断电时，操纵器控制器124将制动器103从解锁状态设定到锁定状态。从而，当 操纵器50断电时，制动器103是与肩部67和69以及臂68和70成一体的防止臂进行运动 的部件。
[0084] 减速齿轮105将马达转子（未示出）的输出轴的旋转运动转换为旋转力矩，以驱 动与马达附接的肩部67或69或者联结件74或76。在本发明的某些形式中，减速齿轮是谐 波齿轮传动机构。减速齿轮组件105的输出轴107示出为连接到上部联结件74。在本发明 的某些形式中，马达、旋转编码器、制动器和减速齿轮组件是单个单元。
[0085] 虽然没有示出，但是与每个致动器成一体的是分动齿轮组件。与致动器92成一体 的分动齿轮组件包括使相关的肩部67或69旋转的齿轮。与致动器94成一体的分动齿轮 组件包括使上部联结件74枢转的齿轮。与致动器96成一体的分动齿轮组件包括使驱动联 结件76枢转的齿轮。分动齿轮组件是大致"零反冲"齿轮组件。这意味着在互锁的齿轮之 间基本上不存在松动。齿轮组件的这种特征有助于肩部67和69以及臂68和70的精确定 位。
[0086] 与每个臂68和70相关联的是三个上述旋转编码器112、114和116。图13D中示 出了每种编码器中的一个。每个旋转编码器112、114和116是传感器，该传感器监测与编 码器相关联的臂68或70的三个马达驱动的部件之一的角度位置。旋转编码器112监测臂 的肩部67或69的旋转。旋转编码器114监测臂的上部联结件74的旋转。旋转编码器116 监测臂的驱动联结件76的旋转。
[0087] 在本发明的所述形式中，每个旋转编码器112、114和116分别监测与相关的致动 器92、94和96内部的马达101成一体的轴的旋转。（马达轴未示出）。每个致动器马达轴 的旋转与由马达驱动的肩部或臂联结件的旋转成正比例。每个旋转编码器112、114和116 监测相关的马达轴的转子旋转的程度以及旋转方向（顺时针或逆时针）。
[0088] 在本发明的其它形式中，每个编码器112、114和116监测将马达轴连接到通过马 达进行位移的肩部或臂联结件的分动齿轮组件的齿轮之一的旋转程度和旋转方向。在该齿 轮的旋转程度与通过相关的马达设定的接头的接头角度之间存在第一阶线性关系。作为另 外一种选择，每个编码器112、114和116是传感器，该传感器直接测量与该传感器相关联的 接头的接头角度。
[0089] 在本发明的某些优选形式中，编码器112、114和116是绝对编码器。在操纵器50 启动的情况下，绝对编码器生成立即表明编码器所监测的部件（马达转子轴或齿轮轴）的 位置的信号。在本发明的其它形式中，编码器是增量编码器。在操纵器50启动的情况下， 增量编码器设定到零状态。一旦设定在零状态，增量编码器就提供表明编码器所监测的部 件位移的程度的数据。对于这种类型的编码器，在使用操纵器之前，臂68和70可以运动到 起始或零状态位置。一旦臂这样运动，通过编码器保持的增量计数就归零。在清零过程之 后，通过马达输出的增量计数用来提供臂68和70的位置的推断指示。
[0090] 在本发明的某些优选形式中，旋转编码器112、114和116是多匝绝对编码器。在 测量360°的全旋转之后，这种类型的绝对编码器输出表明除了第一次或额外的360°旋 转之外还存在进一步的旋转角度的信号。例如，当编码器在监测的轴进行第三次旋转期间 测量到10°的旋转时，编码器输出表明轴已经经历了 730°旋转的信号。
[0091] 操纵器50包括两个额外的编码器，编码器117和118。编码器117和118与从动 联结件80相关联，该从动联结件与上部臂70成一体。在图13D中，编码器117和118示出 为处于上部臂从动联结件80内。编码器117和118生成表示腕部84相对于上部臂从动联 结件80的角度位置的信号。如上所述，腕部84相对于相邻的从动联结件以两个自由度旋 转。每个编码器117和118产生表示腕部绕着一个轴线的角度位置的信号，腕部绕着该轴 线旋转。
