姿态，并且其中所述多个模块中的至少另一个模块是运动控制模块，所述运动 控制模块被构造成用以确定接头角度，所述接头角度根据所述受控姿态来定位所述能量施 加器。
9. 根据权利要求8所述的外科操纵器，其中所述运动控制模块进一步被构造成用以确 定两个或更多个可能碰撞的联结件之间的最小距离。
10. 根据权利要求9所述的外科操纵器，其中所述运动控制模块进一步被构造成用以 生成干涉限制力，所述干涉限制力将沿着所述可能碰撞的联结件之间的最小距离的线施 加，以防止所述外科操纵器运动成导致所述最小距离减小。
11. 根据权利要求10所述的外科操纵器，其中在联结件之间的所述最小距离被超过的 情况下，所述运动控制模块生成所述干涉限制力。
12. 根据权利要求8所述的外科操纵器，其中所述行为控制模块被构造成用以将所述 外科器械和所述能量施加器模拟成具有虚拟质量和虚拟惯量的虚拟刚性本体。
13. 根据权利要求12所述的外科操纵器，其中所述行为控制模块被构造成用以将所述 多个力和转矩信号选择性地施加到所述虚拟刚性本体，以模拟所述能量施加器的取向和运 动。
14. 根据权利要求12所述的外科操纵器，其中所述行为控制模块进一步被构造成用以 确定总力和总转矩，其中所述总力和总转矩施加到所述虚拟刚性本体的重心。
15. 根据权利要求14所述的外科操纵器，其中所述行为控制模块包括总力加法器模 块，所述总力加法器模块被构造成用以基于所述多个力和转矩信号来计算所述总力和所述 总转矩。
16. 根据权利要求14所述的外科操纵器，其中所述总力和所述总转矩是器械力矢量、 取向力矢量和环境力的和。
17. 根据权利要求16所述的外科操纵器，其中所述器械力矢量是具有三个不同力和三 个不同转矩的矢量，所述器械力矢量选择性地施加到所述虚拟刚性本体以模拟所述能量施 加器在特定速度下的前进，并且其中所述取向力矢量是力和转矩矢量，所述力和转矩矢量 选择性地施加到所述虚拟刚性本体以模拟所述器械的轴线朝向对中点的重新定位，并且其 中所述环境力是加权和。
18. 根据权利要求16所述的外科操纵器，其中所述行为控制模块还包括工具路径力计 算器模块，所述工具路径力计算器模块被构造成用以确定所述器械力矢量和所述取向力矢 量。
19. 根据权利要求16所述的外科操纵器，其中当处于手动模式时，所述器械力和所述 取向力被设定为零。
20. 根据权利要求16所述的外科操纵器，其中所述行为控制模块还包括环境力加法 器，所述环境力加法器被构造成用以确定所述环境力。
21. 根据权利要求20所述的外科操纵器，其中所述环境力加法器被构造成用以接收多 个力输入，这些力输入包括以下力输入中的一种或多种：接头限制力、干涉限制力、工作空 间边界力、外力和阻尼力。
22. 根据权利要求21所述的外科操纵器，其中通过对所述多个力输入求和来确定所述 环境力。
23. 根据权利要求20所述的外科操纵器，其中所述环境力加法器被构造成用以通过将 系数施加到所述多个力输入中的每个力输入而选择性地平衡每个力输入的相对贡献。
24. 根据权利要求23所述的外科操纵器，其中所述系数随着手动操作模式和半自动操 作模式之间的过渡而变化，使得所述系数在所述过渡之后的时间间隔内增大或减小。
25. -种外科操纵器，其用于操纵外科器械和从所述外科器械延伸的能量施加器，所述 外科操纵器包括： 至少一个臂，所述至少一个臂在一个端部处连接到所述外科器械，所述至少一个臂具 有多个联结件，其中两个联结件之间的角度形成接头角度；以及 至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造成用以： 将所述外科器械和所述能量施加器模拟为虚拟刚性本体； 基于多个力和转矩信号的和来确定所述能量施加器的受控姿态，其中所述多个力和转 矩信号选择性地施加到所述虚拟刚性本体以模拟所述能量施加器的取向和运动；以及 确定受控接头角度，所述受控接头角度根据所述受控姿态来定位所述能量施加器。
