近年来随着生产作业方式的改变,脊柱疾病发病率不断升高。而脊柱手术需要在复杂狭小空间实现精准的手术作业,人为操作风险极大。手术机器人技术是医工等多领域交叉的新兴研究领域,手术机器人和医生优势互补,可巧妙地完成复杂操作,能够提高手术安全性和可靠性。本文以椎板磨削减压术为应用背景,设计出一种4自由度的椎板磨削手术机器人系统,对其开展了运动学、轨迹与仿真研究,并进行了实验样机研制、虚拟现实场景规划及硬件系统平台搭建,主要研究内容为:首先,根据椎板磨削减压手术特点及临床要求,确定手术机器人的功能需求,设计合理的机器人机构构型,采用模块化设计方法,提出一种由精准定位单元、进给磨削单元与力感知单元组成的4自由度椎板磨削手术机器人本体机构,其中精准定位单元可实现末端骨钻的位姿调节,进给磨削单元可实现对骨钻磨削的深度控制,力感知单元由机械臂与骨钻通过六维力传感器连接构成。其次,采用标准D-H参数法进行椎板磨削手术机器人的运动学分析,并在MATLAB机器人工具箱建立数学模型,仿真并验证运动学分析的正确性,并在该仿真环境中完成轨迹规划;采用蒙特卡洛法对机器人的工作空间进行分析,并通过微分变换法对机器人的速度雅可比矩阵进行求解;采用拉格朗日方程法完成椎板磨削手术机器人的动力学建模。在此基础上,开展椎板磨削手术机器人真实样机的工程化设计与研制,完成对椎板磨削手术机器人实验样机的零部件选型和部分非标件的制作,并完成整体装配。最后,结合虚拟现实技术,规划虚拟手术作业场景,搭建椎板磨削手术机器人系统虚拟现实样机平台。将虚拟现实技术系统与椎板磨削手术机器人操作系统相结合,并在此虚拟现实场景下进行局部精细磨削作业技术研究,很好地解决了在虚拟现实场景的手术中椎板磨削的动态显示问题。本文所做工作为研发临床应用的椎板磨削手术机器人系统及搭建基于力觉交互的手术机器人培训系统奠定基础并提供参考。