● 摘要
脑外科辅助手术机器人是随着现代医疗外科技术迅速发展而提出的一个重要研究课题。针对当前脑外科手术机器人高精度的要求，本文在这一领域进行了深入地研究。根据脑外科机器人的实际工作状况，将其误差分为两大部分：机器人本体误差和空间映射误差。并分别对这两方面进行了分析研究，最后利用研究结果，集成了基于视觉导航的被动式脑外科辅助手术机械臂。首先，在本体误差方面，本文介绍几种单一误差分析模型，比较了各种模型建立的优缺点。建立起脑外科机器人CAS-R-2的运动学模型，并对其关节参数与末端位置的关系作了分析。然后对脑外科机器人本体误差的原因，情况进行分析。建立起机器人精度优化模型，并根据模型编写了优化程序，利用Matlab进行了仿真。为了进一步验证结果的正确性，还利用CAS-R-2型被动式机械臂进行了数据采集和实验验证。仿真和实验结果都证明此种方法的有效性和优越性。其次，在空间映射误差方面，基于脑外科机器人的空间映射原理，分析了MicronTracker视觉导航仪引导下的空间映射误差的来源，总结出标记点分布方式对最终精度的影响，最终采用三个点建立直角坐标系的方式来得到坐标空间映射关系。在此基础上，利用最优化方法对空间映射的各个参数进行优化，得到最佳转换矩阵，使得误差最小，并进行了大量实验和仿真验证。实验证明此种方式在大多数情况下是有效的，这种解决问题的方法为进一步研究提供了一种有效可行的思路。最后，结合前面有关精度研究的结果，在软件系统中加入了对机器人本体和视觉导航系统的优化，开发集成出一套脑外科机器人辅助手术系统。通过大量试验和临床手术表明，这种系统的精度在2mm以内，完全可以满足手术的需要，并且为医生提供了手术精度范围的参考。