26. 根据权利要求25所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器被构造成用以控制 所述外科操纵器处于手动模式或半自动模式的操作。
27. 根据权利要求26所述的外科操纵器，其中通过选择性地调节所述多个力和转矩信 号来控制所述外科操纵器处于手动模式或半自动模式的操作。
28. 根据权利要求26所述的外科操纵器，其中在手动模式中，所述多个力和转矩信号 包括由执业医师施加到所述外科器械的力和转矩，其中由执业医师施加的所述力和转矩表 明执业医师对所述外科器械的期望定位，并且其中所述至少一个控制器通过根据所述受控 姿态定位所述外科器械而模拟执业医师对所述外科器械的期望定位。
29. 根据权利要求26所述的外科操纵器，其中在半自动模式中，所述多个力和转矩信 号包括涉及使所述外科器械沿着预定路径前进并保持所述外科器械的取向的力和转矩。
30. 根据权利要求29所述的外科操纵器，其中在半自动模式中，所述至少一个控制器 被构造成用以使得执业医师能够在所述外科器械沿着所述预定路径前进时将所述外科器 械进行重新取向。
31. 根据权利要求29所述的外科操纵器，其中在半自动模式中，所述至少一个控制器 被构造成用以使得执业医师能够在所述外科器械沿着所述预定路径前进时调节所述外科 器械的进给速率。
32. 根据权利要求25所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器被构造成用以通过 将系数施加到所述多个力中的每个力而选择性地平衡求和的所述多个力中每个力的相对 贡献。
33. -种用于控制外科操纵器的外科器械的方法，其中所述外科操纵器包括至少一个 臂，所述至少一个臂在一个端部处连接到所述外科器械，并且其中所述至少一个臂包括多 个联结件，并且其中两个联结件之间的角度形成接头角度，并且其中能量施加器从所述外 科器械延伸，所述方法包括以下步骤： 将所述外科器械和所述能量施加器模拟为虚拟刚性本体； 基于多个力和转矩信号的和来确定所述能量施加器的受控姿态，其中所述多个力和转 矩信号选择性地施加到所述虚拟刚性本体以模拟所述能量施加器的取向和运动；以及 确定受控接头角度，所述受控接头角度根据所述受控姿态来定位所述能量施加器。
34. 根据权利要求33所述的方法，其还包括确定受控速度，所述能量施加器以所述受 控速度前进，其中基于所述多个力和转矩信号的和来确定所述受控速度。
35. 根据权利要求33所述的方法，其还包括控制所述外科操纵器处于手动模式或半自 动模式的操作。
36. 根据权利要求35所述的方法，其还包括通过选择性地调节所述多个力和转矩信号 来控制所述外科操纵器处于手动模式或半自动模式的操作。
37. 根据权利要求36所述的方法，其还包括基于所述外科操纵器以手动模式操作还是 以半自动模式操作来选择性地调节所述多个力和转矩信号。
38. 根据权利要求36所述的方法，其中选择性地调节所述多个力和转矩信号包括以下 步骤中的一个或多个：将加权系数施加到一个或多个力或转矩信号；将一个或多个力或转 矩信号的值设定为零；以及增大或减小一个或多个力或转矩信号。
39. 根据权利要求36所述的方法，其还包括计算总力和总转矩，其中所述总力和总转 矩施加到所述虚拟刚性本体的重心。
40. 根据权利要求39所述的方法，其中所述总力和所述总转矩是器械力矢量、取向力 矢量和环境力的和。
41. 根据权利要求40所述的方法，其中所述器械力矢量是具有三个不同力和三个不同 转矩的矢量，所述器械力矢量选择性地施加到所述虚拟刚性本体以模拟所述能量施加器在 特定速度下的前进，并且其中所述取向力矢量是力和转矩矢量，所述力和转矩矢量选择性 地施加到所述虚拟刚性本体以模拟所述外科器械的轴线朝向对中点的重新定位，并且其中 所述环境力是加权和。
42. 根据权利要求40所述的方法，其中所述环境力包括多个力输入，这些力输入包括 以下力输入中的一种或多种：接头限制力、干涉限制力、工作空间边界力、外力和阻尼力。
