CN119836274A - 用于使用混合自动/手动控制沿着路径引导工具的机器人外科手术系统 - Google Patents

Abstract

用于使用自动/手动混合控制沿着路径引导工具的机器人外科手术系统和方法。操纵器支撑外科手术工具，并且传感器测量施加到工具的力/扭矩。控制系统命令操纵器执行工具的在第一路径方向上并且根据预定进给速率沿着预定工具路径的自动推进。在自动推进期间，响应于用户向工具施加的力/扭矩，从传感器接收输入。控制系统评估传感器输入对工具的自动推进的影响，以确定工具相对于工具路径的有效进给速率和有效路径方向。控制系统基于有效进给速率和有效路径方向来确定操纵器和工具相对于工具路径的所命令的动作。

Description

用于使用混合自动/手动控制沿着路径引导工具的机器人外 科手术系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2022年9月9日提交的美国临时专利申请63/405,083的优先权和全部权益，其全部内容据此以引用的方式整体并入本文。

技术领域

本公开涉及用于使用混合自动/手动控制模式引导外科手术工具沿着预定路径移动的系统和方法。

背景技术

执行外科手术规程的机器人外科手术系统是众所周知的，并且通常包括操纵器和联接到操纵器的外科手术工具。通常，外科手术工具用于去除外科手术部位处的组织。已经描述了可以在不同操作模式下操作的机器人外科手术系统。

一种模式是手动操作模式，由此机器人外科手术系统感测由用户手动施加到外科手术工具的外力/扭矩，并基于所施加的力/扭矩来命令外科手术工具的定位以模仿用户所期望的运动。因此，在手动模式下，机器人外科手术系统通常根据用户的意图和期望来定位外科手术工具。然而，在手动模式下，用户指导外科手术工具的移动可能在精神上和身体上感到疲劳。

机器人外科手术系统也被描述为可在自动模式下操作，在该自动模式下，机器人外科手术系统命令操纵器沿着预定路径自主地移动外科手术工具，而无需用户施加的力。然而，当在自动模式下操作时，用户可能进行感知从而具有对外科手术工具的较少控制。

另外，已经描述了用于帮助用户相对于工具路径引导外科手术工具的技术。一种技术涉及使用吸引力或重力井将工具从离开工具路径的当前位置移动到工具路径上的位置。吸引力的幅值和方向取决于工具的位姿和工具到工具路径的距离。另外，吸引力的边界是虚拟的，并且在移动工具时可能不容易由用户识标识。反过来，吸引力可能导致不可预测的或不一致的响应，这可能导致一些用户进行感知从而对工具具有较少控制。

另一技术涉及使用手动引导模式，如名称为“Systems and Methods forControlling Movement of a Surgical Tool Along a Predefined Path”的美国专利申请公开US2020/0281676 A1中所述，其中用户施加力/扭矩，这些力/扭矩用于确定沿工具路径推进工具多远。在手动引导模式下，工具在法向于工具路径的2DOF上被约束到工具路径，但在相切于工具路径的1DOF上不受约束。实际上，这使得工具能够基于手动力输入沿工具路径自由移动，但是约束通过将工具的手动移动限制为沿工具路径来引导用户。然而，在手动引导模式下，仍然需要用户不断地向工具施加力/扭矩，以便沿着路径将工具移动到最终目的地。因此，正如利用手动模式一样，用户使用手动引导模式来指导外科手术工具的移动可能在精神上和身体上感到疲劳。

本领域中需要用于通过提供用于以利用手动模式和自主模式两者的益处来沿工具路径引导工具的方式控制外科手术工具的移动的模式来解决这些挑战的移动机器人系统和方法。

发明内容

本发明内容以简化的形式介绍以下在下文具体实施方式中进一步描述的概念选择。本发明内容并非意图限制所要求保护的主题的范围，也非意图标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征。

根据第一方面，提供了一种机器人外科手术系统，该机器人外科手术系统包括：外科手术工具；操纵器，该操纵器被配置为支撑外科手术工具，该操纵器包括多个连杆和关节；力/扭矩传感器，该力/扭矩传感器被配置为测量由用户施加到外科手术工具的力/扭矩；以及控制系统，该控制系统被配置为：获得用于外科手术工具的预定工具路径；命令操纵器执行外科手术工具的在第一路径方向上并且根据预定进给速率沿着预定工具路径自动推进；在外科手术工具的自动推进期间，响应于由用户施加到外科手术工具的力/扭矩而接收来自力/扭矩传感器的输入；评估来自力/扭矩传感器的输入对外科手术工具的自动推进的影响，以确定外科手术工具相对于预定工具路径的有效进给速率和有效路径方向；以及基于有效进给速率和有效路径方向来确定操纵器和外科手术工具相对于预定工具路径的所命令的动作。

根据第二方面，提供了一种操作机器人外科手术系统的方法，该机器人外科手术系统包括：外科手术工具；操纵器，该操纵器被配置为支撑外科手术工具，该操纵器包括多个连杆和关节；力/扭矩传感器，该力/扭矩传感器配置为测量由用户施加到外科手术工具的力/扭矩的力/扭矩传感器；以及控制系统，该方法包括使控制系统执行以下步骤：获得用于外科手术工具的预定工具路径；命令操纵器执行外科手术工具的在第一路径方向上并且根据预定进给速率沿着预定工具路径的自动推进；在外科手术工具的自动推进期间，响应于由用户施加到外科手术工具的力/扭矩而接收来自力/扭矩传感器的输入；评估来自力/扭矩传感器的输入对外科手术工具的自动推进的影响，以确定外科手术工具相对于预定工具路径的有效进给速率和有效路径方向；以及基于有效进给速率和有效路径方向来确定操纵器和外科手术工具相对于预定工具路径的所命令的动作。

根据第三方面，提供了一种机器人外科手术系统，该机器人外科手术系统包括：外科手术工具；操纵器，该操纵器被配置为支撑外科手术工具；力/扭矩传感器，该力/扭矩传感器被配置为测量施加到外科手术工具的力/扭矩；以及控制系统，该控制系统被配置为：获得用于外科手术工具的预定工具路径；命令操纵器执行外科手术工具的在第一路径方向上并且根据预定进给速率沿着预定工具路径的自动推进；在外科手术工具的自动推进期间，响应于由用户施加到外科手术工具的力/扭矩而接收来自力/扭矩传感器的输入；评估来自力/扭矩传感器的输入对外科手术工具的自动推进的影响，以确定外科手术工具相对于预定工具路径的有效进给速率；以及基于有效进给速率确定操纵器和外科手术工具相对于预定工具路径的所命令的动作。

根据第四方面，提供了一种操作第三方面的机器人外科手术系统的方法。

根据第五方面，提供了一种机器人外科手术系统，该机器人外科手术系统包括：外科手术工具；操纵器，该操纵器被配置为支撑外科手术工具，该操纵器包括多个连杆和关节；力/扭矩传感器，该力/扭矩传感器被配置为测量由用户施加到外科手术工具的力/扭矩；以及控制系统，该控制系统被配置为：命令操纵器执行外科手术工具的根据进给速率沿着预定工具路径的自动推进；以及基于施加到外科手术工具上的所测量的力/扭矩来修改进给速率。

根据第六方面，提供了一种操作第五方面的机器人外科手术系统的方法。

根据第七方面，提供了一种机器人外科手术系统，该机器人外科手术系统包括：外科手术工具；操纵器，该操纵器被配置为支撑外科手术工具，该操纵器包括多个连杆和关节；力/扭矩传感器，该力/扭矩传感器被配置为测量由用户施加到外科手术工具的力/扭矩；以及控制系统，该控制系统被配置为：命令操纵器执行外科手术工具的根据第一路径方向沿着预定工具路径的自动推进；以及基于施加到外科手术工具的所测量的力/扭矩，命令操纵器根据与第一路径方向相反的第二路径方向沿着预定工具路径推进外科手术工具。

根据第八方面，提供了一种操作第七方面的机器人外科手术系统的方法。

上述方面中的任何方面都可全部或部分地组合。

上述方面中的任何方面都可与以下实施方式中的任何实施方式全部或部分地组合：

有效进给速率可以大于预定进给速率。有效路径方向可以是第一路径方向。所命令的动作可以包括外科手术工具在第一路径方向上并且根据有效进给速率沿着预定工具路径的自动推进。外科手术工具根据有效进给速率的自动推进可以基于来自力/扭矩传感器的临时输入。外科手术工具根据有效进给速率的自动推进可以被配置为在不存在来自力/扭矩传感器的输入的情况下继续。有效进给速率可以小于预定进给速率。有效路径方向可以是第一路径方向。所命令的动作可以包括外科手术工具在第一路径方向上并且根据有效进给速率或预定进给速率沿着预定工具路径的自动推进。有效路径方向可以是与第一路径方向相反的第二路径方向。所命令的动作可以包括外科手术工具在第二路径方向上并且根据有效进给速率沿着预定工具路径的推进。所命令的动作可以包括例如通过外科手术工具在第一路径方向上的所尝试的自动推进而同时阻止外科手术工具在第二路径方向上的推进。控制系统可以被配置为检测来自力/扭矩传感器的输入的不存在。作为响应，控制系统可以命令操纵器启动或恢复外科手术工具的在第一路径方向上并且根据预定进给速率或根据先前有效进给速率沿着预定工具路径的自动推进。预定工具路径可以包括端部位置。控制系统可以被配置为命令操纵器执行外科手术工具的在第一路径方向上并且根据预定进给速率或有效进给速率沿着预定工具路径的自动推进，以将外科手术工具引导到端部位置。外科手术工具可以是锯。端部位置可以被配置为将锯与和目标部位相关联的切割平面对准。外科手术工具可以是切割钻或钻头。端部位置可以被配置为将切割钻或钻头与和目标部位相关联的工具路径的起点对准，或者与和目标部位相关联的目标轴线对准。外科手术工具可以被配置为被启用以去除组织。控制系统可以被配置为在沿着预定工具路径的外科手术工具的自动推进期间停用外科手术工具。控制系统可以基于来自力/扭矩传感器的输入确定虚拟加速度向量。控制系统可以评估虚拟加速度向量对外科手术工具的自动推进的影响。控制系统可以确定外科手术工具相对于预定工具路径的有效进给速率和有效路径方向。为了确定虚拟加速度向量，控制系统可以将外科手术工具建模为包括虚拟质量的虚拟刚体。控制系统可以基于施加到外科手术工具的力/扭矩来计算到虚拟刚体的力投影。控制系统可以基于力投影和虚拟质量来计算虚拟加速度向量。为了确定外科手术工具相对于预定工具路径的有效进给速率和有效路径方向，控制系统可以基于预定工具路径的、外科手术工具当前位于其上的区段来计算工具路径方向。控制系统可以通过计算工具路径方向和虚拟加速度向量的点积来生成沿着预定工具路径的加速度投影。控制系统可以限定虚拟工具路径约束，这些虚拟工具路径约束被配置为将外科手术工具的移动限制为沿着预定工具路径。控制系统可以通过被配置为基于虚拟工具路径约束、预定进给速率和/或虚拟加速度向量在虚拟模拟中模拟外科手术工具的动态特性，从而评估虚拟加速度向量对外科手术工具的自动推进的影响。控制系统可以响应于力/扭矩传感器接收来自由用户手动施加到外科手术工具的力/扭矩的输入，命令操纵器启动自动推进。

上述实施方式中的任何实施方式都可全部或部分地组合。

附图说明

将会容易地了解本公开的优点，因为通过参考以下结合附图考虑的具体实施方式将会更好地理解它们。

图1是根据一个实施方式的机器人外科手术系统的透视图。

图2是用于控制机器人外科手术系统的示例控制系统的框图。

图3是根据一个实施方式的由控制系统实施的模块的功能框图。

图4示出了边界生成器的示例输出。

图5示出了路径生成器的示例输出。

图6是根据一个实施方式的涉及用于沿工具路径引导工具的混合模式控制的步骤的方法的流程图。

图7示出了工具(例如锯)沿着各种工具路径的用于将锯引导到与解剖结构相关联的各个切割平面的自动推进的示例。

图8是示出根据一个示例的工具路径的区段上的工具的图，其中外力(Fext)被施加到工具上。

图9是示出工具的虚拟刚体模型的图，其中执行一系列计算以基于外力(Fext)计算沿工具路径的加速度投影。

图10是可由控制系统的行为控制器操作用于实施混合控制模式的各方面的模块的框图。

图11A是机器人外科手术系统的简图，示出了工具沿工具路径自动推进的示例，其中在推进期间没有向工具施加手动力。

图11B是示出了对于与图11A的示例相对应的各个时间步长工具的相应进给速率的曲线图。

图12A是机器人外科手术系统的简图，示出了混合控制模式的示例，其中由用户向工具施加正向手动输入，以加速工具沿工具路径的自动推进。

图12B是示出了对于与图12A的示例相对应的各个时间步长工具的相应进给速率的曲线图。

图13A是机器人外科手术系统的简图，示出了混合控制模式的一个示例，其中用户施加正向手动输入以在正向方向上移动工具，然后用户释放正向手动输入以复原工具在正向方向上沿工具路径的自动推进。

