题目：脑外科机器人系统精度关键技术研究

脑外科手术是治疗脑肿瘤、脑血管疾病等脑部病症最直接有效的方法，属于大难度、高风险的手术。脑外科机器人导航系统弥补了传统手术方式的不足，借助机器人技术辅助医生进行穿刺针定位，具有对医生手术经验依赖小、定位精度高和手术创伤小的优点。脑外科机器人系统以患者自身的医学影像数据为基础建立医学导航图像，在术前采用空间配准技术实现医学图像空间到患者空间的坐标系转换，进而依靠机械臂等空间定位设备实现穿刺针的空间定位。系统的绝对定位精度是评价这些功能实现的性能指标，也是影响手术效果的主要因素。如何提高系统绝对定位精度一直是脑外科机器人系统相关研究的重要方向。

本文分析现有脑外科机器人系统中可能存在的误差因素，然后针对定位机械臂定位精度和空间配准过程进行优化，以到达提高系统绝对定位精度的目的。本文研究的主要内容：

（1）新型脑外科机器人系统介绍及引起系统定位误差因素的分析和分类。根据现有的研究成果，影响系统精度的因素可分为三大类，医学图像误差、空间配准误差和机械臂定位误差。本文将分析系统中这三类误差的来源以及对系统的影响。为后文围绕空间配准误差和机械臂定位误差做优化提出理论依据。

（2）提出了一种串联式六自由度手术机器人运动学参数标定方法。根据脑外科机器人应用环境，本文采用一种针对手术工作空间的机械臂参数采集方式，通过非支配排序的带有精英策略的多目标优化算法（NSGA-II），将运动学模型标定问题转换为基于距离误差的多目标优化问题进行计算。用这种标定方法提高机械臂局部工作区域的定位精度，降低机械臂对系统误差的影响。

（3）设计了基于ICP算法的三维点云空间配准方法。提出一种医学图像空间患者面部点云数据获取方法，之后在基于PCA主轴分析算法的点云初配准基础上，应用ICP空间配准算法精确求解了医学图像空间点云数据和双目视觉空间点云数据的坐标系转换关系，实现了靶点坐标的高精度转换。

（4）搭建模拟手术环境，对上述环节的优化进行了实验测试，与原有的系统空间配准方式进行了对比，验证了提高系统精度关键技术的可行性。