耦合于操作构 件100或操作构件200的末端执行器40的机器人臂30执行，并且步骤SlO (冲击）可使用 具有耦合于操作构件300或操作构件400的末端执行器40的机器人臂30执行。
[0087] 在手术程序之前，获得患者骨盆12和股骨14的手术前CT扫描。如图14A中所示， 使用CT扫描来产生骨盆12的三维模型512和股骨14的三维模型514。外科医生使用三 维模型512、514构建手术计划。或者，手术计划可使用由CT扫描和/或三维模型512、514 获得的X射线影像，此可有助于习惯使用实际X射线影像而非基于CT的模型来计划植入物 置换的外科医生。外科医生通过相对于患者解剖结构的模型512、514指定髋臼组件28和 股骨组件26的期望姿态（即，位置和方向）来产生手术计划。例如，可指定髋白杯28a的 计划姿态500并显示在计算机显示器上，如显示器装置9。在手术程序期间，患者解剖结构 和手术工具在实体空间中的运动由追踪装置8追踪，并且这些追踪的物体配准在导航系统 7中的相应模型（影像空间）。因而，实体空间中的物体与影像空间中的相应模型相关联。 因此，手术系统5总是知道手术工具相对于患者解剖结构和计划姿态500的实际位置，并且 此信息在手术程序期间以图形显示于显示器装置9上。
[0088] 在手术程序的步骤Sl中，将皮层追踪阵列附接于股骨14以使得追踪装置8能够 追踪股骨14的运动。在步骤S2中，配准股骨14(使用任何已知配准技术）以使股骨14的 姿态（实体空间）与导航系统7中股骨14的模型（影像空间）相关联并附接股骨检查点。 在步骤S3中，使用导航股骨手钻准备股骨14以接纳股骨植入物（例如股骨组件26)。在步 骤S4中，将髋白追踪阵列附接于骨盆12以使得追踪装置8能够追踪骨盆12的运动。在步 骤S5中，将检查点附接于骨盆12以供在手术程序期间用于验证髋白追踪阵列没有相对于 骨盆12移动。检查点可为例如美国专利申请No. 11/750, 807 (公布No. US 2008/0004633) 中所述的检查点，所述申请于2007年5月18日提交并且以引用的方式整体并入本文。
[0089] 在步骤S6中，配准骨盆12 (使用任何已知配准技术）以使骨盆12的姿态（实体空 间）与在导航系统7中骨盆12的模型（影像空间）相关联。在一个实施方案中，如图14B 中所示，通过使用追踪探针收集骨盆12 (实体空间）上的点接着与骨盆12的图像512 (影 像空间）上的相应点匹配来完成配准。在此实施方案中，显示器装置9示出骨盆12的图像 512,包括一个或多个配准点516。配准点516有助于外科医生了解在实际解剖结构上的何 处使用追踪探针收集点。配准点516可经过彩色编码以进一步帮助外科医生。例如，骨盆 12上接下来要用追踪探针收集的配准点516可标上黄色，而已收集的配准点516可标上绿 色，并且随后将收集的配准点516可标上红色。配准后，显示器装置9可向外科医生示出配 准算法使实体收集点拟合至骨盆12的图像512的程度如何。举例来说，如图14C中所示， 可显示误差点518以说明在图像512的表面与实体骨盆12的相应表面之间的配准中存在 多少误差。在一个实施方案中，误差点518可经过彩色编码，例如代表最小误差的误差点 518显示为绿色，而代表增加量的误差的误差点518显示为蓝色、黄色和红色。作为彩色编 码的替代，代表不同程度误差的误差点518可具有不同形状或尺寸。还可显示验证点519。 验证点519向外科医生说明在何处用追踪探针收集点以验证配准。当收集配准点519时， 导航系统7的软件显示在解剖结构上收集的实际点与图像512在实体空间中的配准位置之 间的误差（例如以毫米为单位的数值显示）。如果配准误差过高，那么外科医生通过重复步 骤S6的配准过程重新配准骨盆12。
[0090] 在步骤S7中，配准机器人臂30以使机器人臂30的姿态（实体空间）与导航系统 7 (影像空间）相关联。机器人臂30可如例如在美国专利申请No. 11/357, 197 (公布No. US 2006/0142657)中所述进行配准，所述申请于2006年2月21日提交并且以引用的方式整体 并入本文。
