近些年随着我国人口老龄化趋势的加重以及人们出行方式的改变,骨科手术量逐年增长,尤其是腰椎疾病已经成为临床最主要的病种。机器人辅助脊柱手术是融合机器人技术、图像处理技术和脊柱手术技术的新型临床解决方案。这种解决方案缓解了传统微创手术对医生经验的过度依赖,也缩短了医生在计算机辅助手术中的学习曲线,并有利于提升临床手术的精确性和可靠性。现有机器人产品主要面向术中椎弓根钉道定位,而精细、繁重的椎弓根钉道钻削还需医生手动完成,且昂贵的3D c-arm设备是导航系统的主要组成部分,这些都限制了机器人在临床中的推广。因此在满足腰椎手术需求情况下,本文将机器人技术在临中的应用和推广作为主要目标。在863项目支持下,本文面向脊柱微创手术设计并集成了机器人系统,且针对基于2D透视图像的机器人导航定位、基于力信息的机器人跟随和钻削操作控制展开研究。针对脊柱微创手术临床需求,设计并集成了脊柱机器人系统。以自由度（degree of freedom,简称dof）需求、精度需求和结构紧凑为目标,设计了混联机械臂的构型和结构。然后推导了混联机械臂运动学模型,并利用仿真软件验证了模型的正确性。此外基于工作空间需求分析和运动学模型优化了机械臂关键杆件参数。在此基础上,确定了脊柱手术机器人系统组成,搭建了控制系统平台和软件系统平台。最后,研制了满足椎弓根钉道定位和钉道自主钻削的混联机械臂样机,并通过激光跟踪仪测量了机械臂运动误差,满足脊柱手术需求。针对术中2D透视导航中受骨组织干扰造成标记点提取繁琐等问题,提出了标记点自动提取技术,实现了机器人导航定位。基于薄板样条法实现了透视图像的畸变校正,恢复了患者手术部位骨组织结构和标记点理想位置。然后,基于支持向量机（Support Vector Machine,简称SVM）、IHVCD（Improved Horizontal and Vertical Search for Circle Detection）和聚类算法实现了标记点自动提取技术。基于已提取标记点位置,利用2D-2D配准和光学追踪系统实现机器人闭环定位,并通过实验证明了闭环定位精度高于传统开环定位。针对术中机器人定位过程中与患者干涉和自主恒速钻削导致的克氏针（k-wire）弯曲变形、骨组织过热等问题,提出了在线参数辨识模型来实现机器人跟随操作者力意图的运动,构建了双层自适应模糊控制器和状态感知策略来实现钉道钻削力控操作。基于导纳控制器,分析了机器人跟随运动基本原理和导纳控制器参数的影响。通过重力补偿模型获得操作者施加给机器人的准确力信息,面向未知环境的机器人跟随运动,提出一种基于深度确定性策略梯度（Deep Deterministic Policy Gradient,简称DDPG）的在线导纳参数辨识模型,仿真验证了DDPG算法与SARSA算法、模糊SARSA算法在收敛指标上的优势。此外,基于双层自适应模糊算法实现钉道钻削力控制操作,来解决皮质骨钻削过程中的非线性时变问题,基于恒速控制来实现松质骨层钻削操作。并联合力信息和声音（acoustic emission,简称ae）信息感知钻削过程的骨层状态,最终保证机器人钻骨过程的安全性。为了验证基于2D透视图像的机器人导航定位技术有效性,开展了脊柱模型骨、猪鲜骨和活猪标记点提取实验,并与EDCircles多圆探测器进行对比,实验结果证实了本文所提标记点提取算法在强背景干扰下的优势;开展了基于2D透视图像的规划精度和机器人定位实验,并基于Gertzbein-Robbins安全准则,对实验结果进行了评价,满足临床安全要求。为了验证DDPG算法在机器人跟随运动中的收敛效果,面向不同操作者开展了机器人跟随运动实验,实验结果证实DDPG算法可以快速收敛和保持收敛稳定性。为了验证脊柱手术机器人系统的临床可行性,开展了机器人辅助人体标本实验,实验效果利用2D c-arm和CT两种方式进行评价,基于临床评价指标,满足手术要求。