人工颈椎间盘置换手术在治疗颈椎病方面具有明显优势，但开展的并不广泛，这主要是由于手术复杂、操作困难和一般的医生难以掌握。手术中的难点是在正确的位置磨削出与植入假体相配合的骨关节面，治疗效果严重依赖于医生的手术技能和临床经验。本文在国家“863”计划资助项目“机器人辅助人工颈椎间盘置换手术系统研究”(2009AA04Z202)的资助下，在人工颈椎间盘置换手术中引入机器人技术和图像导航技术，借助图像导航技术，由机器人完成假体和骨配合面的定位与磨削，以此获得精确的植入假体配合面，辅助医生提高颈椎间盘置换手术质量。论文针对人工颈椎间盘置换手术的特点，建立了机器人辅助颈椎间盘置换手术系统，并对机器人辅助手术导航、手术辅助机器人、机器人辅助手术规划技术等展开研究，为机器人辅助手术的实用化奠定理论和技术基础。　　论文以医学理论及人工颈椎间盘置换手术为指导，综合考虑安全性、实用性和可靠性等多方面因素，提出机器人辅助颈椎间盘置换手术系统的设计要求，据此构建机器人辅助颈椎间盘置换手术系统。设计基于Stewart平台6-UPS型并联机器人系统用于植入假体配合面的磨削，并详细阐述其机械结构和控制系统的设计，该手术机器人系统依据术前和术中规划能够实现精确定位和磨削，提高了手术的准确性和稳定性。建立基于光学定位的机器人辅助颈椎间盘置换手术导航系统，详细描述了手术导航系统的硬件和软件组成，给出了其关键技术，并定义了其空间配准坐标系，该系统能够实现数据管理、图像显示、图像处理、三维重建、手术规划、通讯接口、手术配准和手术导航等功能，能够借助图像导航技术完成机器人的定位与磨削。　　机器人辅助颈椎间盘置换手术导航中，CT图像三维重建是手术导航的基础，“图像—患者—机器人”之间的空间配准是手术导航的关键。为了方便选择CT图像三维重建的阈值，并提高重建的交互性和准确性，利用MS算法生成等值线来进行MC三维重建算法中阈值的精确选择，该方法比单纯根据经验确定重建阈值更方便和准确，并符合手术对人机交互性的要求。为了解决ICP配准算法局部收敛的问题，基于病人 CT扫描位姿和手术位姿的一致性，提出了基于坐标系方向贴合的ICP算法，以减小CT图像空间与病人空间的旋转错位，该方法利用三平面法建立患者坐标系实现了“图像—患者”之间的术中配准。以机器人动平台上表面为测量基准，利用光学定位器，采用平面测量法实现了“患者—机器人”之间的空间坐标变换。　　在机器人辅助颈椎间盘置换手术系统中，采用6-UPS型并联机器人代替人工手术器械完成植入假体配合面的磨削。手术辅助机器人除了具有合理的结构形式和足够的自由度数之外，其末端不仅在一定连续空间内具有正常工作的能力、较好的灵活性和较高的刚度，而且在运动轨迹上具有最佳的运动和力传递性能，还应具有较高的定位精度。针对6-UPS型并联机构性能问题，建立了6-UPS型并联机器人逆运动学方程，利用矢量构造法求解了并联机器人的雅克比矩阵，分析了该6-UPS型并联机器人在颈椎间盘置换手术中的应用背景下的工作空间、灵巧性和静刚度等机构性能。采用基于光学定位的平面测量法对6-UPS型并联机器人进行了运动学标定，提高了手术辅助机器人的定位精度。　　为了实现机器人辅助颈椎间盘置换手术的对刀和磨削，需要进行手术辅助机器人术前位姿规划和术中运动规划。采用基于图像的三点规划方法实现了机器人末端执行器术前位姿规划，该方法完成了颈椎骨磨削的对刀功能。进行了机器人辅助手术术中运动规划，实现了针对实验假体的手术辅助机器人对刀、平面磨削和球面磨削。为了验证机器人辅助手术导航的功能性和有效性，利用手术导航技术和术前手术规划方法执行了手术辅助机器人定位和跟踪实验。基于建立的机器人辅助颈椎间盘置换手术系统平台，以羊颈椎为实验对象，进行了机器人辅助颈椎间盘置换手术实验，该实验验证了所建系统及各项技术的合理性和可行性。