用于提供触觉指导的系统和方法1.相关申请案的交叉引用2.本技术要求于2019年10月1日提交的美国临时专利申请no.62/908,890的利益和优先权，所述美国临时专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
背景技术：
：：3.本公开总体上涉及用于整形外科手术的外科手术系统，例如有助于关节置换手术的外科手术系统。关节置换手术(关节成形术)广泛用于治疗骨关节炎和患者关节的其他损伤，做法是用假体部件置换关节的各部分。关节置换手术可包括用一个或多个假体部件置换髋、膝、肩或其他关节的手术。4.用于关节成形术的一种可能的工具是机器人辅助外科手术系统。机器人辅助外科手术系统通常包括：机器人装置，用于使患者的解剖结构准备好接纳植入物；跟踪系统，所述跟踪系统被配置成监测机器人装置相对于患者解剖结构的位置；以及计算系统，所述计算系统被配置成监测和控制机器人装置。呈各种形式的机器人辅助外科手术系统自主地实施外科手术任务，向操纵外科手术装置的使用者提供力反馈以完成外科手术任务，增强外科医生的灵活性和精确度，和/或提供其他引导提示以有助于安全且准确的外科手术操作。5.通常在使用机器人辅助的外科手术系统执行外科手术之前确定外科手术计划。基于该外科手术计划，外科手术系统在外科手术的各部分期间引导、控制或限制外科手术工具的移动。外科手术工具的引导和/或控制用于在实现外科手术计划期间辅助外科医生。附图说明6.图1是根据示例性实施方案的准备好接纳植入物部件的股骨的透视图。7.图2是根据示例性实施方案的外科手术系统的图示。8.图3是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第一过程的流程图。9.图4是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第二过程的流程图。10.图5是根据示例性实施方案的图4的过程的图示。11.图6是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第三过程的流程图。12.图7是根据示例性实施方案可与图6的过程一起使用的虚拟控制对象的图示。13.图8是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第四过程的流程图。14.图9是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第五过程的流程图。15.图10是根据示例性实施方案的可与图9的过程一起使用的虚拟控制对象的图示。16.图11是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第六过程的流程图。17.图12是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第七过程的流程图。18.图13是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第八过程的流程图。技术实现要素：19.本公开的一个实现方式是一种用于控制机器人装置的方法。该方法包括限定虚拟对象以及限定与外科手术工具的虚拟表示相关联的第一点和第二点。外科手术工具的虚拟表示的移动对应于外科手术工具在真实空间中的移动。该方法包括：控制联接到外科手术工具的机器人装置以将第一点约束到虚拟对象，确定第一点在沿虚拟对象的阈值位置处，以及控制机器人装置以将第二点引导到虚拟对象。20.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路可被配置成限定虚拟对象并限定与外科手术工具的虚拟表示相关联的第一点和第二点。处理电路被配置成使得外科手术工具的虚拟表示的移动对应于外科手术工具在真实空间中的移动。处理电路还被配置成控制联接到外科手术工具的机器人装置以将第一点约束到虚拟对象，确定第一点在沿虚拟对象的阈值位置处，并控制机器人装置以将第二点引导到虚拟对象。21.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法，所述机器人装置联接有工具。该方法包括控制机器人装置以基于第一触觉对象而约束外科手术工具，接收信号和使用者定义的方向，以及通过在使用者定义的方向上延伸第一触觉对象来响应于信号而调整触觉控制交互。22.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成控制机器人装置以基于第一触觉对象而约束外科手术工具，接收信号和使用者定义的方向，并且通过在使用者定义的方向上延伸第一触觉对象来响应于信号而调整触觉控制交互。23.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法，所述机器人装置联接有工具。该方法包括控制机器人装置以基于第一触觉对象而约束所述工具，接收信号和使用者定义的方向，以及通过调整工具的虚拟尺寸来响应于信号而调整触觉控制交互。24.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成控制机器人装置以基于第一触觉对象而约束所述工具，接收信号和使用者定义的方向，并通过调整工具的虚拟尺寸来响应于信号而调整触觉控制交互。25.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法。该方法包括跟踪联接到机器人装置的工具的移动，确定工具的移动方向，确定移动方向是否指向虚拟控制对象，以及响应于确定移动方向指向虚拟控制对象而控制机器人装置来将工具引导到虚拟控制对象。26.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成接收指示联接到机器人装置的工具的移动的跟踪数据，确定工具的移动方向，确定移动方向是否指向虚拟控制对象，并且响应于确定移动方向指向虚拟控制对象而控制机器人装置来将工具引导到虚拟控制对象。27.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法。该方法包括：跟踪联接到机器人装置的工具，控制机器人装置以将工具约束在虚拟控制对象内，限定虚拟控制对象的区域，确定工具在该区域中，以及控制机器人装置来抵抗工具在该区域中的移动。28.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成控制机器人装置以将工具约束在虚拟控制对象内，限定虚拟控制对象的区域，确定工具在该区域中，并且控制机器人装置来抵抗工具在该区域中的移动。29.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法，所述机器人装置联接有工具。该方法包括：通过机器人装置将工具约束到虚拟控制对象，检测在大致预定方向上对工具施加的力，确定大致在预定方向上的力是否超过阈值力，以及响应于确定大致在预定方向上的力超过阈值力而控制机器人装置以允许工具退出虚拟控制对象。30.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成控制机器人装置以将工具约束到虚拟控制对象，检测在大致预定方向上对工具施加的力，确定大致在预定方向上的力是否超过阈值力，并且响应于确定大致在预定方向上的力超过阈值力而控制机器人装置以允许工具退出虚拟控制对象。具体实施方式31.在附图中示出了本发明的当前优选实施方案。已努力在整个附图中使用相同或相似的附图标记来指代相同或相似的部分。虽然本说明书主要涉及用于骨科关节置换的机器人臂，但应理解，本文描述的主题适用于其他类型的机器人系统，包括用于非外科手术应用的机器人系统，以及针对其他解剖区域的手术，例如脊柱或牙科手术。32.现在参看图1，根据示例性实施方案，示出了如在膝关节成形术期间修改的股骨101。如图1中所示，股骨101已被修改为具有多个平面切口。在示出的示例中，已经通过五个基本平面的切口修改股骨100以创建五个基本平面的表面，即，远侧表面102、后倒角表面104、后表面106、前表面108和前倒角表面110。可使用矢状锯或其他外科手术工具(例如，如下面描述的示例中所示，联接到机器人装置的外科手术工具)来达成平面表面。创建了平面表面102至110，以使得平面表面102至110将与股骨植入物部件的对应表面匹配。平坦的表面102至110的位置和角度取向可确定植入物部件的对准和定位。因此，以高精度操作外科手术工具以创建平面表面102至110可改善关节置换手术的结果。33.如图1中所示，股骨101也被修改为具有一对导向孔120。导向孔120延伸到股骨101中，并且创建所述导向孔以使得所述导向孔120可接纳螺钉、从植入物部件的表面延伸的突出部、或被配置成有助于植入物部件联接到股骨101的其他结构。可使用钻机、球形钻或如下所述的其他外科手术工具来创建导向孔120。导向孔120可以具有预先规划的位置、取向和深度，这有助于将植入物部件以期望的位置和取向牢固地联接到骨骼。在一些情况下，导向孔120被设计成与骨骼的高密度区域相交和/或避开其他植入物部件和/或敏感的解剖特征。因此，以高精度操作外科手术工具以创建导向孔120可改善关节置换手术的结果。34.在一些实施方案中，本文描述的系统和方法提供机器人辅助来创建平面表面102至110和导向孔120。应该理解，如图1中所示，创建五个平面切口和两个圆柱形导向孔仅是示例，并且本文描述的系统和方法可适于规划和有助于创建任何数量的平面切口或非平面切口、任何数量的导向孔、它们的任何组合等，以用于在各种实施方案中使任何骨骼和/或关节作好准备。例如，在髋或肩关节成形术过程中，可根据本文的系统和方法使用球形钻来对被配置成接纳弯曲植入物杯的弯曲表面进行扩孔。此外，在其他实施方案中，本文所述的系统和方法可用于有助于相对于骨骼放置植入物部件(例如，有助于髋关节成形术中杯状植入物的压紧)。许多此类外科手术实现方式和非外科手术实现方式在本公开的范围内。35.现在参看图2，根据示例性实施方案，示出了用于整形外科手术的外科手术系统200。一般而言，外科手术系统200被配置成有助于外科手术计划的规划和实行，例如有助于关节相关手术。如图2中所示，设置了外科手术系统200以治疗坐在或躺在手术台205上的患者204的腿202。在图2中示出的图示中，腿202包括股骨206(例如，图1的股骨101)和胫骨208，在全膝关节镜手术中将在它们之间植入假体膝关节植入物。在其他场景中，设置了外科手术系统200以治疗患者的髋部，即，患者的股骨和骨盆。另外，在其他场景中，设置了外科手术系统200以治疗患者的肩部，即，有助于肩关节的部件的置换和/或增大(例如，有助于放置肱骨部件、关节盂部件以及移植物或植入物增强件)。各种其他解剖区域和手术也是可能的。为了有助于手术，外科手术系统200包括机器人装置220、跟踪系统222和计算系统224。36.机器人装置220被配置成在计算系统224的控制下修改患者的解剖结构(例如，患者204的股骨206)。机器人装置220的一个实施方案是触觉装置。“触觉”是指触摸的感觉，并且触觉领域尤其涉及向操作者提供反馈的人类交互装置。反馈可包括触觉感觉，诸如振动。反馈还可包括向使用者提供力，诸如正向力或移动阻力。触觉的一种用途是为装置的使用者提供操纵该装置的指导或限制。例如，触觉装置可联接到外科手术工具，该外科手术工具可由外科医生操纵以执行外科手术。可通过使用触觉来引导或限制外科医生对外科手术工具的操纵，以在外科手术工具的操纵期间向外科医生提供反馈。37.机器人装置220的另一实施方案是自主或半自主机器人。“自主”是指机器人装置通过收集关于其情形的信息、确定行动方案并自动地实施该行动方案而独立或半独立于人类控制来行动的能力。例如，在此种实施方案中，与跟踪系统222和计算系统224通信的机器人装置220可自主地完成上面提及的一系列股骨切割而无需直接人类干预。38.机器人装置220包括底座230、机器人臂232和外科手术工具234，并且可通信地联接到计算系统224和跟踪系统222。底座230为机器人臂232提供可移动的基础，从而允许机器人臂232和外科手术工具234将根据需要相对于患者204和手术台205重新定位。底座230还可以包含动力系统、计算元件、马达和下面描述的机器人臂232和外科手术工具234的功能所必需的其他电子或机械系统。39.机器人臂232被配置成支撑外科手术工具234并如计算系统224指示般提供力。在一些实施方案中，机器人臂232允许使用者操纵外科手术工具并向使用者提供力反馈。在此种实施方案中，机器人臂232包括关节236和支座238，所述关节和支座包括马达、致动器或其他机构，它们被配置成允许使用者通过可允许的姿势自由平移和旋转机器人臂232和外科手术工具234，同时提供力反馈以约束或阻止机器人臂232和外科手术工具234的一些移动，如由计算系统224所指示的。如下面详细描述的，机器人臂232由此允许外科医生在控制对象内完全控制外科手术工具234，同时沿该对象的边界提供力反馈(例如，振动、阻止或抵抗边界穿透的力)。在一些实施方案中，机器人臂被配置成如计算系统224所指示般将外科手术工具自动地移动到新姿势而无需直接使用者操纵，以便根据需要定位机器人臂和/或完成某些外科手术任务，包括例如股骨206中的切口。40.外科手术工具234被配置成对骨骼进行切割、磨出毛边、研磨、钻孔、部分切除、重塑和/或以其他方式进行修改，或约束/限制用于对骨骼进行切割、磨出毛边、研磨、钻孔、部分切除、重塑和/或以其他方式进行修改的装置的移动。外科手术工具234可能是任何合适的工具，并且可能是可互换地连接到机器人装置220的多种工具中的一种。例如，如图2中所示，外科手术工具234包括球形钻244。在其他示例中，外科手术工具也可能是矢状锯，例如具有平行于工具轴线或垂直于工具轴线对准的刀片。外科手术工具也可能是钻机，例如具有平行于工具轴线或垂直于工具轴线对准的旋转钻头。在各种实施方案中，外科手术工具234可能是夹具、钻导向器、切割导向器等，例如被配置成具有插入其中的锯、钻机或其他器械。外科手术工具234还可能是固持臂或其他支撑件，它们被配置成将植入物部件(例如，杯28a、植入物增强件等)固持在适当位置，同时将植入物部件拧到骨骼上、粘附(例如，胶合)到骨骼或其他植入物部件，或以其他方式安装在优选位置。在一些实施方案中，外科手术工具234是压紧工具，所述压紧工具被配置成向杯形植入物提供压紧力，以有助于杯形植入物在规划的位置和取向上固定到骨盆。41.跟踪系统222被配置成跟踪患者的解剖结构(例如，股骨206和胫骨208)和机器人装置220(即，外科手术工具234和/或机器人臂232)以允许控制联接到机器人臂232的外科手术工具234，从而确定由外科手术工具234做出的修改或其他结果的位置和取向，并允许使用者在计算系统224的显示器上可视化骨骼(例如，股骨206、胫骨208、骨盆、肱骨、肩胛骨等，如各种手术中所适用的)、外科手术工具234和/或机器人臂232。