随着机器人技术的高速发展，机器人作为人类作业的重要助手，在工业、农业、医疗等领域的应用日益广泛而关键。

《中国制造2025》提出，要重点发展手术机器人等高精度高可靠性医用设备，使用手术机器人具有伤口创面更小、康复时间更短、操作更精确等优点，因此，手术机器人在神经手术、腹腔镜手术、骨科手术等外科手术中具有较为广泛的应用。

在众多的外科手术之中，骨科手术与机器人技术有着更高的适切性，因为骨质属于人体硬组织，与其他人体器官组织相比，骨质具备刚性，恰好符合传统机器人作业对象要求，使得骨科成为当前医疗机器人中的热门领域。目前，TCAT、ACROBOT、SpineAssist、PiGalileo、Rosa、NavioPFS等骨科手术机器人大放异彩。

但是从实际应用效果来看，尚无一台骨科手术机器人能够像达芬奇内腔镜手术机器人一样获得人们的广泛关注和使用。因此，针对骨科手术机器人这一产品，其必然存在关键性的技术难点和技术障碍需要被攻克。骨科手术机器人的主要工作是对骨组织进行钻削打孔、磨削、切削等操作。

最初的骨科手术机器人的操作方式大多为主动式操作，但是在临床试验中发现，仅由机器人完成的手术操作不仅没有确保手术的安全，同时还会给医生带来更大的心理负担。因此逐渐发展了被动式机器人、主从式机器人、半自主式机器人等几种其他操作模式的骨科手术机器人，以此希望保留医生能够实时对骨科手术机器人进行控制和干预。

从骨科手术机器人的临床效果来看，半自主式中的机器人在骨科领域最为契合，在该操作模式下，不仅保留了医生的主动性，同时骨科手术机器人辅助医生能够实现更高精度以及更高灵巧性的特点。

然而传统机器人并不具备与人之间的协作能力，并且在机器人工作过程中，必须将其置于封闭空间，因此人机协作是解决骨科手术机器人深入应用的关键所在，是使骨科手术机器人成为医生的助手，与医生协同共同完成一些高难度手术的一种有效方式。这其中最为困难的是保证骨科手术机器人与医生操作的互相适应。

相较于传统工业机器人工作环境的标准化、流水线化，骨科手术机器人所处的工作环境是未知的且周围都是高精密的昂贵设备，并且骨科手术机器人的运作需要与人处于同一环境下，可能导致骨科手术机器人操作过程对人带来潜在危险。

在这些前提下骨科手术机器人还需要实现与医生更好地交互，这就要求骨科手术机器人不仅需要实现人机协作功能，同时还要能够及时反馈碰撞信息。因此，骨科手术机器人在骨科手术应用环境下的半自主交互模式的实现关键是要设计可靠的柔顺拖动控制方式和碰撞检测策略。

本课题主要研究在人机协作过程中，骨科手术机器人的柔顺拖动和碰撞检测技术，此项技术不仅旨在提升机器人辅助医生手术的能力，同时还需确保医生、患者的安全。

本课题一方面基于力矩控制的零力控制技术实现骨科手术机器人在医生的操作下进行柔顺拖动，从而完成手术定位工作；另一方面设计基于状态观测器的骨科手术机器人碰撞检测策略，规避骨科手术机器人操作对医生潜在危害风险，从而确保了手术的顺利进行。

国内外研究现状

骨科手术机器人研究现状

骨科手术机器人整体系统主要由三部分组成：影像扫描系统、手术导航系统、机器人系统，其中影像扫描系统由医学影像成像设备构成，如CT、MRI、X光等，完成对病灶部位的三维重建，同时为后续两个系统提供位置坐标信息；手术导航系统采用光学导航系统或者医生自主引导操作完成，主要是完成系统间坐标系的匹配以及对手术位置的精准定位工作。

机器人系统主要是协助骨科医生完成钻削、磨削、切割等手术工作。大多数骨科手术的手术部位可以通过影像系统扫描获得其三维模型，然后通过手术导航系统完成对手术位置和机器人系统的标定工作，最后机器人自主到达手术位置，机器人或者医生完成手术操作，图1-2为骨科手术机器人系统整体流程。

系统；1992年，双方在该手术系统技术的基础上研发出第一台髋关节置换手术机器人，名为ROBODOC。1997年德国OrtoMaquet公司研发出CASPAR骨科手术机器人。其与ROBODOC功能类似，都是主动式机器人的典型代表。主动式骨科手术机器人在医生的术前规划和术中监控下，能够实现自主完成手术任务。

但是通过多年的临床试验结果表明，主动式的操作模式会给医生带来巨大的心理压力，因此其市场推广效果较差，所以完全的自动化系统并不适用于骨科手术，骨科医生更希望能够直接地控制、干预机器人完成手术以确保手术的精确性和安全性。2003年，英国Acrobot公司研制出第一款用于膝关节置换的半自主式骨科手术机器人ACROBOT。

ACROBOT机器人基于3D影像系统进行手术部位的三维重建、三维分割及术中手术的整体流程规划，术中在骨科医生手动控制下按照规划进行作业，同时能够降低骨科医生手术过程的误差，从而达到人机协作方式作业。2013年，Stryker医疗公司收购MAKOSurgical及其RIO关节手术机器人系统，RIO机器人为六自由度机器人，并且各个关节采用丝传动。

RIO机器人研究重心在于人机交互操作的柔顺性。2014年Medtech医疗公司推出了ROSA骨科手术机器人产品。ROSA机器人系统采用六自由度机械臂，通过在ROSA末端安装六维力/力矩传感器实时感知ROSA末端力的变化，从而辅助医生实现复杂手术的操作，提高手术过程的安全性。