[0091] 在步骤S8中，外科医生使用耦合于机器人臂30的扩孔器（如操作构件100或操作 构件200)重整髋臼22的表面。如上文结合操作构件100、200所述，外科医生将适当操作 构件（例如笔直或偏心扩孔器）耦合于末端执行器40,将切削元件116连接至接纳的操作 构件，并手动操纵机器人臂30 (如图IOA中所示）对髋臼22进行扩孔。在扩孔期间，机器 人臂30对外科医生提供触觉（力反馈）引导。触觉引导限制外科医生手动移动手术工具 的能力以确保实际骨切口在形状和位置上对应于计划骨切口（即，切口与手术计划相符）。
[0092] 优选地，限制经过调整以对应正使用的手术工具，例如切削元件116。在一个实施 方案中，控制器经过编程以产生使力系统在切削元件116为第一切削元件116a时对外科医 生手工移动末端执行器40提供第一限制（例如触觉引导）并在切削元件116为第二切削 元件116b时对外科医生手工移动末端执行器40提供不同于第一限制的第二限制（例如触 觉引导）的力信号。如图12中所示，第一切削元件116a和第二切削元件116b是构造成切 削髋白骨的半球形切削元件，并且第一切削元件116a的直径Dl不同于第二切削元件116b 的直径D2。在一个实施方案中，第一切削元件116a的直径Dl比假体组件316的直径D3小 预定量，且第二切削元件116b的直径D2大于第一切削元件116a的直径Dl。在一个示例性 实施方案中，预定量是比假体组件316的直径D3小5毫米。在其它实施方案中，预定量可 以大于或小于5毫米，如2毫米、3毫米、7毫米，或为范围（例如5±2毫米）。
[0093] 因为第一切削元件116a的直径Dl小于假体组件316的直径D3,所以可使用第一 切削元件116a来制作初步切口，如移除关节软骨和骨赘。初步切口无需如最终切口一般准 确。因此，初步切口可在程度比最终切口低的触觉限制下制作。具体地说，当使用第一切削 元件116a进行扩孔时，第一限制构造成沿参考轴R-R限制与切削元件116a相关的至少一 个点。举例来说，如图13A中所示，可沿参考轴R-R限制在切削元件116a的中心轴C-C上 的至少一个点P，以使得点P可仅沿参考轴R-R移动。在图13A的实施方案中，点P安置于 切削元件116a上。在其它实施方案中，点P可位于切削元件116a的中心轴C-C上，而不与 切削元件116a实际相交。在此实施方案中，参考轴R-R是当假体组件316植入患者解剖结 构上时假体组件316的期望轴。举例来说，参考轴R-R可以是当假体组件316根据外科医 生的手术计划植入髋臼22上时假体组件316的中心轴。因此，当用第一切削元件116a进 行扩孔时，机器人臂30提供力反馈以限制外科医生手工移动末端执行器40,以使得点P停 留在参考轴R-R上。以此方式，手术工具的轨迹受到限制。在一个实施方案中，点P可沿参 考轴R-R行进的深度也受到限制以防止髋白22过度扩孔。然而，当使用第一切削元件116a 时，末端执行器40的取向优选不受限制。
[0094] 随着扩孔继续，使用逐渐较大的扩孔器。在制作出初步切口后，外科医生将第一切 削元件116a替换为较大切削元件，如第二切削元件116b。当将第二切削元件116b耦合于 末端执行器40时，机器人臂30施加第二限制。第二限制构造成限制手术工具相对于参考 轴R-R的取向。举例来说，如图13B中所示，机器人臂30可施加力反馈来限制手术工具以 使手术工具的轴维持在离参考轴R-R的预定角距离9内。手术工具的轴可为例如末端执 行器40的外壳60的中心轴A-A、手术工具轴干的轴（例如接纳的操作构件的中心轴B-B) 或切削元件116b的中心轴C-C。预定角距离0优选为10度，但可为适于特定手术应用的 任何其它角度，如5度、15度等。优选地，当使用第二切削元件116b时，机器人臂30同时 施加第一和第二限制。因此，在第二切削元件116b的情况下，机器人臂同时限制手术工具 的轨迹和角取向。为避免过度扩孔，手术工具可行进的深度也可受到限制以不超过假体组 件316在植入髋白22上时的期望深度。在一个实施方案中，第二切削元件116b在尺寸上 对应于假体组件316并用于对髋白22制作最终切口。在一个实施方案中，控制器经过编程 以在最终切口的形状实质上对应最终切口的期望形状时关停或关断第二切削元件116b。
