计算机技术、影像技术、信息处理技术,特别是机器人技术的进步为高精度、微创化的骨科手术提供了新的技术手段,使得骨科手术机器人成为机器人研究的热点领域。30多年的研究表明,将机器人的高精度控制与人的高动态决策能力相结合的人机协同控制是解决骨科手术机器人进入临床的一个有效方法。在人机协同骨科手术中,机器人系统的柔顺性和安全性对医生操作习惯及心理压力有很大影响。因而,提高人机协同骨科手术操作的柔顺性和安全性成为骨科手术机器人研究的一大挑战。基于此,本文利用可变导纳策略以及虚拟夹具技术,对人机协同骨科手术过程中手术操作的柔顺性和安全性进行了研究,并通过自主研发的人机协同骨科手术机器人系统,对方法进行了有效性验证,同时进行了骨科手术实验研究。主要包括以下几方面内容:首先,针对骨科手术需求,本研究自主研发骨科手术机器人系统,对机器人系统的软、硬件框架进行设计。并利用VS2010完成机器人系统交互界面、控制算法、运动学算法及传感器采集模块程序的开发。最终对机器人进行装配、调试与标定。其次,在人机协同骨科手术的拖动过程中,构建以医生施加力、机器人实际速度为输入,阻尼参数为输出的模糊控制器,然后以医生手臂自然运动参数作为参考模型,通过学习机构不断调整模糊控制器的阻尼参数调整规则,最后基于导纳控制方法实现医生输入力与机器人输出速度的映射关系,形成基于模糊参考学习的变阻尼导纳控制方法。实验结果表明基于该方法的手术机器人在经过10次训练后,速度曲线跟踪误差减小了 70%,轨迹曲线跟踪误差减小了 57%,说明该方法可以有效地提高人机协同骨科手术操作的柔顺性。再次,在人机协同骨科手术的拖动过程中,研究医生手臂自然运动的轨迹模型,并基于此构建管道引导型虚拟夹具,以保障术中拖动过程的安全性;在人机协同骨科手术的手术操作过程中,研究机器人变刚度控制方法,以构建禁止区域虚拟夹具,保障术中手术操作的安全性。实验结果表明管道虚拟夹具可以有效地引导医生拖动机器人,并将手术工具限制在管道范围内,保证了拖动过程的安全性;禁止型虚拟夹具可以将医生手术操作限制在手术区域范围内,保证了手术操作的安全。最后,对骨科手术机器人进行型式试验,以保证机器人满足骨科手术定位要求。通过国标中提供的检测方法,利用三坐标测量机对机器人进行位姿精度检测,结果表明机器人位置距离准确度和重复性分别在10-1 mm和H-2mm级别,姿态准确度和重复性在10-1度和10-2度级别。进一步进行了前交叉韧带重建手术干骨临床试验,结果表-明机器人能够满足骨科手术临床要求。