更特别地，跟踪系统222确定对象(例如，外科手术工具234、股骨206)相对于参考坐标系的位置和取向(即，姿势)，并且跟踪(即，连续地确定)该对象在外科手术期间的姿势。根据各种实施方案，跟踪系统222可能是任何类型的引导系统，包括非机械跟踪系统(例如，光学跟踪系统)、机械跟踪系统(例如，基于测量机器人臂232的关节236的相对角度来跟踪)或非机械跟踪系统和机械跟踪系统的任何组合。42.在图2中示出的实施方案中，跟踪系统222包括光学跟踪系统。因此，跟踪系统222包括：联接到胫骨208的第一基准树240；联接到股骨206的第二基准树241；联接到底座230的第三基准树242；联接到外科手术工具234的一个或多个基准；以及检测装置246，所述检测装置被配置成检测基准的三维位置(即，基准树240至242上的标记)。基准树240、241可联接到如适合用于各种手术的其他骨骼(例如，髋关节置换手术中的骨盆和股骨)。检测装置246可能是光学检测器，诸如相机或红外传感器。基准树240至242包括基准，所述基准是被配置成清楚地向光学检测器显示和/或易于被图像处理系统使用来自光学检测器的数据检测到的标记，例如通过高度反射红外辐射(例如，由跟踪系统222的元件发射)。检测装置246上的相机的立体布置允许通过三角测量方法在3d空间中确定每个基准的位置。每个基准具有与对应对象的几何关系，使得基准的跟踪允许跟踪对象(例如，跟踪第二基准树241允许跟踪系统222跟踪股骨206)，并且跟踪系统222可被配置成实施配准过程以确定或验证该几何关系。基准树240至242中的基准的独特布置(即，第一基准树240中的基准被布置成与第二基准树241中的基准不同的几何形状)允许将基准树彼此区分开且因此将被跟踪的对象彼此区分开。43.使用图2的跟踪系统222或外科手术引导和跟踪的某一其他方法，外科手术系统200可确定外科手术工具234相对于患者的解剖特征(例如，股骨206)的位置，因为外科手术工具234用于修改解剖特征或以其他方式有助于外科手术。另外，使用图2的跟踪系统222或用于外科手术引导和跟踪的某一其他方法，外科手术系统200可确定被跟踪的骨骼的相对姿势。44.计算系统224被配置成创建外科手术计划，根据外科手术计划控制机器人装置220以进行一种或多种骨骼修改，和/或有助于一种或多种假体部件的植入。因此，计算系统224可通信地联接到跟踪系统222和机器人装置220以有助于机器人装置220、跟踪系统222与计算系统224之间的电子通信。此外，计算系统224可连接到网络，以接收与患者的病史或其他患者简档信息、医学成像、外科手术计划、外科手术相关的信息，并执行与外科手术的执行相关的各种功能，例如通过访问电子健康记录系统。计算系统224包括处理电路260和输入/输出装置262。45.输入/输出装置262被配置成接收使用者输入并根据需要针对本文描述的功能和过程而显示输出。如图2中所示，输入/输出装置262包括显示器264和键盘266。显示器264被配置成显示由处理电路260生成的图形使用者界面，所述图形使用者界面包括例如关于外科手术计划、医学成像、外科手术系统200的设置和其他选项的信息，与跟踪系统222和机器人装置220有关的状态信息，以及基于由跟踪系统222供应的数据的跟踪可视化。键盘266被配置成接收到这些图形使用者界面的使用者输入，以控制外科手术系统200的一个或多个功能。46.处理电路260包括处理器和存储器装置。处理器可实现为通用处理器、专用集成电路(asic)、一个或多个现场可编程门阵列(fpga)、一组处理部件或其他合适的电子处理部件。存储器装置(例如，存储器、存储单元、存储装置等)是用于存储用于完成或有助于本技术中描述的各种过程和功能的数据和/或计算机代码的一个或多个装置(例如，ram、rom、快闪存储器、硬盘存储装置等)。存储器装置可能是或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器装置可包括数据库部件、目标代码部件、脚本部件或用于支持本技术中描述的各种活动和信息结构的任何其他类型的信息结构。根据示例性实施方案，存储器装置经由处理电路260可通信地连接到处理器并且包括用于实行(例如，由处理电路260和/或处理器)本文描述的一个或多个过程的计算机代码。47.更特别地，处理电路260被配置成有助于在外科手术之前创建术前外科手术计划。根据一些实施方案，术前外科手术计划是利用患者解剖结构的三维表示来制定的，所述三维表示在本文中也称为“虚拟骨骼模型”。除了骨骼之外，“虚拟骨骼模型”还可包括软骨或其他组织的虚拟表示。为了获得虚拟骨骼模型，处理电路260接收要进行外科手术的患者解剖结构的成像数据。可使用任何合适的医学成像技术来创建成像数据以对相关解剖特征进行成像，所述技术包括计算机断层扫描(ct)、磁共振成像(mri)和/或超声。然后对成像数据进行分割(即，区分成像中对应于不同解剖特征的区域)以获得虚拟骨骼模型。例如，可对关节的基于mri的扫描数据进行分割，以将骨骼与周围的韧带、软骨、先前植入的假体部件和其他组织区分开来，以获得经成像的骨骼的三维模型。48.另选地，可通过从数据库或骨骼模型库中选择三维模型来获得虚拟骨骼模型。在一个实施方案中，使用者可使用输入/输出装置262来选择适当的模型。在另一实施方案中，处理电路260可实行存储的指令以基于提供的关于患者的图像或其他信息而选择适当的模型。然后，可基于具体的患者特性而使从数据库中选定的骨骼模型变形，从而创建用于如本文所述的外科手术规划和实现方式的虚拟骨骼模型。49.然后可基于虚拟骨骼模型而创建术前外科手术计划。外科手术计划可由处理电路260自动生成，由使用者经由输入/输出装置262输入，或两者的某种组合(例如，处理电路260限制使用者创建的计划的一些特征，生成使用者可修改的计划等)。在一些实施方案中，可基于术中收集的受力测量结果而生成和/或修改外科手术计划。50.术前外科手术计划包括使用外科手术系统200对患者的解剖结构做出的期望切口、孔、表面、毛边或其他修改。例如，对于全膝关节镜手术，术前计划可包括：有必要在股骨上、远侧表面上、后倒角表面上、后表面上、前表面上和前倒角表面上形成的切口，所述切口的相对取向和位置适合于配合到假体在外科手术期间要接合到股骨的对应表面；以及有必要在胫骨、表面上形成的切口，所述切口适合于配合到在外科手术期间要接合到胫骨的假体。作为另一示例，术前计划可包括在骨骼中产生孔(例如，导向孔120)所必需的修改。作为另一示例，在髋关节成形术过程中，外科手术计划可包括在骨盆的髋臼区域上形成一个或多个表面以接纳杯子以及在合适的情况下接纳植入物增强件所必需的毛边。因此，处理电路260可接收、访问和/或存储假体模型以有助于外科手术计划的生成。51.处理电路260还被配置成根据外科手术计划为机器人装置220生成控制对象。控制对象可根据可能的机器人装置的各种类型(例如，触觉的、自主的)采取各种形式。例如，在一些实施方案中，控制对象定义用于机器人装置的指令，以控制机器人装置在控制对象内移动(即，在来自跟踪系统222的反馈指示下自主地做出外科手术计划的一个或多个切口)。在一些实施方案中，控制对象包括外科手术计划和机器人装置在显示器264上的可视化，以有助于外科手术引导并帮助引导外科医生遵循外科手术计划(例如，没有机器人装置的主动控制或力反馈)。在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，控制对象可能是如以下段落中描述的触觉对象。52.在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，处理电路260还被配置成基于术前外科手术计划而生成一个或多个触觉对象，以通过在外科手术期间实现对手术工具234的约束来在外科手术计划的实现期间辅助外科医生。触觉对象可在一维、二维或三维中形成。例如，触觉对象可能是线、平面或三维体积。触觉对象可能是弯曲，具有弯曲表面和/或具有平面表面，并且可能是任何形状，例如漏斗形状。可创建触觉对象以表示在外科手术期间有关外科手术工具234的移动的多种期望结果。三维触觉对象的边界中的一个或多个可表示要在骨骼表面上创建的一个或多个修改，诸如切口。平面触觉对象可表示要在骨骼的表面上创建的修改，诸如切口。弯曲的触觉对象可表示如经修改以接纳杯形植入物和/或植入物增强件的所得骨骼表面。线触觉对象可对应于要在骨骼中做出的导向孔，以使骨骼准备好接纳螺钉或其他突出部。53.在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，处理电路260还被配置成生成外科手术工具234的虚拟工具表示。虚拟工具包括一个或多个触觉交互点(hip)，所述触觉交互点表示实体外科手术工具234上的位置并且与所述位置相关联。在外科手术工具234是球形钻(例如，如图2中所示)的实施方案中，hip可表示球形钻的中心。在一个hip用于虚拟地表示外科手术工具的情况下，hip在本文中可被称为工具中心点(tcp)。如果外科手术工具234是不规则形状，例如对于矢状锯，则矢状锯的虚拟表示可包括众多hip。在2011年12月28日提交的题为“systemandmethodforprovidingsubstantiallystablehaptics”并且特此以引用的方式整体并入本文中的美国申请序列号13/339,369中描述了使用多个hip在外科手术工具上生成触觉力(例如，正向力反馈或对移动的阻力)。在本发明的一个实施方案中，表示矢状锯的虚拟工具包括十一个hip。如本文所使用的，提及“hip”被认为还包括提及“一个或多个hip”。如下面所述，hip与触觉对象之间的关系使外科手术系统200能够约束外科手术工具234。54.在进行外科手术之前，通过任何已知的配准技术将患者的解剖结构(例如，股骨206)配准到患者的解剖结构的虚拟骨骼模型。一种可能的配准技术是基于点的配准，如2011年8月30日授予的题为“hapticguidancesystemandmethod”并且特此以引用的方式整体并入本文的美国专利no.8,010,180中所述。另选地，可通过利用手持式射线照相成像装置进行2d/3d配准来完成配准，如2012年7月30日提交的题为“radiographicimagingdevice”并且特此以引用的方式整体并入本文中的美国申请序列号13/562,163中所述。配准还包括将外科手术工具234配准到外科手术工具234的虚拟工具表示，使得外科手术系统200可确定和监测外科手术工具234相对于患者(即，相对于股骨206)的姿势。配准允许在外科手术期间进行准确的引导、控制和/或力反馈。下面详细描述了在一些实施方案中与髋关节成形术中的配准有关的额外细节。55.处理电路260被配置成监测与患者的骨骼(例如，股骨206)、外科手术工具234以及由机器人装置220创建的力限定的一个或多个线、平面或三维空间的真实世界位置对应的虚拟工具表示、虚拟骨骼模型和控制对象(例如，虚拟触觉对象)的虚拟位置。例如，如果如跟踪系统222所跟踪的，患者的解剖结构在外科手术期间移动，则处理电路260对应地移动虚拟骨骼模型。因此，虚拟骨骼模型对应于患者的实际(即物理)解剖结构以及该解剖结构在真实/物理空间中的位置和取向，并且与它们相关联。相似地，在外科手术规划期间创建的连接到将对该解剖结构做出的切口、修改等的任何触觉对象、控制对象或其他规划的自动化机器人装置运动也与患者的解剖结构相对应地移动。在一些实施方案中，外科手术系统200包括夹具或支架以基本上固定股骨206以最小化跟踪和处理股骨206的运动的需要。56.对于机器人装置220是触觉装置的实施方案，外科手术系统200被配置成基于hip与触觉对象之间的关系而约束外科手术工具234。也就是说，当处理电路260使用由跟踪系统222供应的数据来检测使用者正在操纵外科手术工具234以使hip与触觉对象虚拟接触时，处理电路260向机器人臂232生成控制信号以向使用者提供触觉反馈(例如，力、振动)来传达对外科手术工具234的移动的约束。一般而言，如本文所使用的术语“约束”被用来描述约束移动的趋势。然而，对外科手术工具234施加的约束的形式取决于相关触觉对象的形式。触觉对象可形成为任何期望的形状或配置。如上所述，三个示例性实施方案包括线、平面或三维体积。在一个实施方案中，外科手术工具234受到约束，因为外科手术工具234的hip被约束成沿线性触觉对象移动。在另一实施方案中，触觉对象是三维体积，并且可通过基本上阻止hip移动到由三维触觉对象的壁所包围的体积之外而约束外科手术工具234。在另一实施方案中，外科手术工具234受到约束，因为平面触觉对象基本上阻止了hip移动到平面之外以及移动到平面触觉对象的边界之外。例如，处理电路260可建立对应于在股骨206上创建远侧表面所需的规划的平面远侧切口的平面触觉对象，以便将外科手术工具234基本局限在实施规划的远侧切口所需的平面。57.对于机器人装置220是自主装置的实施方案，外科手术系统200被配置成根据控制对象自主地移动和操作外科手术工具234。例如，控制对象可限定相对于应做出切口的股骨206的区域。在此种情况下，机器人臂232和外科手术工具234的一个或多个马达、致动器和/或其他机构是可控的，以致使外科手术工具234在需要时在控制对象内移动和操作以做出规划的切口，例如使用来自跟踪系统222的跟踪数据以实现闭环控制。58.现在参看图3，示出了根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统200实行的过程300的流程图。过程300可适于有助于各种外科手术，包括全部和部分关节置换外科手术。可使用图4至图13中示出的并且在下面详细描述的各种步骤和特征(包括它们的组合)来实行过程300。59.在步骤302处，获得外科手术计划。外科手术计划(例如，计算机可读数据文件)可定义骨骼修改的期望结果，例如基于假体部件相对于患者的解剖结构的期望位置来定义。例如，在膝关节成形术的情况下，外科手术计划可提供如图1中示出的平面表面102至110和导向孔120的规划的位置和取向。可基于医学成像、3d建模、外科医生输入等而生成外科手术计划。60.在步骤304处，基于所述外科手术计划而限定一个或多个控制边界，诸如触觉对象。一个或多个触觉对象可能是一维的(例如，线触觉)、二维的(即，平面的)或三维的(例如，圆柱形的、漏斗形的、弯曲的等)。触觉对象可表示由外科手术定义的规划的骨骼修改(例如，用于图1中示出的平面表面102至110中的每一者和导向孔120中的每一者的触觉对象)、植入物部件、外科手术方法轨迹等。可相对于患者解剖结构的跟踪的位置在三维空间中对触觉对象进行定向和定位。61.在步骤306处，例如通过上述跟踪系统222相对于触觉对象跟踪外科手术工具的姿势。在一些实施方案中，跟踪外科手术工具上的一个点。