动链KC的非工具路径运动学部件的不期望定向运动。这里，一个或多个控制器26、68、82可以识别主动发生的不期望定向运动(实际UOM)或预期发生的不期望定向运动(预期UOM)。对于任一种情况，一个或多个控制器26、68、82可以采用以下部件、技术或算法中的任何一者或多者来识别实际或预期的不期望定向运动。可以单独地或组合地使用以下任何一者。实际或预期的不期望定向运动的识别可以响应于影响实际或预期的不期望定向运动的存在的任何因素、事件或条件，如图14所示和如上所述。

在步骤208处，一个或多个控制器26、68、82可以任选地采用操纵器14的正向(FWD)运动学测量结果来识别、分析和/或监测不期望定向运动。这里，一个或多个控制器26、68、82实施运动学过程，该过程根据关节J角计算TCP的笛卡尔端点位置。正向运动学过程从操纵器14的关节J中的位置传感器(编码器)接收输入。基于该输入，正向运动学过程计算TCP相对于基部16的位置。基于工具20和能量施加器24之间的已知几何关系，然后可以计算能量施加器24相对于基部16的位置。因为位置传感器监测关节位置，所以可以周期性地更新变换以反映操纵器14的运动。在根据逆运动学控制执行的能量施加器24的命令运动的任何给定时间步长之后，可以更新正向运动学计算。在正向运动学计算的过程中，一个或多个控制器26、68、82可以在非暂时性存储器64中存储能量施加器24的各种位置的正向运动学参数值。当捕获正向运动学数据时，能量施加器24可以根据进给速率FR推进。一个或多个控制器26、68、82可以分析一段持续时间内的正向运动学参数值，以识别可以与范围、阈值或以其他方式指示不期望定向运动的条件相比较的条件、模式或趋势，如将在后面的步骤216中描述的。一个或多个控制器26、68、82还可以分析正向运动学数据，以识别运动学部件和其他物体(诸如环境物体或其他运动学部件)之间发生的碰撞。利用此类技术，一个或多个控制器26、68、82可以在不使用除关节编码器之外的传感器或传感系统的情况下确定不期望定向运动。

在步骤210处，一个或多个控制器26、68、82可以另选地或附加地采用任何给定数量的传感器或感测系统来识别、分析和/或监测实际或预期的不期望定向运动。一个或多个传感器被配置为生成与运动链KC的任何一个或多个部件(包括能量施加器24)相关的测量结果。在一个示例中，一个或多个传感器或感测系统可以是导航系统32或其任何配置，诸如可以跟踪运动学部件KC的基于光学、电磁、射频、惯性、超声波或机器视觉的定位系统。一个或多个传感器可以包括联接到关节J或连杆18中的任何一者或多者的传感器，该传感器被配置为感测关节或连杆位置、关节或连杆速度以及关节或连杆加速度中的任何一者或多者。此类传感器可以是惯性传感器、与导航系统32一起利用的跟踪元件等。在另一个示例中，一个或多个传感器可以包括电流传感器，该电流传感器被配置为感测由关节J中的任何一个或多个关节的马达27汲取的电流。此类电流感测可以指示关节扭矩，一个或多个控制器26、68、82可以从该关节扭矩推断出不期望定向运动。设想了使用除了以上具体描述的那些之外的传感器或感测系统，以便识别不期望定向运动。一个或多个控制器26、68、82和/或导航系统32被配置为在给定时间段或任何持续时间内分析上述测量结果中的任何测量结果，以识别运动链KC的除了能量施加器24之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。

在步骤212处，一个或多个控制器26、68、82可以另选地或附加地采用惯性值来识别、分析和/或监测实际或预期的不期望定向运动。具体地，一个或多个控制器26、68、82被配置为在非暂时性计算机可读介质64中存储运动链KC的任何一个或多个部件(包括能量施加器24)的惯性值。在一个示例中，惯性值是旋转惯性值。旋转惯性值也称为惯性矩、质量惯性矩、角质量值。此类值定义标量，该标量确定围绕旋转轴线的特定角运动所需的扭矩。在另一实施方式中，惯性值可以是平移或线性惯性值。通过存储此类值，一个或多个控制器26、68、82被更好地装备成识别运动链KC的除了能量施加器24之外的一个或多个部件是否正在经历或将经历不期望定向运动。

