CN117257460A - 关节手术系统 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种关节手术系统，包括末端工具、机器人臂以及控制器；末端工具用于执行预定手术动作；机器人臂用于把持末端工具并控制末端工具的运动和位姿；控制器用于接收输入的第一模式信号以及第二模式信号，控制器响应于第一模式信号控制关节手术系统进入髋关节模式，控制器响应于第二模式信号控制关节手术系统进入膝关节模式。关节手术系统兼具辅助髋关节手术和膝关节手术的功能。在髋关节模式下，关节手术系统能够进行髋关节手术；在膝关节模式下，关节手术系统能够进行膝关节手术。

Description

关节手术系统

技术领域

本公开涉及计算机辅助外科手术领域，具体涉及关节手术系统。

背景技术

目前，下肢关节性疾病包括膝关节骨关节病、髋关节骨关节病、股骨颈骨折和股骨头坏死等，这些疾病严重影响患者正常行走、下肢的活动。人工关节置换手术可以治疗上述疾病。对病变的关节，关节置换或相关保膝手术具有解除关节疼痛、保持关节活动度、保持关节稳定性或改善下肢畸形的效果。

以关节置换术为例，关节置换手术主要包括膝关节置换术和髋关节置换术。全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty，简称TKA)中，需要对构成膝关节的股骨远端和胫骨近端进行加工以形成适合假体植入的形状和尺寸。对股骨和胫骨的加工主要是用锯切割加工出多个平面。被加工后的骨的形状基本决定了膝关节假体植入的精度，因此每个平面的加工精度决定了假体植入的精度。全髋关节置换术(Total Hip Arthroplasty，简称THA)中，需要对构成髋关节的髋臼和股骨近端加工以形成适合假体植入的形状和尺寸。髋关节成型包括髋臼窝的磨削成型以及股骨头近端的截骨和扩髓。髋关节置换的精度涉及髋臼侧的假体植入精度和股骨侧的假体植入精度。髋臼侧的假体植入精度依赖于髋臼窝的加工精度和植入过程中对髋臼假体的植入角度和深度的控制精度。股骨侧的假体植入精度则依赖于股骨侧的扩髓精度。

传统的关节置换手术通常依赖医生的经验，通过熟练丰富的经验手动进行关节的加工和假体的安装，这样的关节置换手术学习曲线较长需要多年的经验积累才能保证手术精度较好的关节置换。

而近年来，随着计算机辅助手术技术的发展，手术时可利用计算机生成的图形图像对手术过程进行导航。使用计算机完成对病人原始数据的收集和三维重建，用三维模型来指导医生的手术思路，使得医生可以通过对计算机上图像的观察来了解手术的进程并指导手术。甚至可以由计算机进行手术规划，在经过医生的确认后全自动或半自动地完成手术。这种全新的基于图像导航的手术方式使得医生可以快速、安全和有效地利用医学数据完成手术。

如马可外科(MAKO Surgical)公司销售的膝关节手术机器人。一般地，机器人系统包括机器人臂、导航定位系统和控制系统。机器人臂相当于外科医生的手臂，可以把持末端工具并以较高的精度定位末端工具。导航定位系统相当于外科医生的眼睛，可以实时测量末端工具和患者组织的位置。控制系统相当于外科医生的大脑，内部储存手术规划。控制系统根据术中通过导航定位系统获取的信息计算机器人臂的路线和/或应达的位置，可以主动控制机器人臂运动，或者通过力反馈模式设置机器人臂的虚拟边界后由人工推动机器人臂沿虚拟边界限定的路线、面或体移动。马可外科公司的机器人系统中，机器人臂末端悬挂一台电动摆锯。手术中由机器人臂将摆锯定位至膝关节附近，并由外科医生操作启动和推动电动摆锯切割骨骼，从而为假体植入准备出安装位置。机器人辅助操作的膝关节置换手术相对于传统膝关节置换手术有诸多优势。如，对外科医生的经验依赖降低；减少因传统机械定位结构使用造成的医源性伤害。

然而，上述机器人系统可能不适于髋关节置换手术等手术类型，因为如前所述髋关节手术中需要多种操作(例如对髋臼扩孔、敲击髋臼杯、股骨侧扩髓)，对应地需要不同构造的末端工具。

其中，在机器人臂的辅助下的髋关节手术中，髋臼锉、髓腔铰刀或髋臼假体需要严格按照手术计划进行动作。即机器人臂将髋臼锉、髓腔铰刀或髋臼假体移动至目标位姿，以旋转切削出预定形状或接受冲击安装至髋臼窝内。在此过程中，髋臼锉、髓腔铰刀以及髋臼假体的运动轨迹控制是重要的，一方面，精确的运动控制能够保证预定形状转制备的准确性，髋臼锉、髓腔铰刀或髋臼假体错误的取向会导致髋臼杯或股骨柄不能以正确的角度安装；另一方面，合理的运动控制能够保证髋臼锉、髓腔铰刀或髋臼假体等末端工具深入患处创口时不会对病人造成医源性损伤，因为无论是通过髋臼锉磨削髋臼还是通过髓腔铰刀对股骨进行扩髓，又或是髋臼假体接受冲击进入髋臼窝，均会经过人体组织而深入创口，不正确的运动控制将可能导致安全事故的发生。

发明内容

本公开旨在提供一种手术系统，既能够辅助进行髋关节手术，又能够辅助进行膝关节手术。

本公开提供一种关节手术系统，包括末端工具、机器人臂以及控制器；末端工具用于执行预定手术动作；机器人臂用于把持末端工具并控制末端工具的运动和位姿；控制器用于接收输入的第一模式信号以及第二模式信号，控制器响应于第一模式信号控制关节手术系统进入髋关节模式，控制器响应于第二模式信号控制关节手术系统进入膝关节模式。

在第一种可能的实施方式中，髋关节模式下，控制器用于控制末端工具在髋关节处制备假体安装的空间和植入假体；膝关节模式下，控制器用于控制末端工具在膝关节处截骨。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实施方式中，髋关节模式或膝关节模式下，控制器用于在接收到第一信号时，产生使机器人臂进入牵引模式的控制信号，以及在检测不到第一信号时，产生使机器人臂进入静止模式的控制信号；其中，牵引模式下机器人臂能够在外力牵引下移动，静止模式下机器人臂将末端工具保持当前位姿；在静止模式下，控制器还用于在接收到第二信号时，产生控制机器人臂自动将末端工具调整至与目标位姿关联的对准位姿的控制信号。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实施方式中，髋关节模式下，在静止模式下进一步为：机器人臂在控制器的控制下将末端工具保持在与目标位姿关联的预对准范围内。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实施方式中，髋关节模式下，控制器被进一步编程以：根据目标位姿确定预对准范围和对准位姿。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实施方式中，髋关节模式下，控制器被进一步编程以：允许预对准范围内末端工具的轴线与目标位姿的轴线的存在偏差。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实施方式中，髋关节模式下，控制器被进一步配置为：机器人臂将末端工具调整至对准位姿后且控制器接收到第三信号时，产生使机器人臂进入直线模式的控制信号，其中，直线模式下机器人臂的末端能够在外力作用下沿直线运动。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实施方式中，髋关节模式下，机器人臂的末端沿直线运动时末端工具移动的路径与末端工具的旋转轴线重合；直线运动过程中，末端工具的轴线与目标位姿的轴线重合。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实施方式中，膝关节模式下，具有对准位姿的末端工具与目标截骨面位于同一平面。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实施方式中，膝关节模式下，控制器被进一步配置为：机器人臂将末端工具调整至对准位姿后且控制器接收到第四信号时，产生使机器人臂进入平面模式的控制信号，其中，平面模式下机器人臂的末端以及末端工具能够在外力作用下在目标截骨面所在的平面内运动。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实施方式中，系统还包括髋关节执行器和膝关节执行器，髋关节执行器用于在髋关节模式下将末端工具连接至机器人臂；膝关节执行器用于在膝关节模式下将末端工具连接至机器人臂。

结合上述可能的实现方式，在第十一种可能的实施方式中，髋关节执行器包括：

第一执行器，用于连接切削工具以加工髋臼和/或髓腔，第一执行器具有第一接口和第二接口；以及

第二执行器，用于在执行假体植入操作时连接至第一执行器的第二接口，第二执行器用于连接假体和接受安装假体的冲击；其中，

第一执行器用于通过第一接口安装至机器人臂。

结合上述可能的实现方式，在第十二种可能的实施方式中，第二执行器连接至第一执行器时，用于连接假体的结构与用于连接切削工具的结构平行。

结合上述可能的实现方式，在第十三种可能的实施方式中，第一接口和第二接口分布于第一执行器的两端。

结合上述可能的实现方式，在第十四种可能的实施方式中，第一执行器包括动力装置和工具组件，工具组件与动力装置之间可拆卸连接，第一接口设置于动力装置。

结合上述可能的实现方式，在第十五种可能的实施方式中，动力装置包括内设的动力组件，动力组件包括动力源和输出轴，输出轴与动力源连接；

工具组件包括连接部和手术工具，手术工具可转动地设置于连接部，工具组件通过连接部可拆卸地设置于动力装置；其中，

工具组件通过连接部与动力装置连接时，手术工具与输出轴形成接合以接收输出轴输出的转动运动。

结合上述可能的实现方式，在第十六种可能的实施方式中，手术工具相对于输出轴沿轴向的插入或套接动作形成接合。

结合上述可能的实现方式，在第十七种可能的实施方式中，手术工具与动力装置之间还设置有径向定位结构。

结合上述可能的实现方式，在第十八种可能的实施方式中，连接部与动力装置间设置有定位模块，定位模块使连接部和动力装置之间形成预定作用力。

结合上述可能的实现方式，在第十九种可能的实施方式中，第二执行器为假体安装执行器，包括：

滑杆，滑杆的一端用于连接假体，滑杆的另一端用于接受安装假体时的冲击力；

支撑组件，包括耦合部，耦合部容纳滑杆的部分杆段，滑杆相对于支撑组件轴向可动；支撑组件用于将第二执行器连接于机器人系统的机器人臂；以及

末端示踪器，设置于滑杆以指示滑杆的方位。

结合上述可能的实现方式，在第二十种可能的实施方式中，第二执行器还包括轴向缓冲机构，滑杆受到轴向冲击时轴向缓冲机构形成滑杆与支撑组件之间的轴向缓冲。

结合上述可能的实现方式，在第二十一种可能的实施方式中，滑杆与支撑组件之间设置有轴向限位结构，轴向缓冲机构设置于支撑组件与轴向限位结构之间。

结合上述可能的实现方式，在第二十二种可能的实施方式中，耦合部为贯穿支撑组件的通道，轴向缓冲机构包括2个缓冲件，2个缓冲件分别位于通道的两端。

结合上述可能的实现方式，在第二十三种可能的实施方式中，膝关节执行器包括：

主体，具有第一接口、第三接口和动力机构，第一接口用于连接机器人臂，第三接口用于连接锯片，动力机构设置于主体内部，动力机构用于向第三接口提供动力；

末端示踪器，设置于主体，用于指示锯片的方位；其中

第三接口被配置为其可以与锯片之间形成第一连接关系或第二连接关系，在第一连接关系下锯片与主体之间具有第一相对方位关系，第二连接关系下锯片与主体之间具有第二相对方位关系。

结合上述可能的实现方式，在第二十四种可能的实施方式中，第一相对方位关系为锯片与主体具有第一夹角值，第二相对方位关系为锯片与主体具有第二夹角值。

结合上述可能的实现方式，在第二十五种可能的实施方式中，第一相对方位关系为锯片垂直于主体，第二相对方位关系为锯片平行于主体。

结合上述可能的实现方式，在第二十六种可能的实施方式中，第一接口位于主体的第一端，第三接口位于主体的第一侧，第三接口位于主体的第一侧的靠近第二端的位置，第二端和第一端为主体的两个末端。

结合上述可能的实现方式，在第二十七种可能的实施方式中，在第一连接关系下，锯片的切削端从主体的第一侧远离主体延伸，在第二连接关系下，锯片的切削端的指向与主体的第一端的朝向相反。

结合上述可能的实现方式，在第二十八种可能的实施方式中，锯片的平面与主体的虚拟纵剖面平行设置，虚拟纵剖面与末端臂的轴线平行。

本公开提出的手术系统，包括末端工具、机器人臂以及控制器；末端工具用于执行预定手术动作；机器人臂用于把持末端工具并控制末端工具的运动和位姿；控制器用于接收输入的第一模式信号以及第二模式信号，控制器响应于第一模式信号控制系统进入髋关节模式，控制器响应于第二模式信号控制系统进入膝关节模式。关节手术系统兼具辅助髋关节手术和膝关节手术的功能。在髋关节模式下，关节手术系统能够进行髋关节手术；在膝关节模式下，关节手术系统能够进行膝关节手术。

