因机器人辅助的外科手术可以改善医生工效,提高病人福祉等优势,自1985年第一例机器人辅助手术开始,得到了医院医生、医疗机构、机器人研究者及产业界的极大支持和推动,成为生物医学工程和机器人研发的热点领域。但复杂系统的引入,也同时对医生技能和医疗机器人系统研发都提出了更多的挑战。研究表明,目前机器人应用是作为医生作业的智能工具被引入医疗领域的,因而人-机器人协同交互问题成为限制医疗机器人进入医疗领域的一个障碍。基于此,针对骨科手术应用需求,课题组自主设计了轻量化人机协同交互式骨科机器人。目标是使机器人能够辅助医生在手术规划监控以及路径引导、虚拟夹具等限制下,共同完成骨科手术,让医生感觉机器人是在其安全保障下的自由操作手术工具。本文首先针对已经设计的轻量型六自由度机械臂进行系统建模分析,为骨科手术人机协同方法和控制实现提供运动学基础。主要进行了基于D-H矩阵的机器人建模,完成正逆运动学的求解,并通过求解雅克比矩阵进行速度变换,获得机器人末端位置、速度与关节角度、速度的变换关系。在运动分析的基础上利用蒙特卡洛法绘制机器人的工作空间,并通过比较雅克比矩阵条件数的大小来检索工作空间内的奇异位置点。在此基础上,采用基于速度控制的导纳控制方法及基于虚拟夹具技术的安全策略实现人机协同交互方法的研究。建立了基于导纳控制的三级导纳增益参数模型,以提升控制系统整体的速度变化和交互性能。针对骨科手术特点,建立了引导型和禁止型虚拟夹具模型,完成了基于虚拟夹具的手术安全策略和建模方法研究。再次,针对人机协同交互实现时运算复杂且对实时性要求高的特征,采用基于Twin CAT的实时控制系统软件和基于高速工业以太网Ether CAT总线通信的软硬件控制方案,并进行了实现。利用VC完成控制操作界面、实时显示、运动学算法、协同交互运动和传感器集成算法等的开发。完成控制系统软硬件设计、选型,实现、装配、调试,并进行机器人精度标定实验。最后,搭建人机协同交互验证平台。首先进行控制系统软硬件和运动控制功能测试,验证系统各个部分的可靠性。利用人机交互研究中的导纳控制算法、虚拟夹具建模方法完成了针对骨科手术特点的引导、定位和避障的一系列实验,包括目标点定位、曲线跟踪引导和主被动偏离实验,并进行了基于关节置换的骨科模型模拟实验,实验结果表明,本文建立的基于导纳控制和虚拟夹具的人机协同控制方法具有较好的控制效果。