在其他实施方案中(例如，在图4至图5的示例中)，跟踪外科手术工具上的两个点，例如在外科手术工具的尖端/有效端处的工具中心点(tcp)和沿外科手术工具的主体或手柄部分定位的第二交互点(sip)。在其他实施方案中，跟踪外科手术工具上的三个或更多个点。相对于坐标系确定外科手术工具的姿势，在该坐标系中限定一个或多个触觉对象，并且在一些实施方案中，还跟踪患者的一个或多个解剖特征的姿势。62.在步骤308处，将外科手术工具引导到触觉对象。例如，外科手术系统200的显示器264可显示图形使用者界面，指示使用者如何(例如，在哪个方向上)移动外科手术工具和/或机器人装置以将外科手术工具带到触觉对象。作为另一示例，可使用美国专利no.9,289,264中描述的折叠触觉边界将外科手术工具引导到触觉对象，该美国专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。作为另一示例，可控制机器人装置以将外科手术工具自动地移动到触觉对象。作为另一示例，可使用下面详细描述的图8的过程800来实行步骤308。63.在步骤310处，控制机器人装置以基于外科手术工具的跟踪到的姿势和一个或多个触觉对象的姿势而约束外科手术工具的移动。可如上文参考图2所述来实现对外科手术工具的约束。在一些实施方案中，步骤310包括如图4至图5中示出并且参考图4至图5在下文中描述的两阶段方法。在一些实施方案中，步骤310包括提供抵抗外科手术工具移动通过特定区域的阻尼力，例如如图9至图10中所述并在下文中参考图9至图10进行描述。在一些实施方案中，步骤310包括响应于使用者输入而调整触觉交互，例如根据下面参考图11至图13所描述的图11至图13的示例。这些特征的各种组合在步骤310处是可能的。64.在步骤312处，有助于外科手术工具从触觉对象退出，即，以释放触觉对象的约束条件。例如，在一些实施方案中，控制机器人装置以允许外科手术工具沿触觉对象的轴线退出触觉对象。在一些实施方案中，例如如图6至图7中所示并且如下面参考图6至图7所描述的，可允许外科手术工具在相对于触觉对象的预定方向上退出触觉对象。由此，可从外科手术区域和触觉对象中移除外科手术工具以有助于外科手术的后续步骤。另外，应当理解，在一些情况下，过程300可返回到步骤308，其中在步骤312处退出触觉对象之后将外科手术工具引导到同一个或不同的触觉对象。65.由此，过程300可由外科手术系统200实行以有助于外科手术。根据一些实施方案，过程300的特征在下面的图4至图13中示出，并且在各种实施方案中，此类特征可按各种组合来组合和/或基于为特定手术选择的设置来组合。此外，应当理解，可在省略过程300的一些或所有其他步骤的同时提供图4至图13的特征。所有此类可能性都在本公开的范围内。66.现在参看图4至图5，根据示例性实施方案，示出了两阶段触觉交互。图4示出了用于提供两阶段触觉交互的过程400的流程图，而图5示出了(即，过程400的)两阶段触觉交互的故事版式图示。例如在过程300的步骤310处，过程400可由外科手术系统200实行。67.在步骤402处，将工具中心点(tcp)500约束到线触觉502，同时允许外科手术工具234围绕工具中心点500旋转并且tcp500沿线触觉502平移。线触觉502可对应于规划的骨骼修改，例如如图1中示出的规划的导向孔120。线触觉502可被限定为规划的导向孔120的轴线，并且可从规划的导向孔120的底部(最深端)延伸，延伸超出解剖特征(例如，股骨101)。线触觉502在图5的示例中是直线。在其他实施方案中，线触觉502可能是弯曲的，例如限定为样条线。在其他实施方案中，图4的过程400可适于使用平面触觉对象、体积触觉对象或限定为线、平面和/或体积的任意组合的触觉对象来代替线触觉502。68.相对于线触觉502跟踪tcp500，并且控制机器人装置以约束tcp500保持在或基本上保持在线触觉502上(例如，阻止或抵抗与线触觉502的偏离，提供弹力将tcp500驱动回到线触觉502等)。在步骤402处，沿线触觉502平移tcp500。控制机器人装置(例如，经由准入控制)以允许外科手术工具234围绕tcp500旋转(例如，如由使用者操纵)。也就是说，沿外科手术工具234的手柄或主体部分定位的第二交互点(sip)504在步骤402不受约束。69.在步骤402处，外科手术工具234围绕tcp500的旋转可有助于外科医生沿优选的接近轨迹到达线触觉502。在一些情况下，周围的软组织和/或骨骼结构可能使外科手术工具234难以或不可能沿线触觉502从完全在患者体外的位置插入到骨骼表面，而不会致使对周围的组织或骨骼的不合乎需要的或不必要的破坏(例如，不需要穿过此组织或骨骼来产生孔)。在此种情况下，可沿优选的轨迹插入外科手术工具234，直到tcp500到达线触觉502并受到线触觉502的约束为止。在步骤402处，可旋转外科手术工具234以通过用外科手术工具的轴或主体的一侧推动此类特征来使解剖特征转移。通过将tcp500约束到线触觉502，允许外科医生在步骤402处视需要专注于旋转外科手术工具234，而无需负担同时监测tcp500的位置和/或尝试手动阻止tcp500远离期望的轴线的移动。由此，步骤402可有助于外科手术工具234在各种解剖区域中的插入和取向。70.在步骤404处，确定(例如，由处理电路260)tcp500已经到达沿线触觉502的阈值位置。在一些情况下，基于距骨骼(例如，股骨101)的表面的距离而限定阈值位置，使得在外科手术工具234接触骨骼之前到达阈值位置。在此类情况下，可在外科手术工具234开始修改骨骼之前如下所述实行步骤406至408，由此在启动骨骼修改之前确保外科手术工具234的期望的取向。71.在其他情况下，基于骨骼表面下方的深度而限定阈值位置，以使得在外科手术工具234接触骨骼之后到达阈值位置。在此类情况下，可允许外科手术工具234在如下面参考步骤406至408描述的那样旋转成与线触觉502对准之前以第一取向开始修改骨骼，例如以降低刮削的风险或以其他方式有助于外科手术工具234进入骨骼中。如图5中所示，例如，可在外科手术工具234与骨骼101之间进行初始接触，其中外科手术工具如上框架中所示大致正交于骨骼表面(即，在步骤402期间)，这可提高在骨骼101中的规划的位置处(即，在线触觉502与骨骼101之间的交叉点处)实现清洁的初始切口/孔/钻孔/等的可能性。在此种情况下，然后可在外科手术工具234初始穿透骨骼101之后(即，以使得tcp500已经越过骨骼101的表面)确定tcp500已经到达阈值位置。72.在步骤406处，响应于在步骤404处确定tcp500已经到达阈值位置，将sip504朝向线触觉502引导。在一些实施方案中，可控制机器人装置以提供辅助力，所述辅助力辅助正在围绕tcp500旋转外科手术工具234的使用者将sip504朝向线触觉502移动。在一些实施方案中，在步骤406处使用折叠触觉对象，这阻止sip504远离线触觉502旋转，同时允许sip504朝向线触觉502旋转。在一些实施方案中，通过经由显示器264显示指令来实现将sip504朝向线触觉502引导。在一些实施方案中，通过控制机器人装置以自动旋转外科手术工具234以将sip504与线触觉502对准来实现将sip504朝向线触觉502引导。在步骤406期间(即，当sip504被引导到线触觉502时)将tcp500约束到线触觉502(如针对步骤402所述)。在一些情况下，控制机器人装置以阻止tcp500沿线触觉502平移，同时在步骤406期间将sip504引导到线触觉502。73.在步骤408处，在由于步骤406，已经将sip504引导到线触觉502之后，控制机器人装置以将tcp500和sip504约束到线触觉502。可沿线触觉502平移外科手术工具234以实行规划的骨骼修改(例如，以产生导向孔120)。在示出的示例中，sip504沿外科手术工具234的轴线定位。因此，通过将其他外科手术工具234的两个点约束到线触觉502(即，tcp500和sip504)，维持外科手术工具234与线触觉502的对准。在其他实施方案中，sip504被引导到第二触觉(即，与线触觉502不同的虚拟触觉对象)。在此种实施方案中，tcp500和sip504被局限在不同的触觉对象。例如，在外科手术工具234是弯曲的情况下，sip504可能被局限在曲线上，而tcp500被局限在直线上(或反之亦然)，以便实现外科手术工具234的期望的移动自由度和约束。74.也可通过对sip504和tcp500使用不同的触觉对象来实现其他几何形状和行为。例如，tcp500可被局限为对应于规划的切口或钻孔路径的几何形状的触觉对象，而sip504被局限到不同的触觉对象，该触觉对象被配置成阻止或抵抗外科手术工具234的轴(或机器人臂上的另一点)与外科手术区域中的一个或多个对象之间的碰撞。例如，sip504可被局限在具有基于外科手术区域中牵开器或其他工具的位置(例如，跟踪到的牵开器位置)的几何形状的触觉对象。作为另一示例，sip504可被局限到具有基于解剖特征位置的几何形状的触觉对象，例如对应于外科手术口或其他刀口或开口的形状，外科手术工具234的轴在规划的骨骼准备期间延伸通过该外科手术口或其他刀口或开口。由此，对机器人装置的控制可被配置成将tcp502局限到第一触觉对象并且将sip504局限到第二触觉对象以根据规划的骨骼准备来引导tcp502，同时通过局限sip504来避免工具轴的不希望的行为。因此，可由外科手术系统200实行过程400，从而以可靠且直观的方式提供准确的骨骼修改。75.现在参看图6至图7，示出了根据示例性实施方案的有助于外科手术工具从触觉对象退出的过程600。图6示出了过程600的流程图，而图7示出了可与图6的过程600一起使用的触觉对象。例如在过程300的步骤312处，过程600可由外科手术系统200实行。虽然图6至图7的示例设想了圆柱形触觉对象，但应当理解，过程600可适用于控制具有各种几何形状的对象。76.在步骤602处，控制机器人装置以用圆柱形触觉对象约束外科手术工具234。图7示出了以目标轴线702为中心的圆柱形触觉对象700的示例。在一些实施方案中，圆柱形触觉对象700对应于外科手术方法轨迹和/或规划的骨骼修改(例如，规划的导向孔120)。圆柱形触觉对象700可基本上延伸超出(远离)敏感解剖区域。在外科手术工具234被约束在圆柱形触觉对象700中的情况下，外科手术工具234可能会部分地阻碍进入外科手术区域。因此，外科医生可能希望外科手术工具在安全方向上移出圆柱形触觉对象700以有助于外科手术的各种步骤。77.在步骤604处，检测靠着圆柱形触觉对象的边界对外科手术工具234施加的力。机器人装置220可检测出该力，例如作为施加在机器人臂232的关节上的扳手。例如，与外科手术工具234相关联的hip可定位在圆柱形触觉对象700的边界处，而使用者对外科手术工具234施加力，从而推动手术工具234抵靠边界或被推入边界。78.在步骤606处，确定(例如，由处理电路260)在步骤604检测到的力是否定向在预定的退出方向上。预定退出方向可被选择为可允许外科手术工具234退出触觉对象的安全和/或方便方向。例如，预定退出方向由圆柱形触觉对象700的退出区域704和在退出区域704处从圆柱形触觉对象700延伸的壁706限定。在此种示例中，处理电路260可确定如果外科手术工具234的hip在退出区域704处，则力定向在预定退出方向上，因为力施加在圆柱形触觉对象700的边界。在一些实施方案中，退出区域704仅跨越触觉对象700的长度的一部分，例如被如图7中示出的死区708中断。作为另一示例，在一些实施方案中，处理电路260可确定方向向量，该方向向量指向使用者正在用力推进工具的方向。在此种情况下，可确定方向向量是否在预定退出方向的阈值角度内。在该示例中，如果方向向量在预定退出方向的阈值角度内，则认为力定向在预定退出方向上(即，步骤606处的“是”)。由此，所得的退出边界可呈现漏斗的形状。79.如果力不是定向在预定退出方向上，则过程600返回到步骤602，并且用圆柱形触觉对象700约束外科手术工具234。也就是说，控制机器人装置220以提供力反馈，从而约束外科手术工具退出圆柱形触觉对象700，例如以有助于外科手术的一个或多个步骤。80.如果力定向在预定退出方向上(如在步骤606处确定的)，则在步骤608处(例如，由处理电路260)确定该力是否大于力的阈值量。在一些实施方案中，可通过机器人臂232的关节来测量对外科手术工具234施加的力的量。使用者可通过超过力的阈值量来指示退出触觉对象的愿望，同时可将力的阈值量设置得足够高以基本上阻止从触觉对象的意外或无意退出。81.如果该力小于力的阈值量，则控制机器人装置220以约束外科手术工具234退出触觉对象(例如，阻止传递通过圆柱形触觉对象700的退出区域704)。过程600返回到步骤602，并且外科手术工具234继续被圆柱形触觉对象700约束以有助于使用外科手术工具234来实行外科手术的步骤。82.如果在步骤608处确定力超过力的阈值量，则在步骤610处允许外科手术工具在预定退出方向上退出触觉对象。在图7的示例中，移除与退出区域704相关联的约束条件，以使得允许外科手术工具234移动通过退出区域704以退出圆柱形触觉对象700。可包括壁706作为触觉边界以在预定方向上将外科手术工具234从轴线702引导离开。换句话说，外科手术工具234可被推动越过圆柱形触觉对象700的退出区域704，以在预定方向上退出圆柱形触觉对象。83.因此，允许外科手术工具234退出触觉对象，以使得机器人装置不再被控制为用触觉对象约束外科手术工具234。在一些情况下，可经由退出区域704和/或使用任何其他触觉启动程序(例如，在图8的过程之后)将外科手术工具234重新插入触觉对象(即，重新开始触觉约束)。在一些情况下，当外科手术工具234退出触觉对象时，触觉对象被移除(删除等)。在一些情况下，调整触觉对象或启用新的触觉对象，以有助于外科手术的后续步骤。由此，可通过外科手术实行过程600一次或多次以有助于外科手术。84.现在参看图8，示出了根据示例性实施方案的用于将外科手术工具引导到虚拟控制对象(例如，触觉对象)的过程800的流程图。例如在过程300的步骤308处，过程800可由外科手术系统200实行。85.在步骤802处，建立虚拟控制对象。也就是说，生成虚拟控制对象并限定虚拟控制对象的姿势。虚拟控制对象可包括点对象、线对象、平面对象或三维表面或体积中的一个或多个，如上面参考图2详细描述的。在一些情况下，虚拟控制对象是触觉对象。过程800可适于与具有各种形状的各种虚拟控制对象一起使用。86.在步骤804处，跟踪外科手术工具234的移动(例如，通过跟踪系统222)。例如，可随着时间推移而确定和更新与外科手术工具234相关联的点(例如，工具中心点)的位置。可相对于虚拟控制对象限定点的位置，即，在其中还限定了虚拟控制对象的姿势的坐标系中。可通过使用者的操纵而致使外科手术工具234移动。87.在步骤806处，确定外科手术工具的移动方向(例如，由处理电路260)。