机器人在医疗领域的应用是目前机器人研究的热点课题之一。在该领域的研究不仅在提高手术质量、减少手术创伤等方面带来一系列的技术变革,也将改变传统医疗外科的许多概念,对相关学科的发展产生积极的推动作用。本文以神经外科手术为背景,以MOTOMAN-UP20型机器人为执行机构,对机器人的导航控制和标记点的视觉定位进行了实验研究,为机器人神经外科手术系统做了前期技术准备工作并提供了技术参考依据。机器人的导航控制采用离线编程的方法,由外部主控计算机调用数据通讯软件MOTOCOM32中的库函数完成。首先提出机器人手术作业方案及流程要求; 其次基于标记点的配准映射将病灶点由计算机三维图像空间转换到机器人手术作业空间,并用Matlab对映射误差给予仿真计算; 然后利用欧拉角旋转和齐次坐标变换的性质,建立手术工具位姿、多工具自动调换数学模型,确定导航所需位姿数据; 最后进行机器人导航控制实验,并测试手术作业误差。标记点的视觉定位采用立体视觉的方法,由安装在机器人法兰盘上的单目摄像机完成。首先根据对摄像机标定方法和摄像机模型的优缺点的分析,使用Tsai氏两步法及其改进,进行了摄像机内外部参数的标定; 然后提出机器人和摄像机之间“手–眼”关系的快速标定方法,进行了“手–眼”关系的标定,并与Shui氏AX=XB法加以比较; 最后根据立体视觉原理,计算出标记点在机器人坐标系中的坐标,分析了影响定位精度的因素。大量的实验结果表明:标记点的视觉定位误差小于1mm; 机器人导航控制的病灶点综合定位误差小于2mm。