在步骤214处，一个或多个控制器26、68、82可以另选地或附加地利用模拟来识别、分析和/或监测实际或预期的不期望定向运动。这里，可以执行手术前模拟或手术中模拟，以模拟操纵器14和相应运动学部件的运动。此类模拟运动可以是能量施加器24例如沿着工具路径TP的推进，或者任选地是依据半自主模式的推进的模拟。包括操纵器控制器26和行为控制器74的控制系统60可以在上述虚拟模拟或其他模拟方案中使用物理引擎来模拟操纵器14的动态特性，以模拟基部16、连杆18、关节J、端部执行器22、工具20和/或能量施加器24的刚性体动态特性。该模拟可以是由控制系统60用来在运行时控制操纵器14的模拟，或者可以与其分开实施。该模拟可以在显示器上可视地或图形地表示，或者完全通过对用户隐藏的数据来体现。在一个示例中，模拟可以针对自动化的外科手术规程的所有部分执行操纵器14的移动。

该模拟可以考虑涉及操纵器14的控制的任何或所有因素，包括设置或优选位姿、导入或导出路径移动、操纵器14从部位的缩回、操纵器14的重新定向、进给速率变化、对系统的约束等。另外，模拟可以提供与操纵器14所涉及的其他任务、事件或命令相关的数据。例如，模拟可以包括定义操纵器14的部件中的任何部件的运动学位姿的机器人数据或者日志或命令数据(例如，能量施加器24的命令位置)。该模拟可以包括任何操纵器14部件与一个或多个虚拟边界71的碰撞日志、边界71碰撞的穿透的幅度/方向，和/或施加用于校正约束碰撞的相应反作用力的参数/值。该模拟可以获得与可能或确实影响不期望定向运动的存在的任何因素相关的数据，诸如上述和图14所示的任何因素。附加地或另选地，在规程的虚拟试运行期间，模拟可以部分地由执业医师执行。这里，执业医师可能够在模拟中观察操纵器14和外科手术部位。在该模拟期间可以考虑影响不期望定向运动的存在的上述因素中的任何因素。例如，可以存在由于外部因素或执业医师发起的因素或由于自动化机器人控制而发生的模拟的外力、约束、碰撞、反向驱动、重新定向等。

在另一实施方式中，控制系统60可以采用可以在术前或术中执行的机器学习算法。机器学习算法可以分析相对于过去的机器人和导航系统数据的当前机器人运动，以主动地预测不期望定向运动。此类预测可以例如在预期的不期望定向运动之前几秒或几毫秒进行。可以在先前的机器人外科手术规程或类似性质的模拟中训练神经网络，以预测不期望定向运动。训练数据还可以包括患者数据、植入物数据、规程类型和/或外科医生偏好。对于当前规程，可以应用训练的神经网络以自动地修改操纵器14的命令(包括进给速率的调整)，以考虑贯穿整个规程的预测的不期望定向运动。外科医生可能够利用输入装置在规程之前可视地查看机器学习预测的影响以及对操纵器14运动的相应修改。外科医生还可能够接受或拒绝对操纵器14运动的任何预测性修改。

模拟或机器学习算法的结果可以包括数据，该数据包括指示不期望定向运动的预测性运行时事件的时间日志等。此类数据可以存储或传输到控制系统60。在该规程之前或期间，一个或多个控制器26、68、82被配置为从存储器中检索模拟或机器学习数据，并且基于机器人系统的模拟数据和实际运行时数据来识别预期将发生不期望定向运动。然后，控制系统60可以自动地修改操纵器14的运动，以消除即将到来的不期望定向运动的存在或降低其预期影响。如上所述，本文描述的模拟或机器学习技术可以使用任何其他类型的感测来实现。此外，设想此类模拟或机器学习可根据本文未具体描述的方式来执行，例如，通过使用替代形式的人工智能和规划软件。可以采用的模拟技术的示例在名称为“Patient-specific Preoperative Planning Simulation Techniques”的美国专利申请公布号2019/0142520A1中描述，所述专利申请的内容据此以引用的方式整体并入本文。

