开颅手术是脑肿瘤最主要的治疗方法,通常使用机械设备打开患者颅骨,从而进行颅内手术。目前,在开颅手术当中所使用的手术器具主要为颅钻和颅铣,质量均在1kg左右,在手术过程中需要医生直接手持颅钻或颅铣进行长时间负重操作,手术过程对医生的依赖较大,若是稍出差错,则容易钻破硬膜,造成二次损伤;另外手术过程中缺少导航,对于手术器具当前位置全凭医生的手感和经验来判断,具有一定盲目性。随着机器人技术的不断进步,通过机器人把持手术器具来辅助医生完成手术已逐渐成为可能,并且可以大大地提高手术的安全性和精确性。本论文以开颅手术中的颅骨钻孔与铣削为研究背景,针对目前开颅手术过程中存在的不足以及术中对机器人的临床需求,开展对开颅手术机器人导航和人机交互控制两方面的研究。突破术中实时导航、手术配准以及手术机器人力感知、人机交互控制等关键问题,为机器人辅助开颅手术的应用提供技术方法和实验数据支持。本文的主要内容如下:(1)开颅手术机器人的系统设计。根据手术过程和需求确定了开颅手术机器人的功能参数要求,将开颅手术系统而分为手术机器人、机器人控制平台、上位机软件、导航系统四个部分进行详细设计。(2)术前注册与术中导航算法。基于PCA(主成分分析法)完成点云初配准,基于kd-tree搜索完成ICP点云精配准,提高注册的效率和精度;在术中导航上采用双重定位机制来提高手术过程的安全性。(3)机器人的运动学和交互工作空间分析。采用DH法对机器人进行运动学建模并求解其正运动学;采用速度逆解的方法求解其逆运动学,并基于阻尼最小二乘法对运动过程中的奇异点进行规避,最后基于蒙特卡洛法分析机器人与人交互的工作空间。(4)基于双六维力传感器的交互控制算法。提出一种基于i Ta SC框架的力/位/阻抗混合控制方法。求解机器人的柔顺度矩阵,从而建立起机器人和患者之间的交互控制模型;采用刚度矩阵建立起医生和机器人之间的交互控制模型。最后通过力/位/阻抗混合控制的方法实现了在铣削过程中机器人运动的控制。(5)实验研究。首先设计了多组实验对机器人的定位精度、力控性能进行验证,然后进行了多组模型实验和动物实验,结合术中交互力数据以及手术过程中血管破损、硬膜破损等情况,证明了开颅机器人系统的安全可靠,并为进一步控制算法优化提供了依据。