系 统构造成通过铰接臂34对手术工具提供至少一些力，并且控制器经过编程以产生用于控 制力系统的控制信号。在一个实施方案中，力系统包括致动器和可反向驱动的传动，所 述传动提供触觉（或力）反馈以限制或抑制外科医生手动移动手术工具超出由触觉物 体限定的预定虚拟边界，例如在以下文献中所述：2006年2月21日提交的美国专利申请 No. 11/357, 197 (公布No. US 2006/0142657)和/或2009年12月22日提交的美国专利申 请No. 12/654, 591，所述文献各自据此以引用的方式整体并入本文。在一个优选实施方案 中，手术系统是由MAKO Surgical Corp. (Fort Lauderdale, Florida)制造的RiOfe机器人 臂交互式整形外科系统（.KJ〇、K> Robotic Arm Interactive Orthopedic System)。力系 统和控制器优选容纳于机器人臂30内。
[0061] 追踪装置8构造成追踪手术工具（耦合于机器人臂34)与患者解剖结构的相对位 置。手术工具可由追踪装置8直接追踪。或者，手术工具的姿态可通过追踪机器人臂30的 基座32的位置并基于来自机器人臂30接头的接头编码器数据和在手术工具与机器人臂30 之间的已知几何关系计算手术工具的姿态来确定。具体地说，追踪装置8 (例如光学、机械、 电磁或其它已知追踪系统）追踪（或能够确定）手术工具的姿态（即，位置和取向）和患 者的解剖结构，从而导航系统7知道工具与解剖结构之间的相对关系。
[0062] 在操作时，使用者（例如外科医生）手动移动机器人臂30以操纵手术工具（例如 具有操作构件的末端执行器40)来对患者执行手术任务，如骨切削或植入物安装。当外科 医生操纵工具时，追踪装置8追踪手术工具的位置并且机器人臂30提供触觉（或力）反馈 以限制外科医生移动工具超出配准于（或映射于）患者解剖结构的预定虚拟边界的能力， 此举将产生高度精确且可重复的骨切口和/或植入物安放。机器人臂30以被动方式操作 且在外科医生试图移动手术工具超出虚拟边界时提供触觉反馈。触觉反馈由机器人臂30 中的一个或多个致动器（例如马达）产生并且通过柔性传动（如电缆驱动传动）传导至外 科医生。当机器人臂30未提供触觉反馈时，机器人臂30可由外科医生自由移动并且优选 包括可在需要时由外科医生启动的虚拟制动器。在手术程序期间，导航系统7在一个或两 个显示器装置9上显示与手术程序相关的影像。
[0063] 末端执行器
[0064] 已开发出可构造成例如用于机器人臂30同时允许修改和执行不同功能的手术工 具。图4A-4C示出根据本发明的手术工具的一个实施方案。在此实施方案中，工具是构造 成安装于机器人臂30的末端的末端执行器40。末端执行器40包括安装部分50、外壳60、 耦合装置70和释放构件80。末端执行器40构造成相对于机器人臂30个别地且可互换地 支撑并且准确地定位多个操作构件。在图4A-4C中，末端执行器40耦合于操作构件100。
[0065] 安装部分（或支架）50优选将末端执行器40耦合于机器人臂30。具体地说，安装 部分50从外壳60延伸并构造成使用例如机械扣件将末端执行器40耦合至机器人臂30的 相应安装部分35,以使得安装部分相对于彼此固定。安装部分50可附接至外壳60或与外 壳60 -体形成并构造成相对于机器人臂30准确地且可重复地定位末端执行器40。在一个 实施方案中，安装部分50是半动态支架，如美国专利申请No. 12/644, 964中所述，所述美国 专利申请于2009年12月22日提交并且据此以引用的方式整体并入本文。
[0066] 外壳60构造成接纳操作构件100并为外科医生提供使用者界面。举例来说，如图 IOA和IOB中所示，外科医生抓握外壳60来操纵末端执行器40,以利用操作构件100来执 行任务。在此实施方案中，外壳60是中空长形圆柱体，其具有中心轴A-A、近端60a和远端 60b 〇