在步骤216处，一个或多个控制器26、68、82任选地将实际或预测的不期望定向运动与限制、阈值或范围进行比较。可以执行该功能以从不期望定向运动中标示正常或期望的定向运动。限制、阈值或范围可以定义系统10识别不期望定向运动的灵敏度。在实践中，此类敏感性的平衡有利于优化规程和用户体验。如果过多数量的事件被识别为不期望的，则由于进给速率降低，可以延长规程时间。如果过少事件被识别为不期望的，则定向运动的不期望效果可以包括用户体验或系统准确度。如果适用，执业医师可能够在规程前或在规程期间或在模拟阶段期间调整该灵敏度。阈值或范围可以限定运动学部件的角速度、加速度或加加速度的幅度、方向、频率、持续时间或过度值(excessive value)中的任何一者或多者。与阈值或范围的比较可以在术前、术中、在模拟期间或响应于模拟，或响应于识别到指示未来不期望定向运动的条件而发生。

在一个非限制性示例中，步骤216处的实际或预测定向运动的评估可以如下执行：限定低于特定值(例如，0.2rad/s)的下限(例如，就角速度而言)。如果实际或预测的定向运动低于该下限，则一个或多个控制器26、68、82可以将此视为可忽略的、正常的和/或期望的，并且不采取动作来改变进给速率FR。如果实际或预测的定向运动处于或高于该下限(例如，0.2rad/s)但处于或低于第一阈值(例如，0.4rad/s)，则一个或多个控制器26、68、82可将此视为不期望的，并且根据本文所述的技术采取动作来改变进给速率FR。在一个示例中，在下限和第一阈值之间的范围内，进给速率FR可以通过对应于定向运动的值的映射来改变。相对于与定向运动相关的值的映射值可以存储在存储器中的查找表中。映射可以是连续的或离散的，并且可以根据线性函数、阶跃函数、指数函数、对数函数、定制(平滑)函数或任何其他类型的函数来限定。例如，对于线性映射，对于处于下限的定向运动值，缩放比例可以是1(缩放1以保持现有/原始/最后的进给速率)，并且对于处于第一阈值的定向运动值，缩放比例可以是0(缩放0以将FR降低到0)。在下限和第一阈值处或之间，在定向运动值和进给速率之间可以存在线性相关性(例如，在下限和第一阈值之间的中间缩放0.5，以将现有FR减半)。对于高于第一阈值的实际或预测的不期望定向运动值，可以改变进给速率FR以立即减小实际或预测的不期望定向运动的值或将其清零。换句话说，一个或多个控制器26、68、82可以将此视为零公差不期望定向运动。

附加地或另选地，用户可以基于偏好或外科手术计划使用例如临床应用程序来设置或调整这些限制、阈值、范围或比例值中的任一者。例如，缩放(0至1)或限制可以减少到默认值的50％或更多，以及增加到默认值的150％或更多。上述限制和阈值示例是所设想的许多不同配置中的一者。范围和值可以不同于所描述的和本示例。

限制、阈值或范围以及缩放/映射可以特定于导致实际或预测的不期望定向运动的条件或事件，并且可以针对各种条件或事件(例如，图14中的任何此类事件/条件)单独限定。限制、阈值和范围不需要特别针对定向运动的值(例如，角速度)，而是可以是来自可以与实际或预测定向运动间接/直接相关的其他参数/测量结果的值。例如，对于响应于与虚拟边界71的碰撞(120，图14)而发生的实际或预测的不期望定向运动，阈值或范围以及缩放/映射可以取决于穿透参数的值。例如，如果穿透值小于0.1mm，则进给速率FR的缩放可以是0。如果穿透值等于或大于0.1mm但小于0.2mm，则进给速率FR的缩放可以在0和1之间。如果穿透值大于0.2mm，进给速率FR的缩放可以是0。同样，这些阈值和缩放值仅仅是示例，并且可以根据条件/事件和期望的响应而与所描述的不同。

