这个特征使得对于不期望加热的可能性最小化。
[0160] 一旦能量施加器184从切割密质骨运动到切割松质骨，使器械前进所需的力/转 矩就减小。在这种情形下，器械前进的速率可以加速，而不会显著增大能量施加器184所施 加到的骨骼被加热的程度。因此，进给速率计算器284增大器械前进的计算速率。这减少 了在患者身上执行手术所花费的时间量。这是期望的，原因在于现代医疗实践的另一个目 标是使得在患者身上执行手术所花费的时间最小化。时间最小化的一个原因在于，其降低 了患者体内组织暴露和经受感染的时间量。另外，尽可能快地进行手术降低了外科医生疲 劳的可能性并且减小了患者必须保持处于麻醉状态的时间量。
[0161] 进给速率计算器284基于以下大小中的一个、两个或三个来确定力/转矩调节系 数：（1)包括单独力和转矩分量的六个分量矢量的大小；（2)包括单独力分量的三个个分量 矢量的大小；以及（3)包括单独力和/或转矩分量的任何组合的矢量的大小。作为另外一 种选择，系数是基于最大力或转矩分量中的一个或多个。基于这些变量中的一个或多个，参 考相关查找表286中的数据，进给速率计算器284确定力/转矩调节系数。
[0162] 除了调节器械进给速率之外，还可以改变能量施加器184的速度。更具体地，在能 量施加器184是钻孔锥的情况下，可以调节和优化钻孔锥的切割齿的速度以提高组织去除 的精确度并使得组织处的发热最小化。钻孔锥切割齿的优化速度是基于齿几何形状和去除 的材料的类型而进行优化的切割旋转速度和切割直径的因素。
[0163] 第三变量是路径节段（PATHCRVTR)的曲率，在第三变量下调节器械进给速率。执 行这种调节是为了确保当器械沿着弯曲行进路径移动时，器械不会以高的速度移动而使得 动量导致能量施加器184运动离开行进路径。总体上，当行进路径是线性的或者具有较小 的曲率时，限定的进给速率不基于该曲率进行调节。当进给速率计算器284接收到器械能 量施加器184沿着具有较大曲率或小半径的路径节段行进的指示时，计算器基于该变量向 下调节限定的进给速率以产生器械进给速率。
[0164] 进给速率计算器284从曲率计算器291 (图16B)接收路径的曲率（PATHCRVTR变 量）的指示，能量施加器184沿着该路径行进。如下所述，曲率计算器291是工具路径力计 算器278的另一个子模块部件。基于该输入变量，进给速率计算器284参考查找表286之 一，以确定反映限定的进给速率应当调节到的程度的系数。总体上，当行进路径是线性的或 者具有接近零的曲率时，限定的进给速率不基于该曲率进行调节。系数为1. 〇或接近1. 0。 当进给速率计算器284接收到器械能量施加器184沿着具有较大曲率的路径节段行进的指 示时，计算器基于该变量向下调节限定的进给速率以产生器械进给速率。补偿系数从1下 降。在本发明的某些形式中，如果曲率为0. 05mm-l或更小，那么进给速率计算器284不根 据能量施加器184前进所沿着的节段的曲率来降低器械进给速率。
[0165] 第四变量是器械功率（INSTP0WER)，在该第四变量下调节进给速率以产生器械进 给速率。该变量为器械通过能量施加器184施加给患者的功率大小。器械功率用作用于调 节器械进给速率的输入变量，原因在于，通常随着器械施加到组织的功率增大，组织被该功 率加热的程度也增大。如上所述，期望的是将组织经受可能造成伤害的加热的程度最小化。 还可能存在这样的情形，其中器械的大功率输出表明操纵器进入了如果器械进给速率不降 低能量施加器184的性能就下降的状态。例如，如果大量的功率需要施加到钻孔锥，那么这 种功率增大可能表明，钻孔锥可能进入了其难以去除应当被去除的材料的状态。为了确保 钻孔锥根据期望执行操作，于是期望的是降低钻孔锥的前进速率。这可以有助于提高材料 被去除的精确度。提高材料去除精确度加强了在钻孔锥施加之后保留的组织的表面光洁度 和清晰度。
[0166] 因此，当存在器械160施加的功率增大的指示时，进给速率计算器284输出减小的 器械进给速率。