例如，可随时间推移反复收集与外科手术工具234相关的点的位置以获得位置数据的时间序列。给定两个位置(例如，对于随后的时间步长)，可定义表征外科手术工具234的移动方向的向量(例如，速度向量)。在一些情况下，基于所使用的位置之间的距离和收集这些数据点之间经过的时间而确定移动速度(例如，速度向量的大小)。在一些情况下，过程800不进行到步骤808，除非速度向量的大小超过阈值。88.在步骤808处，确定(例如，由处理电路260)移动方向是否指向虚拟控制对象。例如，在步骤806处确定的速度向量可在移动方向上从外科手术工具的最新的跟踪位置延伸(例如，无限地)。例如，如果延伸的速度向量与虚拟控制对象相交，则可确定移动方向指向虚拟控制对象。如果延伸的速度向量不与虚拟控制对象相交，则可确定移动方向不指向虚拟控制对象。在各种实施方案中，可使用各种其他统计方法、坐标变换等来确定外科手术工具的移动方向是否指向虚拟控制对象。例如，在一些实施方案中，目标体积被限定在虚拟控制对象处(例如，围绕、邻近、从其延伸)，并且如果延伸的速度向量与目标体积相交，则可确定移动方向指向虚拟控制对象。例如，在虚拟控制对象是线的情况下，目标体积可被限定为以线为中心的圆柱体。89.如果移动方向不指向虚拟控制对象，则过程800返回到步骤804，在此跟踪外科手术工具234的移动。可重复步骤804至808，直到移动方向指向虚拟控制对象为止。90.如果移动方向被确定为指向虚拟控制对象，则在步骤810处控制机器人装置220以提供将外科手术工具234引导到虚拟控制对象的力。例如，可提供辅助使用者将外科手术工具234移向虚拟控制对象的正辅助力。在没有使用者供应的外部力的情况下，正辅助力可能不足以独立地移动外科手术工具234。在一些情况下，在步骤810处施加的力致使外科手术工具自动移动(无需使用者操纵)到虚拟控制对象。作为另一示例，在一些实施方案中，提供力作为约束外科手术工具234远离虚拟控制对象移动和/或偏离朝向虚拟控制对象的移动方向的触觉边界(例如，折叠触觉边界)。91.由此，外科手术系统200可实行过程800以有助于使用者响应于使用者启动外科手术工具朝向虚拟控制对象的移动而将外科手术工具移动到虚拟控制对象。例如，在期望使用虚拟控制对象之前，可能期望外科手术工具远离虚拟控制对象的各种移动以正确地定位外科手术工具234、机器人臂232、解剖结构、其他外科手术装备等。过程800提供了使用者友好、高效的工作流程，其中外科手术工具可自由移动，直到外科手术工具移向虚拟控制对象(例如，移向虚拟控制对象所在的外科手术区域)为止，此时系统200自动地开始将外科手术工具引导到虚拟控制对象。92.现在参看图9至图10，示出了根据示例性实施方案的用于提供包括阻尼区的触觉交互的过程。图9示出了用于提供包括阻尼区的触觉交互的过程900，而图10示出了包括阻尼区的示例触觉对象。例如在过程300的步骤310处，过程900可由外科手术系统200实行。虽然图10中示出了圆柱形触觉对象以用于举例，但是应当理解，图9至图10的特征可适于与各种几何形状的虚拟控制对象一起使用。93.在步骤902处，建立具有阻尼区的触觉对象(例如，由处理电路260在虚拟空间中限定)。阻尼区可被限定为触觉对象的子部分和/或触觉对象内的区域。图10中示出了具有阻尼区1002的示例触觉对象1000。如图10中所示，触觉对象1000是圆柱形触觉对象，并且阻尼区1002是定位在触觉对象1000中的圆柱形盘。在图10的示例中，触觉对象1000和阻尼区1002具有相等的直径，而阻尼区1002的高度显著小于触觉对象1000的高度，并且以共用的轴线1004为中心。在其他实施方案中，各种相对的大小和尺寸是可能的。94.在一些示例中，阻尼区1002沿触觉对象1000靠近解剖特征(例如，骨骼)的表面定位。例如，阻尼区1002可在骨骼表面的外侧上。在此种情况下，当被跟踪的外科手术工具234在被触觉对象1000约束的同时接近骨骼时，外科手术工具234首先到达阻尼区1002。95.在步骤904处，确定(例如，由处理电路260使用来自跟踪系统222的数据)外科手术工具234已经进入阻尼区1002的第一侧。在图10的示例中，可跟踪外科手术工具234的tcp相对于阻尼区1002的位置，并且当tcp与阻尼区1002的第一表面1006相交时，可确定外科手术工具234已经进入阻尼区1002的第一侧。96.在步骤906处，控制机器人装置220以提供触觉反馈，从而部分地抵抗外科手术工具移动通过阻尼区。例如，当外科手术工具234传递通过阻尼区时，基于阻尼区对机器人装置220的控制可致使外科手术工具234的移动减慢(例如，不超过预设速度)。在阻尼区位于骨骼表面的情况下，阻尼区因此可用于管理(例如，降低)在外科手术工具234与骨骼之间的初始碰撞时外科手术工具234的平移速度。通过降低外科手术工具234的平移速度，如由过程900提供的阻尼区可由此减少刮削，提高切口或孔/钻孔的品质，并提高切口或孔放置的准确性。97.虽然图9至图10示出了机器人装置220的移动如上所述被阻尼的阻尼区，但是在其他实施方案中，提供了与其他效果相关联的其他类型的区，在这种情况下，相应地调整步骤906。例如，在一些实施方案中，阻尼区被加速区代替，在该加速区中，在步骤906处，机器人装置220致使外科手术工具234的速度随着外科手术工具传递通过加速区而增加。作为另一示例，在一些实施方案中，阻尼区被吸引区代替，在该吸引区中控制机器人装置220以对外科手术工具234提供朝向吸引区中的位置(例如，吸引区的中点)定向的力，或者被排斥区代替，在该排斥区中控制机器人装置220以对外科手术工具234提供远离排斥区中的位置定向的力。98.在步骤908处，确定(例如，由处理电路260使用来自跟踪系统222的数据)外科手术工具退出阻尼区的第二侧。在图10的示例中，可跟踪外科手术工具234的tcp相对于阻尼区1002的位置，并且当tcp传递通过阻尼区1002的第二侧1008时，可确定外科手术工具234已经退出了阻尼区1002的第二侧。99.在步骤910处，响应于确定外科手术工具已经退出阻尼区的第二侧，从触觉对象移除阻尼区(例如，通过处理电路260)。不再应用在步骤906处应用的阻力反馈。在一些实施方案中，可使外科手术工具反复地传递通过先前被阻尼区占据的区域而不会经历步骤906的阻力。因此，外科手术系统200可被配置成提供阻尼阻力以有助于外科手术工具234与骨骼之间的初始接触，并在初始接触之后自动移除此种阻力。100.现在参看图11至图13，示出了根据示例性实施方案的流程图，所述流程图示出用于响应于经由安装在外科手术工具或机器人臂上的按钮(键、触发器、开关、压力传感器、手部位置传感器等)从使用者接收到的输入而调整触觉交互的过程。参考图2，图11至图13的过程设想了定位在机器人臂232或外科手术工具234的把手或手柄区域上的按钮，以使得在外科手术的实行期间使用者操纵机器人臂232和外科手术工具234时使用者(例如，外科医生)可容易地使用该按钮。使用者可选择该按钮，而不需要使用者改变使用者对机器人臂232和/或外科手术工具234的抓握并且不需要使用者将使用者的视线或注意力从手术区域移开。图11至图13的过程可由外科手术系统200实行，例如作为图3的步骤310的一部分。101.图11示出了过程1100的流程图，其中按钮允许使用者在第一触觉对象与第二触觉对象之间切换。在步骤1102处，用第一触觉对象约束外科手术工具234。第一触觉对象可具有本文所述的尺寸、形状等中的任一者。在步骤1104处，接收电信号(例如，在处理电路260处)，该电信号指示安装在外科手术工具或机器人臂上的按钮被按下。在步骤1106处，使外科手术工具234的触觉控制从第一触觉对象切换到第二触觉对象，以使得在步骤1108处，用第二触觉对象约束外科手术工具234。在一些情况下，可再次按下按钮以返回基于第一触觉对象的控制。102.过程1100可基于第一触觉对象和第二触觉对象的相对大小、形状等而提供各种优点。在一些实施方案中，第一触觉对象是第二触觉对象的子部分(即，以使得第二触觉对象允许比第一触觉对象更大的运动范围)。在此种情况下，使用者可选择按钮以允许外科手术工具234到达在基于第一触觉对象的控制下外科手术工具被约束而无法到达的区域。一个示例是一组平面触觉对象，其中第一触觉对象对应于平面切口的虚拟确定的范围，而第二触觉对象是更大的共面对象。基于外科医生的经验和术中观察，如果需要，外科医生可在术中按下按钮以延伸切口。作为另一示例，第一触觉对象和第二触觉对象可能仅部分重叠。在此种示例中，过程1100可有助于在外科手术的不同步骤之间进行切换。在一些实施方案中，处理电路260阻止触觉控制对象之间的切换，除非外科手术工具当前位于两个触觉对象内。103.图12示出了过程1200，其中按钮允许使用者致使触觉对象在使用者施加的力的方向上延伸。在步骤1202处，用第一触觉对象约束外科手术工具。第一触觉对象可具有本文所述的尺寸、形状等中的任一者。在步骤1204处，接收电信号(例如，在处理电路260处)，该电信号指示安装在外科手术工具或机器人臂上的按钮被按下。104.在步骤1206处，响应于来自按钮的信号，确定对外科手术工具施加的力的方向(例如，由处理电路260)。外科手术工具的hip可定位在第一触觉对象的边界处，以使得触觉控制交互阻止力致使外科手术工具在力的方向上进一步移动。在此种场景中，按钮的按下指示使用者希望使外科手术工具在力的方向上进一步移动。因此，在步骤1208处，第一触觉对象在力的方向上延伸，由此允许外科手术工具在被第一触觉对象约束之前在所述方向上进一步移动。在步骤1208处，可使第一触觉对象延伸达预设距离或体积。然后，外科手术工具被延伸的第一触觉对象约束。105.由此，过程1200可有助于使用者在特定的、使用者选定的方向上将外科手术工具延伸超出第一触觉对象。例如，在一些情况下，基于第一触觉对象的控制可约束外科手术工具到达外科医生希望用外科手术工具修改的解剖特征的整个范围。然后，外科医生可将外科手术工具推向目标特征并选择按钮以致使触觉对象朝向目标特征延伸。由此，过程1200有助于对触觉对象做出有利的术中调整。106.图13示出了过程1300，其中按钮允许使用者调整虚拟工具的虚拟尺寸，由此调整虚拟控制交互。在由过程1300设想的实施方案中，通过跟踪与外科手术工具相关联的触觉交互点(例如，tcp)来实现触觉控制交互。hip是一维点。处理电路使用外科手术工具的一个或多个虚拟尺寸来基于hip的位置而确定被外科手术工具占据的体积。例如，对于球形钻，hip可位于球形钻的中心，并且所述球形钻的半径可用于在虚拟空间中基于hip位置和半径尺寸而确定被球形钻所占据的3-d体积。基于外科手术工具(或其边界)所占据的体积与触觉对象之间的交互而提供触觉控制。在球形钻的示例中，hip可被约束到从触觉边界偏移至少达球形钻的半径尺寸的位置。在此种情况下，改变球形钻的虚拟半径可允许使hip移动更靠近触觉边界。因此，可通过修改外科手术工具的虚拟尺寸来改变对机器人装置的控制。107.在步骤1302处，用第一触觉对象约束外科手术工具。第一触觉对象可具有本文所述的尺寸、形状等中的任一者。在步骤1304处，接收电信号(例如，在处理电路260处)，该电信号指示安装在外科手术工具或机器人臂上的按钮被按下。在步骤1306处，响应于来自按钮的信号而调整外科手术工具的虚拟尺寸(例如，由处理电路260)。例如，在外科手术工具是球形钻的场景中，可减小球形钻的虚拟半径。108.在步骤1308处，控制机器人装置以基于外科手术工具的经调整的虚拟尺寸而用第一触觉对象约束外科手术工具。在外科手术工具的虚拟尺寸减小的示例中(例如，在半径减小的情况下)，与步骤1302相比，在步骤1308处可为外科手术工具提供更大的运动范围。在此种情况下，当外科医生希望允许外科手术工具到达在步骤1302处外科手术工具被约束而无法到达的位置时，外科医生可接合按钮。外科手术工具的虚拟中心点的位置也可相对于外科手术工具的跟踪到的位置移位(例如，在步骤1306处)，例如以使得大小减小的虚拟工具与原始大小的虚拟工具的边界对准。这种移位可为外科手术工具在一些方向上提供更大的运动范围，同时保持沿共用边界的运动范围。例如，当减小外科手术工具的虚拟尺寸时将虚拟中心点朝向外科手术工具的远侧尖端移位可允许增加的左右运动范围(即，正交于外科手术工具的轴线)，同时将外科手术工具局限在原始切割深度。由此，过程1300可有助于对解剖特征范围进行微小术中调整，该解剖特征可由外科手术工具根据外科手术计划修改。109.在一些实施方案中，可反复地选择按钮以致使对外科手术工具的一个或多个虚拟尺寸进行反复调整(例如，逐步减小到越来越小的大小、在两个可用大小之间切换、顺序地遍历三个或更多个可用大小等)。许多此类可能性在本公开的范围内。110.在其他实施方案中，输入是从另一个源(例如，脚踏板、话控开关、鼠标、键盘、触摸屏等)接收到的。在其他实施方案中，用基于外科手术工具和/或机器人装置的跟踪到的位置或行为的自动响应代替使用者输入(在图11至图13中描述为源自按钮)。例如，在一些实施方案中，检测了外科手术工具在触觉对象的边界处的停留时间。当停留时间超过阈值时间量时，可如步骤1106至1108、1206至1210和/或1306至1308所述修改触觉控制。各种此类修改都在本公开的范围内。111.如上面所提及的，图4至图13中示出的各种特征的所有组合都在本公开的范围内。例如，可使用过程400、过程600、过程800、过程900、过程1100、过程1200和过程1300中的一个或多个过程的步骤来实现过程300。此外，应当理解，本文描述的各种特征、方法步骤等可适于有助于多种外科手术，包括全部和部分髋关节、膝关节和肩关节成形术，以及用于实行非外科手术任务。112.如在各种示例性实施方案中示出的系统和方法的构造和布置仅是说明性的。虽然在本公开中仅详细描述了几个实施方案，但许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、材料的使用、颜色、取向等的变型)。例如，元件的位置可颠倒或以其他方式变化，并且离散元件或位置的性质或数量可能改变或变化。因此，所有此类修改意在包括在本公开的范围内。根据另选实施方案，任何过程或方法步骤的次序或顺序可变化或重新排序。本文所述的系统可适用于实行本文所述的方法。在不脱离本公开的范围的情况下，可对示例性实施方案的设计、操作条件和布置做出其他替换、修改、改变和省略。113.如本文所利用的，术语“大致”、“大约”、“基本上”和相似术语意在具有与本公开的主题所涉及的本领域普通技术人员的常见和接受的用法相一致的广泛含义。审阅本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语意在允许对所描述和要求保护的某些特征进行描述，而不将这些特征的范围限制在所提供的精确数值范围内。因此，这些术语应被解释为指示对所描述的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变并且被认为在本公开的范围内。当前第1页12当前第1页12
