随着医疗机器人越来越多的走进临床应用,骨科手术辅助机器人越来越受人们关注。骨科手术因为骨骼刚性的物理特性,更适合将机器人引入到手术中。近年来,骨科手术机器人也成为了美国食品药品管理局批准最多的医疗机器人门类。而关节置换手术是骨科手术中的一个重要领域,该手术目的是完全或者部分切除患者关节骨组织,替换人工关节从而恢复患肢功能。机器人辅助下的关节置换手术与传统人工手术相比能够提高手术成功率,但目前国内尚无成熟的关节置换机器人产品。本文研究的主要内容是关节置换手术中的人机协作控制方法。针对关节置换手术中的人机协作任务,设计研发了绳驱串联六关节机器人,并提出了两种变导纳协作控制方法,用来提高人机协作中操作者对机器人的控制能力。并分别对上述方法进行了实验和仿真。具体的工作内容概括如下:分析了关节置换手术中人机协作的工作特点,为机器人选择了一种绳传动方案,确定了机器人构型,分析计算传动部件参数。完成了关节置换机器人正逆解计算,雅克比矩阵计算,奇异性分析,工作空间分析,动力学仿真。完成了样机集成,基础控制代码编写,并在该机器人平台实现基础交互实验,验证了关节置换机器人系统的基础功能。提出了一种应用于关节置换手术的基于动态参考点的变导纳控制方法。该方法不改变导纳控制下的阻尼与质量参数,转而选择一个动态的参考点,通过该参考点上的虚拟弹簧提高操作者在拖拽机器人时的边界控制能力。进一步在小机器人平台上进行交互实验。随机选取十名实验人员,操作小机器人完成交互实验。结果表明,该方法能够提高操作者的边界控制能力。提出了一种基于人手部动作预测的变导纳控制方法。通过双目视觉跟踪设备采集手部运动信息,对数据进行一定处理后使用长短期记忆神经网络对人体动作进行学习和预测。通过预测信息改变导纳阻尼,使导纳控制器在垂直于预测方向上的阻尼变大一定倍数,从而给与机器人柔性的约束,朝着预测方向运动。从而提高机器人对人期望运动轨迹的顺从性。该方法的有效性通过仿真验证。