随着社会经济的高速发展和城市化水平的提高,交通工具引发的事故骨折、基础设施建设引发的高空坠落骨折、超重人群和老年人出现的摔伤骨折呈现出逐年递增的趋势。机器人应用于手术领域克服了大部分传统手术的难题,为提高骨折手术效果与效率提供了先进的方案。本文针对当前骨折复位机器人面临的术前准备繁琐、手术创伤大、辐射难以避免以及功能适应性差等问题,提出一种低/无创的骨折复位手术机器人辅助系统,包括复位机器人本体、低/无创骨-机连接装置、辅助机器人及其快换末端装置、配套手术病床等。通过采用机构学、理论力学、多刚体运动学动力学、优化方法以及计算机仿真等工具,对研究对象进行设计和分析,并结合实验验证与修正理论研究。论文具体研究工作如下:1)骨折复位机器人系统总体设计与布局研究。在临床医学需求分析的基础上,提出集复位机器人、辅助机器人、可调节多自由度病床及其相关机构一体的复位机器人系统,设计相应机器人手术方法。基于榫卯结构与折展机构原理开展辅助机器人模块化快换末端装置的设计。采用人体工程学方法设计方便调节多自由度长骨骨折手术专用病床。2)基于变刚度原理的低/无创骨-机器人连接装置设计与研究。开展骨折复位手法的仿生学研究,提出采用颗粒堵塞原理实现变刚度的新型骨-机器人连接装置。采用布尔运算方法建立患者骨头简化几何模型获得方法,基于牛顿力学理论,提出基于颗粒阻塞的骨-机连接失效理论分析模型,分析骨-机器人连接装置失效特性。3)复位机器人本体设计与优化。根据机器人临床手术需求的特点,运用多刚体系统分析和凯恩方法对并联机构的运动学和动力学开展分析,结合动力学仿真软件ADAMS进行验证,得到了机器人的运动和动力特性。利用遗传算法进行机构的尺寸优化设计,并通过MATLAB软件计算获得最优机器人机构参数。4)骨折复位机器人相关测试台架搭建与实验研究。设计并制造骨-机连接装置、复位机器人本体、快换末端装置,搭建实验测试平台并建立相应控制系统。开展骨-机连接装置性能影响实验、复位机器人整机性能测试实验以及辅助机器人快换装置性能测试实验。实验证明本文设计与研究满足骨折复位手术需求,可以提升手术效率、降低手术创伤、减少手术对医生的辐射和减轻医生的手术体力消耗,为机器人骨折复位手术提供了技术参考。