图13B是示出了对于与图13A的示例相对应的各个时间步长工具的相应进给速率的曲线图。

图14A是机器人外科手术系统的简图，示出了混合控制模式的示例，其中由用户向工具施加反向手动输入，以减速工具沿工具路径的正向自动推进。

图14B是示出了对于与图14A的示例相对应的各个时间步长工具的相应进给速率的曲线图。

图15A是机器人外科手术系统的简化图，示出了混合控制模式的示例，其中由用户向工具施加反向手动输入，以暂时超控自动推进并沿工具路径在相反方向上移动工具。

图15B是示出了对于与图15A的示例相对应的各个时间步长工具的相应进给速率的曲线图。

图16A是机器人外科手术系统的简图，示出了混合控制模式的一个示例，其中用户施加反向手动输入以在反向方向上移动工具，然后用户释放反向手动输入以复原工具在正向方向上沿工具路径的自动推进。

图16B是示出了对于与图16A的示例相对应的各个时间步长工具的相应进给速率的曲线图。

图17A是机器人外科手术系统的简化图，示出了混合控制模式的一个示例，其中由用户向工具施加反向手动输入，以暂时抵消工具的自动推进，使得工具在工具路径上保持基本静止。

图17B是示出了对于与图17A的示例相对应的各个时间步长工具的相应进给速率的曲线图。

图18A是机器人外科手术系统的简图，示出了混合控制模式的一个示例，其中通过与对象的碰撞向工具施加外力，以暂时抵消工具的自动推进，使得工具在工具路径上保持基本静止。

图18B是示出了对于与图18A的示例相对应的各个时间步长工具的相应进给速率的曲线图。

具体实施方式

I.示例系统概述

参考图1，示出了机器人外科手术系统10。系统10用于治疗患者12的外科手术部位或解剖容积(A)，诸如治疗骨骼或软组织。在图1中，患者12正在接受外科手术规程。图1中的解剖结构包括患者12的股骨F和胫骨T。所述外科手术规程可涉及组织去除或其他形式的治疗。治疗可包括切割、凝固、损伤组织、其他原位组织治疗等。在一些示例中，外科手术规程包括部分或全部膝关节或髋关节置换外科手术、肩关节置换外科手术、脊柱外科手术或踝关节外科手术。在一些示例中，系统10被设计成切除要被外科手术植入物置换的材料，所述外科手术植入物诸如髋关节和膝关节植入物，包括单室膝关节植入物、双室膝关节植入物、多室膝关节植入物或全膝关节植入物。这些类型的植入物中的一些在名称为“ProstheticImplant and Method of Implantation”的美国专利申请公布2012/0330429中示出，所述专利申请的公开内容据此以引用的方式并入本文。本文公开的系统10和技术可用于执行其他外科手术或非外科手术规程，或者可用于工业应用或利用机器人系统的其他应用。

系统10包括操纵器14。操纵器14具有基部16和多个连杆18。操纵器推车17支撑操纵器14，使得操纵器14固定到操纵器推车17。连杆18共同形成操纵器14的一个或多个臂。操纵器14可具有串联臂配置(如图1所示)、并联臂配置或任何其他合适的操纵器配置。在其他示例中，可以在多臂配置中使用多于一个操纵器14。

在图1所示的示例中，操纵器14包括多个关节J和位于关节J处的用于确定关节J的位置数据的多个关节编码器19。为简单起见，仅一个关节编码器19在图1中示出，尽管可类似地示出其他关节编码器19。根据一个示例的操纵器14具有六个关节J1至J6，这六个关节实施操纵器14的至少六个自由度(DOF)。然而，操纵器14可具有任何数量的自由度并且可具有任何合适数量的关节J并且可具有冗余关节。

操纵器14不一定需要关节编码器19，而是可替代地或另外使用存在于每个关节J处的马达上的马达编码器。另外，操纵器14不一定需要旋转关节，而是可替代地或另外使用一个或多个移动关节。设想了关节类型的任何合适的组合。

操纵器14的基部16是操纵器14的为操纵器14或总体而言系统10的其他部件提供固定参考坐标系的一部分。操纵器坐标系MNPL的原点限定在基部16的固定参考处。基部16可相对于操纵器14的任何合适的部分(诸如连杆18中的一者或多者)来限定。另选地或另外，基部16可相对于操纵器推车17限定(诸如限定在操纵器14物理地附接到操纵器推车17的位置)。在一个示例中，基部16限定在关节J1和关节J2的轴线的相交部处。因此，尽管关节J1和J2在现实中是移动部件，但是关节J1和J2的轴线的相交部仍然是虚拟固定参考位姿，其提供固定位置和定向参考两者并且不相对于操纵器14和/或操纵器推车17移动。在其他示例中，操纵器14可以是手持式操纵器，其中基部16是工具的基部部分(例如，由用户徒手握持的部分)并且工具尖端相对于基部部分是可移动的。基部部分具有被跟踪的参考坐标系，并且工具尖端具有相对于参考坐标系计算(例如，经由马达和/或关节编码器和正向运动学计算)的工具尖端坐标系。工具尖端的移动可被控制以遵循路径，因为可确定其相对于路径的位姿。

操纵器14和/或操纵器推车17容纳操纵器控制器26或其他类型的控制单元。操纵器控制器26可包括一个或多个计算机，或指导操纵器14的运动的任何其他合适形式的控制器。操纵器控制器26可具有中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、存储器(未示出)以及存储装置(未示出)。操纵器控制器26加载有如下文所描述的软件。处理器可包括用于控制操纵器14的操作的一个或多个处理器。处理器可为任何类型的微处理器、多处理器和/或多核处理系统。操纵器控制器26可另外或替代地包括：一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、分立电路和/或能够实施本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。术语处理器不意图将任何实施方案限制于单个处理器。操纵器14还可包括具有一个或多个显示器和/或输入装置(例如，按钮、键盘、鼠标、传声器(语音激活)、手势控制装置、触摸屏等)的用户界面UI。

工具20联接到操纵器14并且可相对于基部16移动以在某些模式下与解剖结构交互。工具20是物理和外科手术工具，并且在某些实施方式中是或形成由操纵器14支撑的端部执行器22的一部分。工具20可由用户抓握。操纵器14和工具20的一种可能布置在名称为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利9,119,655中进行了描述，所述专利的公开内容据此以引用的方式并入本文。操纵器14和工具20可以替代配置布置。工具20可类似于2014年3月15日提交的名称为“End Effector of a Surgical Robotic Manipulator”的美国专利申请公布2014/0276949中所示的工具，所述专利申请据此以引用的方式并入本文。

工具20可包括能量施加器24，该能量施加器被设计成在外科手术部位处接触并去除患者12的组织。在一个示例中，能量施加器24是锉25。锉25可以是大致球形的，并且包括球形中心、半径(r)和直径。另选地，能量施加器24可以是钻头、锯片、超声振动尖端等。工具20和/或能量施加器24可包括任何几何特征，例如周长、圆周、半径、直径、宽度、长度、体积、面积、表面/平面、运动包络范围(沿着任何一个或多个轴线)等。可以考虑几何特征来确定如何在外科手术部位处相对于组织定位工具20，以执行期望的治疗。在本文所述的一些实施方案中，为了方便和易于说明，将描述具有工具中心点(TCP)的球形锉，但并非意图将工具20限制为任何特定形式。在其他示例中，工具20不包括能量施加器24。例如，工具20可以是用于锯的开槽切割引导件、用于接收另一工具的引导管等。

工具20可包括工具控制器以控制工具20的操作，诸如控制工具的动力(例如，控制工具20的旋转马达的动力)，控制工具20的移动，控制工具20的冲洗/抽吸和/或类似操作。工具控制器可以与操纵器控制器26或其他部件通信。工具20还可包括具有一个或多个显示器和/或输入装置(例如，按钮、键盘、鼠标、传声器(语音激活)、手势控制装置、触摸屏等)的用户界面UI。例如，工具20的用户界面UI上的用户输入装置中的一者可以是具有第一输入状态和第二输入状态的工具输入(例如，开关或其他形式的用户输入装置)(参见图1)。工具输入可以由用户致动(例如，按压和保持)以被置于第一输入状态，并且可以被释放以被置于第二输入状态。工具20可以具有握把，工具输入位于所述握把上。在一些型式中，工具输入是检测用户的手的存在的存在检测器，诸如在开/关状态之间切换的瞬时接触开关、电容式传感器、光学传感器等。工具输入因此被配置为使得第一输入状态指示用户正在主动接合工具20并且第二输入状态指示用户已经释放工具20。工具输入可以是连续激活装置，即，必须不断致动以允许工具20取决于哪个用户输入被致动而以手动模式或半自主模式运动的输入。例如，当用户不断致动工具输入并且启用手动模式时，操纵器14将响应于由用户施加的输入力和扭矩而移动，并且控制系统60将强制执行虚拟边界71以保护患者的解剖结构。当工具输入被释放时，来自力/扭矩传感器S的输入可以被禁用，使得操纵器14不再响应由用户施加到工具20的力和扭矩。

操纵器控制器26控制工具20(例如，TCP)相对于诸如操纵器坐标系MNPL的坐标系的状态(位置和/或定向)。操纵器控制器26可控制工具20的(线或角)速度、加速度或其他运动导数。在一个示例中，工具中心点(TCP)是限定在能量施加器24处的预定参考点。TCP具有相对于其他坐标系的已知或能够计算(即，不一定是静态的)的位姿。能量施加器24的几何形状在TCP坐标系中是已知的或相对于TCP坐标系限定。TCP可以位于工具20的锉25的球形中心处，使得跟踪仅一个点。TCP可以根据能量施加器24的配置以不同方式限定。操纵器14可采用关节/马达编码器或任何其他非编码器位置感测方法，以使得能够确定TCP的位姿。操纵器14可使用关节测量以确定TCP位姿和/或可采用技术直接测量TCP位姿。工具20的控制不限于中心点。例如，可以使用任何合适的图元、网格等来表示工具20。

系统10还包括导航系统32。在2013年9月24日提交的名称为“Navigation SystemIncluding Optical and Non-Optical Sensors”的美国专利9,008,757中描述导航系统32的一个示例，所述文献据此以引用的方式并入。导航系统32跟踪各种对象的移动。此类对象包括例如操纵器14、工具20和解剖结构(例如，股骨F和胫骨T)。导航系统32跟踪这些对象以采集每个对象相对于(导航)定位器坐标系LCLZ的状态信息。可使用转换将定位器坐标系LCLZ中的坐标转换为操纵器坐标系MNPL和/或反之亦然。

导航系统32包括容纳导航控制器36的推车组件34，和/或其他类型的控制单元。导航用户界面UI与导航控制器36操作性地通信。导航用户界面包括一个或多个显示器38。导航系统32能够使用一个或多个显示器38向用户显示所跟踪的对象的相对状态的图形表示。导航用户界面UI还包括一个或多个输入设备以将信息输入到导航控制器36中或以其他方式选择/控制导航控制器36的某些方面。此类输入装置包括交互式触摸屏显示器。然而，输入设备可包括按钮、键盘、鼠标、传声器(语音激活)、手势控制设备等中的任何一者或多者。

导航系统32还包括联接到导航控制器36的导航定位器44。在一个示例中，定位器44是光学定位器并且包括相机单元46。相机单元46具有容纳一个或多个光学传感器50的外部壳体48。定位器44可包括其自己的定位器控制器49并且还可包括摄像机VC。

导航系统32包括一个或多个跟踪器。在一个示例中，跟踪器包括指针跟踪器PT、一个或多个操纵器跟踪器52A、52B，第一患者跟踪器54和第二患者跟踪器56。在图1所示的示例中，操纵器跟踪器联接到工具20(即，跟踪器52A)，第一患者跟踪器54联接到患者12的股骨F，并且第二患者跟踪器56联接到患者12的胫骨T。在此示例中，患者跟踪器54、56联接到骨骼部分。指针跟踪器PT牢固地附连到指针P，所述指针用于将解剖结构与定位器坐标系LCLZ配准。操纵器跟踪器52A、52B可附连到操纵器14的除了工具20之外或以外的任何合适的部件，诸如基部16(即，跟踪器52B)，或操纵器14的任何一个或多个连杆18。跟踪器52A、52B、54、56、PT可以任何合适的方式固定到其相应的部件。例如，跟踪器可以是刚性固定的、灵活连接的(光纤)或根本不物理连接的(超声波)，只要有合适的(补充)方式来确定该相应跟踪器与和其相关联的对象的关系(测量值)即可。

跟踪器中的任何一者或多者可以包括有源标记物58。有源标志器58可包括发光二极管(LED)。另选地，跟踪器52A、52B、54、56、PT可具有无源标志器，诸如反射从相机单元46发射的光的反射器。可利用本文未具体描述的其他合适的标志器。

定位器44跟踪跟踪器52A、52B、54、56、PT以确定跟踪器52A、52B、54、56、PT中的每一者的状态，它们分别对应于分别与其附接的对象的状态。定位器44可执行已知的三角测量技术以确定跟踪器52、54、56、PT和相关联的对象的状态。定位器44将跟踪器52A、52B、54、56、PT的状态提供到导航控制器36。在一个示例中，导航控制器36确定跟踪器52A、52B、54、56、PT的状态并且将其传送到操纵器控制器26。如本文所用，对象的状态包括但不限于限定所跟踪对象的位置和/或定向或者位置和/或定向的等同项/推导项的数据。例如，状态可以是对象的位姿，并且可包括线速度数据，和/或角速度数据等等。

导航控制器36可包括一个或多个计算机，或任何其他合适形式的控制器。导航控制器36具有中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、非暂时性存储器(未示出)以及存储装置(未示出)。处理器可为任何类型的处理器、微处理器或多处理器系统。导航控制器36加载有软件。例如，软件将从定位器44接收的信号转化成表示被跟踪对象的位置和定向的数据。导航器控制器36可另外或替代地包括：一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、分立电路和/或能够实施本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。术语处理器不意图将任何实施方案限制于单个处理器。

