在过去的十年里，骨科、膝关节置换术和整形手术领域广泛进行了机器人辅助手术技术的研究。近年来，研究的主要焦点集中在患者注册和手中反馈等方面。然而，在一些特定手术场景，如下颌角切开截骨等整形外科手术中，外科医生需要直接使用往复式锯沿曲线切割骨骼。考虑到这些手术通常需要更个性化和灵活的计划，因此机器人系统必须具备沿曲线切割的能力。这个任务自然而然地演变成了机器人路径跟随的问题。然而，需要强调的是，在这种情况下，外科医生的安全指导是不可或缺的。

为了解决这个问题，本课题组田焕玉博士在段星光教授与李长胜副教授的指导下提出了一种基于共享控制的下颌角切除方法。共享控制技术能够实现半自主任务，从而显着提高控制科学中反馈机制的准确性。相关成果以“ Virtual-Fixtures Based Shared Control Method for Curve-Cutting With a Reciprocating Saw in Robot-Assisted Osteotomy”为题，发表在高水平学术期刊《IEEE Transactions on Automation Science and Engineering》。

从下颌角切除的运动学特性来看，整个任务可以描述为力-速度模型，因为允许的速度只能在沿着往复式锯刀片的方向上产生。为了确保外科医生对截骨的安全和可控，应减少沿Z轴的运动，这导致Vz=0。在人机交互模式中，机器人需要表现为外科医生手引导的跟随者；因此，机器人在X轴上进行零力控制，从而在人机交互力方面给出Fx＝0。具体而言，沿Y轴Vy方向的速度应为零，以确保约束。此外，沿X轴的速度有上限，沿Z轴的速度应为零，以避免过冲，从而确保手术过程中的安全，这是由手术工具的切割机制决定的。

在基于虚拟约束带的机械臂阻抗控制方面，结合机器人动力学，将在关节空间下的力矩-加速度映射转换为笛卡尔空间下的阻抗坐标系、机器人坐标系与人机环境解耦力的方程。利用动力学方程，推导了基于动力学的阻抗控制律。结合机械臂操作特点建立了力位混合模型，通过导纳-阻抗双层控制器设计完成了机械臂的人机环交互控制。进一步地，通过反馈线性化模型与路径跟踪在线规划，实现了虚拟约束带下带有自然约束特性工具的路径跟踪问题，从而实现了截骨轨迹的安全精准、具有个性化的约束特性。

在路径跟踪控制方法方面，通过医生选点可以实现图像系统中的人机交互，通过选择的若干个路径点可以构建QP问题。该QP问题可以使生成的五次Hermite样条曲线长度最短，另外通过医生选择的点可以构建曲线包围盒，令曲线平滑地经过包围盒内部而保证规划的安全性。通过生成的最短路径，以路径为中心线构建虚拟约束带。虚拟约束带是具有一定宽度的“车道”几何路径。通过在约束平面上展开力位混合控制，可以在机械臂Y, Rx, Ry, Rz方向上进行速度控制，在X, Z方向上进行力控制。

结合FS标架得到的路径投影点和机器人当前位置，可以构造反馈线性化控制器。将人机协同速度信息作为该控制器中速度前馈量，通过导纳控制方法将手柄得到的引导力转换为人机协同速度信息。

使用3D打印平板和头骨模型进行实验验证。7次切割实验的结果主要在0.76mm和-1.00mm以内，峰值为 1.80 mm。最大耗时为304.0s，人机交互力平均达到3.3 N左右，实验表明，与徒手相比，所提方法在精度和效率方面具有更好的性能。