[0092] 端部执行器110刚性地附接到联接器88。在本发明的某些形式中，端部执行器可 移除地附接到联接器88。虽然没有示出或详细描述，但是应当理解，端部执行器110包括联 接组件111，该联接组件在图10示出，将外科器械160牢固地且可释放地保持到联接器88。 联接组件111被设计成用以确保当器械经受显著的力时这些力不会引起外科器械160相对 于端部执行器110滑动。端部执行器能够以一个或多个自由度进行运动。这样的端部执 行器可以包括在名称为 Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing(包括壳体、从壳体延伸的切割附件以及建 立切割附件相对于壳体的位置的致动器的外科器械）的美国专利申请No. 13/600, 888中公 开的外科器械，该专利申请以引用方式并入本文。
[0093] 联接器88还安装有传感器108,如图13D中象征性地示出。传感器108被构造成 用以输出可变信号，该可变信号随着端部执行器110所配置的力和转矩而变化。虽然在这 里没有描述传感器108的确切结构，但是应当理解，传感器是六自由度传感器。从而，传感 器108输出表示施加到器械或能量施加器的三个相互垂直的力和绕力的轴线的三个转矩 的信号。
[0094] 另外，小车52安装有操纵器控制器124和接头马达控制器126,它们在图11中以 方框的形式示出。操纵器控制器124可以是高速通用型数字计算机。一种这样的计算机是 可得自Concurrent Computer的iHawk计算机，其具有x8超微型主板。该计算机具有双四 核处理器。在本发明的某些形式中，操纵器控制器具有更少的或更多的处理核心。在本发明 的其它形式中，操纵器控制器124具有16个或更多个处理核心。操纵器控制器124通常还 具有多图形处理单元。在一个实施例中，操纵器控制器124基于来自力/转矩传感器108、 编码器112、114、116、117和118、外科导航系统210以及其它信息的数据来确定外科器械 160应当运动到的位置。基于该确定，操纵器控制器124确定每个臂形成的联结件为了重新 定位外科器械160而需要运动的程度。关于联结件将被定位的位置的数据被传递到接头马 达控制器126。
[0095] 每个接头马达控制器126调节激励信号到接头马达101中的单个接头马达的施 加。接头马达控制器126的主要功能是将激励信号施加到相关联的马达101，使得马达将 相关的接头驱动到接近以下讨论的受控接头角度的角度。来自旋转编码器114的信号用 作反馈信号，该反馈信号表示用以执行这种类型的马达调节的实际接头角度。某些控制器 126利用级联位置、速度和电流控制回路计算该激励信号。每个控制回路通常利用比例-积 分-微分控制来实施。表示向前进给转矩的信号通常加入到电流控制回路的输入中，以增 强控制器126的响应能力。
[0096] 在接头马达控制器126内具有驱动电路（未示出）。来自与操纵器成一体的电源 (电源未示出）的功率信号施加到该驱动电路。该驱动电路响应于最后的控制回路输出信 号而将功率信号转换为施加到马达101的合适的激励信号。在操纵器50的许多形式中，激 励信号为三相脉冲宽度调制（PWM)电压信号的形式。该信号通常具有幅值在10至200瓦 特之间的电压以及20至200kHz之间的PWM频率。驱动电路向电流控制回路供应返回表示 由马达101吸收的电流的信号。该信号作为测量的马达电流信号而被输出到在操纵器控制 器124上运行的其它软件模块。
[0097] 当马达101是永磁体同步马达时，控制器124还调节激励信号的施加，使得被驱动 的电流相对于转子位置处于正确的相位。这被称为马达整流。某些控制器基于场取向控制 技术来执行整流控制。为了执行这种电流信号调节，接头马达控制器126依赖于表示马达 转子的位置的信号。来自旋转编码器112、114和116的信号用作反馈信号。在本发明的一 种形式中，来自马萨诸塞州皮博迪的Harmonic Drive LLC的REL-230-36马达控制器用作 接头马达控制器126。