[0167] 在本发明的器械160是机动化工具的构造中，功率变量可以是工具马达输出的转 矩量。
[0168] 总体上，在施加到工具的电流与工具输出的转矩之间存在正比例的关系。因此，工 具吸收的电流的测量值用作器械功率变量。通过工具控制器132生成表示该变量的器械功 率信号，并将该器械功率信号施加到操纵器控制器124。更具体地，监测器械吸收的电流的 器械控制器132内部的电路输出表示器械吸收的电流的信号。该信号是根信号，在该根信 号下生成施加到进给速率计算器284的模拟或数字INSTP0WER信号。
[0169] 基于INSTP0WER信号并且参考查找表286之一，进给速率计算器284确定表明限 定的进给速率应当根据器械功率绘制以确定器械进给速率的程度的系数。
[0170] 第五变量是组织温度（TISSUETEMP)，该第五变量用作用于调节限定的进给速率以 产生器械进给速率的因素。这是由于现代医疗实践的上述目标，也就是使得患者的未切除 组织被加热的程度最小化。温度传感器97提供组织温度的表示（TISSUETEMP)。在图中，温 度传感器97仅仅在图16A中象征性地示出。通常，传感器97安装到器械160。再者，传感 器97输出的信号可以表示组织的温度或者能量施加器184的温度。通常，温度传感器97 输出的信号通过工具控制器132传递到操纵器控制器124。除了未切除组织的温度之外，用 于调节限定的进给速率的另一个因素可以包括能量施加器184去除的碎肩的温度。去除的 碎肩和材料通常被称为"浆料"。浆料的温度可以以任何合适的方式进行测量，包括温度传 感器97。
[0171] 基于由TISSUETEMP信号表示的温度并参考查找表286之一，进给速率计算器284 确定合适的组织温度进给速率调节系数。如果TISSUETEMP信号表明组织温度处于可接受 的范围内，那么该系数可以为I. 0或接近1. 0。作为另外一种选择，如果TISSUETEMP信号表 明组织或能量施加器184的温度接近或超过可能对组织造成显著伤害的水平，那么补偿系 数可以从1下降。
[0172] 第六变量是计算的力（CMPTDF0RCE)，进给速率计算器284采用该第六变量来生成 器械进给速率。如下所述，该计算的力是施加到虚拟刚性本体的力。响应于该力，运动控制 过程使能量施加器184沿着工具路径前进。计算的力通过行为控制过程软件模块中的另一 个模块进行计算。该计算的力（其可以包括转矩分量）用作输入变量，从该输入变量来确 定端部执行器的受控位置。
[0173] 进给速率计算器284生成器械进给速率，从而在计算的力与器械进给速率之间存 在逆向关系。在计算的力增大以实现能量施加器184的期望前进的情形下，进给速率计算 器284使器械进给速率降低。器械进给速率的这种降低减小了操纵器将使得能量施加器 184以对能量施加器184施加到组织的精确度产生不利影响的速度以上的速度前进的可能 性。
[0174] 在本发明的某些形式中，基于计算的力的大小并参考查找表286之一，进给速率 计算器确定一系数。该系数表示限定的进给速率应当作为计算的力的大小的函数而被绘制 的程度。
[0175] 进给速率计算器284将限定的进给速率乘以上述六个系数。该过程的乘积是器械 进给速率。这是能量施加器184应当沿着当前路径节段前进的速率。
[0176] 进入进给速率计算器284的额外输入是从以下描述的力覆写器375判断的信号， 该力覆写器也是工具路径力计算器278的组成部分。响应于来自力覆写器375的信号的判 断，进给速率计算器284输出零速度器械进给速率。通常，进给速率计算器284使器械倾斜 下降到零速度进给速率。一旦力覆写器375停止将信号判断至进给速率计算器284,进给速 率计算器284就基于来自执业医师的其它命令输入而返回到输出非零速度器械进给速率。
