机器人辅助骨科手术是当前骨科领域研究的热点,它是典型的医工结合技术,能够保护医生和患者,减少X射线的伤害,同时能够提高手术定位精度,减少手术创伤,缩短手术时间。手术导航技术是机器人辅助骨科手术系统的核心技术,本文针对基于C形臂X光机的手术导航技术及机器人辅助导航定位技术进行了研究,分别实现了跟踪和定位两大关键技术。跟踪即术中在导航界面上实时显示手术工具投影和病人患骨的透视图像,给医生实时提供手术工具与患骨的相对位置和姿态关系。定位即实现手术工具和机器人到达所规划的位置。本文研究的主要内容如下:第一,对校准靶透视图像中标志物投影的识别与参数提取进行了研究。设计了导航系统中的关键部件——校准靶;对透视图像中圆形或类圆形目标的识别方法进行了研究,最后选择阈值分割与连通量处理相结合的算法,借助ITK和VTK实现了图像的可变阈值分割,省去了阈值求解过程,实现了快速分割,并最终提取了目标参数。第二,对图像变形校正进行了研究。对C形臂X光图像的变形及其成因进行了研究;在分析了全局法与局部法的优缺点的基础上,针对图像中控制点较少的情况提出一种移动最小二乘法(Moving Least Square,MLS)与多项式拟合相结合的图像校正方法。通过此方法保证了在控制点较少情况下的校正精度。第三,对相机标定进行了研究。对已有校准方法进行了分析研究,并比较了各个方法的优缺点。针对相机校准中存在的过渡环节多及变换参数求解复杂等问题,本文提出了一种线性标定融合误差补偿的相机标定实现方法,该方法忽略相机模型,减少了中间过渡环节,参数求解变得简单,提高了效率。第四,对机器人辅助导航系统的全空间坐标转换技术及机器人硬件系统的数据传输方法进行了研究。研究了图像中规划的工具投影变换到患骨坐标系下的方法,并基于光学定位系统建立了患骨坐标系与机器人基坐标系之间的映射关系,从而建立图像坐标系到机器人坐标系的变换。在没有工作站与机器人通讯软件包的情况下,以PLC作转接,成功实现了工作站到KUKA的数据传输,为机器人辅助导引奠定了基础。最后,自主开发了导航软件系统,搭建了机器人辅助骨科手术导航系统实验研究平台,同时以脊柱模型为实验对象进行了相关实验:导航定位位置实验、导航定位姿态实验和机器人辅助导引实验。根据实验数据对误差进行了分析,同时为减小误差提出了相应的措施。