传统开放式需要在人体背部切开较大的创口,会导致患者出血量大、创口感染、术后恢复慢等诸多问题的出现,随着医学技术和影像技术的发展,微创脊柱手术正代替传统开放式手术成为主流,但微创手术的难度较大,使用机器人辅助医生进行微创手术,就可以大大减小手术效果对医生技术的依赖,因此对于脊柱微创手术机器人的研究具有重大理论意义与临床需求。本文首先分析了人体脊柱腰椎节段椎弓根钉内固定术的手术需求,然后在对比分析国内外多个脊柱手术机器人系统结构特点和优缺点的前提下,提出了一种新的床旁式5-Do F脊柱微创手术机器人构型。采用模块化的设计思路,即夹持机构作为一个单独的模块负责固定机器人,前三关节作为一个模块负责提供定位,执行器作为一个模块负责调整套筒的姿态。完成结构设计之后,对结构中的主要受力零件进行了有限元强度校核。其次,针对机器人的构型,使用DH法对机器人进行了正运动学分析,根据正运动学推导的结果绘制了机器人末端的工作空间,与手术需求工作空间做了对比,结果显示机器人可以满足手术的空间需求;由于机器人各关节间运动具有解耦性,使用几何法推导了机器人逆运动学的解析解,通过正逆运动学的对比验证了逆解的正确性;通过推导速度雅可比矩阵分析了机器人构型的奇异性;并基于MDH模型建立了机器人末端位置误差模型,分析了几何参数误差标定的方法。然后,研究了基于2D医学影像的手术机器人规划导航技术,包括2D-2D配准、双平面导航以及NDI闭环定位的基本理论,并在此基础上提出了一种新的双平面-机器人一体化设计方案,在保证强度和刚度的前提下,使用非金属材料制作机器人的大臂,将双平面集成至大臂的末端。最后,完成了脊柱手术机器人实验平台硬件系统的搭建,使用MFC编写了运动控制上位机软件,进行了机器人运动学几何参数误差标定,并测量了末端位置重复定位精度,使用相机模拟X光机拍摄正位、侧位影像,对规划导航方案的可行性和最终的辅助定位效果进行了实验验证,实验结果表明机器人在定位精度方面可以满足脊柱微创手术的需要,本文提出的规划导航方案具备可行性,但导航精度需要进一步提高。