神经外科开颅手术是救治急重颅脑创伤患者的必要手段,也是治疗脑肿瘤、脑出血、癫痫等疾病的有效手段。据统计,仅北京天坛医院的年手术量可达约1.2万台/年。然而,颅脑区域涉及大量中枢神经、静脉窦等重要生理组织,传统的开颅手术存在重要组织损伤风险高、医生操作强度大、严重依赖医生经验和技能等临床问题,基层医院因医生水平差异及医疗条件的限制,无法实施开颅手术,患者往往难以得到及时有效的治疗。因此,研究面向神经外科的手术机器人具有重要的现实意义和临床价值。本文以开颅手术机器人化为出发点,围绕开颅手术取骨瓣的操作,搭建具备颅骨钻铣操作的手术机器人实验平台,研究了空间配准技术、机器人运动学分析及轨迹规划、手术机械目标检测等基础技术,主要的工作内容如下:第一,以传统开颅手术为参考,结合医生操作经验,搭建了操作型神经外科手术机器人实验平台,并详细介绍了应用该机器人实施神经外科手术的手术室布局及相应的手术流程。第二,针对神经外科手术机器人定位高精确性及高稳定性的设计要求,提出了一种结合SAC-IA和ICP的空间配准方法,基于FPFH特征的SAC-IA算法实现初始配准,其次利用ICP算法完成精确配准。通过VS和PCL数据库完成了仿真实验,结果证明所提方法的有效性和可行性。第三,针对手术机器人所需的术区规划功能,以JAKA ZU 7机器人为例,基于D-H法建立手术机器人正运动学模型,利用MATLAB工具箱进行仿真实验验证,实验结果证明所推导的正运动学模型是正确的。基于五次多项式插值算法实现关节空间内的轨迹规划,并进行仿真实验验证。最后,针对手术器械位置信息感知方式单一的问题,为强化医生对手术机器人末端手术器械实时操作状态的感知,基于SSD算法实现了手术器械的目标检测与定位,为构成医生端的多源信息反馈通道奠定一定基础,并利用医生操纵达芬奇手术机器人训练的数据集验证了该方法的可行性。