作为骨科的一个分支,脊柱外科是一门具有高技术、高风险的学科。手术中医生需要在狭小的空间完成复杂的动作,难免会因为疲劳或视野不足等原因增大手术风险,严重时导致手术失败。机器人以其高定位精度、高稳定性等特点,改善传统手术模式,辅助医生完成手术操作。就椎板磨削而言,目前使用机器人辅助医生完成椎板磨削手术的相关研究比较少,且很多关键技术仍然处于研究阶段,亟需进一步探讨。所以本文将以椎板磨削为研究背景,对脊柱手术机器人系统的相关技术领域进行研究,包括导航注册算法及自动注册的研究、基于电流的状态感知及变速磨削、基于虚拟夹具的磨削控制及椎板磨削实验。本文将对注册算法展开研究,针对已有算法精度低、计算量大等缺点,提出一种新的注册算法Tetrahedral Framework registration algorithm(简称TF),该算法使用三点配准,多点优化,过程简单易懂、计算量小,并最终实现高精度配准。为了实现高效配准,本文将推出一款基于标记点的自动注册器,实现导航系统自动注册。为了模拟医生手感,对机器人的状态感知进行了研究,并以电流信号为基础,通过小波去噪、变化率阈值去突变、归一化等处理,完成了骨组织的状态识别,从而实现机器人的状态感知。本文将基于状态感知对变速磨削进行探讨,当没有接触到骨头的时候提高进给速度,当接触到骨头的时候减慢进给速度,并认为变速磨削方式可以实现安全高效磨削。为实现对机器人磨削路径的精确引导,本文将提出引入导纳因子的引导型虚拟夹具和基于位置补偿的阻尼型虚拟夹具,实现曲线跟踪和阻止机器人进入特定区域的任务。最后本文将融合机器人导航系统、状态感知和运动约束等技术实现安全高效的椎板磨削实验。