[0177] 如图16B所示，路径插入器（PATHINTRPLTR) 288是工具路径力计算器278的另一 个子模块组成部分。路径插入器288确定坐标系统EAPP的目标位置。器械能量施加器184 的远侧端部的姿态应理解为相对于坐标系统EAPP是固定的。这些目标位置是一些点，能量 施加器184的远侧端部应当沿着这些点行进以执行期望的任务。进入路径插入器的输入包 括：限定了路径节段的原点和终点的数据；表明节段是直的还是弯曲的数据，以及如果是 弯曲的，弯曲的特性。进入路径插入器288的另一个输入是来自进给速率计算器284的器 械进给速率。这是由进给速率计算器284确定的器械应当沿着路径节段行进的速率。
[0178] 基于上述输入变量，路径插入器288根据以下步骤确定能量施加器184的远侧端 部的目标位置：
[0179] 1)假定坐标系统EAPP的原点处于初始位置处。该初始位置是沿着能量施加器184 应当行进的路径节段的位置。如果能量施加器184在节段的起始点处，那么该点是坐标系 统EAPP的初始位置。初始位置和目标位置均是骨骼坐标系统BONE中的点。
[0180] 2)基于器械进给速率，计算在单个时间帧内能量施加器184沿着节段应当行进的 距离。在本发明的某些形式中，该时间帧段为0. 1至2毫秒。
[0181] 3)基于初始位置、计算的距离的长度以及节段终点的位置，路径插入器288生成 限定了目标位置的数据。用来确定目标位置的另一个变量是来自工具路径生成器的数据， 描述了路径节段的特性：直的或弯曲的；以及，如果是弯曲的，则曲率半径。
[0182] 4)重复步骤1至3,直到确定坐标系统EAPP已经到达路径节段的终点。在与节段 原点间隔开的第一目标位置的计算之后，在每一帧中计算的目标位置用作初始位置，该初 始位置作为计算下一帧的目标位置的基础。
[0183] 5) -旦目标位置等同于路径节段的终点位置，插入器288就重复步骤1至4,以生 成沿着新的节段定位的一组目标位置。
[0184] 在单帧时间段期间，能量施加器184能够行进的距离可以大于到当前节段的终点 位置的距离。如果路径插入器288确定能量施加器184将处于这种状态，插入器针对当确定 能量施加器184将处于当前路径节段的终点处时开始的时间点，生成表明能量施加器184 在帧的末端处沿着下一个路径节段应当位于何处的数据。
[0185] 目标位置是从路径插入器288到一系列级联运行平均过滤器 290(RNINGAVGFILTER)的输出，该运行平均过滤器也是工具路径力计算器278的组成部分。 运行平均过滤器290将各个目标位置进行平均，以产生过滤的目标位置。用于本发明的具 体的运行平均过滤器是有限脉冲反应过滤器。运行平均过滤器生成随着时间、过滤器的长 度而变化的过滤的目标位置。该时间段通常在5至50毫秒之间。因此，所得到的过滤的距 离是过滤时间段和器械进给速率的函数。
[0186] 级联运行平均过滤器在该过程中用来确保目标位置的高阶导数是连续的。在本发 明的某些形式中，采用三个级联过滤器。这使得所得到的过滤的路径一直到觉克（jerk)都 具有连续的导数。这种过滤基本上确保了致动器不被驱动超出其使能量施加器184沿着工 具路径248前进的能力。
[0187] 参考图17示出了通过这些过滤器执行的过滤。这里，点294和302分别表示能量 施加器184在其沿着路径节段297运动时的初始和最终目标位置。点302也是初始位置，能 量施加器184在其沿着路径节段310行进时从该初始位置开始运动。路径节段297完全是 线性的。在运行平均过程中，过滤器将沿着路径部分的待平均的多个点的位置进行平均，以 确定平均位置。点296和298是沿着路径节段297的两个间隔开的目标位置。如果点296 和298之间的目标位置形成直线，并且点之间的距离大于能量施加器184在过滤器的长度 期间行进的距离，那么这种运行平均的结果形成直线。如同任何过滤器一样，在这些位置的 输入与等同过滤输出位置的输出之间存在时间延迟。
[0188] 在该运行平均过程期间，应当理解，为了产生等同于点296的过滤目标位置，有关 点296之后的未过滤目标位置的数据是进入过滤器的输入变量。