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：：3.本公开总体上涉及用于整形外科手术的外科手术系统，例如有助于关节置换手术的外科手术系统。关节置换手术(关节成形术)广泛用于治疗骨关节炎和患者关节的其他损伤，做法是用假体部件置换关节的各部分。关节置换手术可包括用一个或多个假体部件置换髋、膝、肩或其他关节的手术。4.用于关节成形术的一种可能的工具是机器人辅助外科手术系统。机器人辅助外科手术系统通常包括：机器人装置，用于使患者的解剖结构准备好接纳植入物；跟踪系统，所述跟踪系统被配置成监测机器人装置相对于患者解剖结构的位置；以及计算系统，所述计算系统被配置成监测和控制机器人装置。呈各种形式的机器人辅助外科手术系统自主地实施外科手术任务，向操纵外科手术装置的使用者提供力反馈以完成外科手术任务，增强外科医生的灵活性和精确度，和/或提供其他引导提示以有助于安全且准确的外科手术操作。5.通常在使用机器人辅助的外科手术系统执行外科手术之前确定外科手术计划。基于该外科手术计划，外科手术系统在外科手术的各部分期间引导、控制或限制外科手术工具的移动。外科手术工具的引导和/或控制用于在实现外科手术计划期间辅助外科医生。附图说明6.图1是根据示例性实施方案的准备好接纳植入物部件的股骨的透视图。7.图2是根据示例性实施方案的外科手术系统的图示。8.图3是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第一过程的流程图。9.图4是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第二过程的流程图。10.图5是根据示例性实施方案的图4的过程的图示。11.图6是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第三过程的流程图。12.图7是根据示例性实施方案可与图6的过程一起使用的虚拟控制对象的图示。13.图8是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第四过程的流程图。14.图9是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第五过程的流程图。15.图10是根据示例性实施方案的可与图9的过程一起使用的虚拟控制对象的图示。16.图11是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第六过程的流程图。17.图12是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第七过程的流程图。18.图13是根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统实行的第八过程的流程图。技术实现要素：19.本公开的一个实现方式是一种用于控制机器人装置的方法。该方法包括限定虚拟对象以及限定与外科手术工具的虚拟表示相关联的第一点和第二点。外科手术工具的虚拟表示的移动对应于外科手术工具在真实空间中的移动。该方法包括：控制联接到外科手术工具的机器人装置以将第一点约束到虚拟对象，确定第一点在沿虚拟对象的阈值位置处，以及控制机器人装置以将第二点引导到虚拟对象。20.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路可被配置成限定虚拟对象并限定与外科手术工具的虚拟表示相关联的第一点和第二点。处理电路被配置成使得外科手术工具的虚拟表示的移动对应于外科手术工具在真实空间中的移动。处理电路还被配置成控制联接到外科手术工具的机器人装置以将第一点约束到虚拟对象，确定第一点在沿虚拟对象的阈值位置处，并控制机器人装置以将第二点引导到虚拟对象。21.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法，所述机器人装置联接有工具。该方法包括控制机器人装置以基于第一触觉对象而约束外科手术工具，接收信号和使用者定义的方向，以及通过在使用者定义的方向上延伸第一触觉对象来响应于信号而调整触觉控制交互。22.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成控制机器人装置以基于第一触觉对象而约束外科手术工具，接收信号和使用者定义的方向，并且通过在使用者定义的方向上延伸第一触觉对象来响应于信号而调整触觉控制交互。23.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法，所述机器人装置联接有工具。该方法包括控制机器人装置以基于第一触觉对象而约束所述工具，接收信号和使用者定义的方向，以及通过调整工具的虚拟尺寸来响应于信号而调整触觉控制交互。24.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成控制机器人装置以基于第一触觉对象而约束所述工具，接收信号和使用者定义的方向，并通过调整工具的虚拟尺寸来响应于信号而调整触觉控制交互。25.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法。该方法包括跟踪联接到机器人装置的工具的移动，确定工具的移动方向，确定移动方向是否指向虚拟控制对象，以及响应于确定移动方向指向虚拟控制对象而控制机器人装置来将工具引导到虚拟控制对象。26.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成接收指示联接到机器人装置的工具的移动的跟踪数据，确定工具的移动方向，确定移动方向是否指向虚拟控制对象，并且响应于确定移动方向指向虚拟控制对象而控制机器人装置来将工具引导到虚拟控制对象。27.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法。该方法包括：跟踪联接到机器人装置的工具，控制机器人装置以将工具约束在虚拟控制对象内，限定虚拟控制对象的区域，确定工具在该区域中，以及控制机器人装置来抵抗工具在该区域中的移动。28.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成控制机器人装置以将工具约束在虚拟控制对象内，限定虚拟控制对象的区域，确定工具在该区域中，并且控制机器人装置来抵抗工具在该区域中的移动。29.本公开的另一实现方式是一种操作机器人装置的方法，所述机器人装置联接有工具。该方法包括：通过机器人装置将工具约束到虚拟控制对象，检测在大致预定方向上对工具施加的力，确定大致在预定方向上的力是否超过阈值力，以及响应于确定大致在预定方向上的力超过阈值力而控制机器人装置以允许工具退出虚拟控制对象。30.本公开的另一实现方式是一种系统，所述系统包括机器人装置和可与机器人装置通信的处理电路。处理电路被配置成控制机器人装置以将工具约束到虚拟控制对象，检测在大致预定方向上对工具施加的力，确定大致在预定方向上的力是否超过阈值力，并且响应于确定大致在预定方向上的力超过阈值力而控制机器人装置以允许工具退出虚拟控制对象。具体实施方式31.在附图中示出了本发明的当前优选实施方案。已努力在整个附图中使用相同或相似的附图标记来指代相同或相似的部分。虽然本说明书主要涉及用于骨科关节置换的机器人臂，但应理解，本文描述的主题适用于其他类型的机器人系统，包括用于非外科手术应用的机器人系统，以及针对其他解剖区域的手术，例如脊柱或牙科手术。32.现在参看图1，根据示例性实施方案，示出了如在膝关节成形术期间修改的股骨101。如图1中所示，股骨101已被修改为具有多个平面切口。在示出的示例中，已经通过五个基本平面的切口修改股骨100以创建五个基本平面的表面，即，远侧表面102、后倒角表面104、后表面106、前表面108和前倒角表面110。可使用矢状锯或其他外科手术工具(例如，如下面描述的示例中所示，联接到机器人装置的外科手术工具)来达成平面表面。创建了平面表面102至110，以使得平面表面102至110将与股骨植入物部件的对应表面匹配。平坦的表面102至110的位置和角度取向可确定植入物部件的对准和定位。因此，以高精度操作外科手术工具以创建平面表面102至110可改善关节置换手术的结果。33.如图1中所示，股骨101也被修改为具有一对导向孔120。导向孔120延伸到股骨101中，并且创建所述导向孔以使得所述导向孔120可接纳螺钉、从植入物部件的表面延伸的突出部、或被配置成有助于植入物部件联接到股骨101的其他结构。可使用钻机、球形钻或如下所述的其他外科手术工具来创建导向孔120。导向孔120可以具有预先规划的位置、取向和深度，这有助于将植入物部件以期望的位置和取向牢固地联接到骨骼。在一些情况下，导向孔120被设计成与骨骼的高密度区域相交和/或避开其他植入物部件和/或敏感的解剖特征。因此，以高精度操作外科手术工具以创建导向孔120可改善关节置换手术的结果。34.在一些实施方案中，本文描述的系统和方法提供机器人辅助来创建平面表面102至110和导向孔120。应该理解，如图1中所示，创建五个平面切口和两个圆柱形导向孔仅是示例，并且本文描述的系统和方法可适于规划和有助于创建任何数量的平面切口或非平面切口、任何数量的导向孔、它们的任何组合等，以用于在各种实施方案中使任何骨骼和/或关节作好准备。例如，在髋或肩关节成形术过程中，可根据本文的系统和方法使用球形钻来对被配置成接纳弯曲植入物杯的弯曲表面进行扩孔。此外，在其他实施方案中，本文所述的系统和方法可用于有助于相对于骨骼放置植入物部件(例如，有助于髋关节成形术中杯状植入物的压紧)。许多此类外科手术实现方式和非外科手术实现方式在本公开的范围内。35.现在参看图2，根据示例性实施方案，示出了用于整形外科手术的外科手术系统200。一般而言，外科手术系统200被配置成有助于外科手术计划的规划和实行，例如有助于关节相关手术。如图2中所示，设置了外科手术系统200以治疗坐在或躺在手术台205上的患者204的腿202。在图2中示出的图示中，腿202包括股骨206(例如，图1的股骨101)和胫骨208，在全膝关节镜手术中将在它们之间植入假体膝关节植入物。在其他场景中，设置了外科手术系统200以治疗患者的髋部，即，患者的股骨和骨盆。另外，在其他场景中，设置了外科手术系统200以治疗患者的肩部，即，有助于肩关节的部件的置换和/或增大(例如，有助于放置肱骨部件、关节盂部件以及移植物或植入物增强件)。各种其他解剖区域和手术也是可能的。为了有助于手术，外科手术系统200包括机器人装置220、跟踪系统222和计算系统224。36.机器人装置220被配置成在计算系统224的控制下修改患者的解剖结构(例如，患者204的股骨206)。机器人装置220的一个实施方案是触觉装置。“触觉”是指触摸的感觉，并且触觉领域尤其涉及向操作者提供反馈的人类交互装置。反馈可包括触觉感觉，诸如振动。反馈还可包括向使用者提供力，诸如正向力或移动阻力。触觉的一种用途是为装置的使用者提供操纵该装置的指导或限制。例如，触觉装置可联接到外科手术工具，该外科手术工具可由外科医生操纵以执行外科手术。可通过使用触觉来引导或限制外科医生对外科手术工具的操纵，以在外科手术工具的操纵期间向外科医生提供反馈。37.机器人装置220的另一实施方案是自主或半自主机器人。“自主”是指机器人装置通过收集关于其情形的信息、确定行动方案并自动地实施该行动方案而独立或半独立于人类控制来行动的能力。例如，在此种实施方案中，与跟踪系统222和计算系统224通信的机器人装置220可自主地完成上面提及的一系列股骨切割而无需直接人类干预。38.机器人装置220包括底座230、机器人臂232和外科手术工具234，并且可通信地联接到计算系统224和跟踪系统222。底座230为机器人臂232提供可移动的基础，从而允许机器人臂232和外科手术工具234将根据需要相对于患者204和手术台205重新定位。底座230还可以包含动力系统、计算元件、马达和下面描述的机器人臂232和外科手术工具234的功能所必需的其他电子或机械系统。39.机器人臂232被配置成支撑外科手术工具234并如计算系统224指示般提供力。在一些实施方案中，机器人臂232允许使用者操纵外科手术工具并向使用者提供力反馈。在此种实施方案中，机器人臂232包括关节236和支座238，所述关节和支座包括马达、致动器或其他机构，它们被配置成允许使用者通过可允许的姿势自由平移和旋转机器人臂232和外科手术工具234，同时提供力反馈以约束或阻止机器人臂232和外科手术工具234的一些移动，如由计算系统224所指示的。如下面详细描述的，机器人臂232由此允许外科医生在控制对象内完全控制外科手术工具234，同时沿该对象的边界提供力反馈(例如，振动、阻止或抵抗边界穿透的力)。在一些实施方案中，机器人臂被配置成如计算系统224所指示般将外科手术工具自动地移动到新姿势而无需直接使用者操纵，以便根据需要定位机器人臂和/或完成某些外科手术任务，包括例如股骨206中的切口。40.外科手术工具234被配置成对骨骼进行切割、磨出毛边、研磨、钻孔、部分切除、重塑和/或以其他方式进行修改，或约束/限制用于对骨骼进行切割、磨出毛边、研磨、钻孔、部分切除、重塑和/或以其他方式进行修改的装置的移动。外科手术工具234可能是任何合适的工具，并且可能是可互换地连接到机器人装置220的多种工具中的一种。例如，如图2中所示，外科手术工具234包括球形钻244。在其他示例中，外科手术工具也可能是矢状锯，例如具有平行于工具轴线或垂直于工具轴线对准的刀片。外科手术工具也可能是钻机，例如具有平行于工具轴线或垂直于工具轴线对准的旋转钻头。在各种实施方案中，外科手术工具234可能是夹具、钻导向器、切割导向器等，例如被配置成具有插入其中的锯、钻机或其他器械。外科手术工具234还可能是固持臂或其他支撑件，它们被配置成将植入物部件(例如，杯28a、植入物增强件等)固持在适当位置，同时将植入物部件拧到骨骼上、粘附(例如，胶合)到骨骼或其他植入物部件，或以其他方式安装在优选位置。在一些实施方案中，外科手术工具234是压紧工具，所述压紧工具被配置成向杯形植入物提供压紧力，以有助于杯形植入物在规划的位置和取向上固定到骨盆。41.跟踪系统222被配置成跟踪患者的解剖结构(例如，股骨206和胫骨208)和机器人装置220(即，外科手术工具234和/或机器人臂232)以允许控制联接到机器人臂232的外科手术工具234，从而确定由外科手术工具234做出的修改或其他结果的位置和取向，并允许使用者在计算系统224的显示器上可视化骨骼(例如，股骨206、胫骨208、骨盆、肱骨、肩胛骨等，如各种手术中所适用的)、外科手术工具234和/或机器人臂232。