附图说明

图1为本公开实施例的关节成型时关节手术系统整体示意图；

图2为本公开实施例的第一执行器和末端工具23a的结构示意图；

图3为本公开实施例的注册器与末端工具23a结构示意图；

图4为本公开实施例的髋关节模式下准备位置处机器人臂和末端工具23a示意图；

图5为本公开实施例的末端工具23a位于预对准范围P内的示意图；

图6为本公开实施例的对准位姿示意图一；

图7为本公开实施例的对准位姿示意图二；

图8为本公开实施例的对准位姿示意图三；

图9为本公开实施例的末端工具到达对准位姿B的示意图；

图10为本公开实施例的末端工具到达目标位姿A的示意图；

图11为本公开实施例的第一执行器和末端工具23b的结构示意图；

图12为本公开实施例的安装髋臼假体时关节手术系统整体示意图；

图13为本公开实施例的第二执行器和末端工具23c结构示意图；

图14为本公开实施例的注册器与末端工具23c结构示意图；

图15为本公开实施例的第一执行器结构示意图；

图16为本公开实施例的动力装置结构示意图；

图17为本公开实施例的动力装置内部结构示意图；

图18为本公开实施例的动力装置内部部分结构放大示意图；

图19为本公开实施例的输出轴结构示意图；

图20为本公开实施例的联轴器结构示意图；

图21为本公开实施例的接头和输出轴结构立体图；

图22为本公开实施例的接头和输出轴结构剖视图；

图23为本公开实施例的第一种工具组件示意图；

图24为本公开实施例的第一种工具组件剖视图；

图25为本公开实施例的连接部结构示意图；

图26为本公开实施例的接头、输出轴及工具组件结构示意图；

图27为本公开实施例的第一执行器剖视图；

图28为本公开实施例的动力装置组工具组件连接处剖视图；

图29为本公开实施例的另一种径向定位结构示意图；

图30为本公开实施例的又一种径向定位结构示意图；

图31为本公开实施例的第二种工具组件示意图；

图32为本公开实施例的假体安装执行器整体结构示意图一；

图33为本公开实施例的假体安装执行器整体结构示意图二；

图34为本公开实施例的支撑组件和滑杆连接处结构示意图；

图35为本公开实施例的滑轨处部件示意图；

图36为本公开实施例的第二执行器连接至第一执行器的结构示意图；

图37为本公开实施例的支撑组件和第二接口结构示意图一；

图38为本公开实施例的支撑组件和第二接口结构示意图二；

图39为本公开实施例的支撑组件和第二接口结构示意图三；

图40为本公开实施例的设置有调节模块的滑杆结构示意图；

图41为本公开实施例的调节模块示意图一；

图42为本公开实施例的调节模块示意图二；

图43为本公开实施例的调节模块示意图三；

图44为本公开实施例的螺母结构示意图；

图45为本公开实施例的螺帽结构示意图；

图46为本公开实施例的膝关节手术时关节手术系统结构示意图；

图47为本公开实施例的末端工具23d位于准备位置的示意图；

图48为本公开实施例的末端工具23d位于对准位姿的示意图；

图49为本公开实施例的膝关节执行器被配置为可执行全膝关节置换术的示意图；

图50为本公开实施例的膝关节执行器被配置为可执行胫骨高位截骨术的示意图；

图51为图49中所示膝关节执行器的正视图；

图52为图49中所示膝关节执行器的右视图；

图53为图52中所示的膝关节执行器内部动力机构示意图；

图54为图50中所示的膝关节执行器的右视图；

图55为本公开实施例的右腿全膝关节置换手术示意图；

图56为本公开实施例的膝关节执行器调整锯片角度示意图；

图57为本公开实施例的锯片与股骨远端目标截骨面d对准状态示意图；

图58为本公开实施例的左腿内侧胫骨高位截骨手术示意图；

图59为本公开实施例的锯片对准胫骨高位示意图一；

图60为本公开实施例的锯片对准胫骨高位示意图二；

图61为本公开实施例的第一种锯片与夹紧机构示意图；

图62为本公开实施例的第二种锯片与夹紧机构示意图一；

图63为本公开实施例的第二种锯片与夹紧机构示意图二；

图64为本公开实施例的第二示踪器与主体连接方式的示意图；

图65为本公开实施例的第二示踪器结构示意图。

附图标记：

100-关节手术系统；

10-第二执行器，20-第一执行器；

11-滑杆，111-握持部，112-螺帽，1121-受力板，1122-连接段；

14-支撑组件，141-耦合部，142-本体，143-绝缘套，144-滑套；

15轴向缓冲机构，151-第一缓冲件，152-第二缓冲件；

16-轴向限位结构，161-挡圈，162-绝缘件，1621-挡缘；

17-快拆机构，171-第一限位机构，171a-插块，1711-限位槽，172-第二限位机构，1721-安装孔，1722-插销，1723-第一弹性件，1724-垫块，1725-插销拉栓；

18-第二接口，181-底板，182-限位扣，1821-第一段，1822-第二段，183-插销孔；

19-调节组件，191-转接轴，1911-主轴段，1912-连接孔，1913-卡块，1914-凸缘，1915-限位段，1916-限位台阶，192-调节件，1921-螺母，1922-转接套，1923-外壁，1924-卡槽，1925-花键槽，1926-花键，1927-保持件，m-第一位置，n-第二位置；

21-动力装置；

211-动力组件；

212-动力源，2121-电机，2122-减速器；

213-输出轴，2131-输入段，2132-中段，2133-输出段，2134-联轴花键，2135-定位孔，2136-键槽；

214-壳体，2141-手柄；

216-联轴器，2161-第一部分，2162-第二部分；

217-接头，2171-孔，2172-旋槽，2173-限位部分，2174-旋进段，2175-定位段，2176-孔；

218-绝缘罩；

22-工具组件；

221-连接部，2211-接杆锁头，2212-定位销；

222a、222b-手术工具，2221-接杆主轴，2222-花键接头，2223-接合孔，2224-定位轴，2225-把持套，2226-环槽，2227-铰刀杆，2228-铰刀；

23a、23b、23c、23d-末端工具；

24-第一接口；

25-旋合结构；

26-花键连接；

27-径向定位结构；

280-定位模块，281-卡托，282-弹性件，283-滑套；

30-机器人臂，31-末端臂；

40控制器；

50-输入装置，51-脚踏；

60-导航系统，61-定位器，62-示踪器，621-骨骼示踪器，622、622a-末端示踪器，6221-示踪元件，623-探针，624-注册器；

70-显示器；

A-目标位姿，B-对准位姿，P-预对准范围，U-目标位姿的轴线，V-对准位姿的轴线，W-末端工具的轴线；

12-台车；

361-切削端，362-连接端；

7-膝关节执行器，71-主体，701-第一端，702-第二端，703-第一侧，704-第二侧，712-第三接口，7121-转轴，713-动力机构，7131-电机，7132-减速器，7133-传动机构，721-第一示踪器，722-第二示踪器，723-示踪元件，724-示踪架，73-手柄部；

8-夹紧机构，81-夹紧部；

91、91a-凸起，92、92a-凹槽，921-容纳空间；

101-插销件，102-套件，103-锁紧件；

R-旋转中心线，Q-虚拟纵剖面，K-目标截骨面，c-胫骨目标截骨面，d-股骨远端目标截骨面，e-股骨前端目标截骨面，g-股骨后端目标截骨面，h-股骨后斜目标截骨面，i-股骨前斜目标截骨面，j-胫骨高位目标截骨面，C-第一姿态，D-第二姿态，E-第三姿态，G-第四姿态，H-第五姿态，I-第六姿态，M-第一接口的轴线，N-第三接口的轴线，O-手柄部的轴线，F-股骨，T-胫骨。

具体实施方式

下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开，而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本公开的示例来提供对本公开的更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

本公开提供一种关节手术系统，包括末端工具、末端执行器、机器人臂以及控制器；末端工具用于执行预定手术动作；末端执行器包括髋关节执行器和膝关节执行器，髋关节执行器用于在髋关节模式下将末端工具连接至机器人臂；膝关节执行器用于在膝关节模式下将末端工具连接至机器人臂。机器人臂用于把持末端工具并控制末端工具的运动和位姿；控制器用于接收输入的第一模式信号以及第二模式信号，控制器响应于第一模式信号控制关节手术系统进入髋关节模式，控制器响应于第二模式信号控制关节手术系统进入膝关节模式。髋关节模式下，控制器用于控制末端工具在髋关节处制备假体安装的空间和植入假体；膝关节模式下，控制器用于控制末端工具在膝关节处截骨。关节手术系统兼具辅助髋关节手术和膝关节手术的功能。

在髋关节模式下，末端工具包括用与髋关节手术的切削工具和髋臼假体，切削工具用于制备安装假体的空间；髋臼假体用于接受冲击以植入上述制备的空间。控制器用于在接收到不同的控制指令时，分别产生使手术系统进入第一工作模式、第二工作模式或第三工作模式的控制信号。其中，第一工作模式用于磨削髋臼，第二工作模式用于股骨近端扩髓，第三工作模式用于安装髋臼假体。

控制器接收到的第一模式信号、第二模式信号或使手术系统分别进入三种工作模式的控制指令为操作者输入。操作者可通过鼠标、键盘、脚踏、触屏面板等交互设备输入相应的控制指令或信号。如操作者通过鼠标点击图形用户界面上进入髋关节模式的图标，控制器接收该第一模式信号使系统进入髋关节模式。再如操作者在图形用户选择第一工作模式的图标，控制器接收该控制指令并使系统进入第一工作模式。

第一工作模式以及第二工作模式下，切削工具连接至机器人臂，其中切削工具分别为髋臼锉和用于扩髓的铰刀；第三工作模式下，假体通过滑杆连接至所述机器人臂，并且滑杆能够相对于所述机器人臂末端直线滑动。具有三种工作模式的关节手术系统，既能够辅助用于安装髋关节假体的预定形状的制备，又能够辅助髋臼假体的安装。

具体的，以髋臼的制备为例，对本公开的髋关节模式下的关节手术系统进行详细的说明。

如图1所示，图1为本公开实施例的关节成型时关节手术系统整体示意图。关节手术系统100包括末端工具23a、第一执行器20、机器人臂30以及控制器40。

具体如图2所示，图2为本公开实施例的第一执行器20和第一种末端工具23a结构示意图。末端工具23a为髋臼锉，大体为半球状的壳体，其球状表面上分布有用于切削髋臼的切削齿。本实施例不对髋臼锉的类型和大小作限定。

第一执行器20设置有动力装置21，动力装置21上的输出端可拆卸连接有工具组件22，工具组件22包括手术工具222a，手术工具222a为髋臼磨挫组件，包括接杆主轴2221。末端工具23a可拆卸连接于接杆主轴2221末端，动力装置21包括电机，动力装置21通过接杆主轴2221驱动末端工具23a旋转。

机器人臂30为内部具有多种传感器的协作机器人臂，各关节间可独立控制。第一执行器20可拆卸地连接于机器人臂30的末端臂31。机器人臂30能够在牵引模式、主动模式、静止模式以及弹簧臂模式下工作。牵引模式下，机器人臂30平衡自身重力，在不受外力的情况下，机器人臂30可维持自身姿态，而在外力作用下(除重力外)，机器人臂30可多自由度运动；主动模式下，各关节被施加了用于完成各种动作的主动控制，机器人臂30可以由控制器40控制进行自主运动；静止模式下，机器人臂各关节间不能相对活动，机器人臂30的姿态被锁定；弹簧臂模式下，机器人臂30兼具牵引模式和主动模式的部分功能，控制器40可以通过对各机器人臂关节施加不同的控制，限制机器人臂30的末端臂31的活动范围，在使用者的推动下，机器人臂30的末端臂31可在预定的范围内活动。

控制器40与机器人臂30、动力装置21电连接，用于控制机器人臂30的运动模式以及动力装置21的工作状态，所述的动力装置21的工作状态包括动力装置21输出的速度状态或启停状态。

继续参考图1，在本实施例中，还设置有导航系统60，导航系统60包括定位器61和示踪器62，用于辅助控制器40获取末端工具23a的目标位姿A和末端工具23a的实时位姿。其中，定位器61包括双目视觉相机和红外光源，示踪器62上设置有能够反射红外光并的反光球/反光片，并且反射红外光的反光球/反光片能够被双目视觉相机识别。在一种可选的实施方式中，定位器61中不设置红外光源，示踪器62上设置具有主动发光能力的装置，如led光源、红外光源等，具有主动发光能力的装置能够被双目视觉相机所识别和定位。在另一些可选的实施方式中，定位器61不限于双目视觉相机，也可以是电磁接收装置，与之对应的，示踪器62上设置有电磁发射装置，电磁发射装置发射电磁信号被电磁接收装置识别并获取其位置信息。

参考图1和图3。图3为本公开实施例的注册器624与第一种末端工具23a结构示意图。以示踪器62的功能进行具体分类，示踪器62包括骨骼示踪器621、末端示踪器622、探针623以及注册器624。其中骨骼示踪器621通过支架与患者的髋骨连接，用于定位患者的髋骨。末端示踪器622设置于第一执行器20，设置于第一执行器20上的末端示踪器622与机器人臂30的末端臂31具有第一相对关系。探针623用于在骨骼上采点，并且定位器61能够获知探针623所采的点的位置信息。注册器624以预定的相对关系和末端工具23a可拆卸连接，并在连接时获取末端工具23a的位姿。图3示出一种注册器624和末端工具23a的连接方式。其具体是通过将注册器624与接杆主轴2221连接并使注册器624的部分与末端工具23a抵接。当然注册器624与末端工具23a的连接不限于图3所示的方式。在一种可选的实施方式中，末端示踪器622可以直接设置在机器人臂31末端而非设置于第一执行器20上。

并且，继续参考图1，本实施例中还包括显示器70、以及输入装置50，输入装置50包括鼠标、键盘以及脚踏51。显示器70、鼠标键盘以及脚踏51均与控制器40电连接。显示器70用于显示外科手术中各种提示信息和术中的手术实况信息。提示信息用于辅助手术精确按照手术计划进行，提示信息例如可以是末端工具未安装的提示信息、机器人臂故障报警信息或末端工具进给深度信息等，手术实况信息可以是通过图像显示的末端工具23a和患者髋骨的相对位置信息、需要去除的骨骼的清除情况信息等。键盘以及鼠标用于与手术系统进行交互，键盘和鼠标可以由辅助医生进行操作。脚踏51用于为牵引机器人臂30和末端工具23a的医生提供控制权，使医生远离键盘鼠标的情况下可以通过脚踏51与手术系统进行交互，确认和把控手术的进程，提高了手术的安全性和可控性。

下面对通过关节手术系统制备髋臼的前后完整过程进行介绍：

S100三维重建和手术规划；在利用手术系统进行手术之前，结合已经拍摄/获取的患骨CT数据进行三维重建，获得髋关节三维模型。在重建的髋关节三维模型上规划假体模型的安装位置，根据假体模型的安装位置确定所需制备的预定形状的理想位置。

可以理解的是，在髋关节三维模型上，医生可以直观地观察到髋关节患处的情况，并且医生可以通过调节髋臼假体模型在髋关节三维模型上的模拟安放情况，来选择需要安装的髋臼假体型号、髋臼假体的安装位置，使手术规划的过程更加直观。完成髋臼假体模型的规划安装后，髋臼假体模型与髋关节三维模型重合的部分即可确定为预定形状的理想位置。

S200空间配准；术者暴露患者髋关节后，用探针623采集髋骨的表面特征点数据、指定区域的点、面数据，定位器61通过探针623上的反光球/反光片获取采集点的空间位置，和三维重建生成的髋关节三维模型通过空间配准算法完成患者髋骨和髋关节三维模型的配准，从而确定患者髋骨在手术空间的实际位置。