尽管导航系统32的一个示例被示出为采用三角测量技术来确定对象状态，但导航系统32可具有用于跟踪操纵器14、工具20和/或患者12的任何其他合适的配置。

在另一示例中，导航系统32和/或定位器44是基于超声波的。例如，导航系统32可包括联接到导航控制器36的超声成像装置。超声成像装置对前述对象(例如操纵器14、工具20和/或患者12)中的任一者进行成像，并且基于超声图像来向导航控制器36生成状态信号。超声图像可以是2-D、3-D或两者的组合。导航控制器36可近实时地处理图像以确定对象的状态。超声成像设备可具有任何合适的配置并且可不同于图1所示的相机单元46。

在另一示例中，导航系统32和/或定位器44是基于射频(RF)的。例如，导航系统32可包括联接到导航控制器36的RF收发器。操纵器14、工具20和/或患者12可包括附接到其的RF发射器或转发器。RF发射器或转发器可以是无源的或有源通电的。RF收发器基于从RF发射器接收的RF信号来传输RF跟踪信号并且向导航控制器36生成状态信号。导航控制器36可分析所接收的RF信号以将相关状态与其相关联。RF信号可以具有任何合适的频率。RF收发器可定位在任何合适的位置以使用RF信号有效地跟踪对象。此外，RF发射器或转发器可具有任何合适的结构配置，所述任何合适的结构配置可在很大程度上与图1所示的跟踪器52A、52B、54、56、PT不同。

在又一个示例中，导航系统32和/或定位器44是基于电磁的。例如，导航系统32可包括联接到导航控制器36的EM收发器。操纵器14、工具20和/或患者12可包括附接到其的EM部件，诸如任何合适的磁跟踪器、电磁跟踪器、感应跟踪器等等。跟踪器可以是无源的或有源通电的。EM收发器生成EM场并且基于从跟踪器接收的EM信号来向导航控制器36生成状态信号。导航控制器36可分析所接收的EM信号以将相关状态与其相关联。同样，这种导航系统32示例可具有与图1所示的导航系统32配置不同的结构配置。

导航系统32可具有本文未具体列举的任何其他合适的部件或结构。此外，以上相对于所示导航系统32描述的技术、方法和/或部件中的任一者可实施或提供用于本文所述的导航系统32的其他示例中的任一者。例如，导航系统32可仅使用惯性跟踪或跟踪技术的任何组合，并且可另外或替代地包括基于光学纤维的跟踪、机器视觉跟踪等等。

参考图2，系统10包括控制系统60，所述控制系统除其他部件外包括操纵器控制器26、导航控制器36和工具控制器21。控制系统60还包括图3所示的一个或多个软件程序和软件模块。软件模块可以是在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或它们的任何组合上操作来处理数据以辅助系统10的控制的一个或多个程序的部分。软件程序和/或模块包括存储在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或它们的组合上的非暂时性存储器64中以由控制器21、26、36的一个或多个处理器70执行的计算机可读指令。存储器64可以是任何合适的存储器配置，诸如RAM、非易失性存储器等，并且可在本地或从远程数据库实施。另外，用于提示用户和/或与用户进行通信的软件模块可形成一个或多个程序的一部分，并且可包括存储在操纵器控制器26、导航控制器36、工具控制器21或其任何组合上的存储器64中的指令。用户可与导航用户界面UI或其他用户界面UI的输入装置中的任一者进行交互以与软件模块进行通信。用户界面软件可在与操纵器控制器26、导航控制器36和/或工具控制器21分开的装置上运行。

控制系统60可包括适合于实施本文所述的功能和方法的输入、输出和处理设备的任何合适的配置。控制系统60可包括操纵器控制器26、导航控制器36或工具控制器21，或它们的任何组合，或可包括这些控制器中的仅一个。这些控制器可经由如图2所示的有线总线或通信网络、经由无线通信或以其他方式进行通信。控制系统60还可称为控制器。控制系统60可包括一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、分立电路、传感器、显示器、用户界面、指示器和/或能够实施本文所述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。

参考图3，由控制系统60采用的软件包括边界生成器66。如图4所示，边界生成器66是生成用于约束工具20的移动和/或操作的虚拟边界71的软件程序或模块。虚拟边界71可以是一维的、二维的、三维的，并且可以包括点、线、轴线、轨迹、平面或其他形状，包括复杂的几何形状。在一些实施方案中，虚拟边界71是由三角形网格限定的表面。此类虚拟边界71也可以被称为虚拟对象。虚拟边界71可以关于诸如3D骨骼模型的解剖模型AM来限定。在图4的示例中，虚拟边界71是平面边界，以描绘整个膝盖植入物的五个平面，并且与股骨F的3D模型相关联。将解剖模型AM配准到一个或多个患者跟踪器54、56，使得虚拟边界71变得与解剖模型AM相关联。虚拟边界71可以是植入物特定的，例如基于植入物的大小、形状、体积等限定的，和/或是患者特定的，例如基于患者的解剖结构限定的。虚拟边界71可以是在术前、术中或它们的组合创建的边界。换句话说，虚拟边界71可以在外科手术规程开始之前、外科手术规程期间(包括组织去除期间)或它们的组合中限定。在任何情况下，控制系统60通过在存储器中/从存储器存储/检索虚拟边界71、从存储器获得虚拟边界71、在术前创建虚拟边界71、在术中创建虚拟边界71等来获得虚拟边界71。

操纵器控制器26和/或导航控制器36跟踪工具20相对于虚拟边界71的状态。在一个示例中，相对于虚拟边界71测量TCP的状态，以便经由虚拟模拟88确定要施加到虚拟刚体模型的触觉力，使得工具20保持与虚拟边界71的期望位置关系(例如，不移动超过它们)。虚拟模拟88的结果被命令至操纵器14。控制系统60以仿真物理手持件在存在物理边界/障碍物时将进行响应的方式控制/定位操纵器14。边界生成器66可以在操纵器控制器26上实施。另选地，边界生成器66可以在诸如导航控制器36的其他部件上实施。

参考图3和图5，路径生成器68是由控制系统60运行的另一个软件程序或模块。在一个示例中，路径生成器68由操纵器控制器26运行。路径生成器68生成工具20要经过的工具路径TP。工具路径TP可以包括多个路径区段PS，或者可以包括单个路径区段PS。路径区段PS可以是直线区段、弯曲区段或它们的组合等。工具路径TP可以相对于操纵器14坐标系MNPL、定位器坐标系LCLZ、工具20的坐标系、解剖结构的坐标系或其任意组合来限定。工具路径TP可以虚拟地附接到相应对象的坐标系，使得如果对象要移动，则工具路径TP将相应地移动。工具路径TP可以是植入物特定的，例如基于植入物的大小、形状、体积等限定的，和/或是患者特定的，例如基于患者的解剖结构限定的。工具路径TP可以与解剖结构的虚拟模型相关联，并且可以使用导航系统32将虚拟模型和工具路径配准到解剖结构。控制系统60可以通过在存储器中存储/从存储器中检索工具路径TP、操作前创建工具路径TP、操作中创建工具路径TP等来生成或获得工具路径TP。工具路径TP可具有任何3D形状或形状的组合，诸如圆形、螺旋形/开塞钻形、直线形、曲线形、它们的组合等。

在一个实施方式中，工具路径TP被限定为引导或对准路径。在一个示例中，工具路径TP用于引导工具20以移动到定位工具20以开始外科手术规程或步骤的位置。例如，如果工具20是锯片，则工具路径TP可以被配置为引导锯片和与解剖结构相关联的切割平面对准。如果工具20是切割钻，工具路径TP可以被配置为在准备自动切割时将切割钻引导至起始点。引入路径可以虚拟地从起始点连接到另一割路径以便去除组织。工具路径TP还可以使工具20能够沿着预定运动路径移动，用于将操纵器14的部件配准到导航系统32的目的。可以使用导航系统32将工具路径TP配准到解剖结构，使得工具路径TP虚拟地固定到解剖结构。这样，将自动更新空间中的工具路径TP位置，以考虑解剖结构的任何移动。

在另一实施方式中，如图5所示，工具路径TP被限定为组织移除路径。本文中描述的组织去除路径的一个示例包括铣削路径72。术语“铣削路径”是指工具20在用于铣削解剖结构的目标部位附近的路径，并且不旨在要求工具20在路径的整个持续时间内可操作地铣削解剖结构。例如，如将在下面进一步详细理解的，铣削路径72可包括其中工具20从一个位置过渡到另一个位置而不进行铣削的部分或区段。另外，可以采用沿着铣削路径72的其他形式的组织去除，诸如组织消融等。铣削路径72可以是在术前、术中或它们的组合创建的预定义路径。换句话说，铣削路径72可以在外科手术规程开始之前、外科手术规程期间(包括组织去除期间)或它们的组合中定义。

用于生成虚拟边界71和/或铣削路径72的系统和方法的一个示例在名称为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利9,119,655中进行了描述，所述专利的公开内容据此以引用的方式并入本文。在一些示例中，虚拟边界71和/或工具路径TP可以离线生成，而不是在操纵器控制器26或导航控制器36上生成。此后，虚拟边界71和/或工具路径TP可以在运行时被操纵器控制器26使用。

参考图3，两个附加的软件程序或模块在操纵器控制器26和/或导航控制器36上运行。一个软件模块执行行为控制74。行为控制74是计算指示下一命令位姿和/或工具20的定向(例如位姿)的数据的过程。在一些情况下，从行为控制74仅输出TCP的位置，而在其他情况下，输出工具20的位置和定向。来自边界生成器66、路径生成器68和力/扭矩传感器S的输出可以作为输入馈送到行为控制74，以确定下一命令位姿和/或工具20的定向。行为控制74可处理这些输入以及下文进一步描述的一个或多个虚拟约束，以确定命令的位姿。

第二软件模块执行运动控制76。运动控制的一个方面是操纵器14的控制。运动控制76从行为控制74接收定义下一个命令位姿的数据。基于这些数据，运动控制76确定操纵器14的关节J的关节角的下一个位置(例如，经由逆运动学和雅可比计算器)，使得操纵器14能够按照行为控制74的命令将工具20定位在例如命令的位姿。换句话说，运动控制76将可在笛卡尔空间中定义的命令位姿处理成操纵器14的关节角，使得操纵器控制器26可以相应地命令关节马达将操纵器14的关节J移动到对应于工具20的命令位姿的命令关节角。在一个型式中，运动控制76调节每个关节J的关节角，并且不断调整每个关节马达输出的扭矩，以尽可能接近地确保关节马达将相关联的关节J驱动到命令的关节角。

边界生成器66、路径生成器68、行为控制74和运动控制76可以是软件程序78的子集。另选地，每一个可以是分离地操作和/或以其任意组合独立操作的软件程序。术语“软件程序”在这里用于描述被配置为实施所描述的技术方案的各种能力的计算机可执行指令。为了简单起见，术语“软件程序”旨在至少包含边界生成器66、路径生成器68、行为控制74和/或运动控制76中的任何一者或多者。软件程序78可以在操纵器控制器26、导航控制器36或它们的任何组合上实施，或者可以由控制系统60以任何合适的方式实施。

可以提供临床应用程序80来管理用户交互。临床应用程序80管理用户交互的许多方面，并且协调外科手术工作流程，包括术前计划、植入物放置、配准、骨准备可视化和植入物配合的术后评估等。临床应用程序80被配置为向显示器38输出。临床应用程序80可以在其自己的单独处理器上运行或者可以与导航控制器36一起运行。在一个示例中，临床应用程序80在用户设定植入物放置之后与边界生成器66和/或路径生成器68交互，然后将由边界生成器66和/或路径生成器68返回的虚拟边界71和/或工具路径TP发送到操纵器控制器26以供执行。操纵器控制器26如本文所述执行工具路径TP。操纵器控制器26可以在开始或重新开始加工时另外创建某些区段(例如，导入区段)以平稳地返回到所生成的工具路径TP。操纵器控制器26还可以处理虚拟边界71以生成对应的虚拟约束，如下文进一步描述的。

系统10可以手动模式操作，诸如在美国专利9,119,655中描述的，所述专利通过引用并入本文。这里，用户手动引导工具20及其能量施加器24，并且操纵器14执行工具及其能量施加器在外科手术部位处的移动。用户物理地接触工具20以使工具20在手动模式下移动。在一个型式中，操纵器14监测由用户施加在工具20上以定位工具20的力和扭矩。例如，操纵器14可包括力/扭矩传感器S，该力/扭矩传感器检测由用户施加的力和扭矩，并且生成由控制系统60使用的对应输入(例如，一个或多个对应的输入/输出信号)。在一些实施方式中，可能需要用户持续抓握端部执行器上的触发器或开关，以启动检测由用户施加的力和扭矩的力/扭矩传感器S。

力/扭矩传感器S可以包括6-DOF力/扭矩换能器。操纵器控制器26和/或导航控制器36从力/扭矩传感器S接收输入(例如，信号)。响应于用户施加的力和扭矩，操纵器14以对基于由用户施加的力和扭矩而本会发生的移动进行仿真的方式移动工具20。工具20在手动模式下的移动也可以相对于由边界生成器66生成的虚拟边界71受到约束。在一些型式中，由力/扭矩传感器S进行的测量从力/扭矩传感器S的力/扭矩坐标系FT变换为另一个坐标系，诸如虚拟质量坐标系VM，其中对工具20的虚拟刚性体模型执行虚拟模拟88，使得可以在虚拟模拟88中将力和扭矩虚拟地施加到虚拟刚性体，以最终确定这些力和扭矩(以及其他输入)将如何影响虚拟刚性体的移动，如下所述。