更特别地，跟踪系统222确定对象(例如，外科手术工具234、股骨206)相对于参考坐标系的位置和取向(即，姿势)，并且跟踪(即，连续地确定)该对象在外科手术期间的姿势。根据各种实施方案，跟踪系统222可能是任何类型的引导系统，包括非机械跟踪系统(例如，光学跟踪系统)、机械跟踪系统(例如，基于测量机器人臂232的关节236的相对角度来跟踪)或非机械跟踪系统和机械跟踪系统的任何组合。42.在图2中示出的实施方案中，跟踪系统222包括光学跟踪系统。因此，跟踪系统222包括：联接到胫骨208的第一基准树240；联接到股骨206的第二基准树241；联接到底座230的第三基准树242；联接到外科手术工具234的一个或多个基准；以及检测装置246，所述检测装置被配置成检测基准的三维位置(即，基准树240至242上的标记)。基准树240、241可联接到如适合用于各种手术的其他骨骼(例如，髋关节置换手术中的骨盆和股骨)。检测装置246可能是光学检测器，诸如相机或红外传感器。基准树240至242包括基准，所述基准是被配置成清楚地向光学检测器显示和/或易于被图像处理系统使用来自光学检测器的数据检测到的标记，例如通过高度反射红外辐射(例如，由跟踪系统222的元件发射)。检测装置246上的相机的立体布置允许通过三角测量方法在3d空间中确定每个基准的位置。每个基准具有与对应对象的几何关系，使得基准的跟踪允许跟踪对象(例如，跟踪第二基准树241允许跟踪系统222跟踪股骨206)，并且跟踪系统222可被配置成实施配准过程以确定或验证该几何关系。基准树240至242中的基准的独特布置(即，第一基准树240中的基准被布置成与第二基准树241中的基准不同的几何形状)允许将基准树彼此区分开且因此将被跟踪的对象彼此区分开。43.使用图2的跟踪系统222或外科手术引导和跟踪的某一其他方法，外科手术系统200可确定外科手术工具234相对于患者的解剖特征(例如，股骨206)的位置，因为外科手术工具234用于修改解剖特征或以其他方式有助于外科手术。另外，使用图2的跟踪系统222或用于外科手术引导和跟踪的某一其他方法，外科手术系统200可确定被跟踪的骨骼的相对姿势。44.计算系统224被配置成创建外科手术计划，根据外科手术计划控制机器人装置220以进行一种或多种骨骼修改，和/或有助于一种或多种假体部件的植入。因此，计算系统224可通信地联接到跟踪系统222和机器人装置220以有助于机器人装置220、跟踪系统222与计算系统224之间的电子通信。此外，计算系统224可连接到网络，以接收与患者的病史或其他患者简档信息、医学成像、外科手术计划、外科手术相关的信息，并执行与外科手术的执行相关的各种功能，例如通过访问电子健康记录系统。计算系统224包括处理电路260和输入/输出装置262。45.输入/输出装置262被配置成接收使用者输入并根据需要针对本文描述的功能和过程而显示输出。如图2中所示，输入/输出装置262包括显示器264和键盘266。显示器264被配置成显示由处理电路260生成的图形使用者界面，所述图形使用者界面包括例如关于外科手术计划、医学成像、外科手术系统200的设置和其他选项的信息，与跟踪系统222和机器人装置220有关的状态信息，以及基于由跟踪系统222供应的数据的跟踪可视化。键盘266被配置成接收到这些图形使用者界面的使用者输入，以控制外科手术系统200的一个或多个功能。46.处理电路260包括处理器和存储器装置。处理器可实现为通用处理器、专用集成电路(asic)、一个或多个现场可编程门阵列(fpga)、一组处理部件或其他合适的电子处理部件。存储器装置(例如，存储器、存储单元、存储装置等)是用于存储用于完成或有助于本技术中描述的各种过程和功能的数据和/或计算机代码的一个或多个装置(例如，ram、rom、快闪存储器、硬盘存储装置等)。存储器装置可能是或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器装置可包括数据库部件、目标代码部件、脚本部件或用于支持本技术中描述的各种活动和信息结构的任何其他类型的信息结构。根据示例性实施方案，存储器装置经由处理电路260可通信地连接到处理器并且包括用于实行(例如，由处理电路260和/或处理器)本文描述的一个或多个过程的计算机代码。47.更特别地，处理电路260被配置成有助于在外科手术之前创建术前外科手术计划。根据一些实施方案，术前外科手术计划是利用患者解剖结构的三维表示来制定的，所述三维表示在本文中也称为“虚拟骨骼模型”。除了骨骼之外，“虚拟骨骼模型”还可包括软骨或其他组织的虚拟表示。为了获得虚拟骨骼模型，处理电路260接收要进行外科手术的患者解剖结构的成像数据。可使用任何合适的医学成像技术来创建成像数据以对相关解剖特征进行成像，所述技术包括计算机断层扫描(ct)、磁共振成像(mri)和/或超声。然后对成像数据进行分割(即，区分成像中对应于不同解剖特征的区域)以获得虚拟骨骼模型。例如，可对关节的基于mri的扫描数据进行分割，以将骨骼与周围的韧带、软骨、先前植入的假体部件和其他组织区分开来，以获得经成像的骨骼的三维模型。48.另选地，可通过从数据库或骨骼模型库中选择三维模型来获得虚拟骨骼模型。在一个实施方案中，使用者可使用输入/输出装置262来选择适当的模型。在另一实施方案中，处理电路260可实行存储的指令以基于提供的关于患者的图像或其他信息而选择适当的模型。然后，可基于具体的患者特性而使从数据库中选定的骨骼模型变形，从而创建用于如本文所述的外科手术规划和实现方式的虚拟骨骼模型。49.然后可基于虚拟骨骼模型而创建术前外科手术计划。外科手术计划可由处理电路260自动生成，由使用者经由输入/输出装置262输入，或两者的某种组合(例如，处理电路260限制使用者创建的计划的一些特征，生成使用者可修改的计划等)。在一些实施方案中，可基于术中收集的受力测量结果而生成和/或修改外科手术计划。50.术前外科手术计划包括使用外科手术系统200对患者的解剖结构做出的期望切口、孔、表面、毛边或其他修改。例如，对于全膝关节镜手术，术前计划可包括：有必要在股骨上、远侧表面上、后倒角表面上、后表面上、前表面上和前倒角表面上形成的切口，所述切口的相对取向和位置适合于配合到假体在外科手术期间要接合到股骨的对应表面；以及有必要在胫骨、表面上形成的切口，所述切口适合于配合到在外科手术期间要接合到胫骨的假体。作为另一示例，术前计划可包括在骨骼中产生孔(例如，导向孔120)所必需的修改。作为另一示例，在髋关节成形术过程中，外科手术计划可包括在骨盆的髋臼区域上形成一个或多个表面以接纳杯子以及在合适的情况下接纳植入物增强件所必需的毛边。因此，处理电路260可接收、访问和/或存储假体模型以有助于外科手术计划的生成。51.处理电路260还被配置成根据外科手术计划为机器人装置220生成控制对象。控制对象可根据可能的机器人装置的各种类型(例如，触觉的、自主的)采取各种形式。例如，在一些实施方案中，控制对象定义用于机器人装置的指令，以控制机器人装置在控制对象内移动(即，在来自跟踪系统222的反馈指示下自主地做出外科手术计划的一个或多个切口)。在一些实施方案中，控制对象包括外科手术计划和机器人装置在显示器264上的可视化，以有助于外科手术引导并帮助引导外科医生遵循外科手术计划(例如，没有机器人装置的主动控制或力反馈)。在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，控制对象可能是如以下段落中描述的触觉对象。52.在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，处理电路260还被配置成基于术前外科手术计划而生成一个或多个触觉对象，以通过在外科手术期间实现对手术工具234的约束来在外科手术计划的实现期间辅助外科医生。触觉对象可在一维、二维或三维中形成。例如，触觉对象可能是线、平面或三维体积。触觉对象可能是弯曲，具有弯曲表面和/或具有平面表面，并且可能是任何形状，例如漏斗形状。可创建触觉对象以表示在外科手术期间有关外科手术工具234的移动的多种期望结果。三维触觉对象的边界中的一个或多个可表示要在骨骼表面上创建的一个或多个修改，诸如切口。平面触觉对象可表示要在骨骼的表面上创建的修改，诸如切口。弯曲的触觉对象可表示如经修改以接纳杯形植入物和/或植入物增强件的所得骨骼表面。线触觉对象可对应于要在骨骼中做出的导向孔，以使骨骼准备好接纳螺钉或其他突出部。53.在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，处理电路260还被配置成生成外科手术工具234的虚拟工具表示。虚拟工具包括一个或多个触觉交互点(hip)，所述触觉交互点表示实体外科手术工具234上的位置并且与所述位置相关联。在外科手术工具234是球形钻(例如，如图2中所示)的实施方案中，hip可表示球形钻的中心。在一个hip用于虚拟地表示外科手术工具的情况下，hip在本文中可被称为工具中心点(tcp)。如果外科手术工具234是不规则形状，例如对于矢状锯，则矢状锯的虚拟表示可包括众多hip。在2011年12月28日提交的题为“systemandmethodforprovidingsubstantiallystablehaptics”并且特此以引用的方式整体并入本文中的美国申请序列号13/339,369中描述了使用多个hip在外科手术工具上生成触觉力(例如，正向力反馈或对移动的阻力)。在本发明的一个实施方案中，表示矢状锯的虚拟工具包括十一个hip。如本文所使用的，提及“hip”被认为还包括提及“一个或多个hip”。如下面所述，hip与触觉对象之间的关系使外科手术系统200能够约束外科手术工具234。54.在进行外科手术之前，通过任何已知的配准技术将患者的解剖结构(例如，股骨206)配准到患者的解剖结构的虚拟骨骼模型。一种可能的配准技术是基于点的配准，如2011年8月30日授予的题为“hapticguidancesystemandmethod”并且特此以引用的方式整体并入本文的美国专利no.8,010,180中所述。另选地，可通过利用手持式射线照相成像装置进行2d/3d配准来完成配准，如2012年7月30日提交的题为“radiographicimagingdevice”并且特此以引用的方式整体并入本文中的美国申请序列号13/562,163中所述。配准还包括将外科手术工具234配准到外科手术工具234的虚拟工具表示，使得外科手术系统200可确定和监测外科手术工具234相对于患者(即，相对于股骨206)的姿势。配准允许在外科手术期间进行准确的引导、控制和/或力反馈。下面详细描述了在一些实施方案中与髋关节成形术中的配准有关的额外细节。55.处理电路260被配置成监测与患者的骨骼(例如，股骨206)、外科手术工具234以及由机器人装置220创建的力限定的一个或多个线、平面或三维空间的真实世界位置对应的虚拟工具表示、虚拟骨骼模型和控制对象(例如，虚拟触觉对象)的虚拟位置。例如，如果如跟踪系统222所跟踪的，患者的解剖结构在外科手术期间移动，则处理电路260对应地移动虚拟骨骼模型。因此，虚拟骨骼模型对应于患者的实际(即物理)解剖结构以及该解剖结构在真实/物理空间中的位置和取向，并且与它们相关联。相似地，在外科手术规划期间创建的连接到将对该解剖结构做出的切口、修改等的任何触觉对象、控制对象或其他规划的自动化机器人装置运动也与患者的解剖结构相对应地移动。在一些实施方案中，外科手术系统200包括夹具或支架以基本上固定股骨206以最小化跟踪和处理股骨206的运动的需要。56.对于机器人装置220是触觉装置的实施方案，外科手术系统200被配置成基于hip与触觉对象之间的关系而约束外科手术工具234。也就是说，当处理电路260使用由跟踪系统222供应的数据来检测使用者正在操纵外科手术工具234以使hip与触觉对象虚拟接触时，处理电路260向机器人臂232生成控制信号以向使用者提供触觉反馈(例如，力、振动)来传达对外科手术工具234的移动的约束。一般而言，如本文所使用的术语“约束”被用来描述约束移动的趋势。然而，对外科手术工具234施加的约束的形式取决于相关触觉对象的形式。触觉对象可形成为任何期望的形状或配置。如上所述，三个示例性实施方案包括线、平面或三维体积。在一个实施方案中，外科手术工具234受到约束，因为外科手术工具234的hip被约束成沿线性触觉对象移动。在另一实施方案中，触觉对象是三维体积，并且可通过基本上阻止hip移动到由三维触觉对象的壁所包围的体积之外而约束外科手术工具234。在另一实施方案中，外科手术工具234受到约束，因为平面触觉对象基本上阻止了hip移动到平面之外以及移动到平面触觉对象的边界之外。例如，处理电路260可建立对应于在股骨206上创建远侧表面所需的规划的平面远侧切口的平面触觉对象，以便将外科手术工具234基本局限在实施规划的远侧切口所需的平面。57.对于机器人装置220是自主装置的实施方案，外科手术系统200被配置成根据控制对象自主地移动和操作外科手术工具234。例如，控制对象可限定相对于应做出切口的股骨206的区域。在此种情况下，机器人臂232和外科手术工具234的一个或多个马达、致动器和/或其他机构是可控的，以致使外科手术工具234在需要时在控制对象内移动和操作以做出规划的切口，例如使用来自跟踪系统222的跟踪数据以实现闭环控制。58.现在参看图3，示出了根据示例性实施方案的可由图2的外科手术系统200实行的过程300的流程图。过程300可适于有助于各种外科手术，包括全部和部分关节置换外科手术。可使用图4至图13中示出的并且在下面详细描述的各种步骤和特征(包括它们的组合)来实行过程300。59.在步骤302处，获得外科手术计划。外科手术计划(例如，计算机可读数据文件)可定义骨骼修改的期望结果，例如基于假体部件相对于患者的解剖结构的期望位置来定义。例如，在膝关节成形术的情况下，外科手术计划可提供如图1中示出的平面表面102至110和导向孔120的规划的位置和取向。可基于医学成像、3d建模、外科医生输入等而生成外科手术计划。60.在步骤304处，基于所述外科手术计划而限定一个或多个控制边界，诸如触觉对象。一个或多个触觉对象可能是一维的(例如，线触觉)、二维的(即，平面的)或三维的(例如，圆柱形的、漏斗形的、弯曲的等)。触觉对象可表示由外科手术定义的规划的骨骼修改(例如，用于图1中示出的平面表面102至110中的每一者和导向孔120中的每一者的触觉对象)、植入物部件、外科手术方法轨迹等。可相对于患者解剖结构的跟踪的位置在三维空间中对触觉对象进行定向和定位。61.在步骤306处，例如通过上述跟踪系统222相对于触觉对象跟踪外科手术工具的姿势。在一些实施方案中，跟踪外科手术工具上的一个点。在其他实施方案中(例如，在图4至图5的示例中)，跟踪外科手术工具上的两个点，例如在外科手术工具的尖端/有效端处的工具中心点(tcp)和沿外科手术工具的主体或手柄部分定位的第二交互点(sip)。在其他实施方案中，跟踪外科手术工具上的三个或更多个点。