可以理解的是，上述S100和S200的过程为利用本公开关节手术系统100进行预定形状制备前的准备工作，通过这些准备工作，关节手术系统100可以获取相关信息并顺利地执行后续髋臼的磨削成型工作。而且，上述三维重建和手术规划以及空间配准的具体技术为本领域技术人员所熟知的现有技术，这里不再赘述。

S300获取末端工具23a的目标位姿A；三维重建和手术规划的过程确定了预定形状在三维模型上的理想位置，空间配准的过程确定了手术空间中患者髋骨与髋关节三维模型中患者髋骨的对应关系。基于该对应关系和已知的髋关节三维模型上预定形状的理想位置，控制器40可以获得预定形状在手术空间中的规划位置。根据预定形状的规划位置，控制器40获知末端工具23a的目标位姿A，其中所述的目标位姿A为在规划位置制备出预定形状时末端工具23a所具有的理论位姿。

S400注册末端工具23a并获取末端工具23a的实时位姿；

注册末端工具23a，需要将注册器624与末端工具23a完成一次安装并在注册完成后拆卸。具体的注册过程为：将注册器624与末端工具23a以预定的相对关系连接，如图3所示，定位器61识别到注册器624的位姿信息和第一执行器20上末端示踪器622的位姿信息，根据末端示踪器622的位姿信息、注册器624的位姿信息以及预定的相对关系，控制器40获得末端工具23a相对于末端示踪器622的第二相对关系，随后将注册器624由末端工具23a上拆下。

获取末端工具23a的实时位姿信息的过程为：在拆下注册器624的情况下，控制器40根据第二相对关系和末端示踪器622的实时位姿可以间接获得末端工具23a的实时位姿。

需要说明的是，实时位姿包含末端工具23a的实时位置信息和实时姿态信息。对髋臼进行磨削时，实时获取末端工具23a的位姿信息是必要的，因为基于实时的末端工具23a的位姿信息，控制器40可以精确指导末端工具23a磨削的深度和角度。但是实际用于髋臼磨削手术的末端工具23a具有多种型号，并且末端工具23a与第一执行器20间的连接可能存在安装或加工误差，手术中末端工具23a的位姿与末端示踪器622的位姿并无准确确定的关系。更不能基于末端工具23a和末端示踪器622间的关系，来准确获得末端工具23a的实时位姿。并且，末端工具23a在切削时是高速旋转的，在末端工具23a或接杆主轴2221上持续设置注册器624以实时直接获取末端工具23a的实时位姿是不可取的。因此在进行髋臼磨削之前，需要进行注册末端工具23a的过程，以便在注册器624被拆下后，定位器61仍能够实时根据末端示踪器622的实时位姿和第二相对关系可以获得在手术空间中末端工具23a的实时位姿。通过这样的方法获取的末端工具23a的实时位姿是相对准确的，通过较为准确的末端工具23a的实时位姿，可以提高制备髋臼的磨削精度。

S500控制器40接收接收医生踩下脚踏51的输入信号；踩下脚踏51的输入信号是医生控制的产生的确认信号，通过踩下脚踏51，医生可以确认髋臼磨削的进程，提高利用手术系统进行髋臼磨削的可控性。

S600根据末端工具23a的实时位姿以及外部输入信号进行判断并控制相应的手术进程，判断的过程具体如S700-S900所述。

S700当末端工具23a与目标位姿A的距离大于第一阈值，且控制器40接收到医生踩下脚踏的第一信号时，控制器40控制机器人臂30进入牵引模式，在牵引模式下，机器人臂30能够在医生的牵引下被动地将末端工具23a置于预对准范围P内，并且在末端工具23a到达预对准范围内后医生松开脚踏51，控制器40没有接收到第一信号而进入静止模式，静止模式的机器人臂锁定，从而将末端工具23a保持在固定的位姿。

需要说明的是，目标位姿A中包含末端工具23a的目标位置信息和目标姿态信息。第一阈值是预先设定的判定值，以第一阈值为标准，判断末端工具23a的是否距离目标位姿A较远，如果较远(大于第一阈值)，则末端工具23a应当在后续被允许向目标位姿A靠近。通常情况下，如图4所示，图4为本公开实施例的准备位置处机器人臂和末端工具示意图。在手术的初始状态，机器人臂30会在控制器40的控制下保持在准备位置，准备位置处的机器人臂30上安装末端工具23a时，末端工具23a距离目标位姿A的距离大于第一阈值。

预对准范围P是根据目标位姿A中的位置信息确定的一个具有边界的区域，例如可以是球形、椭球型、圆柱、棱柱或其他不规则区域。示例性的，如图5所示，图5为本公开实施例的末端工具位于预对准范围P内的示意图。预对准范围P为椭球型。该区域是位于靠近目标位姿A的一个较小范围的区域，设置的目的是为了在医生手动牵引机器人臂30的情况下，能够使末端工具靠近目标位姿A。如图5中所示的，预对准范围P的区域可以距离目标位姿A具有一定距离；当然，预对准范围P也可以包含目标位姿A或部分包含目标位姿A。并且，在预对准范围P内，末端工具的轴线W与目标位姿的轴线U允许存在偏差，可以理解的是，将末端工具通过机器人臂30拖入预对准范围P的目的是使末端工具靠近目标位姿A，而且该过程是医生手动操作的，因此末端工具的轴线W并不要求严格与目标位姿的轴线U完全一致，医生在此过程中也无需进行繁琐的角度精确对准。在一种可选的实施方式中，预对准范围P内的末端工具的轴线W与目标位姿的轴线U的允许偏差范围为0°至30°。

进行手术时，定位器61获取对末端示踪器622的位姿，控制器40通过末端示踪器622的位姿以及确定的第二相对关系，获得末端工具23a在手术空间中的实时位姿。基于准备位置处的末端工具23a的实时位姿，控制器40判断末端工具23a与目标位姿A的距离大于第一阈值，并且系统会产生相应的提示信息，例如，提示信息可以是显示器70上的文字提示“手术准备已就绪”，也可以是相应的声音提示。操作机器人臂30的医生收到该提示信息后，踩下脚踏51，使机器人臂30进入牵引模式，机器人臂30能够在可移动范围内被任意改变位姿，此时的末端工具23a通过医生牵引机器人臂30到达预对准范围P。控制器40通过末端工具23a的实时位姿信息判断末端工具23a是否进入预对准范围P内，并且在末端工具23a位于预对准范围P内时，如图5所示的状态，向医生发出末端工具23a已到达预对准范围P内的提示。该提示可以是视觉提示或声音提示。医生参考上述提示，判断机器人臂到达预对准范围P后松开脚踏51，控制器40控制机器人臂30进入静止模式，机器人臂30以及末端工具23a的位姿被锁定。

可以理解的是，S700中末端工具23a的移动过程一般由患处显露创口进入，经过一些人体组织而到达人体内部。该移动是由医生手动操作的，医生可以自主控制以减少末端工具23a与人体的碰撞，极大程度上减小了由控制器40直接控制机器人臂30使末端工具23a到达预对准范围P的危险性，减少了手术系统对患者造成医源性损伤的可能。

S800当末端工具23a位于预对准范围P内，且控制器40接收到医生踩下脚踏51的第二信号时，控制器40控制机器人臂30自动将所述末端工具摆位至对准位姿B，其中对准位姿B中包含对准位置信息和对准姿态信息；

需要说明的是，对准位姿B与目标位姿A相关联。如图6所示，图6为本公开实施例的对准位姿意图一。在本实施例中，对准位姿的轴线V和目标位姿的轴线U重合，即对准姿态和目标姿态相同。并且对准位置与目标位置间具有第一距离，所述的第一距离为预设值，如第一距离可以是2mm、3mm或5mm。基于相关联的对准位姿B和目标位姿A，可以将目标位姿A通过简单的平移得出对准位姿B。当然，第一距离的设置需要考虑到患者髋骨处待制备的髋臼窝的情况，对准位置与患者髋臼待磨削部分接触时的第一距离是允许设置的最小值。在一种可选的实施方式中，如图8所示，图8为本公开实施例的对准位姿示意图三。当第一距离为最小值时，意味着对准位姿B”与待制备的髋臼窝表面接触，在后续将末端工具23a由对准位姿B”送达目标位姿A的路径更短，减少了该过程中可能出现的路线偏差的可能性，促使髋臼制备更加精确。

如图6所示，本实施例的对准位姿B处于预对准范围P内，这样在通过机器人臂30将末端工具23a由预定范围自动送达对准位姿B时，末端工具23a所行进的路程更短，路径较短的自动对准很大程度上减少了末端工具23a与人体组织发生不可控碰撞的可能性。并且，为了满足上述第一距离尽可能短进而保证直线模式下髋臼制备的精确性，预对准范围P设置在靠近目标位姿A的位置处。在一些可选的实施方式中，如图8所示，对准位姿B”也可以位于预对准范围P之外。在另一些可选的实施方式中，如图7所示，图7为本公开实施例的对准位姿示意图二。对准位姿B’部分位于预对准范围P之外。

在机器人臂30自动将所述末端工具23a摆位至对准位姿B的过程中，机器人臂30在控制器40的控制下按照对准将末端工具23a自动送达对准位姿B。

关于对准路径的获得过程，具体如下：

S801获取末端工具23a相对末端示踪器622的位置姿态信息；

该位置姿态信息在注册末端工具23a时已进行保存，即通过注册器624注册末端工具23a时计算的第二相对关系。

S802计算当前末端工具23a的实时位姿；

通过末端工具23a与末端示踪器622的第二相对关系和定位器61获取的末端示踪器622的位姿，来计算当前末端工具23a的实时位姿。

S803计算对准姿态在末端工具坐标系下的姿态(其中对准姿态为对准位姿B中的姿态信息)；

获取末端工具23a的对准姿态，计算该姿态信息在末端工具坐标系下的姿态qua。

S804计算末端工具坐标系和机器人臂tcp坐标系的转换关系；

通过末端工具坐标系和机器人臂tcp坐标系的姿态计算末端工具坐标系与机器人臂tcp坐标系的转换关系qua1。

S805将对准姿态在末端工具坐标系下的姿态转换到机器人臂tcp坐标系；

将S803计算获得的对准姿态在末端工具坐标系下的姿态qua通过qua1转换到机器人臂tcp坐标系下，得到对准姿态在机器人臂tcp坐标系下的姿态qua2。

S806计算获得机器人臂30需要转动的欧拉角信息

通过S705得到的姿态qua2，计算出欧拉角信息，Roll、Pitch、Yaw。

S807计算对准位置(对准位置为对准位姿B中的位置信息)在末端工具坐标系下的相对位置pos，计算末端示踪器622在末端工具坐标系下的相对位置关系pos1；

S808将pos和pos1转换到tcp坐标系下，获得新的位置关系rotpos和rotpos1；

S809通过rotpos和rotpos1计算出机器人臂tcp需要移动的位置translation；

此时已完成机器人臂tcp需要调整的姿态的欧拉角和位置移动信息的计算，translation和Roll、Pitch、Yaw发送至控制器40，控制器40根据translation和Roll、Pitch、Yaw规划出完成对准位姿B的对准路径。

S900当末端工具23a的实时位姿与对准位姿B重合。如图9所示的状态(图9为本公开实施例的末端工具到达对准位姿B的示意图)，且控制器40接收到医生踩下脚踏51的输入信号时，控制器40控制所述末端工具转动，并控制所述机器人臂30限制末端工具23a在预定范围内沿直线运动。

在该过程中，机器人臂30为弹簧臂模式，通过控制机器人臂30各关节的运动，使机器人臂30的末端臂31只能沿直线移动(直线模式)，直线移动的方向与目标位姿的轴线U方向相同，在直线运动过程中，末端工具的轴线W始终与目标位姿的轴线U方向保持一致，直线运动的预定范围是对准位姿B与所述目标位姿A所确定的范围。这样，末端工具23a由对准位姿B运动至目标位姿A的运动过程是末端工具23a沿自身轴线的平移，严格限制末端工具23a的移动以使其到达目标位姿A。具体的控制原理为在希望移动的直线方向上不施加主动控制或施加较小的主动控制。这样，末端工具23a由对准位姿B运动到目标位姿A的过程实际是末端工具23a沿其轴线的平移过程，通过该平移过程，末端工具23a可以以最简单的路径到达目标位姿A。并且，严格限制了末端工具23a的直线位移路径和姿态，使得末端工具23a通过该直线运动能够按照精准地在髋关节上制备出髋臼的预定形状。

进行手术时，控制器40将末端工具23a的实时位姿与对准位姿B进行比较，若两者重合并且操作机器人臂30的医生踩下脚踏51，控制器40启动电机，电机通过接杆主轴2221驱动末端工具23a转动，末端工具23a在机器人臂30的限制下能够由对准位姿B到达完成预定形状切削的目标位姿A，如图10所示，图10为本公开实施例的末端工具到达目标位姿A的示意图。这样，末端工具23a精确地按照能限制的路径进行髋关节的制备，制备的预定形状位置精确且符合假体安装的理想位置。

在一种可选的实施方式中，第一信号、第二信号和第三信号可以不同。在一种可选的实施方式中，外部输入信号可以不是医生踩下脚踏51的信号，也可以是按钮信号或语音信号。在一种可选的实施方式中，外部输入信号是通过键盘鼠标输入的确认信号，优选的，鼠标和键盘输入的信息由辅助医生输入(非控制机器人臂30执行手术的医生)，这样在控制机器人臂30执行手术的医生与辅助医生确认后输入相关确认信息，可以减轻执行手术的医生的负担，能够更集中精力地进行手术操作。

如图11所示，在一种可选的实施方式中，手术工具222b为用于制备股骨髓腔以安装股骨柄假体的刀具，末端工具23b为髓腔铰刀末端的铰刀部分，髓腔铰刀用于对股骨近端的扩髓。在扩髓过程中，铰刀部分和髋臼锉一样在关节手术系统100下进行上述的S100-S900的步骤。并且末端工具23b和末端工具23a在被控制位置精度的同时进行旋转以在骨骼上切削出用于安装假体的空间。其具体原理在上述步骤中末端工具23a的控制过程相似，这里不在赘述。

安装髋臼假体时，具体的，如图12所示，图12为本公开实施例的安装髋臼假体时关节手术系统整体示意图。关节手术系统100中包括机器人臂30、控制器40以及第二执行器10。

