耦合于操作構 件100或操作構件200的末端執(zhí)行器40的機器人臂30執(zhí)行，并且步驟SlO (沖擊）可使用 具有耦合于操作構件300或操作構件400的末端執(zhí)行器40的機器人臂30執(zhí)行。
[0087] 在手術程序之前，獲得患者骨盆12和股骨14的手術前CT掃描。如圖14A中所示， 使用CT掃描來產(chǎn)生骨盆12的三維模型512和股骨14的三維模型514。外科醫(yī)生使用三 維模型512、514構建手術計劃?；蛘撸中g計劃可使用由CT掃描和/或三維模型512、514 獲得的X射線影像，此可有助于習慣使用實際X射線影像而非基于CT的模型來計劃植入物 置換的外科醫(yī)生。外科醫(yī)生通過相對于患者解剖結構的模型512、514指定髖臼組件28和 股骨組件26的期望姿態(tài)（即，位置和方向）來產(chǎn)生手術計劃。例如，可指定髖白杯28a的 計劃姿態(tài)500并顯示在計算機顯示器上，如顯示器裝置9。在手術程序期間，患者解剖結構 和手術工具在實體空間中的運動由追蹤裝置8追蹤，并且這些追蹤的物體配準在導航系統(tǒng) 7中的相應模型（影像空間）。因而，實體空間中的物體與影像空間中的相應模型相關聯(lián)。 因此，手術系統(tǒng)5總是知道手術工具相對于患者解剖結構和計劃姿態(tài)500的實際位置，并且 此信息在手術程序期間以圖形顯示于顯示器裝置9上。
[0088] 在手術程序的步驟Sl中，將皮層追蹤陣列附接于股骨14以使得追蹤裝置8能夠 追蹤股骨14的運動。在步驟S2中，配準股骨14(使用任何已知配準技術）以使股骨14的 姿態(tài)（實體空間）與導航系統(tǒng)7中股骨14的模型（影像空間）相關聯(lián)并附接股骨檢查點。 在步驟S3中，使用導航股骨手鉆準備股骨14以接納股骨植入物（例如股骨組件26)。在步 驟S4中，將髖白追蹤陣列附接于骨盆12以使得追蹤裝置8能夠追蹤骨盆12的運動。在步 驟S5中，將檢查點附接于骨盆12以供在手術程序期間用于驗證髖白追蹤陣列沒有相對于 骨盆12移動。檢查點可為例如美國專利申請No. 11/750, 807 (公布No. US 2008/0004633) 中所述的檢查點，所述申請于2007年5月18日提交并且以引用的方式整體并入本文。
[0089] 在步驟S6中，配準骨盆12 (使用任何已知配準技術）以使骨盆12的姿態(tài)（實體空 間）與在導航系統(tǒng)7中骨盆12的模型（影像空間）相關聯(lián)。在一個實施方案中，如圖14B 中所示，通過使用追蹤探針收集骨盆12 (實體空間）上的點接著與骨盆12的圖像512 (影 像空間）上的相應點匹配來完成配準。在此實施方案中，顯示器裝置9示出骨盆12的圖像 512,包括一個或多個配準點516。配準點516有助于外科醫(yī)生了解在實際解剖結構上的何 處使用追蹤探針收集點。配準點516可經(jīng)過彩色編碼以進一步幫助外科醫(yī)生。例如，骨盆 12上接下來要用追蹤探針收集的配準點516可標上黃色，而已收集的配準點516可標上綠 色，并且隨后將收集的配準點516可標上紅色。配準后，顯示器裝置9可向外科醫(yī)生示出配 準算法使實體收集點擬合至骨盆12的圖像512的程度如何。舉例來說，如圖14C中所示， 可顯示誤差點518以說明在圖像512的表面與實體骨盆12的相應表面之間的配準中存在 多少誤差。在一個實施方案中，誤差點518可經(jīng)過彩色編碼，例如代表最小誤差的誤差點 518顯示為綠色，而代表增加量的誤差的誤差點518顯示為藍色、黃色和紅色。作為彩色編 碼的替代，代表不同程度誤差的誤差點518可具有不同形狀或尺寸。還可顯示驗證點519。 驗證點519向外科醫(yī)生說明在何處用追蹤探針收集點以驗證配準。當收集配準點519時， 導航系統(tǒng)7的軟件顯示在解剖結構上收集的實際點與圖像512在實體空間中的配準位置之 間的誤差（例如以毫米為單位的數(shù)值顯示）。如果配準誤差過高，那么外科醫(yī)生通過重復步 驟S6的配準過程重新配準骨盆12。
[0090] 在步驟S7中，配準機器人臂30以使機器人臂30的姿態(tài)（實體空間）與導航系統(tǒng) 7 (影像空間）相關聯(lián)。機器人臂30可如例如在美國專利申請No. 11/357, 197 (公布No. US 2006/0142657)中所述進行配準，所述申請于2006年2月21日提交并且以引用的方式整體 并入本文。
