据统计,现今世界各国的关节置换手术量与手术难度都在不断上升,为了提高关节置换手术的手术效果,关节置换手术机器人被引入手术中辅助医生操作,并且成为当前机器人与医疗领域的研究热点。但是,手术机器人的安全性与人机协作的柔顺性问题给医生增加了很大的精神压力,同时无法避免医生的误操作对手术效果产生的影响。基于此,本文在关节置换手术机器人辅助医生操作的过程中利用人机协同交互方法,并且结合模糊控制理论与虚拟夹具技术在不同手术阶段提高手术的安全性与柔顺性,同时进行人机协作机器人的骨磨削实验,以验证方法的有效性。本文主要包括以下几方面内容:首先,基于第二类拉格朗日动力学建模方法,建立本文实验平台中所使用的六自由度机械臂的逆动力学模型,并对动力学模型中的各个参数进行确定,为人机协同交互控制提供了机器人本体动力学模型。在此基础上,提出基于位置的阻抗控制方法实现人机协同交互问题,考虑关节置换手术前医生拖动机器人从手术区域外到手术区域内的大范围拖动需求,提出一种基于模糊模型参考学习控制的手术机器人人机协同交互方法。该方法将人体手臂自然运动的特征作为模糊学习控制的参考模型,通过离线学习机构训练出模糊导纳控制器的变阻尼系数调整参数规则,并以医生对机器人的拖拽力以及机器人速度作为输入,机器人期望的速度作为输出构建基于变阻尼参数调整的变导纳控制方法。离线训练实验结果表明,该方法经过10次离线训练,可以达到柔顺性要求。实验结果表明在拖动速度250mm/s的情况下,人机合作速度最大误差低于17mm/s,且人机合作轨迹曲线最大误差低于15mm。验证了该方法能够较好的匹配医生操作的过程,其柔顺性满足医疗手术机器人快速移动过程的要求。再次,针对医生拖动关节置换手术机器人进入手术关键区域的过程,考虑拖动过程的安全性,提出一种基于人体手臂运动学模型的虚拟夹具控制方法。该方法通过实验构建人体手臂运动学模型,并且以此作为引导型虚拟夹具的引导线。实验结果表明,以人体手臂运动学模型为中心,半径为30mm,限制区域为5mm的虚拟夹具可以有效地将机器人的运动限制在一定范围内。同时,机器人在中心轴切线方向上的输出速度可以很好地跟随医生施加的力的变化,并且在管道边界处,中心轴法线方向上的输出速度可以稳定地收敛到零。因此,实现了在手术操作之前提高手术机器人的安全性和柔顺性的目的。最后,基于虚拟夹具技术,针对在机器人辅助医生进行手术关键区域内拖动操作的过程,进行了人机协作机器人的骨磨削实验。利用人体右下肢CT图像数据建立人体膝关节三维模型,并且利用重建的膝关节假体三维模型与人体下肢生物力学轴线理论构建膝关节的切割面,从而依次构建骨磨削关键区域以规划骨磨削的精度。机器人辅助医生骨磨削实验表明,结合精确手术区域的虚拟夹具技术能够很好的限制机器人的运动,使其无法超出磨削区域,保证了骨磨削过程的安全性。