其中，第二执行器10一端连接在机器人臂30的末端臂31，另一端连接有滑杆11，滑杆11能够相对于机器人臂30的末端臂31沿直线滑动，滑杆11的一端安装末端工具23c，另一端用于接受安装末端工具23c的冲击力，该冲击力可以由医生施加末端工具23c为髋臼假体。如图13所示为第二执行器的结构。

关节手术系统辅助安装髋臼假体时，由于此时末端工具23c为髋臼假体，通过机器人臂30控制髋臼假体位姿变化的具体过程与关节成型时的过程相同，同样参考图4至图10，图4至图10示出了第二执行器10把持末端工具23c进行动作的示意图。安装髋臼假体时，和髋臼磨削过程类似的，需要经过下列过程：

S110三维重建和手术规划；

S210空间配准；

S310获取末端工具23c的目标位姿A；

S410注册末端工具23c并获取末端工具23c的实时位姿；如图14所示为通过注册器注册末端工具23c的示意图。

S510控制器40接收医生踩下脚踏51的输入信号；

S610根据末端工具23c的实时位姿以及外部输入信号进行判断并控制相应的手术进程，判断的过程具体如S700-S900所述。

S710当末端工具23c与目标位姿A的距离大于第一阈值，且控制器40接收到医生踩下脚踏51的第一信号时，控制器40控制机器人臂30进入牵引模式。在牵引模下，医生拖动机器人臂30将末端工具置于预对准范围P内。

S810当末端工具23c位于预对准范围P内，且控制器40接收到医生踩下脚踏51的第二信号时，控制器40控制机器人臂30自动将所述末端工具23c摆位至对准位姿B，其中对准位姿B中包含对准位置信息和对准姿态信息；

在机器人臂30自动将所述末端工具23c摆位至对准位姿B的过程中，机器人臂30在控制器40的控制下按照对准将末端工具23c自动送达对准位姿B。

S900当末端工具23c的实时位姿与对准位姿B重合，如图9所示的状态，且控制器40接收到医生踩下脚踏51的第三信号时，控制器40控制所述机器人臂30限制末端工具23c在预定范围内沿直线运动。

上述假体安装过程的具体原理和制备髋臼的原理类似，因此不再赘述。

具体进行手术时，控制器40将末端工具23c的实时位姿与对准位姿B进行比较，若两者重合并且操作机器人臂30的医生踩下脚踏51，机器人臂30进入直线模式，机器人臂30的末端臂31能够沿直线移动。同时由于滑杆11也能够相对于第二执行器10直线移动，医生向滑杆11的一端施加冲击力，例如通过滑锤或锤子的敲击实现，末端工具23c在机器人臂30和第二执行器10及滑杆11的限制下能够沿直线由对准位姿B到达目标位姿A，图10所示为末端工具23c到达目标位姿A的状态。这样，末端工具23c精确地按照限制的路径进行安装。在末端工具23c沿直线逐渐到达目标位姿A的过程中，定位器61实时检测末端示踪器622的位置并实时通过显示器70向医生提示假体安装的情况。

需要说明的是，末端工具23c能够相对于第二执行器10直线移动，即相当于末端工具23c能够相对于机器人臂30的末端臂31直线移动，而机器人臂30的末端臂31本身也在直线模式下而可以相对于手术空间进行直线移动。这样，滑杆11在接受锤击的冲击力时，冗余的冲击力传递到机器人臂30的末端臂31时，冗余的冲击力促使机器人臂30的末端臂31沿直线移动，而该直线移动不会影响末端工具23c的直线移动。机器人臂30在直线模式下安装末端工具23c也可以在一定程度上减少锤击的冲击力对机机器人臂关节的损坏。因为若是机器人臂30锁定而仅依靠滑杆11相对于第二执行器10的直线移动来实现末端工具23c的安装，滑杆11受到的冲击力可能通过机器人臂30的末端臂31传递到保持固定的各个机器人臂关节处，冲击力对施加主动扭矩的机器人臂关节造成冲击和损坏。

关节手术系统中，髋关节模式下的髋关节执行器包括第一执行器20和第二执行器10。第一执行器20用于连接执行工具23a和/或23b以加工髋臼和/或髓腔。第一执行器20具有第一接口24和第二接口18。第二执行器10用于在执行假体植入操作时连接至第一执行器20的第二接口18。第二执行器20用于连接执行工具23c和接受安装执行工具23c的冲击。其中，执行工具23c为髋臼假体，第一执行器20通过第一接口24安装至机器人臂30。在髋关节手术中进行髋臼制备和髓腔制备时，在机器人臂30上连接第一执行器20；需要进行假体安装时将第二执行器10连接至第一执行器20。通过上述设置，能够减少更换执行器的操作。

具体地，在髋关节置换手术中，将患处的髋关节显露后，通常首先进髋臼窝的制备，在此过程中，需要利用转动的髋臼锉对患处的髋臼窝进行磨削以制备成适合安装假体的形状。图15所示为制备髋臼窝而使用第一执行器20的示意图。第一执行器20通过第一接口24与机器人臂30连接，第一执行器20可拆卸连接有髋臼锉工具组件，髋臼锉工具组件末端用于连接锉头。在这种状态下，髋臼锉工具组件可以在第一执行器20的驱动下磨削髋臼。髋臼制备完成后，需要在髋臼内安放髋臼假体。图36示出了第二执行器10连接于第一执行器20的第二接口18处的状态(此时第一执行器上用于磨削髋臼的髋臼锉工具组件被拆下)。第二执行器10通过第一执行器20间接地与机器人臂30连接，可以在机器人臂30的把持下进行髋臼假体的安装。进一步地，如图31所示，若要进行股骨近端的扩髓，需将第二执行器10由第二接口18拆下，并在第一执行器20上安装用于扩髓的髓腔铰刀组件。

如图15至图18所示。图15为本公开实施例的第一执行器结构示意图。图16为本公开实施例的动力装置结构示意图。图17为本公开实施例的动力装置内部结构示意图；图18为本公开实施例的动力装置内部部分结构放大示意图。第一执行器20包括动力装置21和工具组件22。动力装置21包括第一接口24和内设的动力组件211。第一执行器20通过第一接口24连接至机器人的机器人臂30末端，动力组件211包括动力源212和输出轴213，输出轴213与动力源212连接。工具组件22包括连接部221和手术工具222a，手术工具222a可转动地设置于连接部221。工具组件22通过连接部221可拆卸地设置于动力装置21。工具组件22通过连接部221与动力装置21连接时，手术工具222a与输出轴213形成接合以接收输出轴213输出的转动运动。动力组件211设置于动力装置21内部并通过输出轴213输出动力。输出轴213与工具组件22的一端接合以驱动手术工具222a和末端工具23a，无需使用长的导向筒对手术工具222a进行导向，使执行器结构更加紧凑。这样降低了外接动力源对手术空间的干涉影响以及安全性影响；减少了在手术中组装外接动力源的操作，使手术流程更加顺畅。

具体地，如图15、图17至图18所示，第一执行器20包括动力装置21和工具组件22。动力装置21包括壳体214和动力组件211。壳体214是内部中空的零件，大致呈四棱柱状。壳体214的两端分别设置有第一接口24和第二接口18。第一接口24用于将第一执行器20连接至机器人臂30。第二接口18用于可拆卸地连接假体安装执行器(即第二执行器10)，以便在髋臼窝成型后通过假体安装执行器进行假体安装。壳体214上还设置有手柄2141，手柄2141内部中空，手柄2141与壳体214为可拆卸连接。动力装置21用于连接工具组件22的结构为快装接口，设置在壳体214上与手柄2141位置相对的另一侧。工具组件22包括手术工具222a，手术工具222a为髋臼磨锉杆组件。工具组件22安装至快装接口时，手柄2141与手术工具222a的轴线基本处于一条直线上，二者分布于动力装置21的两侧。壳体214的各个表面用于连接末端示踪器622以指示执行器的位置。

如图17所示，动力组件211包括电机2121、减速器2122、输出轴213以及联轴器216。电机2121和减速器2122构成动力源212，动力源212集成于手柄2141内部并与壳体214固定连接。减速器2122的轴与输出轴213通过联轴器216连接。动力源212和输出轴213均同轴设置，轴线垂直于壳体214。

如图19所示，图19为本公开实施例的输出轴结构示意图。输出轴213包括顺次设置的输入段2131、中段2132和输出段2133。输入段2131上设置有键槽2136，用于接收来自动力源212的转动运动。中段2132安装于动力装置21中的轴承中。输出段2133设置有联轴花键2134，联轴花键2134包括周向间隔分布的多个凸起，用于输出扭矩。联轴花键2134的长度小于输出段2133的长度，即，输出段2133的末段为一段光轴。

如图20所示，图20为本公开实施例的联轴器结构示意图。联轴器216为梅花联轴器。联轴器216包括第一部分2161和第二部分2162，第一部分2161和第二部分2162均设置有用于固定轴的锁紧螺钉，并且第一部分2161和第二部分2162间设置有绝缘套。减速器2122输出端的轴通过联轴键和锁紧螺钉与第一部分2161连接，输出轴213同样通过键连接和锁紧螺钉与第二部分2162连接。联轴器216和减速器2122输出端的轴以及输出轴213的键连接，一方面在锁紧螺钉的基础上增加了传动的可靠性，另一方面键连接提高了能够传递的最大扭矩。

参考图17和图18，在第一执行器20内部，联轴器216的外围设置有绝缘罩218。绝缘罩218可以隔绝壳体214与减速器2122，避免电机2121的漏电通过减速器2122传导至壳体214。绝缘罩218也具有隔离电线/导线的作用，防止壳体214内部的电线/导线与转动的联轴器216摩擦或缠绕。

一并参考图17至图18、图21至图22，图21为本公开实施例的接头和输出轴结构立体图。图22为本公开实施例的接头和输出轴结构剖视图。壳体214上还设置有接头217，接头217与壳体214固定。

接头217用于连接工具组件22以及安装输出轴213。接头217主体呈柱状，内开设有孔2171，外周设置有四个旋槽2172，旋槽2172用于对销轴件进行导向并包括对销轴件的周向和轴向进行限位的限位部分2173，接头217一端沿径向设置有两个翼板。孔2171内用于安装轴承并接纳输出轴213的中段2132。旋槽2172包括旋进段2174和定位段2175，旋进段2174在第一轴向上螺旋延伸，定位段2175在旋进段2174延伸的末端朝第二轴向延伸，其中第一轴向和第二轴向方向相反。定位段2175的侧壁即形成限位部分2173定位段2175的侧壁用于对槽中的容纳物形成第二轴向的限位和沿周向的限位。翼板用于将接头217与壳体214固定。输出轴213安装于接头217时，联轴花键2134伸出孔2171并位于壳体214之外。

如图23至图25所示，图23为本公开实施例的第一种工具组件示意图。图24为本公开实施例的第一种工具组件剖视图。图25为本公开实施例的连接部结构示意图。工具组件22包括连接部221和手术工具222a。手术工具222a通过其一端可转动地设置于连接部221。手术工具222a为髋臼磨锉杆组件，另一端连接髋臼锉。髋臼磨锉杆组件包括接杆主轴2221、臼锉连接部件和把持套2225。接杆主轴2221的一端与连接部221可转动连接，另一端设置臼锉连接部件。把持套2225套合在接杆主轴2221外。接杆主轴2221与连接部221连接的一端设置有花键接头2222和接合孔2223。花键接头2222与联轴花键2134能够嵌合匹配，以实现转动运动的传递。但二者并不是紧配合，在轴向上可以分离。接合孔2223的直径与输出段2133上的光轴部分的直径相同。

连接部221包括接杆锁头2211和接杆连接模块。接杆锁头2211为内部中空的杯状，底部设置有圆孔。接杆锁头2211内圆周面靠近开口的位置设置有四个沿周向分布的定位销2212。接杆连接模块设置于接杆锁头2211的内部，用于将髋臼磨锉杆组件可转动地连接至接杆锁头2211。

接杆连接模块包括卡托281、定位模块280和一对滑套283，均同轴地保持在接杆锁头2211内。卡托281为环状，设置于最外侧(接杆锁头2211的开口侧)。定位模块280包括弹性件282，用于使连接部221和动力装置21之间形成预定作用力，在本实施例中弹性件282为推力弹簧。两个滑套283均为环状，在轴向上位于卡托281与接杆锁头2211的底部之间。滑套283的外圆周面与接杆锁头2211内圆周面配合，内孔与接杆主轴2221等径。推力弹簧设置于两个滑套283之间。

接杆主轴2221套设在卡托281、推力弹簧和滑套283内。接杆主轴2221外周面还设置有两个具有预定间距的环槽2226，环槽2226用于安装挡环。装配关系下，卡托281、推力弹簧、滑套283和接杆锁头2211均位于两个挡环之间，因此接杆锁头2211与接杆主轴2221形成一个整体。推力弹簧可压缩，因此接杆锁头2211沿接杆主轴的轴向有一定的活动量。

如图26所示，图26为本公开实施例的接头、输出轴及工具组件结构示意图。连接部221与动力装置21将通过旋合结构25连接以形成对连接部的轴向和周向限位，其中旋合结构25由定位销2212和旋槽2172构成，即工具组件22通过定位销2212与旋槽2172旋合配合连接至壳体214。

如图27和图28所示，图27为本公开实施例的第一执行器剖视图。图28为本公开实施例的动力装置组工具组件连接处剖视图。一并参考图19至图26，髋臼磨锉杆组件与动力装置在装配关系下，定位销2212插接在旋槽2172的定位段2175中。定位段2175的沿轴向延伸的两个侧壁对定位销2212形成周向限位、端壁对定位销2212形成沿轴向的限位。因此不受外力情况下接杆锁头2211不会沿轴向掉落，也不会沿周向旋转。连接部221与接杆主轴2221和壳体214之间均形成径向定位，相当于接杆主轴2221与输出轴213(其定位在壳体214上)之间形成径向定位。具体参考图26和图28，输出轴213的光轴部分与接杆主轴2221的接合孔2223形成径向定位结构27，径向定位结构27为等径的轴孔配合结构，即输出轴213与接合孔2223之间形成直接的径向定位。受限于形成连接部221与接杆主轴2221之间径向定位的配合段的长度和配合精度，接杆主轴2221可能会存在一定的径向活动量。而输出轴213的光轴部分与接杆主轴2221的接合孔2223之间的径向定位，能够提高径向定位精度。