[0067] 参考图4B，为了在末端执行器40中安装操作构件100,外科医生将操作构件100 的轴干110的近端IOOa插入外壳60的远端60b，沿方向Tl滑动轴干110,并开动释放构件 80,此举使耦合装置70移动至"释放"位置并使得轴干110能完全接纳于外壳60中。当轴 干110从外壳60的近端60a伸出适当量时，外科医生释放所述释放构件80,此举使耦合装 置70移动至"连接"位置并使轴干110耦合至外壳60。一旦轴干110耦合至外壳，就可将 其它设备附接至轴干110,如驱动马达112、切削元件116或操作构件100的其它组件。
[0068] 为了从末端执行器40移除操作构件100,外科医生移除驱动马达112和切削元件 116并开动释放构件80,此举使耦合装置70移动至释放位置。外科医生接着沿方向T2滑 动轴干110直至操作构件100离开外壳60的远端60b。
[0069] 末端执行器40可包括仅允许操作构件100的期望移动的接纳部分62。接纳部分 62安置于外壳60内。接纳部分62构造成接纳操作构件100的至少一部分以允许操作构件 100相对于外壳60旋转，同时限制操作构件100在操作构件100的径向方向R上的移动（图 4D中所示）。举例来说，如图5A和5C中所示，接纳部分62包括固定于外壳60 (例如使用 机械扣件）的凸缘64和圆柱形部分66,操作构件100延伸穿过所述圆柱形部分66。尽管 接纳部分62通过凸缘64相对于外壳60固定，但操作构件100并不连接于接纳部分62 (例 如通过机械扣件、干涉配合等）并因此可相对于接纳部分62和外壳60旋转和平移。然而， 因为操作构件1〇〇延伸穿过圆柱形部分66,所以操作构件100受圆柱形部分66限制并阻止 在径向方向R上的移动。接纳部分62还包括至少一个孔68,其使得耦合装置70能够如下 文所述啮合操作构件100。
[0070] 可使用末端执行器的耦合装置70来对操作构件的纵向移动提供限制。耦合装置 70安置于外壳60上并构造成使操作构件100耦合于外壳60以允许操作构件100相对于 外壳60旋转。在一个实施方案中，耦合装置70包括锁紧构件72。如下文所述，锁紧构件 72构造成啮合操作构件100以限制操作构件100沿操作构件100的纵向方向L(图4C中所 示）相对于外壳60的移动，同时允许操作构件100旋转。
[0071] 如图5A-5C中所示，锁紧构件72包括第一部分74和第二部分76。第一部分74构 造成沿纵向方向L平移和相对于外壳60旋转。举例来说，如图5A中所示，第一部分74通 过轴承78(例如滚珠轴承）耦合于释放构件80。第一部分74刚性固定于轴承78的内圈， 而轴承78的外圈刚性固定于释放构件80的滑动构件82,由此使得第一部分74能够相对 于外壳60以低摩擦旋转。滑动构件82连接于释放构件80的旋钮84并且可沿纵向方向L 平移。压缩弹簧86安置于滑动构件82与刚性固定于外壳60的弹簧限位器88之间。压缩 弹簧86使滑动构件82和旋钮84偏向前进位置（图5B中所示的连接位置）。当外科医生 通过沿方向Tl向回拉动旋钮84远离外壳60(至图5A中所示的释放位置）来开动旋钮84 时，滑动构件82与旋钮84-起移动并压缩压缩弹簧86。因为第一部分74经轴承78耦合 于滑动构件82,所以第一部分74在旋钮84移动至释放位置时也沿纵向方向L平移。以此 方式，释放构件80耦合于耦合装置70并构造成在连接位置与释放位置之间移动锁紧构件 72〇