在步骤220处，一个或多个控制器26、68、82确定是否出现满足实际或预期的不期望定向运动的条件。在步骤216处，响应于阈值或范围的满足，条件的满足发生。条件的满足可以在任何时间发生。在一个示例中，可以在能量施加器24的命令位置时识别条件的满足。在这种情况下，可以基于原始运动学或定位器44值实时或接近实时地满足条件，而无需任何过滤。另选地，条件的满足可以基于过滤的机器人或定位器44的值来识别，其中数据可以在一段持续时间(例如，50ms-150ms)内被过滤。实际或预期的不期望定向运动可以基于该过滤的数据来计算/测量。如果条件的满足没有发生，则在步骤202处，一个或多个控制器26、68、82可以保持或恢复进给速率FR。

在步骤218处，一个或多个控制器26、68、82识别实际或预期的不期望定向运动的存在。同样，识别不期望定向运动可以在任何时间发生。识别可以是但不一定是响应于在步骤220处满足阈值或范围。另选地，自动识别可以基于对上述因素中的任何因素的分析而发生，诸如对外力、约束、重新定向或进给速率事件的识别(如图14所示)，或者基于对根据传感器、感测系统、惯性值或模拟识别或监测(步骤206)非工具路径运动部件的实际/预期定向运动的分析。

已经识别了不期望定向运动，在步骤222处，一个或多个控制器26、68、82已经充分评估了实际或预期的不期望定向运动，并且此后确定适当的校正动作的参数。一个或多个控制器26、68、82确定如何改变进给速率FR以考虑不期望定向运动。这可以根据例如在步骤216处描述的任何评估方法来执行。在一个实施方式中，上述影响因素或条件(图14所示)的存在或预期存在的检测可以由变量和系数限定，这些变量和系数可以用于量化如何改变进给速率FR以考虑不期望定向运动。这可以以类似于先前部分中描述的用于基于图8中所示的变量计算进给速率的技术的方式进行。例如，与影响不期望定向运动的每个可应用因素相关的每个系数可以在0和1.0之间。可以对系数的变化进行过滤或斜变以混入/混出系数的幅度变化的影响。可以进行此类过滤或混合以平滑地减轻不期望定向运动。可以选择性地忽略任何变量的影响。例如，可能期望基于最小系数或最大系数来确定对进给速率FR的改变，而忽略其他系数。输入到进给速率计算器82的两个或更多个变量可以例如通过求和、相乘、平均或相除组合。计算的系数同样可以求和、相乘、平均或相除，以提供用于确定如何改变进给速率FR的最终系数。

在步骤224处，一个或多个控制器26、68、82执行进给速率FR的改变。这可以通过改变确定的进给速率或超控确定的进给速率来执行。在实践中，通常将降低进给速率FR，以减轻不期望定向运动的负面影响。进给速率FR修改可以对不期望定向运动的发生做出反应。另选地，进给速率FR修改可以被主动实施，使得运动链KC的非工具路径部件不经历(或完全经历)预期的不期望定向运动，因为系统10将前摄地减轻不期望定向运动。在一些情况下，一个或多个控制器26、68、82可以通过附加地或另选地有意地保持计划增加的现有/预先确定的进给速率FR来减轻不期望定向运动。例如，一个或多个控制器26、68、82可以快速降低，然后增加进给速率FR，以减轻不期望定向运动。进给速率FR可以按因子减小，该因子与已经经历或将经历的不期望定向运动的幅度和/或方向相关。进给速率的改变或减少可以是逐渐的或脉冲式的，并且可以在任何持续时间内发生或持续任何持续时间，诸如由减轻不期望定向运动所需的一个或多个控制器26、68、82确定的持续时间。在这些场景中的任何一个场景中，进给速率的改变可以通过转换回到步骤204来执行，其中一个或多个控制器26、68、82命令操纵器14根据进给速率FR来推进能量施加器24，该进给速率FR已经被计算以考虑不期望定向运动。