43. 根据权利要求42所述的方法，其中确定所述环境力包括对所述多个力输入求和。
44. 根据权利要求42所述的方法，其还包括通过将系数施加到所述多个力输入中的每 个力输入而选择性地平衡每个力输入的相对贡献。
45. 根据权利要求44所述的方法，其还包括随着手动操作模式和半自动操作模式之间 的过渡而改变所述系数，使得所述系数在所述过渡之后的时间间隔内增大或减小。
46. -种外科操纵器，其用于操纵外科器械和从所述外科器械延伸的能量施加器，所述 外科操纵器包括： 工具路径力计算器模块，所述工具路径力计算器模块被构造成用以计算器械力矢量和 取向力矢量； 环境力加法器模块，所述环境力加法器模块被构造成用以通过对多个力输入求和来确 定环境力； 力加法器模块，所述力加法器模块被构造成用以基于所述器械力矢量、所述取向力矢 量和所述环境力的和来确定总力和总转矩；以及 切割引导件模块，所述切割引导件模块被构造成用以基于所述总力和所述总转矩来确 定所述能量施加器的受控姿态。
47. 根据权利要求46所述的外科操纵器，其中所述外科器械和所述能量施加器被模拟 成虚拟刚性本体。
48. 根据权利要求47所述的外科操纵器，其中所述器械力矢量表示施加到所述虚拟刚 性本体以使所述能量施加器前进到目标位置的一组力和转矩，并且其中所述取向力矢量表 示施加到所述虚拟刚性本体以保持所述能量施加器的期望取向的一组力和转矩。
49. 根据权利要求47所述的外科操纵器，其中所述多个力输入包括以下力输入中的一 种或多种：接头限制力、干涉限制力、工作空间边界力、外力和阻尼力。
50. 根据权利要求49所述的外科操纵器，其中所述干涉限制力是将沿着所述外科操纵 器的可能碰撞的联结件之间的最小距离的线施加的力，并且其中所述力防止所述外科操纵 器运动成导致两个或更多个可能碰撞的联结件之间的所述最小距离减小。
51. 根据权利要求50所述的外科操纵器，其中所述外科操纵器还包括运动控制模块， 所述运动控制模块被构造成用以确定所述外科操纵器的两个或更多个可能碰撞的联结件 之间的所述最小距离，并且其中所述联结件包括所述外科操纵器的任何结构构件，由于所 述操纵器的接头的运动而使得这些结构构件可能与所述外科操纵器的另一个部件碰撞。
52. 根据权利要求51所述的外科操纵器，其中在联结件之间的所述最小距离被超过的 情况下，所述运动控制模块生成所述干涉限制力。
53. 根据权利要求46所述的外科操纵器，其中所述外科操纵器被构造成用以以手动模 式或半自动模式操作。
54. 根据权利要求53所述的外科操纵器，其中当处于手动模式时，所述器械力和所述 取向力设定为零。
55. 根据权利要求49所述的外科操纵器，其中所述外力包括施加到所述外科操纵器的 力，包括施加到所述外科器械和所述能量施加器的力。
56. 根据权利要求55所述的外科操纵器，其中所述外力还包括所述能量施加器施加到 的组织的抵抗作用。
57. 根据权利要求55所述的外科操纵器，其中所述外力还包括当所述外科操纵器以手 动模式操作时由执业医师施加到所述外科器械的力和转矩。
58. 根据权利要求55所述的外科操纵器，其中所述操纵器还包括运动控制模块，所述 运动控制模块被构造成用以计算所述外力。
59. 根据权利要求58所述的外科操纵器，其中所述外力包括反向驱动力。
60. 根据权利要求59所述的外科操纵器，其中所述运动控制模块被构造成用以基于所 述反向驱动力以及施加到所述外科器械和所述能量施加器的力和转矩的组合来确定所述 外力。
61. 根据权利要求60所述的外科操纵器，其中施加到所述外科器械和所述能量施加器 的所述力和转矩通过所述外科器械上的传感器进行测量。
62. 根据权利要求59所述的外科操纵器，其中所述运动控制模块被构造成用以： 确定期望接头转矩与实际接头转矩之间的差； 将期望接头转矩与实际接头转矩之间的所述差与阈值进行比较；以及 当所述差小于所述阈值时将所述反向驱动力设定为零。