[0091] 在步驟S8中，外科醫(yī)生使用耦合于機器人臂30的擴孔器（如操作構件100或操作 構件200)重整髖臼22的表面。如上文結合操作構件100、200所述，外科醫(yī)生將適當操作 構件（例如筆直或偏心擴孔器）耦合于末端執(zhí)行器40,將切削元件116連接至接納的操作 構件，并手動操縱機器人臂30 (如圖IOA中所示）對髖臼22進行擴孔。在擴孔期間，機器 人臂30對外科醫(yī)生提供觸覺（力反饋）引導。觸覺引導限制外科醫(yī)生手動移動手術工具 的能力以確保實際骨切口在形狀和位置上對應于計劃骨切口（即，切口與手術計劃相符）。
[0092] 優(yōu)選地，限制經(jīng)過調整以對應正使用的手術工具，例如切削元件116。在一個實施 方案中，控制器經(jīng)過編程以產(chǎn)生使力系統(tǒng)在切削元件116為第一切削元件116a時對外科醫(yī) 生手工移動末端執(zhí)行器40提供第一限制（例如觸覺引導）并在切削元件116為第二切削 元件116b時對外科醫(yī)生手工移動末端執(zhí)行器40提供不同于第一限制的第二限制（例如觸 覺引導）的力信號。如圖12中所示，第一切削元件116a和第二切削元件116b是構造成切 削髖白骨的半球形切削元件，并且第一切削元件116a的直徑Dl不同于第二切削元件116b 的直徑D2。在一個實施方案中，第一切削元件116a的直徑Dl比假體組件316的直徑D3小 預定量，且第二切削元件116b的直徑D2大于第一切削元件116a的直徑Dl。在一個示例性 實施方案中，預定量是比假體組件316的直徑D3小5毫米。在其它實施方案中，預定量可 以大于或小于5毫米，如2毫米、3毫米、7毫米，或為范圍（例如5±2毫米）。
[0093] 因為第一切削元件116a的直徑Dl小于假體組件316的直徑D3,所以可使用第一 切削元件116a來制作初步切口，如移除關節(jié)軟骨和骨贅。初步切口無需如最終切口一般準 確。因此，初步切口可在程度比最終切口低的觸覺限制下制作。具體地說，當使用第一切削 元件116a進行擴孔時，第一限制構造成沿參考軸R-R限制與切削元件116a相關的至少一 個點。舉例來說，如圖13A中所示，可沿參考軸R-R限制在切削元件116a的中心軸C-C上 的至少一個點P，以使得點P可僅沿參考軸R-R移動。在圖13A的實施方案中，點P安置于 切削元件116a上。在其它實施方案中，點P可位于切削元件116a的中心軸C-C上，而不與 切削元件116a實際相交。在此實施方案中，參考軸R-R是當假體組件316植入患者解剖結 構上時假體組件316的期望軸。舉例來說，參考軸R-R可以是當假體組件316根據(jù)外科醫(yī) 生的手術計劃植入髖臼22上時假體組件316的中心軸。因此，當用第一切削元件116a進 行擴孔時，機器人臂30提供力反饋以限制外科醫(yī)生手工移動末端執(zhí)行器40,以使得點P停 留在參考軸R-R上。以此方式，手術工具的軌跡受到限制。在一個實施方案中，點P可沿參 考軸R-R行進的深度也受到限制以防止髖白22過度擴孔。然而，當使用第一切削元件116a 時，末端執(zhí)行器40的取向優(yōu)選不受限制。
[0094] 隨著擴孔繼續(xù)，使用逐漸較大的擴孔器。在制作出初步切口后，外科醫(yī)生將第一切 削元件116a替換為較大切削元件，如第二切削元件116b。當將第二切削元件116b耦合于 末端執(zhí)行器40時，機器人臂30施加第二限制。第二限制構造成限制手術工具相對于參考 軸R-R的取向。舉例來說，如圖13B中所示，機器人臂30可施加力反饋來限制手術工具以 使手術工具的軸維持在離參考軸R-R的預定角距離9內。手術工具的軸可為例如末端執(zhí) 行器40的外殼60的中心軸A-A、手術工具軸干的軸（例如接納的操作構件的中心軸B-B) 或切削元件116b的中心軸C-C。預定角距離0優(yōu)選為10度，但可為適于特定手術應用的 任何其它角度，如5度、15度等。優(yōu)選地，當使用第二切削元件116b時，機器人臂30同時 施加第一和第二限制。因此，在第二切削元件116b的情況下，機器人臂同時限制手術工具 的軌跡和角取向。為避免過度擴孔，手術工具可行進的深度也可受到限制以不超過假體組 件316在植入髖白22上時的期望深度。在一個實施方案中，第二切削元件116b在尺寸上 對應于假體組件316并用于對髖白22制作最終切口。在一個實施方案中，控制器經(jīng)過編程 以在最終切口的形狀實質上對應最終切口的期望形狀時關?；蜿P斷第二切削元件116b。