响应于改变进给速率FR以考虑不期望定向运动，一个或多个控制器26、68、82可以被配置为识别运动链KC的除了能量施加器24之外的一个或多个部件不再经历或将不再经历不期望定向运动。该识别可以通过在步骤220处重新评估条件是否得到满足或者通过在步骤206处重新评估非工具路径部件来执行。识别也可以基于是否满足阈值/限制或范围来实现，如步骤216、220处所述。例如，如果针对不期望定向运动比较的值落在下限以下，则进给速率FR可以被还原或恢复到最后/先前/默认/原始值。在其他示例中，代替利用存储在查找表中的值，一个或多个控制器26、68、82可以执行控制回路，诸如PID控制回路。例如，设定点可以是定向运动的可接受值，诸如等于或低于下限的数值。控制回路可以从上述技术中的任何技术接收实际定向运动的感测值的输入。通过控制回路，一个或多个控制器26、68、82可以将误差计算为定向运动的设定值和实际值之间的差，然后对增益项(例如，P,I,D)应用校正，以最小化误差，直到实际定向运动的感测值满足设定值。这是可用于识别一个或多个非工具路径部件不再经历或将不再经历不期望定向运动的控制回路的一个示例。可以设想其他类型的控制回路。一个或多个控制器26、68、82还可以基于预测分析或模拟知道不期望定向运动的预期持续时间，并且推断不期望定向运动发生/将会发生的持续时间已经过去。响应于这些场景中的任何一种场景，一个或多个控制器26、68、82可以在202处还原或恢复由于不期望定向运动改变进给速率之前存在或之后计划的进给速率。

IV.考虑不期望定向运动的其他示例

上述技术集中于修改进给速率以考虑不期望定向运动。一个或多个控制器26、68、82可以利用上述技术中的任何技术，以通过改变操纵器14的行为而不是通过改变进给速率FR来减轻不期望定向运动。例如，一个或多个控制器26、68、82可以预测地或动态地：例如在零空间内操纵关节J运动、限制或位姿；改变工具20的轨迹；修改工具路径TP；调整虚拟边界71或其他约束；禁止机器人功能，诸如工具或臂重新定向、臂反向驱动，或由用户进行的进给速率调整，等等。

在前文描述中已描述了若干实施方案。本文论述的实施方案不意图是穷尽的，或限制于任何特定形式。已使用的术语意图在本质上是描述性而非限制性的字词。鉴于以上教导，许多修改和变型是可以的，并且本发明可以不同于具体描述的其他方式来实践。此外，本文件中使用的标题仅出于参考和可读性目的而引入，并且不应被理解为仅由标题的主题来限制所述部分的内容。

Claims (39)

1.一种外科手术系统，其包括：

外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；

操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，并且其中由包括所述操纵器的所述基部和所述多个连杆和关节的部件以及包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链；以及

至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：

确定进给速率，所述进给速率被限定为所述能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进的速度；

在所述半自主模式下控制所述操纵器以根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到多个命令位置；

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据所述进给速率沿着所述工具路径推进所述能量施加器期间发生的不期望定向运动；并且

改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动。

2.如权利要求1所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器通过被进一步配置为将所述进给速率按因子减小来改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动，所述因子与所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件所经历的或将经历的所述不期望定向运动的幅度相关，并且其中所改变的进给速率是非零速度，所述非零速度小于改变所述进给速率之前存在的所述进给速率的速度。

3.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器通过被进一步配置为执行以下操作来识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动：

将所述不期望定向运动与阈值或范围进行比较；并且

响应于所述不期望定向运动满足所述阈值或范围，改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动。

4.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：

在根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到所述多个命令位置期间，获得所述运动链的正向运动学测量结果；并且

评估所述正向运动学测量结果以识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。

5.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其还包括非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，所述模拟数据指示所述运动链的所述一个或多个部件的所述不期望定向运动，其中所述模拟数据是从手术前模拟获得的，所述手术前模拟被配置为模拟在所述半自主模式下控制所述操纵器以根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到所述多个命令位置，并且其中所述至少一个控制器被配置为：

从所述非暂时性计算机可读介质检索所述模拟数据；并且

基于所述模拟数据识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。

6.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为生成与所述运动链的任何一个或多个部件相关的测量结果；并且

