开颅手术适应症广泛,是治疗颅内胶质瘤、颅内损伤、颅底肿瘤的常用手段。然而,目前开颅手术耗时费力,风险较高。针对这些问题,提出人机协同智能开颅手术机器人系统,结合医生手术经验丰富、灵活性强和手术机器人高精度、可视化的优势,保障手术安全,缩短手术时间,提高开颅手术的临床效果。由于手术过程中需要保证医生处于绝对控制地位,因此采用人机协同控制方法来保障人机交互性良好以及手术安全性。本论文中对手术需求进行详细分析,完成了机器人系统的硬软件架构,设计了人机协同控制算法,并通过一系列仿真和实验验证了所提方法的正确性。本研究依托于国家自然科学基金项目(61540036)和北京市科技计划项目(Z161100001516011)开展“开颅手术机器人系统设计与人机协同控制”研究,其主要研究内容与取得的成果如下:首先,手术需求分析与系统方案提出。根据多次参观手术以及与医生的沟通完成手术需求分析,并根据需求提出人机并联协同开颅手术系统方案,完成采用机器人辅助手术的手术流程与手术布局的设计;其次,对设计的六自由度机械臂进行建模分析与运动性能仿真。在机械臂质量分布均匀的假设下,通过Creo对机械臂进行建模,导入Adams中与Matlab/Simulink实现对系统的运动学仿真,并采用微分法实现机器人运动学控制。运用蒙特卡洛法对机器人工作空间进行了验证。最后通过空间圆弧插值算法实现了开颅手术机器人需要的三维不规则曲线轨迹规划的功能;然后,基于阻抗与导纳的控制算法,提出了机械臂的人机并联协同交互控制策略,并进行了算法仿真验证。在位置控制器的基础上,利用六维力传感器获得医生操作意图,实现阻抗与导纳控制算法,提高医生与机器人交互安全性与灵活性;最后,通过拉格朗日能量法进行“零重力”下目标点的调节控制,实现了机械臂的重力补偿,减轻了医生手术操作负担。采用牛顿-欧拉算法实现了机器人的动力学补偿,进而实现六自由度机械臂的动力学解耦以及轨迹跟踪控制。