[0095] 擴孔器的尺寸可基于其外徑進行設定，其中擴孔器尺寸以1毫米增量遞增。在一 個實施方案中，對于存在低于計劃假體組件316的尺寸至少5個尺寸（例如5毫米）的所有 切削元件，機器人臂30施加第一限制。換句話說，如果切削元件的直徑比假體組件316的 直徑D3小至少5毫米，那么切削元件可以任何角度使用，但沿參考軸R-R受限。對于較大 切削元件（即，前四個尺寸，直至計劃杯的尺寸），機器人臂30另外施加第二限制以使手術 工具的角取向也受到限制。角度限制可隨著切削元件的尺寸增加而限制性逐漸變強。在另 一實施方案中，對于等于低于計劃假體組件316的尺寸兩個尺寸或高于計劃假體組件316 的尺寸兩個尺寸的擴孔器尺寸，機器人臂30同時施加第一和第二限制。優(yōu)選地，手術工具 的行進深度受到限制以防止擴孔超過假體組件316的計劃深度。
[0096] 第一和第二限制優(yōu)選由控制機器人臂30的力系統(tǒng)的控制器啟動。舉例來說，控制 器可經(jīng)過編程以便產(chǎn)生使力系統(tǒng)在切削元件116(例如第一切削元件116a或第二切削元件 116b)的一部分與啟動區(qū)510相符時提供第一限制與第二限制中的至少一者的控制信號。 啟動區(qū)510(圖14A和14D中所示）可以是相對于患者解剖結構界定的虛擬區(qū)。例如，啟動 區(qū)510可相對于假體組件316的計劃姿態(tài)500界定。在一個實施方案中，啟動區(qū)510與計 劃姿態(tài)500的邊界相符并且因此具有與計劃姿態(tài)500相同的形狀和位置。在另一實施方案 中，計劃姿態(tài)500的至少一部分與啟動區(qū)510相符。啟動區(qū)510還可延伸超出計劃姿態(tài)500 的邊界。舉例來說，如圖14A和14D中所示，啟動區(qū)510是延伸超出計劃姿態(tài)500的邊界的 圓柱形體積。優(yōu)選地，當將假體組件316以計劃姿態(tài)500植入解剖結構上時，圓柱形體積與 計劃姿態(tài)500的軸（如假體組件316的中心軸C-C)共軸。
[0097] 手術期間，手術工具的圖像相對于計劃姿態(tài)500、啟動區(qū)510和/或解剖結構的圖 像512、514顯示于顯示器9上，如圖14D中所示。該圖像為影像空間中的圖形模型，其對應 于實體空間中的實際手術工具（在步驟S7中經(jīng)機器人臂30配準）并且包括所接納操作構 件的軸干的圖像520a和切削元件116的圖像520b。外科醫(yī)生使用此視圖來將手術工具手 動導航至切口中。在一個實施方案中，外科醫(yī)生可自由移動手術工具直至手術工具的一部 分與啟動區(qū)510相交，此時力系統(tǒng)控制機器人臂30以提供適當限制（例如，第一限制和/或 第二限制）。在一個實施方案中，當所接納操作構件的軸干的圖像520a完全由啟動區(qū)510 的圓柱形體積包圍時，適當限制啟動，如圖14D中所示。一旦啟動適當限制，啟動區(qū)510就 可從所顯示的影像中移除，如圖14E中所示。
[0098] 第一和第二限制確保髖白中的骨切口準確對應于假體組件316的計劃姿態(tài)500的 骨切口。因為第一和第二限制由致動器施加，所以第一和第二限制并非無窮大。因此，外科 醫(yī)生能夠通過以足以克服由機器人臂30提供的力反饋的力手動移動末端執(zhí)行器40而克服 第一和第二限制。為避免對患者造成損傷和/或不準確的骨切口，控制器優(yōu)選經(jīng)過編程以 便在外科醫(yī)生手動克服第一限制和/或第二限制的情況下自動控制手術工具的姿態(tài)的至 少一個方面。例如，在擴孔期間，如果外科醫(yī)生推動末端執(zhí)行器40使得所接納操作構件的 軸干超過離參考軸R-R的預定角距離9，那么機器人臂30可施加主動力反饋以嘗試使所接 納操作構件的軸干移回預定角距離0