其中所述至少一个控制器被配置为分析所述测量结果，以识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。

7.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：

在非暂时性计算机可读介质中存储所述运动链的任何一个或多个部件的惯性值；并且

利用所存储的惯性值来识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。

8.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中在所述能量施加器在所述半自主模式下沿着所述工具路径推进期间，所述至少一个控制器被进一步配置为：

使得所述外科手术工具能够重新定向；

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件正在经历或将经历响应于所述外科手术工具的重新定向而进一步发生的所述不期望定向运动；并且

改变所述进给速率以考虑响应于所述外科手术工具的重新定向而进一步发生的所述不期望定向运动。

9.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：

将一个或多个虚拟触觉对象相对于所述运动链的所述一个或多个部件相关联；

限定虚拟边界；

检测所述一个或多个虚拟触觉对象和所述虚拟边界之间的碰撞；

响应于检测到所述碰撞，控制所述操纵器以约束所述运动链的具有与其相关联的所述虚拟触觉对象的所述一个或多个部件不超过所述虚拟边界；

响应于检测到所述碰撞，识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件正在经历或将经历响应于对所述运动链的所述一个或多个部件的约束而进一步发生的所述不期望定向运动；并且

响应于检测到所述碰撞，改变所述进给速率以考虑响应于对所述运动链的所述一个或多个部件的约束而进一步发生的所述不期望定向运动。

10.如权利要求9所述的外科手术系统，其中所述外科手术工具包括轴和位于所述轴的远侧端部处的能量施加器，并且所述至少一个控制器被配置为：

在所述外科手术工具的所述轴上除了所述远侧端部之外的位置处将所述虚拟触觉对象中的所述一个或多个虚拟触觉对象相对于所述轴相关联；

将所述虚拟边界相对于所述外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；

响应于检测到所述轴的所述一个或多个虚拟触觉对象和所述外科手术部位的所述虚拟边界之间的所述碰撞，控制所述操纵器以约束所述轴不超过所述虚拟边界；

识别所述轴正在经历或将经历所述不期望定向运动；并且

改变所述进给速率以考虑所述轴所经历的或将经历的所述不期望定向运动。

11.如权利要求9至10中任一项所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：

评估在所述一个或多个虚拟触觉对象和所述外科手术部位的所述虚拟边界之间发生的穿透的值；并且

根据对所述穿透的值的评估来改变所述进给速率。

12.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中响应于改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动，所述至少一个控制器被配置为：

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件不再经历或将不再经历所述不期望定向运动，并且作为响应，在改变所述进给速率之后恢复计划的所述进给速率。

13.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述不期望定向运动被进一步限定为所述运动链的除了所述能量施加器之外的任何一个或多个部件所经历的或将经历的不期望角速度、角加速度或角加加速度中的一者或多者。

14.一种操作外科手术系统的方法，所述外科手术系统包括：外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器支撑所述外科手术工具，并且其中由包括所述操纵器的所述基部和多个连杆和关节的部件以及包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器用于：

确定进给速率，所述进给速率被限定为所述能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进的速度；

在所述半自主模式下控制所述操纵器以根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到多个命令位置；

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据所述进给速率沿着所述工具路径推进所述能量施加器期间发生的不期望定向运动；以及

改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动。

15.如权利要求14所述的方法，其中改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动包括所述至少一个控制器将所述进给速率按因子减小，所述因子与所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件所经历的或将经历的所述不期望定向运动的幅度相关，并且其中所改变的进给速率是非零速度，所述非零速度小于改变所述进给速率之前存在的所述进给速率的速度。

16.如权利要求14至15中任一项所述的方法，其中识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动包括所述至少一个控制器：

将所述不期望定向运动与阈值或范围进行比较；以及

响应于所述不期望定向运动满足所述阈值或范围，改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动。

17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器：

在根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到所述多个命令位置期间，获得所述运动链的正向运动学测量结果；以及

评估所述正向运动学测量结果以识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。

18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，其包括非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，所述模拟数据指示所述运动链的所述一个或多个部件的所述不期望定向运动，其中所述模拟数据是从手术前模拟获得的，所述手术前模拟用于模拟在所述半自主模式下控制所述操纵器以根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到所述多个命令位置，并且所述方法包括所述至少一个控制器：