[0098] 触摸屏显示器128或其它用户输入/输出单元也安装到小车52。显示器128附 接到用户界面130,该用户界面也附接到小车。一种这样的用户界面130是来自德国威尔 的Beckhoff Automation的C6320触摸屏。用户界面130控制显示器128上的信息显示， 并且初始处理在显示器上输入的用户生成的命令。这些命令的大部分施加到操纵器控制器 124〇
[0099] 用户界面130是操纵器处理器，下垂物190输出的信号被传递到该操纵器处理器。 [0100] 小车52包括工具控制器132。工具控制器132将激励信号供应到外科器械160。 工具控制器132通常包括：电源；功率控制电路；用户界面；专用数据处理单元（这些部件 未示出）。电源将线电压转换为能够施加到外科器械160的功率信号。功率控制器电路将 功率信号选择性地施加到与器械160成一体的功率生成单元。用户界面130允许执业医师 输入有关他/她期望器械如何起作用的指令。工具控制器132接收在用户界面上输入的指 令以及操作该器械所需的其它数据。基于这些数据，工具控制器132输出激励信号，该激励 信号使得器械以执业医师指示的方式进行操作。工具控制器的更详细的讨论可见于名称为 CONTROL CONSOLE TO WHICH POWERED SURGICAL HANDPIECES ARE CONNECTED,THE CONSOLE CONFI⑶RED TO SMULTANEOUSLY ENERGIZE MORE THAN ONE AND LESS THAN ALL OF THE HANDPIECES(与动力外科手持件连接的控制台，该控制台被构造成用以模拟地使手持件中 的多于一个且少于所有的手持件通电）的美国专利No. 7, 422, 582,该专利的内容以引用方 式并入本文。
[0101] 在本发明的某些形式中，操纵器显示器128用作用户界面和用于工具控制器132 的输出显示器。用以设定和调节工具控制器132和器械160的操作设定的命令从用户界面 130传递到工具控制器132。
[0102] 如图8-10所不，外科器械160包括外壳162,该外壳是器械的外部本体。在外壳 162内具有功率生成单元163,该功率生成单元在图9中用虚线矩形表示。功率生成单元163 将从工具控制器132接收到的电能转换为合适的功率形式。如果例如器械160是机动化的 外科器械，那么功率生成单元163是器械的马达。如果器械振动，那么功率生成单元163是 转换引起期望机械振动的电能的部件。如果器械160输出光（光子）能，那么功率生成单 元是将电能转换为光能的单元。
[0103] 六个控制按钮安装到器械外壳160。两个按钮，按钮164和174,安装到外壳160 的相对侧上。按钮164和174是并联的常开瞬时接触开关。当执业医师期望致动器械160 时，执业医师按下按钮164或174中的任一个。由按钮164和174调节的电路的打开/关 闭状态通过用户界面130监测，其中的关系未示出。界面130将这些状态数据传递到操纵 器控制器124。操纵器控制器124部分地基于这些控制构件的状态将命令发送到工具控制 器132。基于这些命令，工具控制器132选择性地将激励信号施加到器械160内部的功率生 成单元163。两个按钮164和174设置成使得执业医师能够通过按下位于器械的任一侧上 的按钮来致动器械160。
[0104] 按钮166、168和170位于器械外壳162的前表面上。按钮166、168和170设置成 便于外科导航系统210的操作。外科导航系统的这种具体操作不是本发明的一部分。