[0095] 扩孔器的尺寸可基于其外径进行设定，其中扩孔器尺寸以1毫米增量递增。在一 个实施方案中，对于存在低于计划假体组件316的尺寸至少5个尺寸（例如5毫米）的所有 切削元件，机器人臂30施加第一限制。换句话说，如果切削元件的直径比假体组件316的 直径D3小至少5毫米，那么切削元件可以任何角度使用，但沿参考轴R-R受限。对于较大 切削元件（即，前四个尺寸，直至计划杯的尺寸），机器人臂30另外施加第二限制以使手术 工具的角取向也受到限制。角度限制可随着切削元件的尺寸增加而限制性逐渐变强。在另 一实施方案中，对于等于低于计划假体组件316的尺寸两个尺寸或高于计划假体组件316 的尺寸两个尺寸的扩孔器尺寸，机器人臂30同时施加第一和第二限制。优选地，手术工具 的行进深度受到限制以防止扩孔超过假体组件316的计划深度。
[0096] 第一和第二限制优选由控制机器人臂30的力系统的控制器启动。举例来说，控制 器可经过编程以便产生使力系统在切削元件116(例如第一切削元件116a或第二切削元件 116b)的一部分与启动区510相符时提供第一限制与第二限制中的至少一者的控制信号。 启动区510(图14A和14D中所示）可以是相对于患者解剖结构界定的虚拟区。例如，启动 区510可相对于假体组件316的计划姿态500界定。在一个实施方案中，启动区510与计 划姿态500的边界相符并且因此具有与计划姿态500相同的形状和位置。在另一实施方案 中，计划姿态500的至少一部分与启动区510相符。启动区510还可延伸超出计划姿态500 的边界。举例来说，如图14A和14D中所示，启动区510是延伸超出计划姿态500的边界的 圆柱形体积。优选地，当将假体组件316以计划姿态500植入解剖结构上时，圆柱形体积与 计划姿态500的轴（如假体组件316的中心轴C-C)共轴。
[0097] 手术期间，手术工具的图像相对于计划姿态500、启动区510和/或解剖结构的图 像512、514显示于显示器9上，如图14D中所示。该图像为影像空间中的图形模型，其对应 于实体空间中的实际手术工具（在步骤S7中经机器人臂30配准）并且包括所接纳操作构 件的轴干的图像520a和切削元件116的图像520b。外科医生使用此视图来将手术工具手 动导航至切口中。在一个实施方案中，外科医生可自由移动手术工具直至手术工具的一部 分与启动区510相交，此时力系统控制机器人臂30以提供适当限制（例如，第一限制和/或 第二限制）。在一个实施方案中，当所接纳操作构件的轴干的图像520a完全由启动区510 的圆柱形体积包围时，适当限制启动，如图14D中所示。一旦启动适当限制，启动区510就 可从所显示的影像中移除，如图14E中所示。
[0098] 第一和第二限制确保髋白中的骨切口准确对应于假体组件316的计划姿态500的 骨切口。因为第一和第二限制由致动器施加，所以第一和第二限制并非无穷大。因此，外科 医生能够通过以足以克服由机器人臂30提供的力反馈的力手动移动末端执行器40而克服 第一和第二限制。为避免对患者造成损伤和/或不准确的骨切口，控制器优选经过编程以 便在外科医生手动克服第一限制和/或第二限制的情况下自动控制手术工具的姿态的至 少一个方面。例如，在扩孔期间，如果外科医生推动末端执行器40使得所接纳操作构件的 轴干超过离参考轴R-R的预定角距离9，那么机器人臂30可施加主动力反馈以尝试使所接 纳操作构件的轴干移回预定角距离0