与传统手术相比，利用机器人系统辅助外科手术在提高手术质量、减小病人创伤、减轻医生劳动强度等方面体现出明显优势。现有的商品化外科手术机器人系统多数采用主从位置控制，使机器人从手跟随主手的运动以完成手术操作。如果在此基础上加入力反馈环节，即采用双向控制，将使手术医生产生临场感，充分利用其感知能力，从而使手术过程更加安全、高效。双向操作系统是一个多变量的复杂系统。本文首先对描述系统的各变量间的输入输出关系，即因果关系进行研究，确定大多数外科手术的特点为以速度或位置为系统的输入变量。通过分析在操作者体内完成的控制过程，绘制系统整体的因果关系图，进而结合主从装置的导纳/阻抗型分类方法，得到理想情况下系统的简化框图。除了以速度为系统的输入变量，通过分析得到外科手术的另两个特点，即对透明性要求较高，输入信号的频率较低。结合外科手术机器人系统的特点，分别得到对透明性和稳定性有利的控制结构，并从中选择了力-位置双通道结构作为本文采用的控制结构。在此基础上，采用基于透明性的设计思想，推导出能够实现理想透明性的控制策略。针对该控制策略中需要使用加速度信号的问题，引入低通滤波器并通过控制框图的变换加以解决；针对动力学模型与实际模型之间存在差异的问题，引入扰动观测器加以改进。最终得到基于扰动观测器和低通滤波器的力-位置控制方案。通过理论分析，证明了采用以上控制方法能够实现较理想的低频透明性，同时在一定的假设条件下分别证明了系统不考虑时延和时延条件下的稳定性。通过设定适用于外科手术的参数，利用Matlab软件的Simulink工具箱对控制方法进行仿真，证明了方法的有效性，并与Lawrence提出的实现低频透明性的控制方法进行了仿真对比。在此基础上，研究了从端参数估计和低通滤波器截止频率的选择对系统性能的影响，并利用波特图分析系统的稳定裕度，进而通过在从端增加低通滤波器对控制方法进行完善。针对最终得到的控制方法，开展双向控制实验对其进行验证。利用VC++编写系统的控制软件，并采用计算机和PMAC运动控制卡作为上下位机搭建系统的硬件平台。通过Omega.7主手操纵穿刺机器人，在不同控制参数条件下对新鲜离体猪肝进行穿刺实验，根据实验数据分别绘制速度跟随和力反馈曲线并计算控制误差的均值。实验结果表明，本文得到的基于扰动观测器和低通滤波器的力-位置控制方法，在输入信号频率较低时能够实现较好的透明性。