接杆主轴2221的花键接头2222与输出轴213的联轴花键2134对准并接合以接收转动运动。推力弹簧对接杆锁头2211轴向的作用力使定位销2212被沿轴向压紧在定位段2175的端壁上。由于推力弹簧被压缩，连接部221与动力装置21之间的连接存在内应力，该内应力使得工具组件22与动力之间形成稳定的轴向定位，并且不会增加为保证轴向定位精度的设计难度或安装难度，连接更稳固，不易因振动等原因发生松动。并且，在轴向上接杆主轴2221被推力弹簧推动抵靠在输出轴213上形成轴向定位。

相对于螺纹旋合连接，定位销2212与旋槽2172的配合更省力，便于术中快速拆装；定位段2175对定位销2212的直接的物理限位相对于摩擦锁紧也更可靠。在一些可选的实施方式中，定位销2212可设置于接杆锁头2211的外圆周面，旋槽2172设置于接头217的内圆周面。在另一些可选实施例中，定位销2212可以设置于接头217的内/外圆周面上，旋槽2172可以设置于接杆锁头2211的外/内圆周面上，通过这样的设置同样保证定位销2212与旋槽2172配合时能够旋合，并进一步实现接头217和接杆锁头2211的轴向和周向定位。

输出轴213与接杆主轴2221之间的接合为花键连接26，花键连接26在接合过程中只需接杆主轴2221在轴向上对准输出轴213即可，操作便利。在一些可选实施例中，输出轴213与接杆主轴2221之间还可以通过端面的相互嵌合形成可传递扭矩的连接。

在一些可选实施例中，如图29所示，图29为本公开实施例的另一种径向定位结构示意图。可以以其他径向定位结构替代输出轴213的光轴部分与接杆主轴2221的接合孔2223间的径向定位。如，在接杆主轴2221的端部设置定位轴2224，在输出轴213上设置定位孔2135，二者的轴孔配合形成径向定位。或者，如图30所示，图30为本公开实施例的又一种径向定位结构示意图。在接头217和接杆主轴2221之间设置轴孔配合结构，如，在接头217端部设置直径大于输出轴213的花键部分直径的孔2176，对应的接杆主轴2221的末端设置为相等直径，二者之间形成轴孔配合。

在一些可选实施例中，还可以在其他位置设置作为定位模块280中弹性件282的弹簧以形成工具组件22与动力装置21之间的内应力。如，在动力装置21上固定压簧。工具组件22安装至动力装置21时，接杆锁头2211压缩压簧，压簧的反作用力将接杆锁头2211的定位销2212压紧在旋槽2172中，使接杆锁头2211与动力装置21之间保持预压力，形成较稳固的连接。在最终使用状态下，接杆主轴2221会受到患者组织反作用力而在轴向上与输出轴压紧。压簧可采用普通螺旋弹簧、碟簧、波纹弹簧等，当然弹性件282也不限于弹簧的形式，也可以是具有弹性的弹片。

下面对髋关节成型器的使用过程进行具体说明。

在使用时，第一执行器20通过第一接口24与机器人臂30连接，此时第一执行器20未安装工具组件22。首先，机器人臂30按照预定的手术计划进入准备位置。医生将搭载有末端工具23a的髋臼磨锉杆组件通过接头217安装至第一执行器20。具体为，医生手持接杆锁头2211将接杆主轴2221的接合孔沿轴向套设于输出轴213的输出段2133，并使联轴花键2134与花键接头2222对准接合。完成输出轴213和接杆主轴2221的周向接合后，接杆主轴2221与输出轴213抵接，医生向靠近执行器的方向提拉和转动接杆锁头2211，使接杆锁头2211的定位销2212在旋槽2172内沿旋进段2174最终进入定位段2175。

这样，联轴花键2134与花键接头2222的接合实现了输出轴213和接杆主轴2221的周向接合，输出段2133和接合孔2223的配合则提高了连接的同轴度，也与接杆锁头2211一起增长了对接杆主轴2221的径向定位长度，提高输出轴213和接杆主轴2221传递转动时的同轴度。定位销2212位于定位段2175内时，定位销2212受限于定位段2175的两个沿轴向延伸的侧壁不能相对于接头217周向转动。推力弹簧使接杆锁头2211相对于接头217具有朝向接杆主轴2221运动的趋势，该运动趋势阻止定位销2212沿轴向脱出定位段2175到达旋进段2174。推力弹簧使接杆主轴2221沿轴向抵靠在输出轴213，即推力弹簧推动接杆主轴2221与输出轴213保持轴向接合。上述操作过程，接杆主轴2221被径向定位的部分为顶端，沿轴向移动髋臼磨锉杆组件的行程较小，所需操作空间也相应较小。

至此，髋臼磨锉杆组件与壳体214完成连接，在预定手术计划的指导下，第一执行器20在机器人臂30及医生的控制下运动至预定目标位置。启动电机2121，电机2121的转动依次经过减速器2122、联轴器216传递至输出轴213。由于输出轴213和接杆主轴2221通过联轴花键2134和花键接头2222连接，接杆主轴2221在输出轴213的带动下产生转动，转动过程中由于接杆锁头2211与接头217固定连接，接杆锁头2211不会产生转动。转动的接杆主轴2221带动末端工具23a转动以进行髋臼窝的磨削和成型。

按照预定的手术计划完成髋臼窝的磨削成型后，机器人臂30进入可以拆卸髋臼磨锉杆组件的位姿，医生克服推力弹簧的弹力提拉接杆锁头2211，定位销2212脱出定位段2175的限制，旋转接杆锁头2211，定位销2212经由旋进段2174后脱离旋槽2172，接杆锁头2211与接头217脱离。沿接杆主轴2221的轴向使髋臼磨锉杆组件远离接头217即完成拆卸。

综上所述，电机2121、减速器2122、联轴器以及输出轴213集成在壳体214内部，电机2121的电源线可以通过壳体214与机器人臂30之间的接口引入。第一执行器20结构紧凑，不用设置外接动力源，也避免了外接动力源及其电源线对手术空间的干涉影响以及电源线外露的安全隐患。无须在手术中组装外接动力源也减少了手术的操作步骤。工具组件22由连接部221和髋臼磨锉杆组件组成，作为预装的模块化零件，能够方便地实现手术工具222a与输出轴213的可拆卸连接。

在一种可选的实施方式中，如图31所示，图31为本公开实施例的第二种工具组件示意图。手术工具222b为髓腔铰刀，工具组件22包括连接部221以及髓腔铰刀。其中，髓腔铰刀包括铰刀杆2227和与铰刀杆2227连接的用于扩髓的铰刀2228(即末端工具23b)，铰刀杆2227端部设置有花键接头，用于与联轴花键2134连接；铰刀2228上开设置有铰刀刃，用于在旋转运动下对股骨髓腔进行扩髓。连接部221与上述连接髋臼磨锉杆组件的连接部221结构相同，参考髋臼磨挫干组件中连接部221的结构，铰刀杆2227与接杆锁头2211连接。并且，连接有髓腔铰刀的工具组件22与接头217以及输出轴213的连接与上述同理，手术工具222b与接头217连接后，髓腔铰刀同样通过花键接头2222与联轴花键2134接合至输出轴213，输出轴213在电机2121的驱动下带动髓腔铰刀旋转并执行股骨近端的扩髓任务。

在一种可选的实施方式中，第一执行器20设置有三组末端示踪器622。三组末端示踪器622分别设置在壳体214的三个面上，每组中包含四个位于同一平面的示踪元件6221。如图15至图17所示，壳体214上设置有三个平面，三组示踪元件6221分别设置在三个平面上。其中，示踪元件6221可以是无源的反光球或反光片，也可以是有源的电磁发生器或传感器。

可以理解的是，髋关节成型手术中，末端示踪器622向定位器61发送第一执行器20的位置信息，而定位器61在手术空间中通常固定设置，定位器为导航系统60中接收位置信息的装置，通过三组示踪元件6221的设置，使得第一执行器20在多种位姿下均能够被定位器识别到位置信息。与示踪元件6221对应的，定位器可以是识别反射光的光学导航仪，也可以是识别电磁信号的接收器。

在本实施例中，第二执行器10包括滑杆11、支撑组件14和末端示踪器622a。滑杆11的第一端用于连接执行工具23c，执行工具23c为髋臼假体，滑杆11的第二端用于接受安装假体时的冲击力；支撑组件14包括耦合部141，耦合部141容纳滑杆11的部分杆段，滑杆11相对于支撑组件14轴向可动；支撑组件14用于将第二执行器10连接于机器人系统的机器人臂30；末端示踪器622a设置于滑杆11以指示滑杆11的方位。本公开所提出的第二执行器10，滑杆11相对于支撑组件14轴向可动，在使用时可以使滑杆11与支撑组件14在轴向上的间隙大于滑杆11被打击时的行程，避免滑杆11与支撑组件14发生碰撞损坏与执行器连接的机器人臂30。滑杆11与支撑组件14被配置为整体。使用该执行器时无需组装或拆卸滑杆11与支撑组件14，只需通过支撑组件14连接至机器人臂30或与机器人臂30分离。

具体地，如图32至图36所示的实施例中，第二执行器10包括滑杆11，支撑组件14、末端示踪器622a、轴向缓冲机构15和轴向限位结构16。第二执行器10通过第一执行器20间接地与机器人臂30连接，如图36所示为第二执行器10与第一执行器20连接的结构示意图。

如图32至图33所示，图32为本公开实施例的假体安装执行器整体结构示意图一；图33为本公开实施例的假体安装执行器整体结构示意图二。滑杆11是表面光滑的金属杆件，滑杆11一端用于接受医生的锤击，另一端用于连接执行工具23c。滑杆11的中部设置有握持部111，握持部111为套状套合在滑杆11上并与滑杆11固定，用于使医生能够通过握持部111握持滑杆11。握持部111为绝缘的塑料套筒。其中，滑杆11作为金属杆件保证了传递冲击力时具有较高的强度，但用于手术的器械又不希望是笨重的，因此滑杆11的直径一般较小，不便医生握持。而塑料材质的握持部111既增大了滑杆11握持处的直径，为医生提供有利的握持条件，又不使手术工具增加较大的重量。当然，在一些实施方式中，握持部111也可以是绝缘的橡胶套筒或非绝缘的金属套筒。在另一些实施方式中，也可以不设置套状的握持部111，而将握持部111设置为滑杆11本身的一部分，且该部分可相对于滑杆11本身的直径加大以方便握持。

末端示踪器622a包括示踪部分和连接部分。示踪部分设置有多个定位标记，用于提供位置信息。定位标记可以能够反射红外光的反光球或反光片，也可以是能够主动发出信号以实现定位的红外光源或电磁发生器。连接部分用于将末端示踪器622a固定在滑杆11。

如图33至图35所示，图34为本公开实施例的支撑组件和滑杆连接处结构示意图；图35为本公开实施例的滑轨处部件示意图。支撑组件14包括本体142、耦合部141、绝缘套143和滑套144。本体142大致呈六面体形状，一端(如图33所示的右端)用于连接机器人臂30。耦合部141为贯穿本体142的孔。绝缘套143和滑套144均为筒状。绝缘套143套合在耦合部141内且与耦合部141轴向固定。绝缘套143用于避免患者与机器人臂30设备间通过支撑组件14和滑杆11的接触形成导电通路。滑套144套合在绝缘套143内且与绝缘套143轴向固定。滑套144的材质为金属。滑杆11与滑套144形成轴孔配合，滑杆11与滑套144间存在允许滑杆11相对于滑套144自由滑动的间隙。这样设置在绝缘套143和滑杆11之间的滑套144既可以减少绝缘套143的磨损，又能够增加滑杆11滑动的顺畅度。

轴向限位结构16包括挡圈161、握持部111上远离执行工具23c的第一端。挡圈161和握持部111的第一端均固定于滑杆11，在滑杆11上形成两个直径大于滑杆11的台阶。在滑杆11沿滑套144移动时，两个台阶与支撑组件14之间发生干涉以形成对滑杆11的轴向限位。本实施例中，挡圈161与支撑组件14、握持部111与支撑组件14之间还设置有绝缘件162，因此挡圈161、握持部111实际上直接与绝缘件162之间形成轴向干涉。绝缘件162为两端开口的套筒。绝缘件162内部空间的直径大于滑杆11的直径，绝缘件162一端的开口直径大于滑杆11的直径，另一端开口直径与滑杆11的直径相同，该端通过设置有挡缘1621以形成与滑杆11直径相同的开口。在滑杆11与支撑组件14装配时，挡圈161和握持部111的第一端分别位于支撑组件14的两侧。两个绝缘件162均套合在滑杆11上，也分别位于支撑组件14的两侧，绝缘件162具有挡缘1621的一侧与本体142连接。这样，挡圈161和握持部111的第一端在滑杆上形成两处限位点，当滑杆11相对于支撑组件14滑动时，挡圈161和握持部111的第一端限制了滑杆11相对于支撑组件14的最大滑动行程。

在一种可选的实施方式中，轴向限位结构16中的握持部111的第一端也可以替换为独立设置的挡圈161，在另一种可选的实施方式中，挡圈161或握持部111的第一端可以是设置在滑杆11上的台阶或轴肩。

具体参考图33和图34，本公开中还设置有轴向缓冲机构15，以使滑杆11和支撑组件14在轴向上至少形成一处缓冲。本实施例中轴向缓冲机构15包括两个缓冲件，具体为第一缓冲件151和第二缓冲件152，第一缓冲件151和第二缓冲件152分布于支撑组件的两侧。两个缓冲件为弹簧。第一缓冲件151设置于挡圈161和绝缘件162之间、第二缓冲件152设置于握持部111的第一端和绝缘件162的挡缘1621之间。第一缓冲件151和第二缓冲件152均套合在滑杆11上，呈预压缩状态设置于绝缘件162内。第一缓冲件151和第二缓冲件152使滑杆11相对于支撑组件14滑动时产生缓冲，滑杆11滑动时对支撑组件14的冲击部分被缓冲件吸收。这样，滑杆11沿轴线滑动以安装执行工具23c时，滑杆11对机器人臂30不会产生刚性冲击，减少了机器人臂30的抱死或位姿出现偏差。