系统10还可以以半自主或自动化模式操作，其中操纵器14沿着铣削路径72移动工具20(例如，操纵器14的活动关节J操作以移动工具20，而不需要用户在工具20上施加力/扭矩)。在美国专利9,119,655中也描述了自动化模式下的操作的示例，所述文献以引用的方式并入本文。在一些实施方案中，当操纵器14以自动模式操作时，操纵器14能够在没有用户施加的力的情况下移动工具20。换句话说，用户不需要物理接触工具20来移动工具20。相反，用户可以使用某种形式的遥控器来控制移动的开始和停止。例如，用户可以按住遥控器的按钮以开始工具20的移动，并且释放按钮以停止工具20的移动。

系统10也可以在手动引导模式下操作，如名称为“Systems and Methods forControlling Movement of a Surgical Tool Along a Predefined Path”中的美国专利申请公开US2020/0281676 A1所述，所述专利的内容据此以引用的方式整体并入本文。在手动引导模式中，用户将力/扭矩施加到力/扭矩传感器S，并且所施加的力/扭矩被用于确定沿工具路径TP推进工具20多远。在手动引导模式下，工具20在法向于工具路径的2DOF上被约束到工具路径TP，但在相切于工具路径TP的1DOF上不受约束。实际上，这使得工具20能够基于手动输入沿工具路径TP自由移动，但是约束通过将工具20的手动移动限制为沿工具路径来引导用户。

下面描述的是混合/手动操作模式，该模式结合了手动模式和自动模式的各方面。

II.混合自动/手动工具引导

本文描述了用于使用混合自动/手动模式沿工具路径TP引导工具20的系统、方法和技术，该混合自动/手动模式结合了手动操作模式和自动操作模式的益处。系统10命令操纵器14根据预定进给速率沿着预定工具路径TP执行工具20的自动推进。然后，可以基于施加到工具20的所测量的力/扭矩来修改这个预定进给速率。反过来，经修改的进给速率模仿用户的意图，并且混合模式赋予用户用于根据需要动态地增加或减少工具20的自动推进的“亲自动手”的方法。工具20的自动推进可以是这样的默认状态，该默认状态减轻了用户与必须手动和物理地连续引导工具20相关联的疲劳。默认状态可以预先确定的或基于用户的先前手动输入来设置。同时，用户可以在自动推进期间的任何时间进行干预，以通过向工具20施加力来手动调谐工具20沿工具路径TP的速度。另外，混合模式控制为用户提供可预测的或一致的响应，从而在向工具20施加力时在具有对工具20的控制方面给于用户信心，因为工具20被约束到预定工具路径TP。

在一些情况下，混合模式可以响应于工具20和在路径TP上与工具20碰撞的对象之间的碰撞而使得自动推进暂时减慢或停止。一旦对象从路径上去除，自动推进将继续。因此，混合模式不需要限于需要用户输入。无论是否提供用户输入，混合模式为工具20的自动移动提供了附加保障。

这种混合模式对于用户指导可能麻烦的或令人厌烦的工具路径TP可能是有益的。如下文将描述的那样，混合模式对于涉及有将工具20引导至端部位置或终点EP或沿着特定运动路径的工具路径TP是有利的。这个终点EP或运动路径对于外科手术规程来说可能是相关的，或者可能用于非外科手术目的。

参考图6，实施混合模式的一个示例可以以方法200来概括。在步骤202，控制系统60获得用于外科手术工具20的预定工具路径TP。工具路径TP可以类似于上面描述的实施方式中的任何一个。在步骤204，控制系统60命令操纵器14执行外科手术工具20的在第一路径方向(PD1)上并且根据预定进给速率PFR沿着预定工具路径TP的自动推进。进给速率是工具20沿工具路径TP经过的速度。预定进给速率PFR是对于每个路径区段用于工具20的自动推进的预定义的速度。假设没有外部输入或阻碍，工具20将根据预定进给速率PFR继续沿工具路径TP自动推进。自动推进可以无限期地继续，例如以连续路径循环的方式，或者一旦工具20到达工具路径TP的终点EP就可以自动终止。这种自动推进最初可以以半自动或自动模式执行，如上所述。

预定进给速率PFR可以是恒定的速度，或者可以基于各种变量或来源而动态地改变，如在名称为“Robotic Systems and Methods for Mitigating UndesiredOrientational Motion of Kinematic Components”的国际专利申请PCT/US21/65334中所述，所述专利的全部内容据此通过引用并入本文。这些变量包括但不限于：对进给速率的手动用户调节，例如通过使用控制悬架式操纵台、路径区段的曲率和/或与虚拟边界71的碰撞。在一个型式中，通过将PFR乘以与这些变量中的每一个变量相关的任意数量的系数来执行对PFR的调整。每个系数可以在0和1.0之间。对于确定PFR的每个迭代，系数值可以改变。预定进给速率PFR的其它方面在下文描述。

在步骤206，在外科手术工具20的自动推进期间，控制系统60响应于施加到外科手术工具20的力/扭矩接收来自力/扭矩传感器S的输入。这些力/扭矩可以通过用户手动抓握工具20并向工具20施加外力来施加。由此，用户施加的力实施了上述的手动操作模式的各方面。因此，混合模式通过自动推进的手动模式干预来实现。在一个实施方式中，可以仅响应于用户在施加力的同时持续抓握工具20或端部执行器上的触发器或开关由力/扭矩传感器S检测用户施加的力。这提供了用户施加力的意图的确认。在另一实施方式中，用户施加的力可以由力/扭矩传感器S检测，而无需工具20上的任何确认触发器或开关，例如通过用户简单地按压或拉动工具20。在一些情况下，控制系统60可以对所施加的力应用阈值或过滤器，以避免可能被认为是无意的或不稳定的移动。

另选地，力/扭矩可以由沿着路径TP与工具20碰撞的对象施加。在任一场景下，在步骤208，控制系统60可以评估来自力/扭矩传感器S的输入对外科手术工具20的自动推进的影响，以确定外科手术工具20相对于预定工具路径TP的有效进给速率EFR和有效路径方向EPD。在此，控制系统60考虑来自力/扭矩传感器S的输入可以如何影响工具20相对于工具路径TP的进给速率和路径方向。与计算手动力输入对自动推进的影响相关的细节将在下面描述。

在步骤210，控制系统60基于有效进给速率EFR和有效路径方向EPD确定操纵器14和外科手术工具20相对于预定工具路径TP的所命令的动作。这些所命令的动作的示例在图6中示出。这些所命令的动作中的任何一个动作可以单独地实施或者可以被组合。关于有效进给速率EFR，所命令的动作可以是增加进给速率(212)、降低进给速率(214)、保持进给速率(216)或使进给速率为零(218)。对于这些所命令的动作中的任何一个动作，有效进给速率EFR可以是预定进给速率PFR的调谐或改变、或者预定进给速率PFR的替换。换句话说，新的预定进给速率PFR可以从有效进给速率EFR导出。当保持进给速率(216)时，有效进给速率EFR可以与预定进给速率PFR相同，或者可以忽略或低于阈值，以便不被认为对工具20的自动推进具有影响。关于有效路径方向EPD，在许多例子中，有效路径方向EPD将与第一路径方向PD1相同。然而，在一些例子中，有效路径方向EPD与第一路径方向PD1相反。因此，所命令的动作可以是保持路径方向(220)、反转路径方向(222)、或停止工具20使得没有工具20沿着路径TP的方向性移动。在这些场景的任何一个场景中，工具20的有效路径方向EPD被限于相对于工具路径TP的某个方向，而不是偏离工具路径TP的方向。在一些配置中，可能不需要计算来自力/扭矩传感器S的输入将如何影响工具20相对于工具路径TP的方向。例如，控制系统60可以将路径方向限制为正向，同时禁止工具20沿着路径TP的任何反向方向性移动。下面将描述涉及又确定力/扭矩传感器的输入对自动推进(进给速率和路径方向)的影响的示例计算。

A.混合模式的示例用例

混合模式辅助用户沿工具路径TP将工具20引导到特定终点EP或沿着特定运动路径引导该工具。混合控制可以针对各种用例来实施。

在一个示例中，如图7所示，混合模式的自动推进方面可以用于将锯片和与解剖结构(A)相关联的一个或多个切割平面CPL1、CPL2对准。切割平面CPL可以被实施为由边界生成器66生成用于约束锯沿着切割平面CPL的移动的虚拟边界71。可以使用导航系统32将切割平面CPL配准到解剖结构(A)。切割平面CPL可以被实施用于全膝关节置换术规程，并可以包括股骨上的五个或更多个切口和胫骨上的一个切口。可以由控制系统60在远离解剖结构(A)的工具20的当前或指定起始点SP之间生成几个工具路径TP1、TP2。在为每次切割准备时，工具20被命令沿着相应的工具路径TP自动推进，直到工具20到达相应终点EP1、EP2。在这个示例中，终点EP被选择为将锯片的平面与距解剖结构(A)特定距离(例如，100mm)处的相应切割平面CPL对准。因此，在这个示例中，混合模式控制的自动推进方面不是用于去除组织，而是用于辅助用户将工具20引导到各个切割平面CPL。控制系统60限定工具20相对于每个工具路径TP的预定进给速率PFR和路径方向PD。在一个实施方式中，预定进给速率PFR在整个工具路径TP中是恒定的。然而，预定进给速率PFR在工具路径TP之间可以相同或不同。而且，对于一个工具路径TP的不同部分或区段，预定进给速率PFR可以相同或不同。例如，对于工具路径TP的一部分处的路径区段，预定进给速率PFR可以具有较低速度，以平滑地斜升工具20速度，直到其最终达到用于工具路径TP的剩余部分的最终速度。而且，预定进给速率PFR可以根据工具路径TP的长度被配置为更快或更慢，以避免在将工具20移动到终点EP1中的延迟，或者提供更好的用户体验。尽管图7中未示出，但是在到这些不同的切割平面(CP)的自动推进期间，用户可以向工具20施加力，以根据他们的喜好增加或减少工具20的进给速率。

在一些例子下，工具路径TP从其开始的工具20的起始点SP可以由区带(Z)限定，如图7所示。区带(Z)可以是工具20可以虚拟进入其中的虚拟3D区域，诸如球体。起始点SP可以是区带(Z)内的固定位置，或者可以由区带(Z)内工具20或TCP的任何当前位置来限定。一旦检测到工具20在区带(Z)内，可以由临床应用80例如在用户界面UI或显示器上提示用户确认切割平面CPL、工具路径TP和/或使用混合模式的开始自动推进。

在另一示例中，混合模式可以用于将切割钻引导到相对于解剖结构(A)的终点EP。这个终点EP可以是另一工具路径TP的起点，该工具路径TP将被用于使用自动或半自动模式对解剖结构(A)进行自动铣削。另选地，在准备以后使得能够使用手动模式利用工具20去除组织时终点EP可以是距解剖结构(A)的特定距离(例如，100mm)。在任一情况下，混合模式使用户能够向工具20施加力，以改变工具20沿着路径的进给速率。例如，用户可可能感觉不愿意允许锋利的切割工具朝向解剖结构(A)自动推进，并且在自动推进期间可以使用混合模式来施加一些控制，以选择性地减慢工具20的进给速率。

混合模式也可以用于将工具(诸如螺丝刀或钻头)或导管与相对于解剖结构(A)的目标轨迹对准。这个技术在准备椎弓根插管或插入、在解剖结构中钻出用于接收植入物的钉孔、对准用于全髋关节外科手术的冲击器或扩孔器等中可能是有价值的。同样，根据用例，可以出于不同的原因使用混合模式控制。在目标轨迹的这个示例中，用户可以在自动推进期间施加力，以选择性地增加进给速率，从而允许工具20更快地到达目标轨迹。

对于涉及解剖结构(A)和切割工具的以上示例，控制系统60可以有意地停用工具20，使得工具20不被通电并且不能在自动推进期间去除组织。在工具路径TP被用于辅助用户在准备外科手术时将工具20引导朝向解剖结构(A)的情况下，工具停用可能是有用的。以这样的方式停用工具20可以帮助避免意外伤害，因为混合模式可以涉及用户选择性地抓握工具20并向自动移动的工具20施加力。对于混合模式使用工具路径TP来去除组织的情况，工具20将处于活动状态。

另外，混合模式对于非外科手术的工具路径TP是有用的。一个示例是涉及有执行操纵器14的导航配准的工具路径TP。在这种场景下，工具20沿着预定工具路径TP(诸如钟摆或椭圆路径)自动移动。在沿工具路径TP移动期间，可以由导航系统32跟踪附接到工具20或与该工具集成的跟踪器52A。同时，可以由导航系统32跟踪基座跟踪器52B。因此，工具跟踪器52A和基座跟踪器52B之间的关系是已知的。然而，由于技术人员对基座跟踪器52B的手动设置，基座跟踪器52B和操纵器16的基座16之间的关系可能是未知的。为了确定基座跟踪器52B和基座16之间的关系，与工具20相关联的所跟踪的数据与来自操纵器14关节(J)的移动的运动学数据融合，以确定从基座跟踪器52B到基座16的变换。一旦确定了这种变换，操纵器14的配准就完成。在利用混合模式的情况下，用户可以在操纵器配准过程期间进行干预，以减慢沿着路径的自动工具移动的速度，从而防止工具20和/或操纵器14与包括操纵器本身的对象碰撞的可能性。用户还可以向工具20施加力来反转路径方向，以使得导航系统32能够重新捕获附加跟踪数据。