[0189] 目标位置302是路径节段310的原点。路径节段310是线性的，并且成角度地离 开路径节段297。运行平均过滤器290从目标位置299、路径节段297上的点以及目标位置 303、路径节段310上的点最终产生过滤目标位置。所得到的平均目标位置由节段314表 示。这些过滤的目标位置是基于以下的假设，即目标位置299和303之间的距离大于能量 施加器184在过滤器的长度期间行进的距离。这里，点312在位置上等同于点299。点316 在位置上等同于点303。点318等同于点305。过滤的目标位置点312和316之间的这一 组过滤的目标位置限定了曲线。该曲线表示从目标位置限定节段297到目标位置限定节段 310的平均过渡。从过滤的目标位置316到过滤的目标位置318,该组目标位置是线性的。 这是因为，在平均过程的这个部分期间，除了沿着路径节段310的那些点之外，没有点是进 入到平均公式中的输入。
[0190] 目标位置320是直节段310的终点和弯曲节段330的原点。基于由目标位置320 和目标位置332界定并包括目标位置320和目标位置332的点的位置，弯曲节段330中间 的点，过滤器290产生另一组平均的目标位置。这些平均的目标位置由节段340表示。节 段340在过滤的目标位置338和过滤的目标位置342之间延伸。考虑到目标位置320是线 性路径节段310的终点，对应的过滤目标位置，点338从实际位置稍稍移位。在待过滤的目 标位置限定了曲线的位置中，这些目标位置的过滤的形式通常限定了一曲线，该曲线的半 径比过滤的点的半径大。
[0191] 对于某些手术，期望的是使得过滤的和未过滤的目标位置之间的差别基本上最小 化。一种这样的手术是在骨骼中形成孔。另一种手术是精确地成形骨骼，以便于植入体的 精确座置。对于这些手术，操纵器被设定成降低施加到进给计算器284的限定的速率（过 程未示出）。这导致生成的过滤的目标位置限定了路径节段，该路径节段基本上等同于通过 未过滤的一组目标位置所限定的路径节段。
[0192] 过滤的目标位置施加到曲率计算器291。曲率计算器291基于表示多个间隔开的 过滤的目标位置的数据来确定当前过滤的路径的曲率。表示该曲率的数据被传递到进给速 率计算器284,作为PATHCRVTR变量。
[0193] 过滤的目标位置也被传递到目标位置坐标变换器354,该目标位置坐标变换器也 为工具路径力计算器278的子模块组成部分。坐标变换器354将处于坐标系统BONE中的 每个过滤的目标位置绘图到坐标系统MNPL中。坐标系统EAPP的原点的这个过滤的目标位 置施加到也为工具路径力计算器278的一部分的能量施加器力计算器358。
[0194] 进入计算器358的第二输入表示坐标系统EAPP的实际位置。在本发明的许多实 施方式中，受控位置用来表示实际位置。受控位置是受控姿态的位置分量。采用受控位置 表示实际位置的一个优点在于，其是实际位置的先行指示器。这种进给传递作用便于器械 运动的响应控制。这促进了能量施加器184的运动仅仅最小地偏离工具路径。
[0195] 当操纵器50首次激活时，通过解出端部执行器110的向前动力学来确定初始受控 姿态。该过程应理解为指的是确定坐标系统CMVB的姿态，该姿态为肩部67和69以及臂68 和70的接头角度的函数。该姿态是相对于坐标系统MNPL。因为坐标系统EAPP的原点相对 于坐标系统CMVB是固定的，所以虚拟刚性本体的向前动力学解法导致在坐标系统MNPL中 同样确定坐标系统EAPP的首次初始姿态。
[0196] 能量施加器力计算器358确定将施加到虚拟刚性本体的一组力和转矩。响应于这 些力和转矩施加到虚拟刚性本体，运动控制过程使得操纵器50使坐标系统EAPP沿着工具 路径248前进。施加到虚拟刚性本体的导致设定器械的取向的力和转矩并不是用于计算器 358执行的计算的材料。