63. 根据权利要求62所述的外科操纵器，其中所述期望接头转矩是与所述接头的期望 运动相一致的转矩的估计。
64. 根据权利要求63所述的外科操纵器，其中所述运动控制模块包括期望动力学模 块，所述期望动力学模块被构造成用以基于施加到接头马达的电流与转矩传感器输出的组 合来计算所述期望接头转矩。
65. 根据权利要求62所述的外科操纵器，其中所述期望接头转矩和所述实际接头转矩 之间的所述差施加到所述虚拟刚性本体。
66. -种用于控制外科操纵器的方法，所述方法包括以下步骤： 将能量施加器和外科器械模拟为虚拟刚性本体； 基于所述虚拟刚性本体计算器械力矢量和取向力矢量； 基于多个力输入的和确定环境力； 基于所述器械力矢量、所述取向力矢量和所述环境力的和来确定总力和总转矩；以及 基于所述总力和所述总转矩来确定所述能量施加器的受控姿态。
67. 根据权利要求66所述的方法，其中所述器械力矢量表示施加到所述虚拟刚性本体 以使所述能量施加器前进到目标位置的一组力和转矩，并且其中所述取向力矢量表示施加 到所述虚拟刚性本体以保持所述能量施加器的期望取向的一组力和转矩。
68. 根据权利要求67所述的方法，其中所述多个力输入包括以下力输入中的一种或多 种：接头限制力、干涉限制力、工作空间边界力、外力和阻尼力。
69. 根据权利要求68所述的方法，其中所述干涉限制力是将沿着所述外科操纵器的可 能碰撞的联结件之间的最小距离的线施加的力，并且其中所述力防止所述外科操纵器运动 成导致两个或更多个可能碰撞的联结件之间的所述最小距离减小。
70. 根据权利要求69所述的方法，其中所述联结件包括所述外科操纵器的任何结构构 件，由于所述操纵器的接头的运动而使得这些结构构件可能与所述外科操纵器的另一个部 件碰撞。
71. 根据权利要求70所述的方法，在联结件之间的所述最小距离被超过的情况下，生 成所述干涉限制力。
72. 根据权利要求66所述的方法，其还包括以手动模式或半自动模式操作所述外科操 纵器。
73. 根据权利要求72所述的方法，其中当处于手动模式时，所述器械力和所述取向力 被设定为零。
74. 根据权利要求66所述的方法，其中所述外力包括施加到所述外科操纵器的力，包 括施加到所述外科器械和所述能量施加器的力。
75. 根据权利要求74所述的方法，其中所述外力还包括所述能量施加器施加到的组织 的抵抗作用。
76. 根据权利要求70所述的方法，其中所述外力还包括当所述外科操纵器以手动模式 操作时由执业医师施加到所述外科器械的力和转矩。
77. 根据权利要求69所述的方法，其中所述外力包括反向驱动力。
78. 根据权利要求77所述的方法，其还包括基于所述反向驱动力以及施加到所述外科 器械和所述能量施加器的力和转矩的组合来确定所述外力。
79. 根据权利要求78所述的方法，其还包括利用安装到所述外科器械的传感器来测量 施加到所述外科器械和所述能量施加器的所述力和转矩。
80. 根据权利要求79所述的方法，还包括以下步骤： 确定期望接头转矩与实际接头转矩之间的差； 将期望接头转矩与实际接头转矩之间的所述差与阈值进行比较；以及 当所述差小于所述阈值时将所述反向驱动力设定为零。
81. 根据权利要求80所述的方法，其中所述期望接头转矩是与所述接头的期望运动相 一致的转矩的估计。
82. 根据权利要求81所述的方法，其还包括基于施加到接头马达的电流与转矩传感器 输出的组合来计算所述期望接头转矩。
83. 根据权利要求80所述的方法，其还包括将所述期望接头转矩和所述实际接头转矩 之间的所述差施加到所述虚拟刚性本体。
84. -种外科操纵器，其用于操纵外科器械和从所述外科器械延伸的能量施加器，所述 外科操纵器包括： 至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造成用以将外科器械和能量施加器模拟为 虚拟刚性本体；以及 切割引导件模块，所述切割引导件模块被构造成用以确定所述能量施加器的受控姿 态，其中所述受控姿态是基于总力和总转矩，其中所述总力和总转矩选择性地施加到所述 虚拟刚性本体以模拟所述能量施加器的姿态。