在一些情况下，可以使用由导航系统32跟踪的导航指针(P)动态地或在手术中限定工具路径TP。用户可以将指针(P)移动到任何位置或者沿着运动路径移动。然后，由导航系统32跟踪指针尖端的位置或移动，并且工具路径生成器68可以基于指针尖端移动生成工具路径TP或定位工具路径TP的点。这个指针技术截图用于标识工具路径的终点EP。终点EP可以类似于上面描述的示例终点EP、解剖结构上的点或者由用户所期望的任何点。这种指针技术也可以用来表示工具路径TP的起始点。另外，可以使用指针(P)限定起始点和终点之间的任意数量的点。例如，用户可以利用指针(P)来数字化空间中的六个点。然后，工具路径生成器68可以对这些点进行插值，以近似或生成用户旨在沿着各个点形成的工具路径TP。除了上述用例之外，混合模式的其他用例是可能的。

B.混合模式初始化

考虑了许多技术来确定用户启动混合模式的意图。在一个例子中，一旦工具20到达区带(Z)或起始点SP，可以自动启动混合模式下工具20的自动推进。在一些情况下，可能需要用户向工具20施加力/扭矩来手动启动自动推进。另选地，可能需要用户按压工具20或端部执行器的触发器或按钮，并施加力来启动自动推进。混合模式也可以在用户的意愿下使用任何类型的用户界面来初始化，诸如联接到操纵器14的遥控器或悬架式操纵台。

而且，混合模式下的自动推进可以从工具20的任何状态开始，并且可以从任何先前的操作模式过渡/过渡到任何先前的操作模式。例如，自动推进可以在工具20最初静止后开始，可以从工具20的手动模式移动过渡/过渡到手动模式移动，或者可以从自动或半自动模式过渡/过渡到自动或半自动模式。此外，混合模式下的自动推进可以过渡到手动引导模式或从手动引导模式过渡。

而且，当启动混合模式下的自动推进时，工具20可能偏离工具路径。在一个示例中，用户可以在手动模式下并且当工具离开工具路径时向工具20施加力/扭矩，并且系统可以将用户施加的力逐渐过渡为沿工具路径的混合推进。例如，来自用户的所施加的力的速度向量可以基于时间和/或距离逐渐混合为来自用于自动推进的预定进给速率PFR的期望速度向量。随着这种混合继续，工具20将朝向工具路径移动，并且可以基于向量的幅值和方向及其逐渐混合而加速或减速。

在一些情况下，控制系统60可以检测在手动模式下由用户手动施加到工具20的力/扭矩的方向，并确定力/扭矩的方向是朝向工具路径TP还是与工具路径TP相交。如果是，则可以控制操纵器14将工具20移动到工具路径TP，并且此后初始化混合模式。在一些例子中，这种移动是使用有吸引力的触觉来实施的。这种吸引可以通过控制系统60的引导操控器获得工具的当前状态(偏离工具路径)和工具20的目标状态(在工具路径上)并基于当前状态和目标状态生成一个或多个虚拟约束来实施。控制系统60可以实施约束求解器86(下面进一步描述)以基于一个或多个虚拟约束计算适于将工具20从当前状态吸引朝向工具路径TP上的目标状态的约束力。控制系统60实施虚拟模拟器88，以基于来自一个或多个传感器的输入和基于约束力在虚拟模拟88中模拟工具的动态特性，以输出所命令的位姿CP。控制系统60然后命令操纵器14基于所命令的位姿CP将工具20移动到路径，从而在准备沿着工具路径TP的混合模式推进时向用户提供引导用户朝向将工具20放置处于目标状态的触觉反馈。在一个示例中，一旦检测到工具上的初始力，系统可以逐渐增加虚拟约束的力，以将工具20移动到路径。虚拟约束力的增加可以在预定持续时间内实施和/或可以基于工具和路径之间的相对距离。可以用于将工具引导到工具路径的有吸引式触觉的示例可以类似于名称为“Systems and Methods for Guiding Movement of a Tool”的美国专利申请17/701,989中所描述的吸引式触觉，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。

在其他情况下，路径生成器68可以动态地生成从工具20的当前状态(偏离路径)到由混合模式所利用的工具路径TP的起始点的引入路径。可以响应于用户输入，例如使用所描述的用户界面UI中的任何一个，来生成引入路径。工具20可以使用手动或自动模式沿着导入路径移动。一旦工具20到达混合模式工具路径TP的起始点，工具20可以立即开始自动推进，或者可以在起始点暂停，等待用户确认以初始化混合模式推进。

C.混合模式计算示例

如上所述，混合模式涉及在工具20的自动推进期间响应于施加到工具20的力/扭矩，接收来自力/扭矩传感器S的输入。控制系统60评估来自力/扭矩传感器S的输入对工具20的自动推进的影响，以确定有效进给速率EFR，并且可选地，确定工具20相对于预定工具路径TP的有效路径方向EPD。本节中描述的是涉及有评估力/扭矩传感器S输入对工具20的自动推进的影响的示例计算。

图8示出了其中来自力扭矩传感器S的输入被表示为向量Fext(相对于路径TP上的工具20示出)的示例。图8中的Fext的位置仅作为示例提供，并且根据所施加的力/扭矩的性质可以具有不同的幅值和/或方向。在这个示例中，假设Fext具有沿工具路径TP的正向方向上的分量。在图8中，为了简单起见，仅示出了工具路径TP的一个路径区段PS。工具20当前位于工具路径TP上，使得TCP处于先前所命令的位姿CP1。路径区段PS被限定为从先前所命令的位姿CP1到下一所命令的位姿CP2。

为了评估Fext对工具20的自动推进的影响，控制系统60可以被配置为基于力/扭矩传感器S输入，以及更具体地基于Fext，来确定虚拟加速度向量(Av)。虚拟加速度向量(Av)表示从Fext导出的虚拟加速度。图9示出了涉及关于工具20或TCP的虚拟刚体VRB模型的示例计算步骤。如上所述，在虚拟模拟88中利用虚拟刚体VRB，使得力和扭矩可以虚拟地施加到虚拟刚体VRB(在虚拟质量坐标系VM中)。虚拟模拟88用于确定这些力和扭矩(以及其他输入)将如何影响虚拟刚体VRB的移动。另选地或另外，工具20的TCP可以由虚拟模拟88评估，使得力和扭矩可以虚拟地施加到TCP(在TCP的坐标系中)。为了确定虚拟加速度向量(Av)，控制系统60计算力投影Fext或将其转换到坐标系VM中的虚拟刚体VRB。控制系统60利用虚拟刚体VRB的已知虚拟质量(Vmass)来求解F＝mA，其中“F”是Fext，“m”是VRB的虚拟质量(Vmass)，以及“A”是虚拟加速度向量(Av)。如图9的示例所示的计算结果是具有与Fext相同的方向但具有较小幅值的虚拟加速度向量(Av)。然而，取决于Vmass和Fext，虚拟加速度向量(Av)可以另选地具有不同的方向，或者与Fext相同的幅值或比其更大的幅值。

一旦确定了虚拟加速度向量(Av)，控制系统60就基于工具20当前位于其上的工具路径TP的区段PS来计算工具路径方向PD，如图8所示。在这种情况下，假设工具路径TP由几个离散路径区段PS构成，这些离散路径区段中的每一个离散路径区段是线性的。因此，路径方向PD可以利用被限定为从路径区段PS的起点到终点、或者从先前所命令的位姿CP1到下一所命令的位姿CP2的单位向量来计算。在其他情况下，路径区段PS可以是弯曲的或曲线的。在这种情况下，工具路径方向PD可以使用类似的单位向量(从区段起点到终点)或使用任何类型的近似来导出，诸如从弯曲区段的切向分量取平均方向、近似穿过弯曲区段的线等。路径方向PD被应用或转换到虚拟刚体VRB的VM坐标系，如图9所示。

在已经获得虚拟加速度向量(Av)和路径方向PD的情况下，控制系统60计算这些向量的点积以生成加速度投影(Aproj)，也如图9所示。加速度投影(Aproj)具有幅值和方向，该幅值和方向中的两者可能影响工具20的进给速率和路径方向。加速度投影(Aproj)可以被理解为从Fext导出的虚拟加速度的工具路径分量。

图10示出了由控制系统60执行的用于实施混合控制模式的模块和过程的框图。在这个示例中，行为控制74包括路径操控器82、路径约束计算器84、约束求解器86和虚拟模拟器88。路径操控器82、路径约束计算器84、约束求解器86和虚拟模拟器88各自包括存储在前述控制器中的任何一个或多个的非暂时性存储器中并由控制系统60实施的可执行软件。

在这个型式中，路径操控器82可以接收几个输入：与工具路径TP(或区段)相关联的预定工具路径TP和预定进给速率PFR、来自力/扭矩传感器S输入的Fext、以及工具20或TCP的前面的所命令的位姿CP和前面的推进给速率。预定进给速率PFR表示对于包括当前路径区段的路径区段中的每一个路径区段用于工具20的自动推进的默认进给速率。在一些情况下，用于自动推进的预定(第一)路径方向PD1可以被输入到路径操控器82中。预定路径方向PD1可以从预定进给速率PFR中导出、隐含在PFR中、或者被提供有与PFR相关联的数据。

路径操控器82可以处理任意数量的这些输入，以确定用于工具20的目标位姿TP。目标位姿TP具有位于工具路径TP上的的原点，并且是其期望移动工具20的TCP的位姿。理想地，下一所命令的位姿CP与目标位姿TP一致。然而，在某些情况下，下一所命令的位姿CP可能不与目标位姿TP一致。

路径操控器82实施进给速率评估器87模块或子模块，以执行混合控制模式的某些方面。在图10中示出的过程的每个迭代(其可以以任何合适的帧速率(例如，每125或250微秒)执行)，进给速率评估器87评估用于当前路径区段的不同进给速率输入，并应用预定规则来确定限定工具应该沿着当前路径区段PS移动多远的(最终)有效进给速率EFR。更具体地，进给速率评估器87获得或计算工具20沿当前路径区段的初始进给速率，并基于Fext确定是否修改或调谐初始进给速率。根据外力/扭矩是否被施加到工具20，路径操控器82可以接收或可以不接收外力Fext输入。假设自动推进先前已经开始并且没有来自力/扭矩传感器S的先前或当前输入，初始进给速率将被默认为预定进给速率PFR(自动速度)。然而，如果存在来自力/扭矩传感器S的先前输入，初始进给速率可以基于先前有效进给速率EFR(混合模式速度)，该先前有效进给速率可以是或可以不是预定进给速率PFR的经修改/调谐的型式。在确定目标位姿TP的位置之前，有效进给速率EFR可以与其它进给速率源组合，诸如上面描述的和美国专利9,566,122中描述的进给速率源，该专利通过引用并入本文。

当外力/扭矩当前被施加到工具20时，Fext被输入到路径操控器82，用于过程的当前迭代。对于当前时间步长，路径操控器82计算加速度投影(Aproj)，如上所述。路径操控器82可以对加速度投影(Aproj)积分以获得偏移进给速率。换句话说，偏移进给速率从加速度投影(Aproj)导出，该加速度投影从Fext导出。路径操控器82还可以对加速度投影(Aproj)进行二重积分，以获得沿工具路径TP的位移和目标位姿TP或下一所命令的位姿CP。偏移进给速率是进给速率评估器87的另一输入。偏移进给速率是相对于初始进给速率的潜在偏移。如下将描述的，存在可以规定偏移进给速率不应施加到初始进给速率的规则。也存在其中偏移进给速率可以超控或替代初始进给速率的情况。Fext对初始进给速率的影响可以使用距离、速度和/或加速度或其组合来计算。例如，可以利用初始加速度和偏移加速度来代替初始进给速率和偏移进给速率。

在已经获得初始进给速率和偏移进给速率的情况下，路径操控器82和/或进给速率评估器87可以使用任何形式的均匀加速度方程来计算有效进给速率EFR，诸如Δd＝(Vo+Vf/2)/t，其中Vo是初始进给速率的速度，Vf是偏移进给速率的速度，t是当前时间步长持续时间，以及Δd表示工具20根据有效进给速率EFR将沿着路径TP行进的距离。可以利用其他加速度方程，例如Vf＝Vo+at，其中a是加速度投影(Aproj)。在一些实施方式中，偏移进给速率可以被实现为-1到0到+1的单位值范围内的系数，用于缩放或修改初始进给速率。系数值可以从与Fext的值关联的查找表中导出。

在一些情况下，诸如当初始化自动推进并且没有施加到工具20上的外力时，进给速率逐渐加速，直到达到预定进给速率PFR。在此，可以选择Vf＝Vo+at的加速度分量作为默认加速度值或值的范围，而不是加速度投影(Aproj)。一旦达到预定进给速率PFR，加速度分量可以归零或从等式中去除，直到检测到外力。

可以计算偏移进给速率、加速度投影(Aproj)和/或Fext，使得正值在正向路径方向上以及负值在负向路径方向上。因此，积分可以以产生有效进给速率EFR的方向或有效路径方向EPD的方式执行。例如，负距离指示沿工具路径TP向后移动。在某些情况下，可能不期望允许用户沿工具路径TP向后移动。在这种情况下，如果计算负距离，它可能被限制为零或被忽略。

