机器人辅助医疗技术的研究近年来成为国际机器人领域前沿研究热点之一。针对治疗冠心病的方法,在非体外循环冠状动脉搭桥手术中,心脏手术辅助机器人可以动态地消除心脏表面手术点与手术工具之间的相对运动,帮助医生在心脏不停跳的情况下,远程对心脏进行手术操作,极大减小病人术后并发症的影响。本论文通过频谱分析发现心脏运动具有明显的源于心跳与呼吸运动相互耦合的准周期性特征;基于时变的傅里叶级数建立心跳运动模型,用方程误差辨识器求解模型系数,获得实时在线的心脏数据信号作为控制器参考输入。采用非线性的准周期模型描述心脏运动更加精确地表达了心脏运动的本质规律,方程误差辨识器保证了呼吸与心跳频率变化时系统的实时性。分析力反馈手术机器人从手运动学正逆解,基于拉格朗日方程推导出机器人的非线性动力学模型。针对时变心跳运动模型和多关节机器人这种典型不确定性系统,采用基于反馈线性化的积分滑模控制和非线性积分滑模控制算法对机器人动力学模型进行控制。MATLAB仿真结果表明所用控制算法满足精度要求。另一方面,针对PHANTo M手术机器人从手,应用Open HapticsT M Toolkit建立虚拟环境模拟实际心脏跟踪系统,对两种不同的控制算法进行跟踪控制实验研究。仿真及实验的对比结果表明,针对小范围运动的心脏运动信号和关节机器人这种典型不确定性的系统,相比于基于反馈线性化的积分滑模控制,非线性积分滑模控制有更高的精度。