85. 根据权利要求84所述的外科操纵器，其中所述外科操纵器被构造成用以以手动模 式或半自动模式操作。
86. 根据权利要求85所述的外科操纵器，其还包括传感器，所述传感器被构造成用以 测量暴露给所述能量施加器的力和转矩。
87. 根据权利要求86所述的外科操纵器，其中所述传感器被构造成用以检测与障碍相 关的力。
88. 根据权利要求87所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器基于检测到的力将 所述外科器械和能量施加器重新取向。
89. 根据权利要求88所述的外科操纵器，其中在保持所述能量施加器的远侧端部的位 置的同时，所述能量施加器进行重新取向。
90. 根据权利要求88所述的外科操纵器，其中将所述能量施加器重新取向包括：在保 持所述远侧端部的姿态的同时，使所述外科器械和能量施加器绕所述能量施加器的远侧端 部枢转。
91. 根据权利要求86所述的外科操纵器，其还包括至少一个控制器，所述至少一个控 制器被构造成用以监测所述传感器的输出并确定所述输出是否超过阈值。
92. 根据权利要求91所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器被构造成用以在所 述输出超过所述阈值的情况下使所述外科操纵器从所述半自动操作模式过渡到所述手动 操作模式。
93. 根据权利要求92所述的外科操纵器，其中所述力和转矩由执业医师施加。
94. 根据权利要求85所述的外科操纵器，其还包括环境力加法器模块，所述环境力加 法器模块被构造成用以通过对多个力输入求和来确定环境力，所述多个力输入包括由执业 医师施加到所述外科器械的外力。
95. 根据权利要求85所述的外科操纵器，其还包括工具路径力计算器模块，所述工具 路径力计算器模块被构造成用以计算器械力矢量和取向力矢量，其中所述器械力矢量表示 施加到所述虚拟刚性本体以使所述能量施加器前进到目标位置的一组力和转矩，并且其中 所述取向力矢量表示施加到所述虚拟刚性本体以保持所述能量施加器的期望取向的一组 力和转矩。
96. 根据权利要求95所述的外科操纵器，其中在所述半自动模式中，所述工具路径力 计算器模块被构造成用以使得执业医师能够在所述外科器械沿着所述预定路径前进时将 所述外科器械进行重新取向。
97. 根据权利要求95所述的外科操纵器，其中在半自动模式中，所述工具路径力计算 器模块被构造成用以使得执业医师能够在所述外科器械沿着所述预定路径前进时调节所 述外科器械的进给速率。
98. 根据权利要求97所述的外科操纵器，其中所述工具路径力计算器模块被构造成用 以限定位于所述能量施加器的远侧端部上方的基准表面。
99. 根据权利要求98所述的外科操纵器，其中所述基准表面是与所述外科器械的纵向 轴线垂直的平面。
100. 根据权利要求99所述的外科操纵器，其中所述基准表面包括孔口，所述孔口绕着 对中点进行对中，所述纵向轴线与所述基准表面在所述孔口处相交。
101. 根据权利要求100所述的外科操纵器，其中与所述对中点所在的点以及所述纵向 轴线和所述基准表面相交的点相交的轴线被称为公共轴线。
102. 根据权利要求101所述的外科操纵器，其还包括确定取向恢复力，所述取向恢复 力在施加到所述虚拟刚性本体时引起所述外科器械运动，而使得所述公共轴线朝向所述对 中点运动。
103. -种用于控制外科操纵器的方法，所述方法包括以下步骤： 将所述外科操纵器的能量施加器和外科器械模拟为虚拟刚性本体；以及 确定所述能量施加器的受控姿态，其中所述受控姿态是基于总力和总转矩，其中所述 总力和总转矩选择性地施加到所述虚拟刚性本体以模拟所述能量施加器的姿态。
104. 根据权利要求103所述的方法，其还包括以手动模式或半自