假设施加了Fext，路径操控器82将获得了有效进给速率EFR和有效路径方向EPD。路径操控器82然后在时间步长内沿工具路径TP迭代地步进，一次一个路径区段PS，直到沿工具路径TP步进的累积距离(例如，路径距离)等于从有效进给速率EFR导出的位移。这个迭代过程可以包括路径操控器82重复检查下一段节段的距离是否会超过EFR位移，如果下一段节段的距离超过EFR位移，则路径操控器82在这个路径区段PS内线性地进行插值，以确定沿着路径区段PS的到达EFR位移的精确位置。这个位置成为下一目标位姿TP的原点。这个迭代路径插值过程还可以包括在将结果设置为下一目标姿势TP的原点之前对插值路径点(时域或空间)的平滑滤波器、加速度滤波器等。

目标位姿TP然后可以被发送到路径约束计算器84以计算三个虚拟约束。在这个示例中，这些虚拟约束包括要被应用来有效地将工具20从工具20的当前所命令的位姿CP移动到目标位姿TP的x、y、z虚拟约束(更多或更少的约束也是可能的)。这三个约束基于当前所命令的位姿和目标位姿TP之间的差异来计算。当然，在其他型式中，定向约束也可以基于当前定向和期望定向之间的差异来限定。然后，由路径约束计算器84限定的三个虚拟约束被输入到约束求解器86(可能地带有边界约束和/或其他约束，如图10所示)，以便由约束求解器86处理以确定最终的约束力F_c。虚拟模拟器88然后进行虚拟模拟88以最终确定下一所命令的位姿CP。约束解算器86基于起作用以有效地抵消法向于或者切向于工具路径TP的TCP处的用户力的分量(否则这可能导致工具20的TCP相对于路径TP移动)的三个虚拟约束(x，y，z)计算要在虚拟模拟器88中虚拟地施加到工具20的约束力F_c。约束力F_c约束工具20的TCP在下一所命令的位姿CP的移动，直到下一迭代被立即执行。实际上，约束力F_c限制混合模式控制，使得工具20保持在工具路径TP上。

虚拟模拟器88可以考虑x、y、z约束之外的其他力/约束的影响。例如，可以利用附加约束，使得目标位姿也以旋转自由度中的一个或多个上的期望定向进行编码。在这种情况下，可以选择用于目标位姿TP的轴线中的一个或多个来给出TCP坐标系的期望定向(对于工具路径TP上的那个点)。因此，将由路径约束计算器84针对位置分量和定向分量计算三个以上虚拟约束。因此，混合模式可以辅助用户沿工具路径TP引导工具20的TCP，同时还在一个或多个自由度上引导工具20的定向。可以由路径生成器68基于外科手术方法、临床访问等离线地或在规程期间计算/确定路径限定的取向，并作为工具路径TP的一部分将这些取向传递到路径操控器82中，使得在工具20的TCP沿工具路径TP自动推进时，工具20的取向以期望的/预定的方式自动改变。另选地或另外，可以独立于路径约束计算器84确定一组取向约束，并将这些取向约束作为“其他约束”输入的一部分传递到约束解算器86中。这种方法的一个示例是具有2-DOF的一组定向约束(例如，对于球形钻)以将钻轴保持在预定的虚拟孔内，如美国专利9,566,122中所述，该专利通过引用并入本文。用于取向控制的其他选项是可能的，诸如没有定向控制，由此用户可以自由地重新定向工具20。因此，用于TCP位置的两个或三个虚拟约束可以来自路径约束计算器84，并且附加约束可以由独立定向控制源提供。位置和取向约束或单独的约束可以具有不同的刚度/阻尼调谐，以给出期望用户交互和感觉。约束求解器86求解约束的全集，并向运动控制76输出所命令的位姿CP。

该系统还使得用户能够沿工具路径TP重新定向工具20，而不必改变有效进给速率或预定进给速率。为此，在端部执行器或工具20沿工具路径TP推进时，用户可以按压端部执行器或工具上的开关或触发器。在按下开关或触发器时，用户施加力/扭矩来重新定向工具20。另外地，可以在不按压触发器/开关的情况下施加力/扭矩。该系统可以利用来自Fext的偏离工具路径或者与虚拟模拟中的工具路径不相切的力/扭矩的分量来确定如何在工具20沿着路径推进的同时重新定向工具20。虚拟约束可以用来在这个重新定向期间将工具20保持在工具路径上。这种重新定向技术有利于使得用户能够在推进期间根据需要符合人体工程学地定向工具。另外，推进期间的重新定向可能有助于避免工具轴和环境之间的潜在碰撞。如果所施加的力/扭矩足够大或高于阈值，则系统可以确定用户旨在将工具20拉离工具路径TP，并且可以允许这样做。这种情况在下文进行描述。

本文中描述的技术可以利用约束方程和数据、正向动力学算法、刚体计算、约束力计算和虚拟模拟，如在名称为“Systems and Methods for Controlling Movement of aSurgical Tool Along a Predefined Path”的美国专利申请公开US2020/0281676 A1中描述的那些，该专利申请的内容通过引用整体并入。

D.示例混合模式规则

路径操控器82和/或进给速率评估器87可以实施限制混合控制模式的不同规则或条件。以下规则仅作为示例提供，并且不需要限制本公开的范围。这些规则可能适用或可能不适用，视情况而定。

可以设置的一个规则是最大速度(在图12B中被示出为FR-max)。混合模式下工具20的进给速率可以被限制为使得进给速率不超过最大速度。最大速度可以被设置为大于预定进给速率PFR。因此，当工具20的进给速率基于预定进给速率PFR而没有Fext输入时，将不达到最大速度。在没有最大速度限制的情况下，工具20理论上可能响应于过大的输入力Fext而以不稳定或不安全的速度移动。因此，最大速度提供了关于用户对工具20的自动推进的的手动干预的速度限制。

路径操控器82和/或进给速率评估器87可以实施另一规则来调节速度“斜升”，以避免基于Fext的进给速率的突然切换并在混合模式下提供工具20的平滑运动。例如，从预定进给速率PFR导出的某些初始进给速率可以具有速度(或默认加速度)以逐渐增加工具20的进给速率，直到最终达到恒定速度，以便进行用于工具路径TP的剩余部分的自动推进。假设最初没有施加Fext，默认设置是根据这个默认加速度平滑地斜升进给速率。然而，如果施加Fext，可能不期望使得用户能够通过应用过大Fext来超控这种平滑过渡。因此，在一个示例中，模块82、87评估有效进给速率EFR是否会比某些初始进给速率大预定阈值。对于每一个相关的迭代，阈值可以是一个值，或者对于一个或多个迭代，阈值可以改变，即，取决于初始进给速率的速度。如果满足条件，则模块82、87可以确定偏移进给速率不应被加到初始进给速率。实际上，这意味着所施加的力Fext将被暂时忽略，以在速度斜升期间提供平滑的工具运动。这个规则可以应用于工具20的任何速度过渡，并且不需要限于工具路径TP的初始部分。例如，速度过渡可能发生在工具20由于外部施加的力Fext而改变方向、被释放或被保持在静止位置之后。如果不满足阈值，则可以将偏移进给速率加到初始进给速率上，以导致工具20的速度以比默认加速度更快的速率加速。在其他示例中，有效进给速率EFR可以与初始进给速率混合。

路径操控器82和/或进给速率评估器87可以评估工具20的进给速率是否已经超过预定进给速率PFR。如果没有超过预定进给速率PFR，那么可以应用默认加速度来逐渐增加工具20的进给速率，直到达到预定进给速率PFR。然而，如果已经超过了预定进给速率PFR，则路径操控器82和/或进给速率评估器87可以利用从Fext和上述计算导出的有效进给速率EFR来超控预定进给速率PFR。反过来，这种控制使得用户能够将工具20的进给速率手动设置在预定进给速率PFR以上。如果有效进给速率EFR下降到预定进给速率PFR以下，那么系统可以根据用户的意图、所检测到的条件和/或用户限定的设置复原预定进给速率或者可以保持EFR。

E.混合模式示例

图11至图18示出了如何实施上述计算从而以混合模式移动工具20的各种示例。这些示例中的一些示例涉及到传感器S的手动施加的力/扭矩，而其他示例不涉及。对于每一个示例，针对不同时间步长示出了工具20沿着路径TP的图示。伴随每一个图示的是示出了用于所示的特定示例的工具20的速度或进给速率的图表。为了便于说明，操纵器14、导航系统32和工具20以简化形式示出。图11至图18的示例中的任何一个示例可以在混合模式中单独使用，或者作为动作的组合使用。混合模式可以执行图11至图18中示出的动作之外的动作。

1.自动推进(无手动输入)

以图11A和11B开始，示出了这样的情况，其中工具20在混合模式下但是在不存在来自力/扭矩传感器S的任何当前输入的情况下沿工具路径TP自动推进。根据混合模式，在没有任何外力Fext的情况下，工具20将根据预定进给速率PFR自动沿工具路径TP前进。为了便于理解，在本说明书中使用用于描述沿工具路径TP的工具移动的术语“正向”和“反向”。然而，根据用户、工具或系统的角度，这些相对术语可能具有不同的含义。可以设想的是，如整个本文所述，自动推进可以被实施为在正向或反向方向上推进工具，如默认设置一样。

这个示例假设工具20最初在T0时处于静止。因此，图11B中的图表将进给速率示出为0。在T0之后，工具20以默认加速度逐渐增加进给速率，直到在T1达到预定进给速率PFR。工具路径方向由PD1表示，即，默认正向方向。一旦达到预定进给速率PFR，预定进给速率PFR被应用于每一个后续路径区段。在这个示例中，PFR是恒定速度。然而，如所描述的，PFR不需要在整个工具路径TP上是恒定的。例如，PFR可以被限定为在到达终点EP之前斜降速度。如上所述，自动推进可以根据PFR引导工具20，直到到达终点。另外地，自动推进可以根据PFR沿着闭合路径(环路)无限地连续移动工具20，直到标识某个终止事件从而停止移动。尽管这个示例示出了混合模式的自动模式方面，但是它不包括来自力/扭矩传感器S的输入。尽管这个示例对于理解自动推进是重要的，但是它仅仅是混合模式的部分表示。剩余示例示出了其中自动推进与来自力/扭矩传感器S的输入组合的情况。

2.用于加速自动推进的正向手动输入

图12A和12B示出了其中在沿工具路径TP的工具20的自动推进期间用户向力/扭矩传感器S施加正向外力/扭矩的情况。换句话说，所施加的力Fext具有在与工具20的自动路径方向PD1相同的方向上的分量。因此，用户手动增强或加速自动推进的速率。在这种情况下，如上所述，基于Fext作为输入来计算有效进给速率EFR。基于用户施加的力，有效进给速率EFR大于预定进给速率PFR。在这种情况下，用户施加的力仅在工具20根据预定进给速率PFR移动之后施加。在T0，工具处于静止，并且在T1，工具20达到预定进给速率PFR。在T2，用户正向手动输入被施加到工具20，并且加速度投影(Aproj)基于Fext进行计算，控制系统60使用该加速度投影来确定EFR。实际上，加速度投影(Aproj)的应用导致到达EFR的PFR的速度方面的改变。工具20的速度在T2和T3之间以有效进给速率EFR进行。在T3，第二用户正向手动输入被施加到工具20。在这个示例中，第二手动输入比第一输入更有力。因此，Fext的另一迭代被处理为输入，并且基于Fext计算第二加速度投影(Aproj)，控制系统60使用该第二加速度投影来确定第二有效进给速率EFR2。第二加速度投影(Aproj)的应用导致到达EFR2的EFR的速度方面的另一变化。工具20的速度在T3之后以第二有效进给速率EFR2进行。在这个示例中，控制系统60进一步实施最大速度限制FR-max以限制第二有效进给速率EFR2。换句话说，第二有效进给速率EFR2被限制为使得速度不超过最大速度。

出于许多实际原因，以这样的方式加速自动推进进给速率是有益的。例如，用户可能期望比默认速率能够提供的更快地将工具20移动到终点EP。这可以减少在手术室中的时间。在其他情况下，用户可以加速自动推进以避开与工具20的潜在碰撞。

3.沿正向路径方向的正向手动输入释放

图13A和图13B示出了其中用户在工具20的自动推进期间施加正向外力/扭矩以及然后用户释放工具20使得不再施加Fext的情况。这个示例例示了混合模式如何作为默认控制提供自动推进。在T1，工具20在没有用户输入的情况下自动达到预定进给速率PFR。在T2，用户向工具20施加正向手动输入，使得Fext具有在与工具20的路径方向PD1相同的方向上的分量。有效进给速率EFR基于作为输入的Fext进行计算，并且大于预定进给速率PFR。因此，用户暂时加速自动推进的速度。工具20的速度在T2和T3之间以有效进给速率EFR进行。用户然后在T3释放工具，使得将Fext减小到零输入值。路径操控器模块82、87可以标识Fext为零或不可用的情况。

响应于检测到工具20被释放，路径操控器模块82、87可以输出用于下一时间步长T3的两个不同响应中的一个响应。一个响应是恢复预定进给速率PFR，以及另一响应是保持有效进给速率EFR。在一个示例中，如图13B所示，在施加Fext之前实施的前面的预定进给速率PFR被恢复。在此，响应于用户释放工具20，进给速率将减速到PFR，因为PFR比上一EFR更慢。然而，被恢复的预定进给速率PFR可以是或者可以不是在手动输入之前实施的PFR。路径操控器模块82、87可以应用默认或预定减速度，以在T3提供从EFR到PFR的平滑过渡。路径操控器模块82、87可以通过计算EFR到PFR之间的速度随时间方面的变化的变化来计算减速度值。另外地，路径操控器模块82、87可以基于针对相应速度差(例如，EFR-PFR)提供各种默认减速度值的查找表获得减速度的值。只要用户在T3之后不对工具20施加任何手动力，工具20将根据PFR继续沿工具路径TP自动推进，直到条件或终点EP停止工具20。