[0197] 在首次确定能量施加器坐标系统EAPP的原点的初始姿态之后，操纵器控制器124 假定在每一帧的末端处，坐标系统EAPP的原点运动到在帧的起始处计算的受控姿态。这种 受控姿态是通过以下描述的切割引导器390生成的。受控姿态的受控位置分量由切割引导 器390提供到能量施加器力计算器358。
[0198] 因此，进入能量施加器力计算器358的两个输入是坐标系统EAPP的受控位置以及 该标系统的下一个目标位置。后一个位置是来自目标位置坐标系统变换器354的输入。这 两个位置是坐标系统MNPL中的点。进入工具末端力生成器的第三输入是在帧的起始处的 坐标系统CMVB的速度，速度V tl。以下讨论计算速度Vtl的意义。进入能量施加器力计算器 358的第四输入是能量施加器184在其沿着路径前进时应当运动的速度，速度V 1。速度V1 是基于前一帧的目标位置和当前目标位置的矢量。速度V1是相对于操纵器坐标系统MNPL 的速度。因此，速度V 1包括骨骼坐标系统BONE相对于操纵器坐标系统MNPL的运动的影响。 速度％和V 理解为包括线性分量和旋转分量。
[0199] 能量施加器力计算器358计算使坐标系统EAPP的原点从其当前位置运动到过滤 的目标位置的力。在本发明的一种形式中，通过确定在坐标系统EAPP的原点处需要施加到 虚拟刚性本体的脉冲，计算器358来确定该力。脉冲I是施加到物体的动量的变化。因此， 根据以下的公式来计算最一般形式的脉冲/动量变化I，
[0200] I = / Fdt = m (vFNL-vINTL) (1)
[0201] 这里，F是力；m是脉冲所要施加到的物体的质量；vINTL是初始速度；以及Vfic是 最终速度。目的是计算需要施加到能量施加器184的远侧端部末端（是坐标系统EAPP的 原点）的力，以使得施加器前进到速度V 1。公式（1)假设速度是物体质心处的速度，力施加 到该质心，速度是该点处的速度。虽然初始速度Vtl是坐标系统CMVB的初始速度并且是已 知的，但是最终速度V 1是能量施加器184的速度。
[0202] 力F施加到虚拟刚性本体。如上所述，力F不是施加到坐标系统CMVB的原点；该 力施加到坐标系统EAPP的原点。考虑到这些因素，脉冲公式重新编写如下：
【主权项】
1. 一种外科操纵器，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确定受控姿态，所述能量施加器 前进到所述受控姿态，其中基于多个力和转矩信号的和来确定所述受控姿态。
2. 根据权利要求1所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器进一步被构造成用以 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。
3. 根据权利要求1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。
4. 根据权利要求3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。
5. 根据权利要求3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。
6. 根据权利要求5所述的外科操纵器，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。
7. 根据权利要求1所述的外科操纵器，其还包括至少一个臂，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连 接形成接头，并且其中两个联结件之间的角度形成接头角度。
8. 根据权利要求7所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器包括多个模块，并且 其中所述多个模块中的至少一个模块是行为控制模块，所述行为控制模块被构造成用以确 定所述受控