随着医学理论的不断进步与发展,外科手术也正朝着更加精细和复杂的方向发展。近几十年来高速发展的计算机、机器人、电子信息以及网络通信等技术已经越来越多地应用于医学领域。“机器人辅助外科手术”(RAS, Robot Aided Surgery)系统在现代临床医疗中已经被越来越多地采用。每年成千上万患有膝关节疾病的病人接受全膝关节置换手术(TKR, Total Knee Replacement),期望在一定程度上恢复行动,减少痛苦。目前,手术中假体位置主要由临床经验和专用模板保证,是误差主要来源。针对基于传统机械导航模板的人工膝关节手术的诸多缺陷,计算机或机器人辅助全膝关节置换手术应运而生。相比人工膝关节置换手术,采用计算机与机器人进行辅助手术,并使用专家系统进行受力、运动的评估,获取膝关节假体的最优放置位置,可以使机器人辅助膝关节手术具有更好的操作精度,提高膝关节置换手术的质量与成功率。传统机器人辅助全膝关节置换手术系统中存在的初始定位难,以及病人必须接受两次手术等诸多缺点一直是人们的研究热点之一。本文基于机器人集成手术系统理念,针对传统全膝关节置换手术的缺点,提出了手眼式机器人辅助外科手术(HERAS, Hand-Eye Robot Aided Surgery)模型。此模型将摄像机与刀具固定在机器人末端执行器上,利用相机标定与手眼标定技术,构建动态导航系统,能克服静态手术导航中视角不能轻易改变的缺点;应用于全膝关节置换术,根据红外探针获取的膝关节上生理标志点的位置,能得到术中切割平面的准确位置及精确的下肢对线,提高手术精度。本论文的工作包含四个方面:一是设计并实现了符合临床手术要求的基于HERAS模型的准临床手术实验系统,二是HERAS中的在线手眼标定问题,三是HERAS中的多体运动分割问题,最后是HERAS模型在膝关节手术各种实验中的具体应用与分析。综观全文,本论文的主要创新性研究成果包括以下内容:1)设计并实现了符合临床手术要求的基于HERAS模型的准临床手术实验系统。此系统根据手术要求,利用膝关节的生理特点,可进行高精度的股骨定位、胫骨定位及手术切割,建立精确的下肢对线。满足了手术安全、环境、消毒等临床医学要求,使HERAS模型在临床手术中的应用前景更加明朗;2)针对在线手眼标定中退化运动和噪音对标定精度的影响,提出了根据运动序列自身特点,自适应确定阈值的运动选择算法,提高了在线手眼标定算法的工程实用性,为手眼式机器人在手术实施过程中的安全可靠使用提供了重要保障。3)手眼式机器人进行辅助外科手术过程中,需要同时使用多个辅助定位工具并进行多目标运动跟踪。在当前视觉伺服与跟踪技术的基础上,提出了基于多体三焦点张量与直线光流的两种多体运动分割算法。利用直线特征对应进行计算,可解决使用点对应时出现的特征遮挡问题,丰富了计算机视觉领域中多体运动分割技术的理论和方法。4)利用基于HERAS模型的机器人辅助全膝关节置换术实验系统-WATO,进行了假骨模型试验、动物尸骨试验、尸体骨实验以及准临床手术实验(尸体实验),进行了详细的精度分析,对各阶段手术实验中遇到的问题提出了解决方法,为临床手术积累了数据与经验。