[0072] 锁紧构件72的第二部分76构造成回应于第一部分74沿纵向方向L的移动沿径向 方向R移动。如图5A和5B中所示，第一部分74相对于外壳60的接纳部分62朝外安置， 并且包括表面74a，所述表面74a构造成啮合第二部分76并且在第一部分74从第一位置 (图5A中所示的释放位置）移动至第二位置（图5B中所示的连接位置）时使第二部分76 沿径向方向R位移。在一个实施方案中，如图f5D中所示，第一部分74为中空圆柱体，并且 表面74a为所述圆柱体的倾斜内表面。第一部分74相对于外壳60定向使得表面74沿方 向Tl倾斜（即，第一部分74的内半径减小）。在此实施方案中，第二部分76包含至少一个 滚珠轴承，其与接纳部分62的孔68对准。优选地，第二部分76包括多个滚珠轴承（例如 四个），各自与接纳部分62上的相应孔68对准。因为表面74a是倾斜的，所以在第一部分 74从释放位置（图5A)移动至连接位置（图5B)时表面74a向内径向挤压滚珠轴承。各滚 珠轴承在相应孔68中沿径向方向R向内移动以啮合操作构件100的一部分。
[0073] 操作构件100与耦合装置70协同维持对纵向移动的限制。操作构件100包括耦 合区102。当耦合区102与孔68对准并且耦合装置70移动至连接位置时，耦合装置70适 于将操作构件1〇〇沿纵向方向L的移动限于限制区Y(图5B中所示）。在此实施方案中，耦 合区102是操作构件100的周边表面106中的凹槽104。如图4C中所示，凹槽104具有近 端104a和远端104b。近端104a和远端104b界定操作构件100在限制区Y中的运动范围。 举例来说，当滚珠轴承径向向内移动至孔68中时，其如图5B中所示啮合凹槽104。当耦合 装置70处于连接位置时，滚珠轴承捕捉于表面74a与凹槽104之间并且因此防止沿径向方 向R移动。类似地，因为滚珠轴承接纳于孔68中，所以其沿纵向方向L的移动受限。尽管 滚珠轴承被捕捉，但其仍能以与轴承78中的滚珠轴承类似的方式自由旋转。因此，表面74a 充当滚珠轴承的外圈，而凹槽104充当滚珠轴承的内圈。以此方式，滚珠轴承（即，锁紧构 件72的第二部分76)构造成相对于操作构件100与锁紧构件72的第一部分74两者旋转。 在连接位置上，当滚珠轴承与凹槽104啮合时，滚珠轴承与凹槽104的近端104a和/或远 端104b相互作用（即，接触）以限制操作构件100的纵向移动。在此实施方案中，凹槽104 的纵向长度Ll的尺寸设定为使得当在连接位置中滚珠轴承与第一耦合区102啮合时近端 104a与远端104b同时接触滚珠轴承。因此，操作构件100沿纵向方向L的移动实质上受 限。
[0074] 如上文所述，锁紧构件72的第一位置74和第二位置76都可自由旋转，并且第一 位置74可在外壳60内滑动。以此方式，锁紧构件72构造成相对于外壳60和相对于操作 构件100旋转及沿外壳60的轴A-A轴向移动。另外，锁紧构件72构造成可在第一位置与 第二位置（连接位置与释放位置）之间移动，并且构造成在锁紧构件72处于第一位置（图 5B中的连接位置）时限制操作构件100,而在锁紧构件72处于第二位置（图5A中的释放 位置）时允许操作构件100与外壳60去耦。
[0075] 在图4A-5B的实施方案中，操作构件100是用于在髋关节置换程序期间重整髋臼 22的表面的扩孔器。操作构件100包括具有近端IOOa和远端IOOb的轴干110。近端IOOa 构造成啮合驱动马达112。远端IOOb是工件啮合端，其包括啮合构造成切削骨的切削元件 116的附接机构114。在操作时（如图IOA中所示），外科医生用一只手开动驱动马达112 并用另一只手抓握末端执行器40以操纵末端执行器40。驱动马达112向操作构件100和 切削元件116赋予旋转运动。如下文结合图11的步骤S8所进一步描述，外科医生根据手 术计划相对于髋白22安置操作构件100,并用旋转的切削元件116对髋白22的表面进行扩 孔。当旋转的切削元件116接触髋臼22时，髋臼22的表面（例如患病骨）被切掉或表面 重整。
[0076] 为了提供给外科医生灵活性，末端执行器40构造成使得操作构件100可与其它操 作构件互换。例如，操作构件100可与操作构件200互换。在一个实施方案中，操作构件200 为偏心扩孔器。如所熟知，相对于笔直扩孔器，使用与后外侧方法相反的前外侧方法的外科 医生可能首选偏心扩孔器。在此实