并且ROSA能够在手术中动态追踪患者的体位，确保机器人末端能够实时跟踪患者的手术点。2020年RosaOne获得NMPA认证，并成为目前国内唯一一款获批上市、并可同时应用不同手术类型的手术导航机器人。与国外骨科手术机器人技术发展相比，国内的骨科手术机器人技术的研究起步较晚，但通过相关学者不断的研究取得了长足的进步。

2004年，北京积水潭医院设计了一款以2-PPTC结构为基础的小型双平面骨科手术机器人系统，具有模块化、功能化的结构设计，可适用于不同手术类型，并在同年完成了国内首例机器人辅助完成骨科手术，解决了骨科手术中定位困难、依赖医生操作经验等瓶颈的问题。

北京天智航以此为基础于2015年研发了“天玑”骨科手术机器人，它包含了6个自由度，能够实现自主定位和人机协同，通过医生拖动机器人的一次定位和机器人自主二次定位，实现精确的手术定位操作。

2010年，第三军医大学研发出一款具有6自由度的主从操作的骨科手术机器人，整个系统由四个部分组成：6自由度手术臂、基座、实时监控系统以及控制，主要用来辅助医生完成打孔操作，从而完成椎弓根螺钉的植入，大幅降低患者和医生的辐射时间。

2010年，郑州大学医学院基于多年临床经验，自主研发一款脊柱手术机器人，该手术机器人不需要框架固定、导航注册等环节，通过调整C型臂的倾斜角度，使椎弓根的投影显示在屏幕中央，从而实现进针过程的透视化，该款骨科手术机器人能够实现实时动态监测，确保手术的可靠度和安全性。

此外，中科院深圳研究院研发出一款主/被动骨科手术机器人，该款骨科手术机器人末端安装六维力/力矩传感器，用于完成脊柱的钻孔导向工作；哈尔滨工业大学开发了一款五自由度混联手术机器人，采用主从手控制，用于完成骨科手术的导航定位工作。

综合国内外骨科手术机器人的研究现状，虽然骨科手术机器人能够在一定程度上投入到临床使用，但是其操作复杂、医患安全无法得到保证等问题没有完全解决，尚未完全推广，因此降低骨科手术机器人的操作难度、提升骨科手术机器人定位精度以及确保患者和医生手术安全，是骨科手术机器人进一步推广的重中之重。

机器人关节柔顺拖动技术研究现状

随着我国现代化水平的提高，机器人应用已经渗透到了人们生活的各个方面。目前，“人机共融”成为机器人实际应用中的重点发展方向，典型的“人机共融”型机器人具有柔顺拖动的功能。针对柔顺拖动这一技术要求，国内外学者根据不同的应用需求，提出了相应的控制策略来实现该功能，主要分为阻抗控制、力/位混合控制、零力控制等。

阻抗控制阻抗控制最早由Hogan提出，建立机器人位移与接触力的联系，从而实现机器人拖动的目的，一般将其视为“质量-弹簧-阻尼”模型。阻抗控制的特点是通过调节机器人末端的阻抗系数来满足机器人末端力与机器人末端位置的关系，从而较好地完成机器人柔顺控制。阻抗控制主要分为基于力的阻抗控制以及基于位置的阻抗控制，两种方式的控制原理图。

基于Hogan的阻抗原理提出了基于无力矩传感器的工业机器人拖动方法，但是其观测器设计过于复杂，未得到广泛推广。Chao和Yao等将滑膜控制方法引入到阻抗控制模型中，改善机器人关节拖动效果。

JunsS根据力/力矩传感器获得力矩信息估算未知环境刚度，融合位置控制算法和阻抗控制算法，基于离散化处理计算上一个采样点的力矩补偿，来抵消动力学模型的误差，实现机器人关节柔顺拖动。

近几年变参数阻抗是该领域的研究热点，JianweiDong等通过测量末端执行器的重力来从力传感器信号中提取实际交互力的方法，基于交互力跟踪误差实现了阻尼参数的自适应调节。段晋军等人将变阻尼自适应控制用在基于位置控制的机器人上，实现较好的力跟踪效果。除此之外，强化学习、深度学习等方法也有应用在变参数阻抗控制。

力/位混合控制力/位混合控制最早由Mason、Raibert、Craig和H.Zhang提出，主要是基于位置和力的方向进行分解的一种思想，机器人末端约束方向上实施力控制，与力控制相垂直的方向上实施位置控制，其控制框图。由于力/位混合控制中位置控制方向与力控制方向互相垂直，两者不耦合，因此位置控制与力控制互不影响，可以分开进行控制。

由于受疫情影响，骨科手术机器人的相关加工零件以及驱动设备未全部组装，因此所提出的相关算法还未在实际的骨科手术机器人中进行测试。目前只能通过联合仿真以及实验室现有设备来验证本文所提出的零力控制策略和碰撞检测技术的可行性，后期还需骨科手术机器人样机组装和调试完成，做进一步参数辨识以及实验。

进一步研究机器人关节的摩擦模型以及相关参数辨识法，对带谐波减速器的关节电机进行建模和分析，提高摩擦力的辨识精度，尽可能提高关节柔顺拖动算法的柔顺性；本文所提出的基于零力控制的柔顺拖动，忽略了惯性力项和科氏力项的影响，后续可以针对惯性力项以及科氏力项进行相关外力估计，从而实现更好的零力拖动效果。

本文所提出的基于状态观测器的骨科手术机器人碰撞检测研究，在整体仿真中，忽略了摩擦力的影响，因此在后续的研究建立带摩擦力模型的状态观测器的机器人碰撞检测研究。