如图13B所示，第二响应是根据最后有效进给速率EFR(没有施加Fext)继续推进工具20，其中EFR是在前面的时间步长(例如，T2)中实施的进给速率。在此，响应于用户释放工具20，进给速率将被保持处于EFR，这是通过用户施加Fext有效设置的。只要用户在T3之后不对工具20施加任何手动力，工具20将根据EFR继续沿工具路径TP自动推进，直到条件或终点EP停止工具20。

如下文将描述的，图13的释放和恢复示例另外地响应于由用户逆着预定路径方向PD1施加的负Fext来实施(例如，如图16所示)。

出于许多实际原因，以这种方式手动释放所施加的力和恢复自动推进进给速率是有益的。用户可能期望在重新开始自动移动之前的临时时段内更快或更慢地移动工具20。例如，用户可能暂时减速进给速率，因为对象正挡住工具路径TP。一旦从路径TP去除对象，用户释放并恢复自动推进。在另一示例中，用户可以施加力来暂时加速进给速率，以快速避开即将到来的障碍物，以及然后释放和恢复自动推进。在另一示例中，用户可能期望暂时施加力来加速进给速率，以穿过工具路径TP的、用户认为冗长或远离解剖结构的一部分。在另一示例中，用户可以暂时减速进给速率，以故意引起用于某个外科手术目的的延迟。例如，可以沿工具路径TP朝向切割平面CPL推进锯。在该过程中，用户可能意识到外科手术部件(诸如切割引导件、牵开器或冲洗工具)可能需要在手术部位附近进行调整或安装。为了为进行这种调调整提供时间，用户可以暂时使工具减速，并且然后一旦这种调整完成就释放。

4.用于减速正向自动推进的反向手动输入

图14A和14B示出了其中在沿工具路径TP的工具20的自动推进期间用户向力/扭矩传感器S施加反向外力/扭矩的情况。换句话说，所施加的力Fext具有在与工具20的自动路径方向PD1相反的方向上的分量。因此，用户有效地减速自动推进的速率。在一种意义上，这个示例可以被理解为阻碍或抵制自动推进，同时仍然允许原始推进方向。在这个过程期间，用户将在触觉上感觉到默认正向推进的阻力。基于负Fext作为输入来计算有效进给速率EFR，并且有效进给速率EFR小于预定进给速率PFR，但是仍然是正的。在T1，工具20在自动推进期间达到预定进给速率PFR，并且在T2，用户通过逆着路径方向PD1拉动工具20来轻轻地施加力。在T2，基于负Fext计算负加速度投影(Aproj)，该负加速度投影用来计算用于减小从PFR到EFR的速度的负偏移进给速率。但是，负偏移进给速率不完全抵消初始进给速率。因此，在施加负Fext的同时，工具20将在相同的路径方向PD1上但是以较慢进给速率移动。

以这样的方式减速自动推进进给速率可以为用户体验提供许多益处。例如，用户可能期望比默认速率更慢地将工具20移动到终点EP。减速也可以给期望在放弃对自动推进的控制之前感觉工具20的某些用户带来舒适。在其他情况下，用户可以减速自动推进以避开与工具20的潜在碰撞，或者减慢工具20以有意延迟，从而等待不期望状况的去除或者在端点EP附近外科手术调整的完成。

5.用于超控正向自动推进的反向手动输入

图15A和15B示出了类似于图14的情况的、其中在沿工具路径TP的工具20的自动推进期间用户向力/扭矩传感器S施加反向外力/扭矩的情况。换句话说，所施加的力Fext具有在与工具20的自动路径方向PD1相反的方向上的分量。然而，在这个示例中，Fext的幅值足以克服或超控自动推进。换句话说，用户施加足以使工具20沿着路径的方向反向的手动力。在这个过程期间，用户将在触觉上感觉到默认正向推进的阻力。在这个示例中，在T1，工具20在自动推进期间达到预定进给速率PFR，并且以PFR继续，直到T4，在该处，用户通过逆着预定路径方向PD1拉动工具20来施加力。在这样做时，用户有效地将自动进给速率降低到0，并且基于Fext立即实施负进给速率(在反向方向上)。基于负Fext计算负加速度投影(Aproj)，该负加速度投影用来计算用于减小从PFR到EFR的速度的负偏移进给速率。在此，负偏移进给速率完全抵消了初始进给速率。在所示的示例中，EFR是负的，并且具有小于预定进给速率PFR的速度(绝对值)。另外地，负有效进给速率EFR可以具有可以等于或大于预定进给速率PFR的速度。因此，在施加负Fext的同时，工具20将根据EFR在相反方向或有效路径方向PD2上移动。

自动推进的反转和超控也为用户体验提供了许多益处。例如，用户可能期望沿着先前被穿过的工具路径TP的一部分移动工具20。例如，这可以在操纵器14配准期间完成，以使得导航系统32能够重新捕获可能已经错过或丢失的跟踪数据。在另一示例中，为了某些外科手术目的，可以反转方向以提供空间或延迟。例如，可以沿工具路径TP朝向切割平面CPL推进锯。在该过程中，用户可能意识到外科手术部件(诸如切割引导件、牵开器或冲洗工具)可能需要在手术部位附近进行调整或安装。为了避免来自锯的伤害或为这种调整提供空间，用户可以施加力来反转工具方向。也可以利用方向反转来避开与工具20的潜在碰撞。

6.沿反向路径方向的反向手动输入释放

图16A和图16B示出了其中用户施加工具20的反向外力/扭矩以及然后用户释放工具20使得不再施加Fext的情况。这个示例提供了混合模式如何作为默认控制提供自动推进的另一实例。在T1之前，工具20可能已经是静止的或者可能已经按照预定进给速率PFR在正向方向上推进。在T1，用户向工具20施加反向手动输入，使得Fext具有在工具20的反向路径方向PD1上的分量。在T1之后，基于Fext作为输入来计算有效进给速率EFR。在这个示例中，假设以一致的方式施加Fext。在T1和T2之间的这个时段期间，在工具20被反向移动时，用户可能感觉到工具20上的阻力，因为预定进给速率PFR将想要在正向方向(PD2)上推进工具20。基于用户的输入，工具20在T1和T2之间以有效进给速率EFR进行。用户然后在T2释放工具，使得Fext被减小到零输入值。路径操控器模块82、87可以标识Fext为零或不可用的情况。

响应于在T2检测到工具20被释放，路径操控器模块82、87可以输出恢复或启动预定进给速率PFR的响应。可以在此第一次启动预定进给速率PFR，或者可以基于在T1之前的某个时间应用的先前实施的PFR来恢复PFR。在此，响应于用户在T2释放工具20，进给速率将加速到PFR，因为PFR大于EFR。按照这种加速，路径方向然后将从反向方向PD1改变为正向方向PD2。

路径操控器模块82、87可以应用默认或预定加速度，以在T2提供从EFR到PFR的平滑过渡。路径操控器模块82、87可以通过计算EFR到PFR之间的速度随时间方面的变化的变化来计算加速度值。另外地，路径操控器模块82、87可以基于针对相应速度差(例如，PFR-EFR)提供各种默认加速度值的查找表获得加速度的值。只要用户在T2之后不对工具20施加任何手动力，工具20将在T3以及在T3之后根据PFR继续沿工具路径TP自动推进，直到条件或终点EP停止工具20。

另一可能性是，在T2处释放工具20之后，工具20可以根据最后的有效进给速率EFR(没有应用Fext)继续自动推进，其中EFR是在某个先前时间步长实施的进给速率。例如，响应于用户释放工具20，进给速率可以以反向EFR的正值进行设置，这通过用户施加Fext有效地设置。

出于许多实际原因，以这种方式拉回和手动释放所施加的力以及恢复自动推进进给速率是有益的。用户可能期望在重新开始或启动自动移动之前的临时时段内将工具20拉回。例如，用户可能期望背离阻碍工具路径TP的对象移动工具20。一旦从路径TP去除对象，用户释放并恢复自动推进。在另一示例中，用户可以施加力来反转工具方向，以快速避开即将到来的障碍物，以及然后释放和恢复自动推进。在另一示例中，用户可能期望在重新开始自动推进之前“感觉”到路径或阻力，以向用户提供对由系统提供的引导的信心。在另一示例中，用户可以暂时拉回并手动释放工具20，以有意地为某些外科手术目的腾出空间或引起延迟。例如，可以沿工具路径TP朝向切割平面CPL推进锯。在该过程中，用户可能意识到外科手术部件(诸如切割引导件、牵开器或冲洗工具)可能需要在手术部位附近进行调整或安装。为了避免来自锯的伤害或为这种调整提供空间，用户可以施加力来反转工具方向。在另一示例中，用户可能期望沿着先前被穿过的工具路径TP的一部分拉回工具20。例如，这可以在操纵器14配准期间完成，以使得导航系统32能够重新捕获可能已经错过或丢失的跟踪数据。

7.用于抵消正向自动推进的反向手动输入

图17A和17B示出了类似于图15的情况的、其中在沿工具路径TP的工具20的自动推进期间用户向力/扭矩传感器S施加反向外力/扭矩的情况。换句话说，所施加的力Fext具有在与工具20的自动路径方向PD1相反的方向上的分量。然而，在这个示例中，Fext的分量刚好足以抵消自动推进。换句话说，用户在工具20上逆着自动推进施加足以将工具20保持静止的手动力，例如否定工具方向的手动力。在这个示例中，在T1，工具20在自动推进期间达到预定进给速率PFR，并且以PFR继续，直到T2，在该处，用户通过逆着预定路径方向PD1拉动工具20来施加力。在这样做时，用户手动将自动推进的速率降低到0。然而，因为Fext刚好足以抵消自动推进，所以没有立即实施的负进给速率(在反向方向上)。基于负Fext计算负加速度投影(Aproj)，该负加速度投影用于计算用于将PFR的速度降低到零有效进给速率EFR的负偏移进给速率。在此，负偏移进给速率正好偏移初始进给速率。因此，在施加负Fext的同时，工具20将在工具路径TP上保持静止。当然，如果负偏移进给速率偏移并超过初始进给速率，则可能的是工具20会暂时改变方向并沿工具路径TP反向移动。

实际上，由于对每个时间步长连续应用精确Fext值方面所需的精度，以这种方式保持工具20静止可能是具有挑战性的。因此，随着迭代被快速处理，随着相对于初始进给速率评估Fext的每一个迭代，工具20可以沿着静止位置来回振动。为了避免这种振动，控制系统60或路径操控器模块82、87可以在阈值数量的迭代(例如，超过10次迭代)内检测零有效进给速率EFR的存在。如果满足阈值，系统可以暂时暂停混合模式控制或暂时停止自动推进。然后可以经由用户界面提供用户确认来重启混合模式。这种临时暂停和确认可能是有益的，因为作为安全措施，控制系统60可以推断用户已经标识导致用户保持工具20静止并阻止自动推进的问题。在其他示例中，如果满足阈值，控制系统60可以沿着路径TP反转工具20的方向，直到达到距“保持点”的预定安全距离。

8.用于抵消正向自动推进的对象碰撞

图18A和图18B示出了其中混合模式可以对工具20和工具路径TP上的对象(O)之间的干扰工具20的自动推进的碰撞进行响应的情况。这个示例中的对象(O)被假设为静止对象，并且可以是任何外科手术或非外科手术对象，诸如另一工具(例如，切割引导器、牵开器、跟踪器或冲洗工具)、解剖结构(例如，骨骼、切割开口等)等。在这个示例中，外力Fext被施加到工具20上，并由力/扭矩传感器S作为输入提供。然而，在这个示例中，Fext不由用户的手动力提供。相反，Fext通过对象(O)与工具20的碰撞来提供。碰撞导致具有在与工具20的自动路径方向PD1相反的方向上的分量的负Fext。正如图17的示例一样，在这个示例中，Fext的分量刚好足以抵消自动推进。换句话说，碰撞在工具20上导致逆着自动推进施加足以将工具20保持静止的力，例如否定工具方向的力。在这个示例中，在T1，工具20在自动推进期间达到预定进给速率PFR，并且以PFR继续直到T2，在该处，碰撞力逆着预定路径方向PD1推动工具20。在这样做时，碰撞将自动推进的速率降低到0。然而，因为Fext刚好足以抵消自动推进，所以没有立即实施的负进给速率(在反向方向上)。基于负Fext计算负加速度投影(Aproj)，该负加速度投影用于计算用于将PFR的速度降低到零有效进给速率EFR的负偏移进给速率。在此，负偏移进给速率正好偏移初始进给速率。因此，只要对象(O)阻碍工具路径TP并且假设对象(O)不移动，工具20将在工具路径TP上保持静止。在一些情况下，负偏移进给速率可能偏移并超过初始进给速率，从而导致沿工具路径TP的工具20反向方向。