[0105] 第六个按钮，按钮172,安装到器械的顶部。按钮172是瞬时接触按压按钮开关。 如下所述，当执业医师期望改变处于半自动模式的器械的取向时，按下按钮172。如以下将 变得明显的，器械取向的改变意味着，器械和能量施加器184进行重新定位，使得两个装置 绕能量施加器的远侧端部末端枢转，同时能量施加器184的远侧端部末端沿着处于半自动 模式时计划的路径继续前进。
[0106] 如图8所不，开关176可枢转地安装到器械外壳162。开关176安装到外壳162的 指向近侧的一侧上。开关176是常开瞬时接触开关。开关176是控制构件，当执业医师期 望手动地设定器械的姿态时，他/她按下该控制构件。应当理解，部件的"姿态"是该部件的 位置和取向。按钮172和开关176的打开/关闭状态由操纵器控制器124和用户界面130 监测，其中的关系未示出。
[0107] 从器械外壳162向前延伸的是能量施加器184。能量施加器184是这样一种部件， 即其将器械功率生成单元163输出的能量施加到将要在患者身上执行手术的部位。如果功 率生成单元163是马达，那么能量施加器184可以是钻头、锯条或钻孔锥。如果功率生成单 元是超声振动器，那么能量施加器184是末端。如果功率生成单元输出光子能量，那么能量 施加器184是某种类型的构件，其对于功率生成器发生的光的波长而言是透明的。总体上， 能量施加器184的远侧端部（通常称为远侧端部末端）是器械的能量施加器184的施加到 将要进行手术的组织上的部分。
[0108] 许多器械160包括联接组件，该联接组件在图9中用环182表示。联接组件将能 量施加器184可释放地保持到外壳162,并且将能量施加器184可释放地连接到功率生成单 元 163〇
[0109] 可以用作器械10的一种机动化外科器械以及互补的能量施加器184公开于名称 为CUTTING ATTACHMENT FOR SURGICAL HANDPIECE DESIGNED TO BE SELECTIVELY COUPLED TO THE HANDPIECE (用于外科手持件的切割附接件，其被设计成选择性地联接到该手持件） 的美国专利No. 6, 562, 055,该专利的内容明确地以引用方式并入本文。
[0110] 为了操纵器50模拟通过执业医师进行的器械定位，应当理解，器械和能量施加器 184被模拟成虚拟刚性本体。该虚拟刚性本体被认为具有虚拟质量。虚拟刚性本体的虚拟 质量通常与器械160和能量施加器184的实际质量大小大致相同。由于机械和电气限制， 虚拟质量通常大于实际质量。通过扩展，应当理解，虚拟刚性本体具有其自身的质心。在图 8中，质心用点165表示，该点是手持件外壳162内部的点。这是将被认为是实际器械的质 心的点。通常但不总是，该点在器械上或在器械内。这里，"质心"应理解为这样一个点，如 果力施加到器械的另一个点，那么器械和能量施加器184将绕该点旋转。虚拟刚性本体的 质心靠近但通常不是附接有能量施加器184的器械160的实际质心。
[0111] 可以通过经验确定虚拟刚性本体的质心。一旦器械和能量施加器184附接到操纵 器，就可以重设质心的位置，以适应各个执业医师的优选要求。
[0112] 现在参考图2A和2B描述的下垂物190还用来调节操纵器50的操作。如图2A所 示，下垂物190包括外壳191，该外壳的形状形成为能够一手保持。三个常开控制构件安装 到外壳。这些控制构件用来调节操纵器50的半自动操作。一个控制构件，触发器194,位 于外壳的下侧上。触发器194被按下，以将操作器置于操纵器执行器械160的半自动前进 的模式中。两个额外的控制构件，按钮193和195,位于外壳191的顶部表面上。按钮193 和195调节操纵器50在处于半自动模式时使器械前进的速率。一个按钮（按钮193)被按 下，以减缓半自动器械前进的速率。按钮195被按下，以增大半自动前进的速率。器械进行 半自动前进的速度被称为器械的进给速率。符合人体工程学地，下垂物190被设计成使得 执业医师能够用一只手的拇指和手指按下触发器194,同时，按下按钮193或按钮195。
