经皮椎弓根螺钉内固定术是治疗脊柱压缩性骨折、脊柱损伤及退行性变的常用微创手术方法,椎弓根穿刺定位及脊柱钻孔是其中的重要步骤。就脊柱钻孔而言,国内大多数医院,都是由医生手持骨钻进行脊柱开孔;长时间手持骨钻出现的疲劳以及生理颤抖增加了脊柱钻孔时的潜在风险。医生徒手拖动控制脊柱手术钻孔辅助机器人介入治疗成为一种新的解决方案。本文对脊柱手术钻孔辅助机器人的运动学、工作空间和变形作了系统的研究,并提出了一种基于非线性扰动观测器反馈线性化的控制算法以实现辅助机器人的被动柔顺,从而使其能够辅助医生完成脊柱手术。论文主要研究内容与成果如下。（1）阐述了脊柱手术钻孔辅助机器人的工作空间要求、结构组成和工作原理,并对其正/逆运动学进行了分析。基于DH参数法推导了脊柱手术钻孔辅助机器人的正运动学方程。基于Z-Y-X欧拉角变换建立了脊柱钻孔目标坐标系相对基坐标系的齐次变换矩阵,并提出了一种离散方法对脊柱可能的施钻方向进行了有限离散,使用MATLAB机器人工具箱对其进行了逆运动学数值求解,结果表明辅助机器人在垂直锥度范围内至少90个施钻方向均可达。（2）基于机器人正运动学使用Monte Carlo方法建立了脊柱手术钻孔辅助机器人的可达空间模型。可达空间能够包含0.2m*0.3m*0.8m的长方体空间,其比工作空间要求的调节范围0.3m*0.3m*0.3m大77.78%;在x=0.7m处,辅助机器人在Y方向能够覆盖的宽度约为0.8m,其可达空间能够满足患者脊柱手术空间要求。同时建立了脊柱手术钻孔辅助机器人可达空间的可操作度模型,对辅助机器人的末端执行器的定位和定向的可操作能力进行了定量描述。（3）完成了脊柱手术钻孔辅助机器人的静力学分析、0-100Hz频率范围的模态分析和0-60Hz谐响应分析。辅助机器人的静变形主要为立柱+Y方向的挠度,其末端执行器处最大位移约为1.15mm。在分析频率范围内辅助机器人有6阶模态振型。辅助机器人X方向的第一阶至第三阶振型分别为其第二阶、第三阶及第六阶模态振型,Y方向的第一阶及第二阶振型为其第一阶模态和第六阶模态振型,Z方向的第一阶振型为其第四阶模态振型。模态分析结果也进一步表明相比Z方向辅助机器人在X和Y方向的刚度更低。谐载荷作用下脊柱手术钻孔辅助机器人的主要变形发生在第一阶固有频率、第二阶固有频率及第四阶固有频率附近,其主要变形发生在Y方向和Z方向上。X方向的最大位移为1.42*10-5m,而Y方向和Z方向最大位移响应分别为4.514*10-4m、7.562*10-4m,X方向的最大位移比Y方向的最大位移小96.85%,比Z方向的最大位移小98.12%。脊柱手术钻孔辅助人在脊柱钻孔反作用力谐载荷下变形小,结构可靠。（4）建立了基于非线性扰动观测器反馈线性化控制算法,具体设计了外环参考速度轨迹生成器、内环位置控制器及非线性扰动观测器。从理论上严格证明了非线性扰动观测器和跟踪误差系统的稳定性,并对系统内动态的稳定性进行了简要证明。推导证明了在基于非线性扰动观测器反馈线性化控制算法下,机器人操作臂末端具有各向同性加速能力。非线性扰动观测器对误差进行了补偿,增加了系统的稳定性。仿真实验表明基于非线性扰动观测器反馈线性化控制算法能使辅助机器人操作臂拥有更好的被动柔顺能力。对基于非线性扰动观测器反馈线性化控制算法分别进行了同方向常数力、同方向变力及不同方向常数力跟踪数值模拟,结果表明速度跟踪误差分别在10-3m/s、10-4m/s及10-3m/s量级,末端执行器速度几乎没有超调。与零力控制算法和导纳控制算法相比,在基于非线性扰动观测器反馈线性化控制算法下,机器人操作臂末端执行器速度与拖动力经历的过程无关,其仅仅由当前拖动力唯一决定。基于非线性扰动观测器反馈线性化控制算法更加适合脊柱机器人的被动柔顺,换句话说其更加适合医生直接拖动脊柱机器人以实现医生与脊柱手术钻孔辅助机器人的直接交互。数值模拟结果表明在笛卡尔空间45°、45°、135°及-135°方向上,在基于非线性扰动观测器反馈线性化控制下,拖动力与操作臂末端执行器速度之间的关系始终遵循参考速度轨迹生成器。基于非线性扰动观测器反馈线性化控制算法的性能优越,适合外科医生直接拖动控制脊柱手术钻孔辅助机器人介入脊柱手术治疗。