从所述非暂时性计算机可读介质检索所述模拟数据；以及

基于所述模拟数据识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。

19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器生成与所述运动链的任何一个或多个部件相关的测量结果，并且所述方法包括所述至少一个控制器：

分析所述测量结果，以识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。

20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器：

在非暂时性计算机可读介质中存储所述运动链的任何一个或多个部件的惯性值；以及

利用所存储的惯性值来识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。

21.如权利要求14至20中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器在所述能量施加器在所述半自主模式下沿着所述工具路径推进期间：

使得所述外科手术工具能够重新定向；

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件正在经历或将经历响应于所述外科手术工具的重新定向而进一步发生的所述不期望定向运动；以及

改变所述进给速率以考虑响应于所述外科手术工具的重新定向而进一步发生的所述不期望定向运动。

22.如权利要求14至21中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器：

将一个或多个虚拟触觉对象相对于所述运动链的所述一个或多个部件相关联；

限定虚拟边界；

检测所述一个或多个虚拟触觉对象和所述虚拟边界之间的碰撞；

响应于检测到所述碰撞，控制所述操纵器以约束所述运动链的具有与其相关联的所述虚拟触觉对象的所述一个或多个部件不超过所述虚拟边界；

响应于检测到所述碰撞，识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件正在经历或将经历响应于所述操纵器约束所述运动链的所述一个或多个部件而进一步发生的所述不期望定向运动；以及

响应于检测到所述碰撞，改变所述进给速率以考虑响应于所述操纵器约束所述运动链的所述一个或多个部件而进一步发生的所述不期望定向运动。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述外科手术工具包括轴和位于所述轴的远侧端部处的所述能量施加器，并且所述方法包括所述至少一个控制器：

在所述外科手术工具的所述轴上除了所述远侧端部之外的位置处将所述虚拟触觉对象中的所述一个或多个虚拟触觉对象相对于所述轴相关联；

将所述虚拟边界相对于所述外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；

响应于检测到所述轴的所述一个或多个虚拟触觉对象和所述外科手术部位的所述虚拟边界之间的所述碰撞，控制所述操纵器以约束所述轴不超过所述虚拟边界；

识别所述轴正在经历或将经历所述不期望定向运动；以及

改变所述进给速率以考虑所述轴所经历的或将经历的所述不期望定向运动。

24.如权利要求22至23中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器：

评估在所述一个或多个虚拟触觉对象和所述外科手术部位的所述虚拟边界之间发生的穿透的值；以及

根据对所述穿透的值的评估来改变所述进给速率。

25.如权利要求14至24中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器在改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动之后：

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件不再经历或将不再经历所述不期望定向运动，并且作为响应，在改变所述进给速率之后恢复计划的所述进给速率。

26.一种外科手术系统，其包括：

外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；

操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，并且其中由所述操纵器的部件和包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链；以及

至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；并且

改变所述能量施加器的进给速率以考虑所述不期望定向运动。

27.如权利要求26所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：

确定进给速率，所述进给速率被限定为所述能量施加器推进的速度；

控制所述操纵器以根据所述进给速率将所述能量施加器推进到一个或多个命令位置；以及

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据所述进给速率推进所述能量施加器期间发生的不期望定向运动。

28.一种操作外科手术系统的方法，所述外科手术系统包括：外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器支撑所述外科手术工具；至少一个控制器，并且其中由包括所述操纵器的所述基部和多个连杆和关节的部件以及包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链，并且所述方法包括所述至少一个控制器：

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及

改变所述能量施加器的进给速率以考虑所述不期望定向运动。

29.如权利要求28所述的方法，其包括所述至少一个控制器：

确定进给速率，所述进给速率被限定为所述能量施加器推进的速度；

控制所述操纵器以根据所述进给速率将所述能量施加器推进到一个或多个命令位置；以及

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据所述进给速率推进所述能量施加器期间发生的不期望定向运动。

30.一种外科手术系统，其包括：

外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；

操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，其中由所述操纵器的部件和包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链；以及

至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；并且

修改所述操纵器的操作以考虑所述不期望定向运动。

31.如权利要求30所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器通过被配置为改变所述运动链的任何一个或多个部件的行为来修改所述操纵器的操作以考虑所述不期望定向运动。