在机器人臂30的驱动下，第二执行器10到达安装髋臼假体的目标对准位姿，执行工具23c与病人患处已制备好的髋臼窝对准。在机器人臂30的移动和摆位过程中，第一缓冲件151和第二缓冲件152均为压缩状态，滑杆11在第一缓冲件151和第二缓冲件152的作用下与本体142保持一定的轴向定位关系，即滑杆11大致保持在滑动行程的中位，滑杆11不会沿耦合部141自由移动。

医生确认执行工具23c位姿和手术路径无误后，机器人臂30设置为直线模式，即，通过控制机器人臂30关节处电机的输出扭矩将机器人臂30被设置为其末端臂/杆在沿滑杆11轴向上的阻尼很小，而在其他方向上阻尼很大。这种模式下连接在机器人臂30的第二执行器10可以在外力作用下沿滑杆11的轴向移动，而难以沿径向移动或以径向为轴转动。医生手持握持部111并向滑杆11上的第一端施加冲击力。冲击力可以通过锤子敲击或滑锤敲击来施加。冲击力使滑杆11驱动执行工具23c进入髋臼。在冲击的瞬间，由于惯性存在支撑组件14并不会瞬时移动。在滑杆11移动过程中，挡圈161压缩第一缓冲件151，一缓冲件151作用于支撑组件，使支撑组件14滞后地随滑杆11沿轴向移动。第一缓冲件151避免了弹簧挡圈161与本体142刚性接触。滑杆11完成一次对执行工具23c的冲击后，在第一缓冲件151的作用下，滑杆11与支撑组件之间的相对关系自动复位至未接受锤击的状态。在一些情况下，还需要向第二执行器10施加与植入假体时的锤击力相反方向的力以将执行工具23c或假体试模从髋臼中脱出。这种情况下，第二缓冲件152可以防止滑杆11与支撑组件14之间的刚性接触。上述缓冲机构的设置，在冲击滑杆11的过程中可以使机器人臂30自动随滑杆11移动，无需人工握持执行器。操作人员可以握持滑杆11，可以像传统手术一样感知打击震动。

滑杆11轴向移动行程由限位结构握持部111的第一端和挡圈161限定。第一缓冲件151和第二缓冲件152的设置使滑杆11的限位结构始终不与本体142刚性接触。在滑杆11不接受冲击力时，滑杆11相对于耦合部141保持在中位，且滑杆11不会相对于支撑组件自由移动，而是需要一定力克服第一缓冲件151或第二缓冲件152才能使滑杆11移动，避免了在机器人臂30移动时滑杆11自由窜动。

在一种可选的实施方式中，支撑组件14上设置有用于将第二执行器10与机器人臂30或第一执行器20连接的快拆机构17。如图37至图39所示，图37为本公开实施例的支撑组件和第二接口结构示意图一；图38为本公开实施例的支撑组件和第二接口结构示意图二；图39为本公开实施例的支撑组件和第二接口结构示意图三。快拆机构17包括第一限位机构171和第二限位机构172，第一限位机构171为插块171a，第二限位机构172为插销组件，插块171a用于以插接的方式与机器人臂30或第一执行器20连接，插销组件的插接限位方向与插块171a的插接方向垂直。插块171a与本体142固定连接或一体成型，插块171a上延其插接方向的一端设置有两个限位槽1711，限位槽1711用于限制插接方向上的自由度。

本体142上设置有用于容纳插销组件的安装孔1721，安装孔1721与耦合部141连通。插销组件包括插销1722、第一弹性件1723、垫块1724以及插销拉栓1725，垫块1724、第一弹性件1723和插销1722依次设置在安装孔1721内。第一弹性件1723为弹簧，垫块1724与滑杆11抵接，插销1722在安装孔1721内且沿插块171a的厚度方向垂直穿过插块171a，第一弹性件1723呈压缩状态设置于插销1722和垫块1724之间。安装孔1721的中段与本体142外部连通，形成能够手动拨动插销1722的活动区域，插销拉栓1725径向穿过插销1722并与插销1722固定，插销1722通过插销拉栓1725被限制在活动区域内。在第一弹性件1723的推动下，插销拉栓1725与活动区域的一端抵接，插销头部穿出插块171a表面，插销头部为斜面。

为了通过快拆机构17将第二执行器10安装至第一执行器20，第一执行器20上设置有插槽形式的第二接口18。具体地，第二接口18包括底板181、插销孔183和限位扣182，其中底板181为矩形。插销孔183沿底板181的厚度方向设置；限位扣182数量为四个且分别设置在底板181的四角处，限位扣182与底板181形成所述第二接口18。限位扣182具体包括相连接的第一段1821和第二段1822，第一段1821与底板181连接且垂直于底板181，第二段1822平行于底板181且朝向底板181的内部延伸。限位扣182与底板181形成容纳插块171a的空间。并且，插块171a插接于第二接口18内时，限位槽1711与限位扣182卡接，插块171a在限位扣182的限制下不能沿插接的方向脱出。

通过快拆机构17的设置，可以方便地拆装第二执行器10。如图37至图39所示，插块171a自上而下与第二接口18连接时，底板181的平面首先与插块171a的平面贴合，插销头部的斜面与底板181接触，插销1722向本体142回缩。相对于第二接口向下移动本体142，限位槽1711与限位扣182卡合，插销头部进入插销孔183内，插块171a与第二接口18完全契合。在空间直角坐标系上，插块171a与第二接口18在厚度和宽度上相契合限定了插块171a的除z轴(也可以是x轴或y轴)外的5个自由度，限位槽1711与限位扣182的卡合限定了第二执行器10沿z轴向第一方向滑动的自由度，插销1722与插销孔183的配合实现了第二执行器10沿z轴向第二方向滑动的自由度，在图37至图39中，第一方向为耦合部141轴向向下的方向，第二方向为耦合部141向上的方向。至此，第二执行器10通过插块171a、第二接口18和插销组件的设置与第一执行器20固定连接。拆卸时只需拨动插销拉栓1725(图37中向左拨动)，使插销头部由插销孔183中脱出，再由第二接口18中拔出插块171a即可(图37中相对于第二接口18向上拔出)。第二执行器10快拆机构17的设置，医生在手术时可以快速完成第二执行器10的安装和拆卸，节省手术时间。

在一种可选的实施方式中，如图40所示，图40为本公开实施例的设置有调节模块的滑杆结构示意图。第二执行器10还包括调节组件19，调节组件19将执行工具23c连接至滑杆11并且能够调节执行工具23c相对于所述滑杆11的周向位置。调节组件19包转接轴191和调节件192。转接轴191一端与滑杆11连接、另一端与髋关节执行工具23c连接。调节件192套合于转接轴191和滑杆11连接处，在外力作用下调节件192可在所述转接轴191的第一位置m和第二位置n之间移动，调节件192在第一位置m处与滑杆11之间周向位置固定，调节件192在第二位置n处相对于滑杆11周向位置可调。

如图41所示，图41为本公开实施例的调节模块示意图一。转接轴191包括滑杆接头、主轴段1911和髋臼假体接头，滑杆接头和髋臼假体接头设置于主轴段1911的两端，滑杆接头用于和滑杆11连接，髋臼假体接头用于连接执行工具23c。

滑杆接头顶端开设有连接孔1912，连接孔1912为光孔，连接孔1912外围设置有两个关于转接轴191轴线对称的卡块1913，两个卡块1913呈“一”字形沿径向延伸。卡块1913下方设置有与卡块1913最大半径相同的凸缘1914，凸缘1914下方设置有限位段1915，限位段1915的半径大于主轴段1911的半径，并且在限位段1915和主轴段1911连接处形成限位台阶1916。

参考图41至图44，图42为本公开实施例的调节模块示意图二；图43为本公开实施例的调节模块示意图三；图44为本公开实施例的螺母结构示意图。调节件192包括可拆卸连接的螺母1921和转接套1922、花键1926以及保持件1927。其中，具体参考图44，螺母1921为开口向下的壳状，开口处外壁1923上设置有外螺纹，且在该外壁1923上对称设置有两个卡槽1924，卡槽1924延伸至螺母1921内部，螺母1921内部靠近底部的位置处设置有花键槽1925。转接套1922为具有开口的杯状，转接套1922开口处内壁设置有内螺纹。花键1926固定于滑杆11上，外周设置有齿状凸起。保持件1927为具有弹性的弹簧。

连接状态下，螺母1921套合于滑杆11上花键1926的上方，转接套1922套合在转接轴191上，转接套1922和螺母1921通过内螺纹和外螺纹的配合连接，保持件1927设置于转接套1922内，一端与转接套1922的底部抵接、另一端与凸缘1914抵接。

使用时，滑杆11末端插入连接孔1912内，螺母1921和转接套1922通过螺纹连接形成一整体。为了便于理解，下面结合调节件192的工作状态和调节过程进行说明。

在工作状态下，调节件192位于第一位置m处，如图42所示，保持件1927呈压缩状态抵接在凸缘1914和转接套1922底部，保持件1927通过转接套1922拉动螺母1921，使螺母1921的花键槽1925与花键1926连接，卡块1913嵌合在卡槽1924内。这样，滑杆11与调节装置通过花键1926与花键槽1925的连接周向固定、转接轴191与调节装置通过卡块和卡槽1924的配合实现周向固定。基于上述过程和原理，工作状态下，通过调节组件19的连接，滑杆11和转接轴191之间轴向、径向以及周向固定。

为满足临床需求，在将执行工具23c植入病人患处已准备好的髋臼窝内时需要保证执行工具23c具有正确的安装方向，例如具有翼部的执行工具23c，该执行工具23c需要与髋臼窝固定以加强髋臼窝处的结构，并且翼部需要以正确的方向与髋臼窝连接。因此每次滑杆11前需要调整执行工具23c的方向。基于本实施例所述的第二执行器10，调节执行工具23c的方向时，如图43所示，医生向上提拉调节装置使其克服保持件1927的弹力至转接套1922底部与限位台阶1916抵接，调节件192位于第二位置n处，。此时花键1926与花键槽1925脱离，卡块1913未脱出卡槽1924，调节件192可以相对于滑杆11周向转动，转接轴191跟随调节件192的转动而转动。这样，可以在不转动滑杆11的情况下只通过转动调节件192即可实现执行工具23c相对于滑杆11方向的调节。进一步的，由于滑杆11上连接了用于实时提供滑杆11位置信息的末端示踪器622a，末端示踪器622a需要与接收该位置信息的定位器对准。所以上述调节组件的设置也保证了在执行工具23c调节时与滑杆11固定连接的末端示踪器622a不会因为滑杆11的旋转而失去与定位器的对准，保证末端示踪器622a能够实时被定位器所识别。

并且，基于调节组件19，通过改变转接轴191的髋臼假体接头，转接轴191可以连接不同厂商不同型号的执行工具23c。无需为适配不同的执行工具23c而更换整个滑杆11，提高了第二执行器10的适配和适用范围。

在一种可选的实施方式中，缓冲件可以仅保留第一缓冲件151而不设置第二缓冲件152。

在一些可选实施例中，可以设置一个缓冲件，如第一缓冲件151。且缓冲件151的两端分别与挡圈161和支撑组件14连接。滑杆11沿两个方向移动时均会被缓冲件151牵引或支撑，从而形成缓冲并可以带动支撑组件14随滑杆11移动。

在一些可选实施例中，轴向缓冲机构15的两个缓冲件可以不是预压缩的。如第一缓冲件151可以仅受滑杆重力作用被压缩。两个缓冲件的长度也可以小于滑杆11的行程，缓冲件可以在限位结构之间活动，只要能阻止刚性碰撞即可。

在一种可选的实施方式中，参考图32和图45，图45为本公开实施例的螺帽结构示意图。滑杆11上接受冲击力的一端设置有螺帽112，螺帽112包括受力板1121和连接段1122，连接段1122通过螺纹与滑杆11固定连接，当然连接方式不限于螺纹连接，也可以是销钉连接等其他连接方式；受力板1121的面积大于滑杆11端部的面积，受力板1121为医生的施加冲击力时的锤击提供更大的受力目标，避免滑杆11端部较小而出现锤空的现象。

膝关节模式下，膝关节执行器一端搭载末端工具23d，另一端连接至机器人臂30。其中末端工具23d为锯片，锯片用于在高速摆动下截骨。

如图46所示，图46为本公开实施例的膝关节手术时关节手术系统结构示意图。膝关节模式下的关节手术系统包括机器人臂30、导航系统60、搭载有末端工具23d的膝关节执行器7和控制器40以及脚踏51。机器人臂30相当于外科医生的手臂，可以把持末端工具23d并以较高的精度定位和移动末端工具23d。导航系统60相当于外科医生的眼睛，可以实时测量末端工具23d和患者组织的位置。控制器40相当于外科医生的大脑，内部储存手术规划。控制器40根据术中通过导航系统60获取的位置信息计算机器人臂30的路线和/或应达的位置，可以控制机器人臂30运动，或者通过力反馈模式设置机器人臂30的虚拟边界，由人工推动机器人臂30的膝关节执行器7在虚拟边界内移动/沿虚拟边界限定的路线、面移动。

关节手术系统执行膝关节手术时，如图47所示，图47为本公开实施例的末端工具23d位于准备位置的示意图。在手术的初始状态，机器人臂30会在控制器40的控制下将末端工具23d保持在准备位置。准备位置处的机器人臂30上安装末端工具23d，末端工具23d距离目标截骨面较远。需要首先由医生向系统发出第一信号(如医生踩下脚踏51)。控制器40控制机器人臂30进入牵引模式，牵引模式下，机器人臂30能够在医生的牵引下被动地将末端工具23d移动至大致靠近膝关节处的位置。其中该位置处能够允许末端工具23d位姿调整位姿的空间。当医生停止向系统发出第一信号时(松开脚踏51时)，控制器40接收不到第一信号而使机器人臂30进入静止模式。静止模式下，机器人臂30以及末端工具23d的位姿被锁定。

在静止模式下，当控制器40接收到第二信息(如医生再次踩下脚踏51)，控制器40控制机器人臂30自动将末端工具23d调整至与目标截骨面K(即目标位姿)关联的对准位姿。即，使作为末端工具23d的锯片的平面与目标截骨平面K位于同一平面上。如图48所示，图48为本公开实施例的末端工具23d位于对准位姿的示意图。控制器40在接收到第四信号(如医生又踩下脚踏51的信号)时，控制器40使机器人臂30进入平面模式。平面模式下，机器人臂30被施加部分主动控制，末端工具23d只能够沿目标截骨面K所在的平面移动。医生可以推动膝关节执行器7，使末端工具23d沿目标截骨面K所在的平面移动，并切割出目标截骨面K。

