椎板减压术是常见的脊柱手术,医生手持磨钻去除患者病变处椎板以达到释放脊髓神经压力的目的。椎板磨削正是其中的关键操作,但手动磨削耗时长、操作难度大、风险系数高,对医生的经验水平和体能意志力有很高要求,机器人辅助手术技术的发展为椎板磨削提供了新的途径。相比传统医生操作,机器人定位精度高、操作稳定且免疫辐射影响,其使用的CT医学图像经计算机增强处理、建模后可为机器人提供精确的手术路径规划,排除人工分析时可能受经验误导的风险。此外,为保证手术机器人与复杂环境交互的能力,其需要具备一定柔顺性。本文将对基于医学图像的机器人磨削路径规划、机器人柔顺力控包括术前摆位和术中自主磨削进行研究,并对各方案进行实验验证。首先在课题组现有脊柱手术机器人结构特点基础上,建立起运动学模型,进一步推导其速度雅可比矩阵,为后续力/位控制提供数学模型基础,并通过联合仿真对运动学正确性进行验证。完成运动学标定后使用激光跟踪仪测量了机器人的定位精度和重复定位精度,并对机器人各关节的驱动力传感器进行了分析测试,以保证机器人的运动精度和力感知能力满足后续研究要求。其次提出了一种基于医学图像三维重建的椎板磨削手术路径规划方法。使用水平集方法将原始图像中手术区域提取出来去除背景干扰。使用基于移动立方体的三维重建算法完成了脊椎骨的3D重建,用于三维空间导向规划。通过互动式的边界框对椎板模型表面进行采样,辅以中间层采样最终实现了椎板磨削路径规划。为保证手术机器人能适应复杂工作环境,其需要具备柔顺性,主要包括术前摆位和术中自主磨削功能。对手术机器人特点进行分析确定了合适的总体力控方案。对于术前零力拖拽,建立了基于速度调整的导纳模型用于运动控制,并对力传感器进行重力补偿。根据机器人运动状态估计操作者意图,通过模糊控制在线调整导纳参数,实现更柔顺的拖拽控制。对于磨削力控制,对磨削过程进行分析,确定了对刀具两个方向的运动分别控制的方案。通过双层结构提高了模糊控制器的适应能力,实时调整磨削参数将磨削力稳定在合理范围。最后完成了手术机器人实验平台的搭建。对骨磨削力控制算法进行仿真以验证可行性。分别对零力拖拽控制和磨削力控制算法进行编程实现和现场实验。对比采用定参数和变参数导纳控制拖拽过程的交互力和速度,说明了模糊变参数控制算法的有效性。对比采用位置控制、单层模糊力控制和双层模糊力控制用于磨削过程时接触力的大小变化,验证了磨削力控制算法的合理性。