[0113] 下垂物190包括额外的控制构件（未示出）。这些构件允许执业医师将命令和数 据输入到外科导航系统210中。缆线197将下垂物190连接到小车52。
[0114] 现在参考图1、11和13D描述与本发明的操纵器50-起使用的外科导航系统210。 外科导航系统210包括一个跟踪器，跟踪器212，其牢固地附着到患者600。通常，跟踪器212 牢固地附着到骨骼区段，该骨骼区段与将要施加器械能量施加器184的组织所处的位置相 邻。
[0115] 如图1所示，第二跟踪器，跟踪器214,牢固地附着到端部执行器110。因为通过操 纵器50定位的器械牢固地附着到端部执行器，跟踪器214有时候被称为工具跟踪器。
[0116] 定位器216从跟踪器212和214接收信号，或者将信号传递到跟踪器212和214。 如果定位器216从跟踪器212和214接收光信号，那么定位器可以被称为相机。外科导航 系统还包括导航处理器218。如果定位器216从跟踪器212和214接收到信号，那么定位 器基于跟踪器相对于定位器（定位器与处理器218的关系未示出）的位置和取向向处理器 218输出信号。如果跟踪器212和214从定位器216接收到信号，那么跟踪器基于跟踪器相 对于定位器的位置和取向向处理器218输出信号。基于接收到的信号，导航处理器218生 成表示跟踪器212和214相对于定位器216的相对位置和取向的数据。在本发明的某些形 式中，外科导航系统210可以包括2010年5月25日公布的名称为"Surgery System(外科 系统）"的Malackowski等人的美国专利No. 7, 725, 162中公开的跟踪器、传感器系统、定位 器和/或计算机系统，该专利以引用方式并入本文。
[0117] 如下所述，在开始手术之前，额外的数据加载到导航处理器218中。基于跟踪器 212和214的位置和取向以及之前加载的数据，导航处理器218确定器械能量施加器184的 远侧端部相对于能量施加器184施加到的组织的位置以及器械相对于能量施加器184施加 到的组织的取向。导航处理器218将这些数据传递到操纵器控制器124。
[0118] 导航处理器218还生成图像信号，该图像信号表明器械能量施加器184相对于外 科部位的相对位置。这些图像信号施加到界面220,该界面也为外科导航系统210的一部 分。基于这些信号，界面220生成图像，这些图像允许执业医师观察器械能量施加器184相 对于外科部位的相对位置。界面220包括允许输入命令的触摸屏或其它输入/输出装置。
[0119] 操纵器控制器124和导航处理器218配合以定位端部执行器110,使得能量施加 器184适当地定位在将要在患者600身上进行手术的部位处。作为该定位的一部分，操纵 器控制器124不将能量施加器184定位在限定的边界之外。为了执行这个过程，控制器124 和处理器218共同记录多个不同系统部件和患者600的姿态。每个部件的姿态可以考虑相 对于世界坐标系统进行跟踪。世界坐标系统具有原点和取向（即一组X轴、Y轴和Z轴）， 对于执行的手术而言，该原点和取向均是静态的。操纵器50的坐标系统是世界坐标系统， MNPL，如图12所示。在本发明的一种形式中，操纵器坐标系统MNPL的原点是沿着穿过与上 部臂70相关联的肩部69的轴线上的点。该点是肩部69旋转所绕的轴线与臂联结件74和 76旋转所绕的轴线的交点。在图12中，为了在操纵器上部臂70的结构和操纵器坐标系统 MNPL之间进行区分，坐标系统用虚线示出。
[0120] 与本发明相关的第二静态坐标系统是定位器216的坐标系统，LCLZ。
[0121] 每个被跟踪的部件都具有其自身的坐标系统，该坐标系统与坐标系统MNPL和坐 标系统LCLZ分开。这些坐标系统中的每一个都具有原点，该原点可以识别为相对于操纵器 坐标系统MNPL的原点的点。矢量限定了这些坐标系统中的每一个坐标系统的原点相对于 其它坐标系统中的另一个坐标系统的位置。从而，坐标系统的位置应当理解为坐标系统的 原点