手术机器人发展至今已经有近四十年历史。然而长期以来,受到技术、伦理、制度等各种因素限制,手术机器人的自主作业能力及其在临床应用领域的推广一直发展缓慢。另一方面,在医学临床领域,口腔颅颌面外科一直是数字化外科技术应用的先驱和领军力量,尤其是手术方案较为量化的正颌外科,已经广泛实现了计算机辅助设计和手术导航等数字化技术在临床上的推广应用。引入机器人技术来解决数字化设计在术中的执行问题,成为数字化正颌外科手术当前的迫切需求。本文结合正颌外科手术现有基础和临床需求,搭建了一套基于图像引导的任务自主型正颌手术机器人系统,并设计了机器人辅助正颌手术的工作流程,以提高系统精准性、安全性和自主作业能力为研究目标,针对基于术前设计数据的导航定位和轨迹规划方法开展了深入研究。本文先后在山东大学交叉学科、国家重点实验室基金、国家重点研发计划等项目的资助下,完成了以下研究内容:(1)正颌手术机器人系统设计和集成。在手术机器人系统的研发过程中,系统集成是工程技术领域需要解决的重点问题。本文首先在充分分析正颌手术临床需求基础上,通过解决多源三维影像配准、手眼标定、工具标定、数据传输等系统集成的关键问题,基于手术设计软件、三维影像导航装置和轻量化的六自由度机械臂,集成了正颌手术机器人实验系统平台;然后,结合现有的数字化正颌手术临床基础和机器人作业特点,设计规划了机器人辅助正颌手术的临床实施流程,并将机器人辅助截骨和辅助上颌骨就位两项任务作为本文研究的重点。(2)基于多尺度测量的正颌手术机器人导航方法。光学定位导航是目前手术导航的主流技术,其中基于红外光线的双目立体导航设备凭借实时性高、视场范围大等优势,已经被广泛应用于临床外科的多个领域。但由于正颌手术术区狭窄、目标体积和移动幅度都较小,仅依靠红外导航相机难以实现术区内解剖结构的定位和跟踪。针对这一应用难点,本文在红外导航系统基础上,提出引入基于灰度图像和三维数字图像相关算法(3D-DIC)的高精度测量方法,并结合正颌手术的实际应用需求,对原有3D-DIC系统的实时性和鲁棒性进行了优化,实现了术区范围内局部组织的定位跟踪。(3)基于非对称模板的术前-术中三维影像配准算法。目前,临床上多采取术前在病人体内植入标记点的方式来确保术前-术中三维影像配准的精确性。标记点的识别精度成为限制配准精度的主要因素。针对这一问题,本文提出了一种基于非对称模板的图像匹配算法,通过改进的区域生长算法将术前CT影像中的初始配准点扩散为局部点云数据,借助局部点云对配准结果进一步迭代优化,最终实现更加精确的术前-术中三维影像配准。实验环节中,本文通过一组随机噪声实验证明了改进后的算法能够显著提高术前-术中影像配准的精确性和鲁棒性,从而有效提升正颌手术机器人的系统精度。(4)基于视觉-力觉信息融合的正颌手术机器人末端碰撞位置检测算法。由于正颌手术术区暴露范围小,术区深部解剖结构复杂,机器人按照术前规划及导航信息把持上颌骨运动过程中,无法完全依靠视觉传感器检测到组织牵拉和碰撞等造成的就位障碍。针对这一问题,本文借助机械臂腕部安装的六维力传感器提出了一种基于视觉导航数据和力觉信息相结合的碰撞位置检测方法。改进后的算法不用依靠几何约束就能够实现复杂区域的碰撞位置检测,且实验结果证明,检测精度不受碰撞物体形状和碰撞部位的影响,能够满足正颌手术的临床需求,为提高正颌手术机器人的智能感知和自主作业能力奠定了基础。(5)基于术前三维影像设计数据的机器人辅助激光截骨轨迹规划方法。上颌骨截骨是正颌手术的核心步骤,但传统手术往往难以在术中精确复现术前设计的截骨路径。针对这个问题,本文设计了一套机器人辅助水激光截骨系统,结合术前手术设计方案和水激光截骨工具的特性,基于三次样条差值拟合方法完成了机器人末端工具在空间中的轨迹规划,并将规划轨迹映射到关节空间,分析了其连续性。此外,针对激光截骨刀这种非接触式的手术器械,设计了专门的标定辅助工具,建立了机器人辅助激光截骨系统的工具标定方法,提高了系统的整体精度。