长骨在人体骨骼中发挥着重要的支撑和运动作用,长骨骨折复位治疗的效果会直接影响骨折愈合后患者的肢体功能和生活质量,恢复不良易导致患者肢体功能障碍甚至残疾。当前长骨骨折治疗多采用闭合方式复位,然后选用合适的髓内钉或骨科外固定架进行固定。这种治疗方法具有手术创伤小、患者恢复快、感染风险低和愈合率高等优点,同时也存在几点不足,一是对位不良和旋转畸形发生率高,二是术中累计X射线暴露时间长,三是手术人员劳动强度大。为了改善这些不足,本文设计研制了一种长骨骨干骨折复位机器人系统,旨在提高骨折复位精度、减少辐射损伤并降低手术人员劳动强度。本论文主要完成了以下四部分工作:(1)对长骨骨干骨折复位治疗的手术流程和临床需求进行了分析,归纳了长骨骨干骨折复位机器人系统的设计要求和评价指标,确定了系统的整体设计方案。(2)对机械从手的运动控制形式和结构进行了研究和设计。采用直角坐标型运动控制形式和双机械从手结构,具有容易编程控制、刚性强度高、无奇异状态、相对运动精确度高等优点。左侧机械从手有两个运动自由度,右侧机械从手有六个运动自由度,能够很好地满足长骨骨干骨折复位治疗的运动要求。(3)重点完成了长骨骨干骨折复位机器人控制系统的设计、研制和调试工作。编写了上位机控制软件和微控制系统控制程序,设计并制作了微控系统硬件电路,完成了系统软硬件联合调试工作,并测量了系统的工程指标。(4)完成了离体牛后腿骨骨折复位实验和成年山羊在体骨折复位实验,实验结果达到设计目标。本论文的主要研究结果及结论包括:(1)提出的基于直角坐标型运动控制形式的双机械从手结构,能够降低复位机器人对手术床的特殊要求,避免了机器人系统与手术床之间的固定或桥连,提高了骨折远端和近端的相对运动的控制准确度。(2)系统采用的异构型双主手设计,由微控制系统完成对主手动作意图的识别和转换工作,然后控制复位机械从手完成准确的复位动作。打破了同构型主手的限制,增加了主手的通用性,实现了对主手自由度的扩展。(3)实验测试结果:(1)离体复位实验,轴向偏差最大值2.2mm,径(横)向偏差最大值2.0mm,轴线夹角最大值2.5°,旋转角度偏差最大值3.24°,离体复位精度优于临床要求和设计目标。(2)在体复位实验,实验组最大耗时36.4min,最大出血量19.5ml,最大透视次数9次,轴向偏差最大值2.8mm,径(横)向偏差最大值1.8mm,轴线夹角最大值2.9°;对照组最大耗时39.5min,最大出血量20.0ml,最大透视次数15次,轴向偏差最大值3.1mm,径(横)向偏差最大值2.1mm,轴线夹角最大值3.9°。两组复位精度无显著差异,实验组透视次数少于对照组,实验结果达到设计目标。本论文的主要创新点有:(1)设计六自由度双臂机械从手结构,提高了骨折远端和近端相对运动的控制精度。(2)使用异构型双主手控制形式,实现了对骨折近端和远端运动的分别独立控制,提高复位效率。