32.如权利要求30所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器通过被进一步配置为预测地或动态地执行以下各项中的任一项或多项来修改所述操纵器的操作以考虑所述不期望定向运动：操纵关节运动、操纵关节限制、操纵关节位姿、在零空间内操纵关节运动、改变所述外科手术工具的轨迹、修改所述外科手术工具推进所沿的工具路径；调整虚拟边界或其他约束，禁止所述运动链的任何一个或多个部件的行为，限制所述操纵器或所述外科手术工具的重新定向，限制所述操纵器的反向驱动，限制由用户进行的进给速率调整，以及停止所述操纵器的操作。

33.一种操作外科手术系统的方法，所述外科手术系统包括：外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器支撑所述外科手术工具；以及至少一个控制器，其中由包括所述操纵器的所述基部和多个连杆和关节的部件以及包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链，并且所述方法包括所述至少一个控制器：

识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及

修改所述操纵器的操作以考虑所述不期望定向运动。

34.如权利要求33所述的方法，其包括所述至少一个控制器通过改变所述运动链的任何一个或多个部件的行为来修改所述操纵器的操作以考虑所述不期望定向运动。

35.如权利要求33所述的方法，其包括所述至少一个控制器通过进一步预测性地或动态地执行以下各项中的任一项或多项来修改操纵器的操作：操纵关节运动、操纵关节限制、操纵关节位姿、在零空间内操纵关节运动、改变所述外科手术工具的轨迹、修改所述外科手术工具推进所沿的工具路径；调整虚拟边界或其他约束，限制所述运动链的任何一个或多个部件的行为，限制所述操纵器或所述外科手术工具的重新定向，限制所述操纵器的反向驱动，限制由用户进行的进给速率调整，以及停止所述操纵器的操作。

36.一种外科手术系统，其包括：

外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；

操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，并且其中由所述操纵器的部件和包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链；以及

至少一个控制器，所述至少一个控制器包括非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，所述模拟数据指示所述运动链的一个或多个部件的不期望定向运动，其中所述模拟数据从被配置为模拟控制所述操纵器以将所述能量施加器推进到所述多个命令位置的模拟中获得，并且其中所述至少一个控制器被配置为：

基于所述模拟数据识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动；以及

修改所述操纵器的操作以考虑所述不期望定向运动。

37.一种操作外科手术系统的方法，所述外科手术系统包括：外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，并且其中由所述操纵器的部件和包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器包括非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，所述模拟数据指示所述运动链的一个或多个部件的不期望定向运动，其中所述模拟数据从被配置为模拟控制所述操纵器以将所述能量施加器推进到所述多个命令位置的模拟中获得，并且其中所述方法包括所述至少一个控制器：

基于所述模拟数据识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动；以及

修改所述操纵器的操作以考虑所述不期望定向运动。

38.一种外科手术系统，其包括：

外科手术工具，所述外科手术工具包括轴和位于所述轴的远侧端部处的能量施加器；

操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具；

至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：

在所述外科手术工具的所述轴上的位置处将一个或多个虚拟触觉对象相对于所述轴相关联；

将虚拟边界相对于所述外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；

检测与所述轴相关联的所述一个或多个虚拟触觉对象和与所述外科手术部位相关联的所述虚拟边界之间的碰撞；并且

响应于检测到所述碰撞，控制所述操纵器以约束所述轴不超过所述虚拟边界。

39.一种操作外科手术系统的方法，所述外科手术系统包括：外科手术工具，所述外科手术工具包括轴和位于所述轴的远侧端部处的能量施加器；操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具；以及至少一个控制器，所述方法包括所述至少一个控制器：

在所述外科手术工具的所述轴上的位置处将一个或多个虚拟触觉对象相对于所述轴相关联；

将虚拟边界相对于所述外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；

检测与所述轴相关联的所述一个或多个虚拟触觉对象和与所述外科手术部位相关联的所述虚拟边界之间的碰撞；以及

响应于检测到所述碰撞，控制所述操纵器以约束所述轴不超过所述虚拟边界。