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更加复杂的方向发展。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了全膝关节置换手术(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，人为因素是误差主要来源。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予术应运而生。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，以及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的理念，针对传统全膝关节置换手术的缺点，提出了一个手眼式机器人辅助外科手术(HERAS，Hand-Eye Robot Aided Surgery)模型的概念，并将其应用于全膝关节置换术。　　本文对HERAS系统构建、标定、光学定位、目标跟踪和运动分割等关键技术在理论性与应用性上进行了全面深入的研究工作，主要研究成果如下:　　1)论文在计算机视觉、机器人学和相关医学的理论基础上建立了一个手眼式机器人辅助外科手术模型HERAS，在此基础上将其应用于全膝关节置换术，构建了国内第一个机器人辅助全膝关节置换术实验系统WATO，并结合膝关节的生理特点以及手术要求提出了高精度的股骨定位与胫骨定位方法。这种手术方案同时利用了基于图像的导航系统和外科手术机器人的优势，它不但能为手术提供准确灵活的导航定位功能，而且安全省时，对病人伤害小，无需拍摄任何CT照片。这也是国际上首次提出基于红外导航的手眼式机器人辅助全膝关节置换术框架，为最小侵入外科手术理念的发展提供了新的思路。　　2)对于机器人辅助全膝关节置换术中的光学定位问题，论文详述了摄像机定位与光斑定位技术，并在点对应和直线对应的摄像机定位方法的基础上创造性的提出了基于2D/3D角对应元的摄像机定位方法。另外针对HERAS模型中红外导航系统的技术特点，提出了计算红外光斑中心的尺度缩放加权平均算法，使光斑中心的定位精度在传统方法的基础上得到大幅提高，为保证手术精度打下坚实基础。　　3)为保证手眼式机器人在手术实施过程中的安全可靠使用，机器人手眼关系的在线标定就显得非常重要。论文在离线手眼标定的基础上论述探讨了机器人在线手眼标定技术，针对传统在线手眼标定方法中退化运动或小角度旋转运动带来的一系列问题，创新性的提出了运动选择的方法并将其应用于机器人在线手眼标定，大大提高了在线手眼标定技术的鲁棒性和标定精度。该技术的应用为膝关节手术的安全可靠进行提供了重要保障。　　4)利用本文的手眼式机器人进行辅助外科手术过程中，经常需要多个导航定位辅助工具同时使用，这就涉及到多日标跟踪的难题。论文在介绍当前视觉伺服与跟踪技术的基础上，拓展性的论述了动态场景下的多体运动分割与跟踪问题，创新性的提出了基于直线对应的多体运动分割方法，丰富了计算机视觉领域多体运动分割技术的理论内容。　　5)对机器人辅助全膝关节置换术进行了全面的误差分析，并提出了手术误差检测方案，因而提高了手术成功率，减小了手术风险。