实际上，由于对每个时间步长连续应用精确Fext值方面所需的精度，保持工具20相对于对象(O)静止可能是具有挑战性的。因此，随着迭代被快速处理，随着相对于初始进给速率评估Fext的每一个迭代，工具20可以沿着静止位置来回振动。为了避免这种振动，控制系统60或路径操控器模块82、87可以在阈值数量的迭代(例如，超过10次迭代)内检测零有效进给速率EFR的存在。如果满足阈值，系统可以暂时暂停混合模式控制或暂时停止自动推进。然后可以经由用户界面提供用户确认来重启混合模式。这种暂时暂停和确认可能是有益的，因为作为安全措施，控制系统60可以推断可能存在工具20的防碰撞推进。在其他示例中，如果满足阈值，控制系统60可以沿着路径TP反转工具20的方向，直到达到距碰撞点的预定安全距离。

9.退出混合控制模式的手动输入

在工具20的混合控制推进期间，可能出现使得外科医生突然试图将工具20拉离工具路径TP的状况。无论手动力输入是否需要持续按压工具20或端部执行器上的触发器或开关，这种情况可以发生。如果发生这种情况，力/扭矩传感器S响应于医师背离工具路径TP移位工具20的努力而被暴露于相对较高的力和扭矩。由行为控制器实施的力超控模块可以响应于响应力/扭矩超过由力超控器管控的阈值或高力/扭矩限值而基于这个事件提供到路径操控器82或进给速率评估器87中的输入。力/扭矩的幅值和方向可以由力超控器评估以确定所施加的力/扭矩偏离工具路径TP的程度。力超控模块被配置为提供输入以将操纵器14从混合控制模式过渡到手动模式。这可能导致路径操控器82或进给速率评估器87输出零速度进给速率，并停止工具20的自动推进。利用手动模式，用户然后自由地控制工具20离开工具路径TP。另外地，用户可以以手动模式将工具20保持在工具路径TP上。用户可以使用任何用户界面UI或上述技术来复原混合模式。

在前文描述中已描述了若干实施方案。然而，本文论述的实施方案不意图是穷尽的，或将本发明限制于任何特定形式。已使用的术语意图在本质上是描述性而非限制性的字词。鉴于以上教导，许多修改和变型是可以的，并且本发明可以不同于具体描述的其他方式来实践。

Claims (33)

1.一种机器人外科手术系统，其包括：

外科手术工具；

操纵器，所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，所述操纵器包括多个连杆和关节；

力/扭矩传感器，所述力/扭矩传感器被配置为测量由用户施加到所述外科手术工具的力/扭矩；以及

控制系统，所述控制系统被配置为：

获得用于所述外科手术工具的预定工具路径；

命令所述操纵器执行所述外科手术工具的在第一路径方向上并且根据预定进给速率沿着所述预定工具路径的自动推进；

在所述外科手术工具的所述自动推进期间，响应于由所述用户施加到所述外科手术工具的力/扭矩而接收来自所述力/扭矩传感器的输入；

评估来自所述力/扭矩传感器的所述输入对所述外科手术工具的所述自动推进的影响，以确定所述外科手术工具相对于所述预定工具路径的有效进给速率和有效路径方向；以及

基于所述有效进给速率和有效路径方向来确定所述操纵器和所述外科手术工具相对于所述预定工具路径的所命令的动作。

2.如权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中：

所述有效进给速率大于所述预定进给速率；

所述有效路径方向是所述第一路径方向；并且

所命令的动作包括所述外科手术工具在所述第一路径方向上并且根据所述有效进给速率沿着所述预定工具路径的自动推进。

3.如权利要求2所述的机器人外科手术系统，其中所述外科手术工具根据所述有效进给速率的自动推进基于来自所述力/扭矩传感器的临时输入，并且所述外科手术工具根据所述有效进给速率的自动推进被配置为在不存在来自所述力/扭矩传感器的输入的情况下继续。

4.如权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中：

所述有效进给速率小于所述预定进给速率；

所述有效路径方向是所述第一路径方向；并且

所命令的动作包括所述外科手术工具在所述第一路径方向上并且根据所述有效进给速率或所述预定进给速率沿着所述预定工具路径的自动推进。

5.如权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中：

所述有效路径方向是与所述第一路径方向相反的第二路径方向；并且

所命令的动作包括所述外科手术工具在所述第二路径方向上并且根据所述有效进给速率沿着所述预定工具路径的推进。

6.如权利要求5所述的机器人外科手术系统，其中所命令的动作还包括通过所述外科手术工具在所述第一路径方向上的所尝试的自动推进而同时阻止所述外科手术工具在所述第二路径方向上的推进。

7.如权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中所述控制系统被配置为：

检测来自所述力/扭矩传感器的所述输入的不存在；以及

作为响应，命令所述操纵器启动或恢复所述外科手术工具的在所述第一路径方向上并且根据所述预定进给速率或根据先前有效进给速率沿着所述预定工具路径的所述自动推进。

8.如权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中所述预定工具路径包括端部位置，并且所述控制系统被配置为命令所述操纵器执行所述外科手术工具的在所述第一路径方向上并且根据所述预定进给速率或所述有效进给速率沿着所述预定工具路径的所述自动推进，以将所述外科手术工具引导到所述端部位置。

9.如权利要求8所述的机器人外科手术系统，其中所述外科手术工具是锯，并且所述端部位置被配置为将所述锯和与目标部位相关联的切割平面对准。

10.如权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中所述外科手术工具被配置为被启用以去除组织，并且其中所述控制系统被配置为在沿着所述预定工具路径的所述外科手术工具的自动推进期间停用所述外科手术工具。

11.如权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中所述控制系统被配置为：

基于来自所述力/扭矩传感器的所述输入确定虚拟加速度向量；以及

评估所述虚拟加速度向量对所述外科手术工具的所述自动推进的影响，以确定所述外科手术工具相对于所述预定工具路径的所述有效进给速率和所述有效路径方向。

12.如权利要求11所述的机器人外科手术系统，其中为了确定所述虚拟加速度向量，所述控制系统被配置为：

将所述外科手术工具建模为包括虚拟质量的虚拟刚体；

基于施加到所述外科手术工具的所述力/扭矩来计算到所述虚拟刚体的力投影；并且

基于所述力投影和所述虚拟质量来计算所述虚拟加速度向量。

13.如权利要求12所述的机器人外科手术系统，其中为了确定所述外科手术工具相对于所述预定工具路径的所述有效进给速率和所述有效路径方向，所述控制系统被配置为：

基于所述预定工具路径的、所述外科手术工具当前位于其上的区段来计算工具路径方向；并且

通过计算所述工具路径方向和所述虚拟加速度向量的点积来生成沿着所述预定工具路径的加速度投影。

14.如权利要求11所述的机器人外科手术系统，其中所述控制系统被配置为：

限定虚拟工具路径约束，所述虚拟工具路径约束被配置为将所述外科手术工具的移动限制为沿着所述预定工具路径；并且

通过被配置为基于所述虚拟工具路径约束、所述预定进给速率和所述虚拟加速度向量在虚拟模拟中模拟所述外科手术工具的动态特性，从而评估所述虚拟加速度向量对所述外科手术工具的所述自动推进的影响。

15.如权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中所述控制系统被配置为响应于所述力/扭矩传感器接收来自由所述用户手动施加到所述外科手术工具的力/扭矩的所述输入，命令所述操纵器启动所述自动推进。

16.一种操作机器人外科手术系统的方法，所述机器人外科手术系统包括：外科手术工具；操纵器，所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，所述操纵器包括多个连杆和关节；力/扭矩传感器，所述力/扭矩传感器配置为测量由用户施加到所述外科手术工具的力/扭矩的力/扭矩传感器；以及控制系统，所述方法包括使所述控制系统执行以下步骤：

获得用于所述外科手术工具的预定工具路径；

命令所述操纵器执行所述外科手术工具的在第一路径方向上并且根据预定进给速率沿着所述预定工具路径的自动推进；

在所述外科手术工具的所述自动推进期间，响应于由所述用户施加到所述外科手术工具的力/扭矩而接收来自所述力/扭矩传感器的输入；

评估来自所述力/扭矩传感器的所述输入对所述外科手术工具的所述自动推进的影响，以确定所述外科手术工具相对于所述预定工具路径的有效进给速率和有效路径方向；并且

基于所述有效进给速率和有效路径方向来确定所述操纵器和所述外科手术工具相对于所述预定工具路径的所命令的动作。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述有效进给速率大于所述预定进给速率，并且所述有效路径方向是所述第一路径方向，并且包括使所述控制系统：

将所命令的动作确定为所述外科手术工具在所述第一路径方向上并且根据所述有效进给速率沿着所述预定工具路径的自动推进。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述外科手术工具根据所述有效进给速率的自动推进基于来自所述力/扭矩传感器的临时输入，并且所命令的动作包括在不存在来自所述力/扭矩传感器的输入的情况下继续所述外科手术工具根据所述有效进给速率的自动推进。

19.如权利要求16所述的方法，其中所述有效进给速率小于所述预定进给速率，并且所述有效路径方向是所述第一路径方向，并且包括使所述控制系统：

将所命令的动作确定为所述外科手术工具在所述第一路径方向上并且根据所述有效进给速率或所述预定进给速率沿着所述预定工具路径的自动推进。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述有效路径方向是与所述第一路径方向相反的第二路径方向，并且包括使所述控制系统：

将所命令的动作确定为所述外科手术工具在所述第二路径方向上并且根据所述有效进给速率沿着所述预定工具路径的推进。

21.如权利要求20所述的方法，其还包括通过所述外科手术工具在所述第一路径方向上的所尝试的自动推进而同时阻止所述外科手术工具在所述第二路径方向上的推进。

22.如权利要求16所述的方法，其包括使所述控制系统：

检测来自所述力/扭矩传感器的所述输入的不存在；并且

作为响应，命令所述操纵器启动或恢复所述外科手术工具的在所述第一路径方向上并且根据所述预定进给速率或根据先前有效进给速率沿着所述预定工具路径的所述自动推进。

23.如权利要求16所述的方法，其中所述预定工具路径包括端部位置，并且包括使所述控制系统：

命令所述操纵器执行所述外科手术工具的在所述第一路径方向上并且根据所述预定进给速率或所述有效进给速率沿着所述预定工具路径的所述自动推进，以将所述外科手术工具引导到所述端部位置。

24.如权利要求16所述的方法，其中所述外科手术工具被配置为被启用以去除组织，并且包括使所述控制系统在所述外科手术工具沿着所述预定工具路径的所述自动推进期间停用所述外科手术工具。

25.如权利要求16所述的方法，其包括使所述控制系统：

基于来自所述力/扭矩传感器的所述输入确定虚拟加速度向量；并且

评估所述虚拟加速度向量对所述外科手术工具的所述自动推进的影响，用于确定所述外科手术工具相对于所述预定工具路径的所述有效进给速率和所述有效路径方向。

26.如权利要求25所述的方法，其包括使所述控制系统通过以下操作确定所述虚拟加速度向量：

将所述外科手术工具建模为包括虚拟质量的虚拟刚体；

基于施加到所述外科手术工具的所述力/扭矩来计算到所述虚拟刚体的力投影；并且

基于所述力投影和所述虚拟质量来计算所述虚拟加速度向量。

27.如权利要求26所述的方法，其包括使所述控制系统通过以下操作确定所述外科手术工具相对于所述预定工具路径的所述有效进给速率和所述有效路径方向：

基于所述预定工具路径的、所述外科手术工具当前位于其上的区段来计算工具路径方向；并且

通过计算所述工具路径方向和所述虚拟加速度向量的点积来生成沿着所述预定工具路径的加速度投影。

28.如权利要求25所述的方法，其包括使所述控制系统：

限定用于将所述外科手术工具的移动限制为沿着所述预定工具路径的虚拟工具路径约束；并且

通过基于所述虚拟工具路径约束、所述预定进给速率和所述虚拟加速度向量在虚拟模拟中模拟所述外科手术工具的动态特性，从而评估所述虚拟加速度向量对所述外科手术工具的所述自动推进的所述影响。

29.如权利要求16所述的方法，其包括使所述控制系统响应于所述力/扭矩传感器接收来自由所述用户手动施加到所述外科手术工具的力/扭矩的所述输入，命令所述操纵器启动所述自动推进。

30.一种机器人外科手术系统，其包括：

外科手术工具；

操纵器，所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，所述操纵器包括多个连杆和关节；

力/扭矩传感器，所述力/扭矩传感器被配置为测量由用户施加到所述外科手术工具的力/扭矩；以及

控制系统，所述控制系统被配置为：

命令所述操纵器执行所述外科手术工具的根据进给速率沿着预定工具路径的自动推进；以及

基于施加到所述外科手术工具的所测量的力/扭矩来修改所述进给速率。

31.如权利要求30所述的机器人外科手术系统，其中所述控制系统被配置为命令所述操纵器执行所述外科手术工具的根据所修改的进给速率沿着所述预定工具路径的所述自动推进。

32.如权利要求31所述的机器人外科手术系统，其中所述控制系统被配置为在没有由所述用户向所述外科手术工具施加另外的力/扭矩的情况下，命令所述操纵器执行所述外科手术工具的根据所述修改的进给速率沿着所述预定工具路径的所述自动推进。

33.一种机器人外科手术系统，其包括：

外科手术工具；

操纵器，所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，所述操纵器包括多个连杆和关节；

力/扭矩传感器，所述力/扭矩传感器被配置为测量由用户施加到所述外科手术工具的力/扭矩；以及

控制系统，所述控制系统被配置为：

命令所述操纵器执行所述外科手术工具的根据第一路径方向沿着预定工具路径的自动推进；并且

基于施加到所述外科手术工具的所测量的力/扭矩，命令所述操纵器根据与所述第一路径方向相反的第二路径方向沿着所述预定工具路径推进所述外科手术工具。