相对于坐标系确定外科手术工具的姿势，在该坐标系中限定一个或多个触觉对象，并且在一些实施方案中，还跟踪患者的一个或多个解剖特征的姿势。62.在步骤308处，将外科手术工具引导到触觉对象。例如，外科手术系统200的显示器264可显示图形使用者界面，指示使用者如何(例如，在哪个方向上)移动外科手术工具和/或机器人装置以将外科手术工具带到触觉对象。作为另一示例，可使用美国专利no.9,289,264中描述的折叠触觉边界将外科手术工具引导到触觉对象，该美国专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。作为另一示例，可控制机器人装置以将外科手术工具自动地移动到触觉对象。作为另一示例，可使用下面详细描述的图8的过程800来实行步骤308。63.在步骤310处，控制机器人装置以基于外科手术工具的跟踪到的姿势和一个或多个触觉对象的姿势而约束外科手术工具的移动。可如上文参考图2所述来实现对外科手术工具的约束。在一些实施方案中，步骤310包括如图4至图5中示出并且参考图4至图5在下文中描述的两阶段方法。在一些实施方案中，步骤310包括提供抵抗外科手术工具移动通过特定区域的阻尼力，例如如图9至图10中所述并在下文中参考图9至图10进行描述。在一些实施方案中，步骤310包括响应于使用者输入而调整触觉交互，例如根据下面参考图11至图13所描述的图11至图13的示例。这些特征的各种组合在步骤310处是可能的。64.在步骤312处，有助于外科手术工具从触觉对象退出，即，以释放触觉对象的约束条件。例如，在一些实施方案中，控制机器人装置以允许外科手术工具沿触觉对象的轴线退出触觉对象。在一些实施方案中，例如如图6至图7中所示并且如下面参考图6至图7所描述的，可允许外科手术工具在相对于触觉对象的预定方向上退出触觉对象。由此，可从外科手术区域和触觉对象中移除外科手术工具以有助于外科手术的后续步骤。另外，应当理解，在一些情况下，过程300可返回到步骤308，其中在步骤312处退出触觉对象之后将外科手术工具引导到同一个或不同的触觉对象。65.由此，过程300可由外科手术系统200实行以有助于外科手术。根据一些实施方案，过程300的特征在下面的图4至图13中示出，并且在各种实施方案中，此类特征可按各种组合来组合和/或基于为特定手术选择的设置来组合。此外，应当理解，可在省略过程300的一些或所有其他步骤的同时提供图4至图13的特征。所有此类可能性都在本公开的范围内。66.现在参看图4至图5，根据示例性实施方案，示出了两阶段触觉交互。图4示出了用于提供两阶段触觉交互的过程400的流程图，而图5示出了(即，过程400的)两阶段触觉交互的故事版式图示。例如在过程300的步骤310处，过程400可由外科手术系统200实行。67.在步骤402处，将工具中心点(tcp)500约束到线触觉502，同时允许外科手术工具234围绕工具中心点500旋转并且tcp500沿线触觉502平移。线触觉502可对应于规划的骨骼修改，例如如图1中示出的规划的导向孔120。线触觉502可被限定为规划的导向孔120的轴线，并且可从规划的导向孔120的底部(最深端)延伸，延伸超出解剖特征(例如，股骨101)。线触觉502在图5的示例中是直线。在其他实施方案中，线触觉502可能是弯曲的，例如限定为样条线。在其他实施方案中，图4的过程400可适于使用平面触觉对象、体积触觉对象或限定为线、平面和/或体积的任意组合的触觉对象来代替线触觉502。68.相对于线触觉502跟踪tcp500，并且控制机器人装置以约束tcp500保持在或基本上保持在线触觉502上(例如，阻止或抵抗与线触觉502的偏离，提供弹力将tcp500驱动回到线触觉502等)。在步骤402处，沿线触觉502平移tcp500。控制机器人装置(例如，经由准入控制)以允许外科手术工具234围绕tcp500旋转(例如，如由使用者操纵)。也就是说，沿外科手术工具234的手柄或主体部分定位的第二交互点(sip)504在步骤402不受约束。69.在步骤402处，外科手术工具234围绕tcp500的旋转可有助于外科医生沿优选的接近轨迹到达线触觉502。在一些情况下，周围的软组织和/或骨骼结构可能使外科手术工具234难以或不可能沿线触觉502从完全在患者体外的位置插入到骨骼表面，而不会致使对周围的组织或骨骼的不合乎需要的或不必要的破坏(例如，不需要穿过此组织或骨骼来产生孔)。在此种情况下，可沿优选的轨迹插入外科手术工具234，直到tcp500到达线触觉502并受到线触觉502的约束为止。在步骤402处，可旋转外科手术工具234以通过用外科手术工具的轴或主体的一侧推动此类特征来使解剖特征转移。通过将tcp500约束到线触觉502，允许外科医生在步骤402处视需要专注于旋转外科手术工具234，而无需负担同时监测tcp500的位置和/或尝试手动阻止tcp500远离期望的轴线的移动。由此，步骤402可有助于外科手术工具234在各种解剖区域中的插入和取向。70.在步骤404处，确定(例如，由处理电路260)tcp500已经到达沿线触觉502的阈值位置。在一些情况下，基于距骨骼(例如，股骨101)的表面的距离而限定阈值位置，使得在外科手术工具234接触骨骼之前到达阈值位置。在此类情况下，可在外科手术工具234开始修改骨骼之前如下所述实行步骤406至408，由此在启动骨骼修改之前确保外科手术工具234的期望的取向。71.在其他情况下，基于骨骼表面下方的深度而限定阈值位置，以使得在外科手术工具234接触骨骼之后到达阈值位置。在此类情况下，可允许外科手术工具234在如下面参考步骤406至408描述的那样旋转成与线触觉502对准之前以第一取向开始修改骨骼，例如以降低刮削的风险或以其他方式有助于外科手术工具234进入骨骼中。如图5中所示，例如，可在外科手术工具234与骨骼101之间进行初始接触，其中外科手术工具如上框架中所示大致正交于骨骼表面(即，在步骤402期间)，这可提高在骨骼101中的规划的位置处(即，在线触觉502与骨骼101之间的交叉点处)实现清洁的初始切口/孔/钻孔/等的可能性。在此种情况下，然后可在外科手术工具234初始穿透骨骼101之后(即，以使得tcp500已经越过骨骼101的表面)确定tcp500已经到达阈值位置。72.在步骤406处，响应于在步骤404处确定tcp500已经到达阈值位置，将sip504朝向线触觉502引导。在一些实施方案中，可控制机器人装置以提供辅助力，所述辅助力辅助正在围绕tcp500旋转外科手术工具234的使用者将sip504朝向线触觉502移动。在一些实施方案中，在步骤406处使用折叠触觉对象，这阻止sip504远离线触觉502旋转，同时允许sip504朝向线触觉502旋转。在一些实施方案中，通过经由显示器264显示指令来实现将sip504朝向线触觉502引导。在一些实施方案中，通过控制机器人装置以自动旋转外科手术工具234以将sip504与线触觉502对准来实现将sip504朝向线触觉502引导。在步骤406期间(即，当sip504被引导到线触觉502时)将tcp500约束到线触觉502(如针对步骤402所述)。在一些情况下，控制机器人装置以阻止tcp500沿线触觉502平移，同时在步骤406期间将sip504引导到线触觉502。73.在步骤408处，在由于步骤406，已经将sip504引导到线触觉502之后，控制机器人装置以将tcp500和sip504约束到线触觉502。可沿线触觉502平移外科手术工具234以实行规划的骨骼修改(例如，以产生导向孔120)。在示出的示例中，sip504沿外科手术工具234的轴线定位。因此，通过将其他外科手术工具234的两个点约束到线触觉502(即，tcp500和sip504)，维持外科手术工具234与线触觉502的对准。在其他实施方案中，sip504被引导到第二触觉(即，与线触觉502不同的虚拟触觉对象)。在此种实施方案中，tcp500和sip504被局限在不同的触觉对象。例如，在外科手术工具234是弯曲的情况下，sip504可能被局限在曲线上，而tcp500被局限在直线上(或反之亦然)，以便实现外科手术工具234的期望的移动自由度和约束。74.也可通过对sip504和tcp500使用不同的触觉对象来实现其他几何形状和行为。例如，tcp500可被局限为对应于规划的切口或钻孔路径的几何形状的触觉对象，而sip504被局限到不同的触觉对象，该触觉对象被配置成阻止或抵抗外科手术工具234的轴(或机器人臂上的另一点)与外科手术区域中的一个或多个对象之间的碰撞。例如，sip504可被局限在具有基于外科手术区域中牵开器或其他工具的位置(例如，跟踪到的牵开器位置)的几何形状的触觉对象。作为另一示例，sip504可被局限到具有基于解剖特征位置的几何形状的触觉对象，例如对应于外科手术口或其他刀口或开口的形状，外科手术工具234的轴在规划的骨骼准备期间延伸通过该外科手术口或其他刀口或开口。由此，对机器人装置的控制可被配置成将tcp502局限到第一触觉对象并且将sip504局限到第二触觉对象以根据规划的骨骼准备来引导tcp502，同时通过局限sip504来避免工具轴的不希望的行为。因此，可由外科手术系统200实行过程400，从而以可靠且直观的方式提供准确的骨骼修改。75.现在参看图6至图7，示出了根据示例性实施方案的有助于外科手术工具从触觉对象退出的过程600。图6示出了过程600的流程图，而图7示出了可与图6的过程600一起使用的触觉对象。例如在过程300的步骤312处，过程600可由外科手术系统200实行。虽然图6至图7的示例设想了圆柱形触觉对象，但应当理解，过程600可适用于控制具有各种几何形状的对象。76.在步骤602处，控制机器人装置以用圆柱形触觉对象约束外科手术工具234。图7示出了以目标轴线702为中心的圆柱形触觉对象700的示例。在一些实施方案中，圆柱形触觉对象700对应于外科手术方法轨迹和/或规划的骨骼修改(例如，规划的导向孔120)。圆柱形触觉对象700可基本上延伸超出(远离)敏感解剖区域。在外科手术工具234被约束在圆柱形触觉对象700中的情况下，外科手术工具234可能会部分地阻碍进入外科手术区域。因此，外科医生可能希望外科手术工具在安全方向上移出圆柱形触觉对象700以有助于外科手术的各种步骤。77.在步骤604处，检测靠着圆柱形触觉对象的边界对外科手术工具234施加的力。机器人装置220可检测出该力，例如作为施加在机器人臂232的关节上的扳手。例如，与外科手术工具234相关联的hip可定位在圆柱形触觉对象700的边界处，而使用者对外科手术工具234施加力，从而推动手术工具234抵靠边界或被推入边界。78.在步骤606处，确定(例如，由处理电路260)在步骤604检测到的力是否定向在预定的退出方向上。预定退出方向可被选择为可允许外科手术工具234退出触觉对象的安全和/或方便方向。例如，预定退出方向由圆柱形触觉对象700的退出区域704和在退出区域704处从圆柱形触觉对象700延伸的壁706限定。在此种示例中，处理电路260可确定如果外科手术工具234的hip在退出区域704处，则力定向在预定退出方向上，因为力施加在圆柱形触觉对象700的边界。在一些实施方案中，退出区域704仅跨越触觉对象700的长度的一部分，例如被如图7中示出的死区708中断。作为另一示例，在一些实施方案中，处理电路260可确定方向向量，该方向向量指向使用者正在用力推进工具的方向。在此种情况下，可确定方向向量是否在预定退出方向的阈值角度内。在该示例中，如果方向向量在预定退出方向的阈值角度内，则认为力定向在预定退出方向上(即，步骤606处的“是”)。由此，所得的退出边界可呈现漏斗的形状。79.如果力不是定向在预定退出方向上，则过程600返回到步骤602，并且用圆柱形触觉对象700约束外科手术工具234。也就是说，控制机器人装置220以提供力反馈，从而约束外科手术工具退出圆柱形触觉对象700，例如以有助于外科手术的一个或多个步骤。80.如果力定向在预定退出方向上(如在步骤606处确定的)，则在步骤608处(例如，由处理电路260)确定该力是否大于力的阈值量。在一些实施方案中，可通过机器人臂232的关节来测量对外科手术工具234施加的力的量。使用者可通过超过力的阈值量来指示退出触觉对象的愿望，同时可将力的阈值量设置得足够高以基本上阻止从触觉对象的意外或无意退出。81.如果该力小于力的阈值量，则控制机器人装置220以约束外科手术工具234退出触觉对象(例如，阻止传递通过圆柱形触觉对象700的退出区域704)。过程600返回到步骤602，并且外科手术工具234继续被圆柱形触觉对象700约束以有助于使用外科手术工具234来实行外科手术的步骤。82.如果在步骤608处确定力超过力的阈值量，则在步骤610处允许外科手术工具在预定退出方向上退出触觉对象。在图7的示例中，移除与退出区域704相关联的约束条件，以使得允许外科手术工具234移动通过退出区域704以退出圆柱形触觉对象700。可包括壁706作为触觉边界以在预定方向上将外科手术工具234从轴线702引导离开。换句话说，外科手术工具234可被推动越过圆柱形触觉对象700的退出区域704，以在预定方向上退出圆柱形触觉对象。83.因此，允许外科手术工具234退出触觉对象，以使得机器人装置不再被控制为用触觉对象约束外科手术工具234。在一些情况下，可经由退出区域704和/或使用任何其他触觉启动程序(例如，在图8的过程之后)将外科手术工具234重新插入触觉对象(即，重新开始触觉约束)。在一些情况下，当外科手术工具234退出触觉对象时，触觉对象被移除(删除等)。在一些情况下，调整触觉对象或启用新的触觉对象，以有助于外科手术的后续步骤。由此，可通过外科手术实行过程600一次或多次以有助于外科手术。84.现在参看图8，示出了根据示例性实施方案的用于将外科手术工具引导到虚拟控制对象(例如，触觉对象)的过程800的流程图。例如在过程300的步骤308处，过程800可由外科手术系统200实行。85.在步骤802处，建立虚拟控制对象。也就是说，生成虚拟控制对象并限定虚拟控制对象的姿势。虚拟控制对象可包括点对象、线对象、平面对象或三维表面或体积中的一个或多个，如上面参考图2详细描述的。在一些情况下，虚拟控制对象是触觉对象。过程800可适于与具有各种形状的各种虚拟控制对象一起使用。86.在步骤804处，跟踪外科手术工具234的移动(例如，通过跟踪系统222)。例如，可随着时间推移而确定和更新与外科手术工具234相关联的点(例如，工具中心点)的位置。可相对于虚拟控制对象限定点的位置，即，在其中还限定了虚拟控制对象的姿势的坐标系中。可通过使用者的操纵而致使外科手术工具234移动。87.在步骤806处，确定外科手术工具的移动方向(例如，由处理电路260)。例如，可随时间推移反复收集与外科手术工具234相关的点的位置以获得位置数据的时间序列。给定两个位置(例如，对于随后的时间步长)，可定义表征外科手术工具234的移动方向的向量(例如，速度向量)。