现代社会,骨科疾病多发,关节炎作为骨科疾病中最常见的一种疾病形式,对患者们的生活造成了很大的困扰,其主要表现为关节处僵硬、疼痛麻木等。在医学上,骨关节置换手术是治疗该病症的主要手段。传统的骨科手术由于关节病变区域骨质密度的不同,手术结果过度依赖医生经验,在手术过程中容易出现问题,造成更高的并发症和失败率。因此设计一款针对关节进行手术的医疗辅助机器人,可以更好地提升关节手术的精度和可靠性。目前,常见的针对骨关节进行手术的辅助机器人有Robodoc、Acrobot、SpineAssist机器人系统等,其针对的是全膝关节置换手术和全髋关节置换手术,但现有的机器人系统体积较大,不易携带,对手术环境要求过高;另外在针对病变小关节如指关节、婴幼儿关节等时,上述机器人系统运动幅度过大,精度较低易产生更高的并发率。因此,本文决定开展对便携式小关节手术辅助机器人的研究与设计。通过对国内外骨科手术机器人系统的文献调研分析,本文针对小关节病变组织设计了一款具有主动约束功能的便携式、主从式手术辅助机器人系统。该系统设计目的是为了对成人的病变小关节、小骨骼或是婴幼儿的病变关节进行骨组织修复与关节置换。并且要求该机器人辅助系统具有便携式功能、受环境影响较低。本文结合现有的骨科手术辅助机器人的技术手段,确定了该系统具有便携式、主从式、被动导航、力感知系统的功能。手术辅助机器人系统提供主动的约束控制,通过术前规划利用编程指令限制手术区域,确保预期运动的准确性,同时限制了预期之外的失误运动,从而将手术限制到安全和期望的区域,使患者在手术中的损伤可以降低到最小。本文根据对手术辅助机器人的功能分析,确定便携式小关节手术辅助机器人的设计方案,通过构型分析,确定了该机器人系统的整体结构。该机器人系统提供俯仰,偏航和直线进给的精确运动,其中运动的轴线在一个公共点处或附近相交以保证更好地精准性。并突出了便携式的要求,使整机结构紧凑,体积小巧,便于携带。然后对主要零件进行了静力学仿真,确定该设计符合强度要求。本文通过运动学D-H法对整体结构进行了建模分析,求解了该机器人系统的正逆向运动学,并通过Robotics Toolbox工具箱进行了运动学仿真与机器人工作空间的仿真,验证该运动学模型可以实现预想中的手术轨迹与手术空间。本文基于Simulink的控制软件设计,通过Simulink与Arduino平台的建立,完成上、下位机的通信连接与信息传输,对便携式小关节手术辅助机器人装置进行操控与调试,实现对编码器信息的读取与保存,传感器信号的传输,确保对电机的直接控制,保证装置的可靠性。对搭建的便携式小关节手术辅助机器人装置进行了性能测试,对编码器进行了正交解码试验,并通过测试不同PWM情况下编码器反馈的情况来确定相应的PWM脉冲值,提高装置的稳定性。最后,对装置的力反馈进行重复性试验,综合评估装置力感知系统的可靠性,验证了该便携式小关节手术辅助机器人系统的可行性。