以关节手术系统执行全髋关节置换手术(TKA)为例。参考图49和图50。图49为本公开实施例的膝关节执行器7被配置为可执行全膝关节置换术的示意图，其中示出了末端工具23d与膝关节执行器7的主体71的第一连接关系。该连接关系下，末端工具23d设置于主体的一侧(图49中主体71的下侧)，末端工具23d上用于切割骨组织的一端的指向与主体71的长度方向垂直，即图49中末端工具23d相对于主体71指向下方。在第一连接关系下膝关节执行器7适于执行全膝关节置换术中的截骨操作。图50为本公开实施例的膝关节执行器7被配置为可执行胫骨高位截骨术的示意图。其中示出了末端工具23d与膝关节执行器7的主体71的第二连接关系。该连接关系下，末端工具23d同样设置于主体的一侧(图50中主体71的下侧)，末端工具23d上用于切割骨组织的一端的指向与主体7的长度方向平行，即图50中末端工具23d指向主体7的左方。在第二连接关系下膝关节执行器7适于执行胫骨高位截骨手术、股骨远端截骨手术或腓骨近端截骨手术。

继续参考图49至图54。图51为图49中所示膝关节执行器7的正视图。图52为图49中所示膝关节执行器7的右视图。图53为图52所示的膝关节执行器7内部结构示意图。图54为图50中所示的膝关节执行器7的右视图。具体的，膝关节执行器7包括主体71和末端示踪器。末端示踪器包括第一示踪器721和第二示踪器722。主体71大致为圆锥体，圆锥体的回转中心线W与机器人臂30的末端臂11的自转中心线同轴。在此基础上，定义主体71的方向参考及坐标系CS。圆锥体的旋转中心线R为坐标系CS的Z轴，垂直于Z轴的两个互相垂直的方向为Y轴和X轴。回转中心线W的延伸方向为主体71的长度方向。主体71长度方向的两端分别为第一端701和第二端702。主体71的径向为侧向，具体包括上侧、下侧、前侧和后侧。上侧、下侧、前侧和后侧对应于坐标系CS的Y轴正向、Y轴反向、X轴正向和X轴反向。

主体71连接至机器人臂30的末端臂11时与末端臂11同轴固定，相当于成为机器人臂30的末端臂11的延伸。在其他实施例中，主体71的形状并不局限于圆锥体，只要具有预定长度且连接至机器人臂30时能与末端臂11同轴的规则或不规则形状均可。此处的“同轴”并不严格局限于字面意思，只要是两个杆状结构基本共线地连接即可。当然，其他形状的主体71的长度方向定义也可以参照(主体71连接至机器人臂30时)末端臂11的旋转中心线R，因为主体71随末端臂11自转，二者的旋转中心线相同。

主体71具有第一接口24、第三接口712、动力机构713和手柄部73。第一接口24位于主体71的第一端701。第三接口712位于主体71的第一侧703，并且在长度方向上更靠近第二端702。手柄部73位于主体71的第二侧704，用于为医生提供推拉膝关节执行器7的着力部。主体71的第一侧703对应前述的下侧，即Y轴的反向；第二侧704对应前述的上侧，即Y轴的正向。第一接口24用于将主体71连接至机器人臂30。第三接口712用于连接末端工具23d。如图53所示，第三接口712具体为机械连接结构，并且具有能往复转动的转轴7121。末端工具23d固定在转轴7121上，并在转轴7012的带动下往复摆动。动力机构713设置于主体71内部，动力机构713用于向第三接口712提供动力。动力机构713主要包括电机7131、减速器7132以及传动机构7133。电机7131和减速器7132用于提供初始动力，传动机构7133一端与减速器连接，另一端设置于第三接口712处。末端工具23d与第三接口712连接时，传动机构7133接收电机7131及减速器7132的初始动力并通过转轴7121驱动末端工具23d摆动。

末端工具23d为长条状，两端分别为切削端361和连接端362。切削端361设置有锯齿，用于切割骨组织。连接端362用于与第三接口712连接，接收驱动末端工具23d摆动的动力。

末端示踪器设置于主体71的第二端702，用于指示末端工具23d的方位。末端示踪器包括第一示踪器721和第二示踪器722。第一示踪器721固定设置于主体71的第二端702，第一示踪器721上的示踪元件723可拆卸。导航系统60可以在手术空间中确定末端示踪器的方位，并以此确定末端工具23d的方位。末端示踪器为光学示踪器，其上安装有示踪元件723，示踪元件723为反光片或反光球。导航系统60包括能够识别反光片或反光球的定位器61，定位器61为双目视觉想记。末端示踪器使得膝关节执行器7在把持末端工具23d运动的过程中，导航系统60能够清楚且精确地了解到末端工具23d的位置。如切割骨组织时，末端工具23d对于骨组织切割的程度、以及剩余待切割的骨组织情况可以通过末端示踪器反映的末端工具23d位置来确定。在一种可选的实施方式中，末端示踪器也可以是电磁发射器或位置传感器，能够识别电磁发射信号或位置传感器位置的相应导航系统60可以确定末端工具23d的方位。

末端工具23d与第三接口712连接时，末端工具23d与第三接口712之间可形成第一连接关系或第二连接关系。在第一连接关系下末端工具23d与主体71之间具有第一相对方位关系，并且由第一示踪器721指示末端工具23d的方位。第二连接关系下末端工具23d与主体71之间具有第二相对方位关系，并且由第二示踪器722指示末端工具23d的方位。

如图49、图51和图52所示为末端工具23d与第三接口712在第一连接关系下的示意图。在第一连接关系下，末端工具23d与主体71具有第一夹角，第一夹角为直角，即末端工具23d的长度方向与主体71的长度方向(旋转中心线R的方向)具有90度的夹角。末端工具23d的平面与主体71的虚拟纵剖面Q平行。虚拟纵剖面Q为主体71长度方向的剖切面，虚拟纵剖面Q与机器人臂30的末端臂11的轴线平行。具体如图49中所示的，末端工具23d的长度方向指向Y轴的反向；末端工具23d的平面与Y轴和Z轴所确定的平面平行。继续参考图49，第一接口的轴线M与第三接口的轴线N均在虚拟纵剖面Q上，其中第一接口的轴线M与旋转中心线R重合，即轴线M与CS坐标系中的Z轴同轴。第三接口的轴线N与主体71指向第一侧703的连线重合，即轴线N与CS坐标系中的Y轴平行。以虚拟纵剖面Q为镜像面，主体71关于虚拟纵剖面Q对称。

如图55至图57所示，图55为本公开实施例的右腿全膝关节置换手术示意图。图56为本公开实施例的膝关节执行器7调整末端工具23d角度示意图。图57为本公开实施例的膝关节执行器7调整角度使末端工具23d与股骨远端目标截骨面d对准状态示意图。末端工具23d与主体71间具有第一方位关系的情况下，膝关节执行器7便于进行膝关节置换手术，如全膝关节置换术或单髁置换术。该手术类型下，以右腿全膝关节置换为例，患者为屈膝仰卧位，机器人臂30及承载其的台车12位于患者的患处侧(患者的右侧)导航系统60位于患处侧的对侧(患者的左侧)。机器人臂30由患处侧指向对侧，机器人臂30的末端段11连接有膝关节执行器7，机器人臂30将膝关节执行器7大致保持在膝关节上方且横向于患者。手术时，末端工具23d将从患者前侧入路，末端工具23d的切削端361指向膝关节，末端工具23d截骨时锯片平面只需膝关节执行器7大致绕平行于人体冠状面与横断面交线的轴线(即旋转中心线R)调整角度，即可实现膝关节置换手术规划的六个平面的定位。

具体参考图56，膝关节执行器7搭载末端工具23d进行不同截骨面的定位时，为适应不同目标截骨面的角度，在远离患处的位置处进行末端工具23d平面调整。机器人臂的末端臂11绕自身轴线的旋转使膝关节执行器7绕旋转中心线R旋转，末端工具23d平面转动一定角度。按照临床中的截骨顺序，膝关节执行器7姿态调整后依次具有第一姿态C、第二姿态D、第三姿态E、第四姿态G、第五姿态H以及第六姿态I。其中膝关节执行器7的第一姿态C中锯片的6角度与胫骨目标截骨面c的角度对应；第二姿态D中锯片的6角度与股骨远端目标截骨面d的角度对应；第三姿态E中锯片的6角度与股骨前端目标截骨面e的角度对应；第四姿态G中锯片的6角度与股骨后端目标截骨面g的角度对应，第五姿态H中锯片的6角度与股骨后斜目标截骨面h的角度对应，第六姿态I中锯片的6角度与股骨前斜目标截骨面i的角度对应。分别完成末端工具23d与六个相应的目标截骨面截骨面的角度定位后，机器人臂30在一定范围内按照预定路径平移一定距离即可实现各个平面与目标截骨平面的对准，如图57所示为末端工具23d与股骨远端目标截骨平面b对准并即将进行截骨的示意图，末端工具23d定位至该状态后，机器人臂30在控制器的控制下将末端工具23d的移动范围限制在该平面，医生推动膝关节执行器7在该平面移动并完成相应的截骨。

继续参考图56，在不考虑末端工具23d位置平移的情况下，末端工具23d的角度调整过程中，末端工具23d为适应不同的目标截骨平面，膝关节执行器7绕旋转中心线R的旋转带动末端工具23d进行角度调整。这样，机器人臂30本身无需大角度、大幅度调整自身姿态，只需机器人臂30的末端臂11绕旋转中心线R旋转膝关节执行器7即可实现末端工具23d角度的调整。可以理解的是，膝关节单髁置换与全膝关节置换类似，同样是在患者为屈膝仰卧位状态下，末端工具23d由患者前侧入路进行截骨，具体截骨平面的定位原理与全膝关节置换中的相关定位原理相同，这里不再赘述。

如图58至图60所示为末端工具23d与第三接口712在第二连接关系下手术空间的示意图。图58为本公开实施例的左腿内侧胫骨高位截骨手术示意图。图59和图60为本公开实施例的锯片对准胫骨高位的示意图。在第二连接关系下，末端工具23d与主体71具有第二夹角，第二夹角为零角，即末端工具23d的长度方向与主体71的长度方向(旋转中心线R的方向)平行。末端工具23d的平面与主体71的虚拟纵剖面Q平行，虚拟纵剖面Q为主体71长度方向的剖切面。具体的，主体71的虚拟纵剖面Q为第一接口的轴线M与第三接口的轴线N所确定的平面，其中第一接口的轴线M与旋转中心线R重合，第三接口的轴线N与主体71指向第一侧703的连线重合。以虚拟纵剖面Q为镜像面，主体71关于虚拟纵剖面Q对称。

末端工具23d与主体71间具有第二方位关系的情况下，膝关节执行器7便于进行胫骨高位截骨术、股骨远端截骨术。该手术类型通过股骨F或胫骨T侧方的开放楔形截骨或闭合截骨以保护膝关节生理结构的完整性，是治疗早期膝关节病变的主要手术方式。不同于膝关节置换手术，胫骨高位截骨术或股骨远端截骨术将以患侧的内侧或外侧入路。如图58所示，以左腿内侧胫骨高位截骨为例，患者为屈膝仰卧位，机器人臂30及承载其的台车12位于患者患处侧的对侧(患者的右侧)，导航系统60位于患处测(患者的左侧)。机器人臂30由患处侧指向对侧，机器人臂的末端臂11连接有膝关节执行器7，机器人臂30将执行器大致横向于患者且保持在左腿和右腿中间的上方且更靠近左腿。如图59和图60所示，手术时，末端工具23d将从患者左腿胫骨T近端内侧入路，末端工具23d的切削端361沿横向于患者的水平方向指向胫骨T近端。截骨时，末端工具23d平面为适应预定手术计划的规划截骨面，需要膝关节执行器7大致绕平行于人体冠状面与横断面交线的旋转中心线R调整末端工具23d平面的角度。角度调整过程中，机器人臂的末端臂11绕自身轴线的旋转使膝关节执行器7绕旋转中心线R旋转，末端工具23d平面转动一定角度与胫骨高位目标截骨面j平行。并且，机器人臂30在一定范围内按照预定路径平移一定距离即可实现各个平面与胫骨高位目标截骨面j的对准。

在不考虑末端工具23d平移的情况下，末端工具23d的角度调整过程中，末端工具23d为适应相应的胫骨高位目标截骨面j，机器人臂30本身无需大角度、大幅度调整自身姿态，只需转动机器人臂30末端臂即可实现末端工具23d角度的调整。可以理解的是，股骨远端截骨术与胫骨高位截骨术情况类似，患者均为屈膝仰卧位的状态，搭载有末端工具23d的膝关节执行器7从相应股骨的内侧或外侧入路。并且，腓骨近端截骨术也与胫骨高位截骨术类似。患者通常为仰卧位，搭载有末端工具23d的膝关节执行器7从相应腓骨的后外侧入路，切割位置在腓骨头下方6至10cm。手术时，膝关节执行器7搭载末端工具23d将腓骨截断约2cm，并在截断端用骨蜡封堵，避免腓骨断端愈合。在股骨远端截骨术和腓骨近端截骨术中，基于相似的入路和末端工具23d的截骨姿态，末端工具23d与膝关节执行器7具有第二连接关系时末端工具23d的切削端361可以从骨骼侧方指向手术部位。机器人臂30可搭载膝关节执行器7灵活方便地进行股骨远端截骨手术或腓骨近端截骨手术。

这样，通过末端工具23d与主体71第一连接关系和第二连接关系的设置，末端工具23d与主体71具有第一方位关系时，末端工具23d的切削端361能够在患者前侧更好地指向待手术的膝关节部位。末端工具23d与主体71具有第二方位关系时，末端工具23d的切削端361能更好地从患者下肢内侧或外侧指向股骨F、胫骨T或腓骨。末端工具23d以第一连接关系获第二连接关系与主体71连接，膝关节执行器7可以适应不同的手术入路及手术类型，承载膝关节执行器7的机器人臂30无需以复杂或难以到达的姿态将锯片定位至目标截骨平面。医生的操作利、操作空间充足，并且搭载有膝关节执行器7的机器人具有足够的灵活性以完成多种术式的手术，设备采购成本和医生的学习时间成本将大大降低。