在一些情况下，基于所使用的位置之间的距离和收集这些数据点之间经过的时间而确定移动速度(例如，速度向量的大小)。在一些情况下，过程800不进行到步骤808，除非速度向量的大小超过阈值。88.在步骤808处，确定(例如，由处理电路260)移动方向是否指向虚拟控制对象。例如，在步骤806处确定的速度向量可在移动方向上从外科手术工具的最新的跟踪位置延伸(例如，无限地)。例如，如果延伸的速度向量与虚拟控制对象相交，则可确定移动方向指向虚拟控制对象。如果延伸的速度向量不与虚拟控制对象相交，则可确定移动方向不指向虚拟控制对象。在各种实施方案中，可使用各种其他统计方法、坐标变换等来确定外科手术工具的移动方向是否指向虚拟控制对象。例如，在一些实施方案中，目标体积被限定在虚拟控制对象处(例如，围绕、邻近、从其延伸)，并且如果延伸的速度向量与目标体积相交，则可确定移动方向指向虚拟控制对象。例如，在虚拟控制对象是线的情况下，目标体积可被限定为以线为中心的圆柱体。89.如果移动方向不指向虚拟控制对象，则过程800返回到步骤804，在此跟踪外科手术工具234的移动。可重复步骤804至808，直到移动方向指向虚拟控制对象为止。90.如果移动方向被确定为指向虚拟控制对象，则在步骤810处控制机器人装置220以提供将外科手术工具234引导到虚拟控制对象的力。例如，可提供辅助使用者将外科手术工具234移向虚拟控制对象的正辅助力。在没有使用者供应的外部力的情况下，正辅助力可能不足以独立地移动外科手术工具234。在一些情况下，在步骤810处施加的力致使外科手术工具自动移动(无需使用者操纵)到虚拟控制对象。作为另一示例，在一些实施方案中，提供力作为约束外科手术工具234远离虚拟控制对象移动和/或偏离朝向虚拟控制对象的移动方向的触觉边界(例如，折叠触觉边界)。91.由此，外科手术系统200可实行过程800以有助于使用者响应于使用者启动外科手术工具朝向虚拟控制对象的移动而将外科手术工具移动到虚拟控制对象。例如，在期望使用虚拟控制对象之前，可能期望外科手术工具远离虚拟控制对象的各种移动以正确地定位外科手术工具234、机器人臂232、解剖结构、其他外科手术装备等。过程800提供了使用者友好、高效的工作流程，其中外科手术工具可自由移动，直到外科手术工具移向虚拟控制对象(例如，移向虚拟控制对象所在的外科手术区域)为止，此时系统200自动地开始将外科手术工具引导到虚拟控制对象。92.现在参看图9至图10，示出了根据示例性实施方案的用于提供包括阻尼区的触觉交互的过程。图9示出了用于提供包括阻尼区的触觉交互的过程900，而图10示出了包括阻尼区的示例触觉对象。例如在过程300的步骤310处，过程900可由外科手术系统200实行。虽然图10中示出了圆柱形触觉对象以用于举例，但是应当理解，图9至图10的特征可适于与各种几何形状的虚拟控制对象一起使用。93.在步骤902处，建立具有阻尼区的触觉对象(例如，由处理电路260在虚拟空间中限定)。阻尼区可被限定为触觉对象的子部分和/或触觉对象内的区域。图10中示出了具有阻尼区1002的示例触觉对象1000。如图10中所示，触觉对象1000是圆柱形触觉对象，并且阻尼区1002是定位在触觉对象1000中的圆柱形盘。在图10的示例中，触觉对象1000和阻尼区1002具有相等的直径，而阻尼区1002的高度显著小于触觉对象1000的高度，并且以共用的轴线1004为中心。在其他实施方案中，各种相对的大小和尺寸是可能的。94.在一些示例中，阻尼区1002沿触觉对象1000靠近解剖特征(例如，骨骼)的表面定位。例如，阻尼区1002可在骨骼表面的外侧上。在此种情况下，当被跟踪的外科手术工具234在被触觉对象1000约束的同时接近骨骼时，外科手术工具234首先到达阻尼区1002。95.在步骤904处，确定(例如，由处理电路260使用来自跟踪系统222的数据)外科手术工具234已经进入阻尼区1002的第一侧。在图10的示例中，可跟踪外科手术工具234的tcp相对于阻尼区1002的位置，并且当tcp与阻尼区1002的第一表面1006相交时，可确定外科手术工具234已经进入阻尼区1002的第一侧。96.在步骤906处，控制机器人装置220以提供触觉反馈，从而部分地抵抗外科手术工具移动通过阻尼区。例如，当外科手术工具234传递通过阻尼区时，基于阻尼区对机器人装置220的控制可致使外科手术工具234的移动减慢(例如，不超过预设速度)。在阻尼区位于骨骼表面的情况下，阻尼区因此可用于管理(例如，降低)在外科手术工具234与骨骼之间的初始碰撞时外科手术工具234的平移速度。通过降低外科手术工具234的平移速度，如由过程900提供的阻尼区可由此减少刮削，提高切口或孔/钻孔的品质，并提高切口或孔放置的准确性。97.虽然图9至图10示出了机器人装置220的移动如上所述被阻尼的阻尼区，但是在其他实施方案中，提供了与其他效果相关联的其他类型的区，在这种情况下，相应地调整步骤906。例如，在一些实施方案中，阻尼区被加速区代替，在该加速区中，在步骤906处，机器人装置220致使外科手术工具234的速度随着外科手术工具传递通过加速区而增加。作为另一示例，在一些实施方案中，阻尼区被吸引区代替，在该吸引区中控制机器人装置220以对外科手术工具234提供朝向吸引区中的位置(例如，吸引区的中点)定向的力，或者被排斥区代替，在该排斥区中控制机器人装置220以对外科手术工具234提供远离排斥区中的位置定向的力。98.在步骤908处，确定(例如，由处理电路260使用来自跟踪系统222的数据)外科手术工具退出阻尼区的第二侧。在图10的示例中，可跟踪外科手术工具234的tcp相对于阻尼区1002的位置，并且当tcp传递通过阻尼区1002的第二侧1008时，可确定外科手术工具234已经退出了阻尼区1002的第二侧。99.在步骤910处，响应于确定外科手术工具已经退出阻尼区的第二侧，从触觉对象移除阻尼区(例如，通过处理电路260)。不再应用在步骤906处应用的阻力反馈。在一些实施方案中，可使外科手术工具反复地传递通过先前被阻尼区占据的区域而不会经历步骤906的阻力。因此，外科手术系统200可被配置成提供阻尼阻力以有助于外科手术工具234与骨骼之间的初始接触，并在初始接触之后自动移除此种阻力。100.现在参看图11至图13，示出了根据示例性实施方案的流程图，所述流程图示出用于响应于经由安装在外科手术工具或机器人臂上的按钮(键、触发器、开关、压力传感器、手部位置传感器等)从使用者接收到的输入而调整触觉交互的过程。参考图2，图11至图13的过程设想了定位在机器人臂232或外科手术工具234的把手或手柄区域上的按钮，以使得在外科手术的实行期间使用者操纵机器人臂232和外科手术工具234时使用者(例如，外科医生)可容易地使用该按钮。使用者可选择该按钮，而不需要使用者改变使用者对机器人臂232和/或外科手术工具234的抓握并且不需要使用者将使用者的视线或注意力从手术区域移开。图11至图13的过程可由外科手术系统200实行，例如作为图3的步骤310的一部分。101.图11示出了过程1100的流程图，其中按钮允许使用者在第一触觉对象与第二触觉对象之间切换。在步骤1102处，用第一触觉对象约束外科手术工具234。第一触觉对象可具有本文所述的尺寸、形状等中的任一者。在步骤1104处，接收电信号(例如，在处理电路260处)，该电信号指示安装在外科手术工具或机器人臂上的按钮被按下。在步骤1106处，使外科手术工具234的触觉控制从第一触觉对象切换到第二触觉对象，以使得在步骤1108处，用第二触觉对象约束外科手术工具234。在一些情况下，可再次按下按钮以返回基于第一触觉对象的控制。102.过程1100可基于第一触觉对象和第二触觉对象的相对大小、形状等而提供各种优点。在一些实施方案中，第一触觉对象是第二触觉对象的子部分(即，以使得第二触觉对象允许比第一触觉对象更大的运动范围)。在此种情况下，使用者可选择按钮以允许外科手术工具234到达在基于第一触觉对象的控制下外科手术工具被约束而无法到达的区域。一个示例是一组平面触觉对象，其中第一触觉对象对应于平面切口的虚拟确定的范围，而第二触觉对象是更大的共面对象。基于外科医生的经验和术中观察，如果需要，外科医生可在术中按下按钮以延伸切口。作为另一示例，第一触觉对象和第二触觉对象可能仅部分重叠。在此种示例中，过程1100可有助于在外科手术的不同步骤之间进行切换。在一些实施方案中，处理电路260阻止触觉控制对象之间的切换，除非外科手术工具当前位于两个触觉对象内。103.图12示出了过程1200，其中按钮允许使用者致使触觉对象在使用者施加的力的方向上延伸。在步骤1202处，用第一触觉对象约束外科手术工具。第一触觉对象可具有本文所述的尺寸、形状等中的任一者。在步骤1204处，接收电信号(例如，在处理电路260处)，该电信号指示安装在外科手术工具或机器人臂上的按钮被按下。104.在步骤1206处，响应于来自按钮的信号，确定对外科手术工具施加的力的方向(例如，由处理电路260)。外科手术工具的hip可定位在第一触觉对象的边界处，以使得触觉控制交互阻止力致使外科手术工具在力的方向上进一步移动。在此种场景中，按钮的按下指示使用者希望使外科手术工具在力的方向上进一步移动。因此，在步骤1208处，第一触觉对象在力的方向上延伸，由此允许外科手术工具在被第一触觉对象约束之前在所述方向上进一步移动。在步骤1208处，可使第一触觉对象延伸达预设距离或体积。然后，外科手术工具被延伸的第一触觉对象约束。105.由此，过程1200可有助于使用者在特定的、使用者选定的方向上将外科手术工具延伸超出第一触觉对象。例如，在一些情况下，基于第一触觉对象的控制可约束外科手术工具到达外科医生希望用外科手术工具修改的解剖特征的整个范围。然后，外科医生可将外科手术工具推向目标特征并选择按钮以致使触觉对象朝向目标特征延伸。由此，过程1200有助于对触觉对象做出有利的术中调整。106.图13示出了过程1300，其中按钮允许使用者调整虚拟工具的虚拟尺寸，由此调整虚拟控制交互。在由过程1300设想的实施方案中，通过跟踪与外科手术工具相关联的触觉交互点(例如，tcp)来实现触觉控制交互。hip是一维点。处理电路使用外科手术工具的一个或多个虚拟尺寸来基于hip的位置而确定被外科手术工具占据的体积。例如，对于球形钻，hip可位于球形钻的中心，并且所述球形钻的半径可用于在虚拟空间中基于hip位置和半径尺寸而确定被球形钻所占据的3-d体积。基于外科手术工具(或其边界)所占据的体积与触觉对象之间的交互而提供触觉控制。在球形钻的示例中，hip可被约束到从触觉边界偏移至少达球形钻的半径尺寸的位置。在此种情况下，改变球形钻的虚拟半径可允许使hip移动更靠近触觉边界。因此，可通过修改外科手术工具的虚拟尺寸来改变对机器人装置的控制。107.在步骤1302处，用第一触觉对象约束外科手术工具。第一触觉对象可具有本文所述的尺寸、形状等中的任一者。在步骤1304处，接收电信号(例如，在处理电路260处)，该电信号指示安装在外科手术工具或机器人臂上的按钮被按下。在步骤1306处，响应于来自按钮的信号而调整外科手术工具的虚拟尺寸(例如，由处理电路260)。例如，在外科手术工具是球形钻的场景中，可减小球形钻的虚拟半径。108.在步骤1308处，控制机器人装置以基于外科手术工具的经调整的虚拟尺寸而用第一触觉对象约束外科手术工具。在外科手术工具的虚拟尺寸减小的示例中(例如，在半径减小的情况下)，与步骤1302相比，在步骤1308处可为外科手术工具提供更大的运动范围。在此种情况下，当外科医生希望允许外科手术工具到达在步骤1302处外科手术工具被约束而无法到达的位置时，外科医生可接合按钮。外科手术工具的虚拟中心点的位置也可相对于外科手术工具的跟踪到的位置移位(例如，在步骤1306处)，例如以使得大小减小的虚拟工具与原始大小的虚拟工具的边界对准。这种移位可为外科手术工具在一些方向上提供更大的运动范围，同时保持沿共用边界的运动范围。例如，当减小外科手术工具的虚拟尺寸时将虚拟中心点朝向外科手术工具的远侧尖端移位可允许增加的左右运动范围(即，正交于外科手术工具的轴线)，同时将外科手术工具局限在原始切割深度。由此，过程1300可有助于对解剖特征范围进行微小术中调整，该解剖特征可由外科手术工具根据外科手术计划修改。109.在一些实施方案中，可反复地选择按钮以致使对外科手术工具的一个或多个虚拟尺寸进行反复调整(例如，逐步减小到越来越小的大小、在两个可用大小之间切换、顺序地遍历三个或更多个可用大小等)。许多此类可能性在本公开的范围内。110.在其他实施方案中，输入是从另一个源(例如，脚踏板、话控开关、鼠标、键盘、触摸屏等)接收到的。在其他实施方案中，用基于外科手术工具和/或机器人装置的跟踪到的位置或行为的自动响应代替使用者输入(在图11至图13中描述为源自按钮)。例如，在一些实施方案中，检测了外科手术工具在触觉对象的边界处的停留时间。当停留时间超过阈值时间量时，可如步骤1106至1108、1206至1210和/或1306至1308所述修改触觉控制。各种此类修改都在本公开的范围内。111.如上面所提及的，图4至图13中示出的各种特征的所有组合都在本公开的范围内。例如，可使用过程400、过程600、过程800、过程900、过程1100、过程1200和过程1300中的一个或多个过程的步骤来实现过程300。此外，应当理解，本文描述的各种特征、方法步骤等可适于有助于多种外科手术，包括全部和部分髋关节、膝关节和肩关节成形术，以及用于实行非外科手术任务。112.如在各种示例性实施方案中示出的系统和方法的构造和布置仅是说明性的。虽然在本公开中仅详细描述了几个实施方案，但许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、材料的使用、颜色、取向等的变型)。例如，元件的位置可颠倒或以其他方式变化，并且离散元件或位置的性质或数量可能改变或变化。因此，所有此类修改意在包括在本公开的范围内。根据另选实施方案，任何过程或方法步骤的次序或顺序可变化或重新排序。本文所述的系统可适用于实行本文所述的方法。在不脱离本公开的范围的情况下，可对示例性实施方案的设计、操作条件和布置做出其他替换、修改、改变和省略。113.如本文所利用的，术语“大致”、“大约”、“基本上”和相似术语意在具有与本公开的主题所涉及的本领域普通技术人员的常见和接受的用法相一致的广泛含义。审阅本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语意在允许对所描述和要求保护的某些特征进行描述，而不将这些特征的范围限制在所提供的精确数值范围内。因此，这些术语应被解释为指示对所描述的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变并且被认为在本公开的范围内。当前第1页12当前第1页12
再多了解一些
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