如图61至图63所示，在本实施例中，第三接口712为夹紧机构8，末端工具23d与通过夹紧机构8连接至膝关节执行器7。夹紧机构8包括两个相对设置的夹紧部81，两个夹紧部81在外力作用下相互靠近以夹紧末端工具23d的连接端362。

如图61所示，图61为本公开实施例的的第一种末端工具23d与夹紧机构8的示意图。两个夹紧部81与末端工具23d间设置有换向结构，换向结构能够使末端工具23d通过第三接口712与主体71连接时形成第一连接关系或第二连接关系。换向结构包括凸起91和凹槽92，凸起91和凹槽92分别设置于夹紧部81和末端工具23d，凹槽92至少包括两个容纳空间921，两个容纳空间921与所述凸起91配合时分别为末端工具23d与转轴7121周向固定。

继续参考图61，凸起91设置于其中一个夹紧部81，凹槽92设置于末端工具23d的连接端362，凸起91和凹槽92均包括周向均匀分布的条状单元。末端工具23d被夹紧部81夹紧时，末端工具23d相对于主体71将具有多种角度连接方式，其中两种连接方式分别对应末端工具23d与主体71的第一连接关系和第二连接关系。这样，需要进行膝关节置换手术时，调整凸起91和凹槽92的配合关系可使锯末端工具23d与主体71具有第一方位关系。需要进行胫骨高位截骨或股骨远端截骨时，调整凸起91和凹槽92的配合关系可使锯末端工具23d与主体71具有第二方位关系。在一种可选的实施方式中，凸起91设置于末端工具23d的连接端362，凹槽92设置于夹紧部81。在一种可选的实施方式中，如图62和图63所示，图62和图63为本公开实施例的为第二种末端工具23d与夹紧结构8的示意图。凸起91a和凹槽92a的形状不同于上述(图14所示的实施方式)。凸起91a为一个条状，凹槽92a具有间隔90度设置的两个容纳空间921，条状的凸起91a在两个容纳空间921中分别对应末端工具23d与主体71的第一连接关系和第二连接关系。如图62所示的状态使末端工具23d与主体71具有第一连接关系；如图63所示的状态使末端工具23d与主体71具有第二连接关系。

如图53、图54以及图64所示，在本实施例中，末端示踪器包括第一示踪器721和第二示踪器722。第一示踪器721固定设置于主体71的第二端702，第一示踪器721上的示踪元件723可拆卸，末端工具23d与主体71具有第一连接关系时由第一示踪器721指示方位。第二示踪器722可拆卸连接于主体71的第二端702，末端工具23d与主体71具有第二连接关系时由第二示踪器722指示方位。

在临床手术中，末端工具23d与主体71具有第一连接关系时，末端工具23d由患者前侧(患者屈膝的膝关节上方)指向膝关节，此时的膝关节执行器7高于屈膝状态的患者腿部，第一示踪器721与主体71相对于患者的高度基本一致。导航系统60位于主体71的对侧，可识别第一示踪器721的位置信息，控制器40根据第一示踪器721的位置信息获得锯片的位置信息，以控制膝关节执行器7将末端工具23d定位至目标截骨平面。

末端工具23d与主体71具有第二连接关系时，将第一示踪器721上的示踪元件723拆除，第二示踪器722与主体71的第二端702连接。第二示踪器722位于第一示踪器721的远离所述第三接口712的方向的一侧。这样，在手术空间内，在膝关节执行器7位于屈膝状态下的胫骨T近端处时，第二示踪器722能够高于屈膝状态的患者下肢，处于第二示踪器722对侧的导航系统60能够无遮挡地识别到第二示踪器722的位置信息。在对末端工具23d平面进行校验时的验证架同样需要面对导航系统60，末端工具23d与主体71更靠近，验证架安装于末端工具23d时可能遮挡第一示踪器721，第二示踪器722的设置，也使末端工具23d安装验证架时也不会阻挡第二示踪器722被导航系统60识别的视线。

在一种可选的实施方式中，末端示踪器可只包含第一示踪器721。在进行全膝关节置换、胫骨高位截骨或股骨远端截骨时，末端工具23d与主体具有第一连接关系或第二连接关系，定位系统均通过第一示踪器721的位姿确定末端工具23d在手术空间中的位姿。只设置第一示踪器721的情况下，只需要保证进末端工具23d与执行器具有第二连接关系时，屈膝状态的患者腿部或验证架不会阻挡导航系统60识别第一示踪器721的视线即可。如可以在图49所示的第一示踪器721的基础上增加其沿Y轴正向的高度。

如图53、图54、图64及图65所示，图64为第二示踪器722与主体71示意图。图65为第二示踪器结构示意图。在本实施例中，第二示踪器722通过可拆固定结构实现与主体71第二端702的连接，可拆固定结构包括插拔组件和锁紧件103，插拔组件包括插销件101和套件102，插销件101与所述套件102插接时，第二示踪器722相对于主体71具有沿与插接方向相反方向移动的剩余自由度。锁紧件103用于沿垂直于所插接方向的方向进给，以限制第二示踪器722相对于主体71的剩余自由度。

继续参考图64和图65，具体的，插销件101设置于主体71，为燕尾型插块。套件102设置于第二示踪器722，为燕尾槽。插销件101与套件102插接时，第二示踪器722相对于主体71在插接方向上具有不固定的剩余自由度。锁紧件103为顶丝结构，锁紧件103固定剩余自由度时，锁紧件103贯穿插槽底面与插销件101表面顶紧接触，限制第二示踪器722沿插接方向的反方向脱离主体71。

如图49至图54、图64及图65所示，末端示踪器包括示踪架724和示踪部分，示踪架724与执行器主体71连接，示踪部分包括多个与示踪架724连接的示踪元件723，多个示踪元件723沿平面排列，沿平面排列的多个示踪元件723记确定一个平面，该平面由导航系统60识别并据此反映末端工具23d的方位。

在一种可选的实施方式中，膝关节执行器7的主体71上不设置手柄部73。这样，操作者可以把持主体71的第二侧704来控制膝关节执行器7的位姿改变或移动。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本公开作了详尽的描述，但在本发申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本公开精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本公开要求保护的范围。

Claims (29)

1.一种关节手术系统，其特征在于，包括：

末端工具，用于执行预定手术动作；

机器人臂，用于把持所述末端工具并控制所述末端工具的运动和位姿；

控制器，用于接收输入的第一模式信号以及第二模式信号，所述控制器响应于所述第一模式信号控制关节手术系统进入髋关节模式，所述控制器响应于所述第二模式信号控制关节手术系统进入膝关节模式。

2.根据权利要求1所述的关节手术系统，其特征在于，所述髋关节模式下，所述控制器用于控制所述末端工具在髋关节处制备假体安装的空间和植入假体；所述膝关节模式下，所述控制器用于控制所述末端工具在膝关节处截骨。

3.根据权利要求1所述的关节手术系统，其特征在于，所述髋关节模式或膝关节模式下，所述控制器用于在接收到第一信号时，产生使所述机器人臂进入牵引模式的控制信号，以及在检测不到所述第一信号时，产生使所述机器人臂进入静止模式的控制信号；

其中，所述牵引模式下所述机器人臂能够在外力牵引下移动，所述静止模式下所述机器人臂将所述末端工具保持当前位姿；

在所述静止模式下，所述控制器还用于在接收到第二信号时，产生控制所述机器人臂自动将所述末端工具调整至与目标位姿关联的对准位姿的控制信号。

4.根据权利要求3所述的关节手术系统，其特征在于，所述髋关节模式下，所述在所述静止模式下进一步为：所述机器人臂在所述控制器的控制下将所述末端工具保持在与目标位姿关联的预对准范围内。

5.根据权利要求4所述的关节手术系统，其特征在于，所述髋关节模式下，所述控制器被进一步编程以：根据所述目标位姿确定所述预对准范围和所述对准位姿。

6.根据权利要求4所述的关节手术系统，其特征在于，所述髋关节模式下，所述控制器被进一步编程以：允许所述预对准范围内末端工具的轴线与目标位姿的轴线的存在偏差。

7.根据权利要求3所述的关节手术系统，其特征在于，所述髋关节模式下，所述控制器被进一步配置为：所述机器人臂将所述末端工具调整至所述对准位姿后且控制器接收到第三信号时，产生使所述机器人臂进入直线模式的控制信号，其中，所述直线模式下所述机器人臂的末端能够在外力作用下沿直线运动。

8.根据权利要求7所述的关节手术系统，其特征在于，所述髋关节模式下，所述机器人臂的末端沿直线运动时所述末端工具移动的路径与所述末端工具的旋转轴线重合；所述直线运动过程中，所述末端工具的轴线与所述目标位姿的轴线重合。

9.根据权利要求3所述的关节手术系统，其特征在于，所述膝关节模式下，具有对准位姿的所述末端工具与目标截骨面位于同一平面。

10.根据权利要求9所述的关节手术系统，其特征在于，所述膝关节模式下，所述控制器被进一步配置为：所述机器人臂将所述末端工具调整至所述对准位姿后且控制器接收到第四信号时，产生使所述机器人臂进入平面模式的控制信号，其中，所述平面模式下所述机器人臂的末端以及末端工具能够在外力作用下在目标截骨面所在的平面内运动。

11.根据权利要求1所述的关节手术系统，其特征在于，所述系统还包括髋关节执行器和膝关节执行器，所述髋关节执行器用于在髋关节模式下将所述末端工具连接至所述机器人臂；所述膝关节执行器用于在膝关节模式下将所述末端工具连接至所述机器人臂。

12.根据权利要求11所述的关节手术系统，其特征在于，所述髋关节执行器包括：

第一执行器，用于连接切削工具以加工髋臼和/或髓腔，所述第一执行器具有第一接口和第二接口；以及

第二执行器，用于在执行假体植入操作时连接至所述第一执行器的第二接口，所述第二执行器用于连接假体和接受安装假体的冲击；其中，

所述第一执行器用于通过所述第一接口安装至机器人臂。

13.根据权利要求12所述的关节手术系统，其特征在于，所述第二执行器连接至所述第一执行器时，用于连接假体的结构与用于连接切削工具的结构平行。

14.根据权利要求12所述的关节手术系统，其特征在于，所述第一接口和所述第二接口分布于所述第一执行器的两端。

15.根据权利要求12所述的关节手术系统，其特征在于，所述第一执行器包括动力装置和工具组件，所述工具组件与所述动力装置之间可拆卸连接，所述第一接口设置于所述动力装置。

16.根据权利要求15所述的关节手术系统，其特征在于，所述动力装置包括内设的动力组件，所述动力组件包括动力源和输出轴，所述输出轴与所述动力源连接；

所述工具组件包括连接部和手术工具，所述手术工具可转动地设置于所述连接部，所述工具组件通过所述连接部可拆卸地设置于所述动力装置；其中，

所述工具组件通过所述连接部与所述动力装置连接时，所述手术工具与所述输出轴形成接合以接收所述输出轴输出的转动运动。

17.根据权利要求16所述的关节手术系统，其特征在于，所述手术工具相对于所述输出轴沿轴向的插入或套接动作形成所述接合。

18.根据权利要求16所述的关节手术系统，其特征在于，所述手术工具与所述动力装置之间还设置有径向定位结构。

19.根据权利要求16所述的关节手术系统，其特征在于，所述连接部与所述动力装置间设置有定位模块，所述定位模块使所述连接部和所述动力装置之间形成预定作用力。

20.根据权利要求12所述的关节手术系统，其特征在于，所述第二执行器为假体安装执行器，包括：

滑杆，所述滑杆的一端用于连接假体，所述滑杆的另一端用于接受安装所述假体时的冲击力；

支撑组件，包括耦合部，所述耦合部容纳所述滑杆的部分杆段，所述滑杆相对于所述支撑组件轴向可动；所述支撑组件用于将所述第二执行器连接于机器人系统的机器人臂；以及

末端示踪器，设置于所述滑杆以指示所述滑杆的方位。

21.根据权利要求20所述的关节手术系统，其特征在于，所述第二执行器还包括轴向缓冲机构，所述滑杆受到轴向冲击时所述轴向缓冲机构形成所述滑杆与所述支撑组件之间的轴向缓冲。

22.根据权利要求21所述的关节手术系统，其特征在于，所述滑杆与所述支撑组件之间设置有轴向限位结构，所述轴向缓冲机构设置于所述支撑组件与所述轴向限位结构之间。

23.根据权利要求22所述的关节手术系统，其特征在于，所述耦合部为贯穿所述支撑组件的通道，所述轴向缓冲机构包括2个缓冲件，2个所述缓冲件分别位于所述通道的两端。

24.根据权利要求11所述的关节手术装置，其特征在于，所述膝关节执行器包括：

主体，具有第一接口、第三接口和动力机构，所述第一接口用于连接机器人臂，所述第三接口用于连接锯片，所述动力机构设置于所述主体内部，所述动力机构用于向所述第三接口提供动力；

末端示踪器，设置于所述主体，用于指示所述锯片的方位；其中

所述第三接口被配置为其可以与所述锯片之间形成第一连接关系或第二连接关系，在所述第一连接关系下所述锯片与所述主体之间具有第一相对方位关系，所述第二连接关系下所述锯片与所述主体之间具有第二相对方位关系。

25.根据权利要求24所述的关节手术系统，其特征在于，所述第一相对方位关系为所述锯片与所述主体具有第一夹角值，所述第二相对方位关系为所述锯片与所述主体具有第二夹角值。

26.根据权利要求25所述的关节手术系统，其特征在于，所述第一相对方位关系为所述锯片垂直于所述主体，所述第二相对方位关系为所述锯片平行于所述主体。

27.根据权利要求26所述的关节手术系统，其特征在于，所述第一接口位于所述主体的第一端，所述第三接口位于所述主体的第一侧，所述第三接口位于所述主体的所述第一侧的靠近第二端的位置，所述第二端和所述第一端为所述主体的两个末端。

28.根据权利要求27所述的关节手术系统，其特征在于，在所述第一连接关系下，所述锯片的切削端从所述主体的所述第一侧远离所述主体延伸，在所述第二连接关系下，所述锯片的切削端的指向与所述主体的所述第一端的朝向相反。

29.根据权利要求28所述的关节手术系统，其特征在于，所述锯片的平面与所述主体的虚拟纵剖面平行设置，所述虚拟纵剖面与所述末端臂的轴线平行。