穿刺机器人可辅助医生精准定位体内靶点,弥补手动穿刺缺点,保证穿刺手术准确性和稳定性,目前较为成熟的穿刺机器人系统主要应用于神经外科、骨科等刚性靶区的穿刺,对于受呼吸运动影响较大的胸腹部靶区的穿刺仍面临很大挑战。一方面,胸腹部靶区在呼吸运动的影响下发生非刚性形变,因此无法直接使用适于刚性靶区穿刺的病人空间与术前影像空间实时配准定位体内靶点的方式,而基于三维超声、4DCT等医学影像的实时靶点提取需要较高的计算成本,难以实现机器人呼吸运动靶区穿刺实时运动控制;另一方面,穿刺靶区组织的呼吸运动对穿刺针产生作用力,其中沿切向的作用力将导致穿刺针弯曲形变,针尖在体内的位置跟踪误差增大进一步影响穿刺精度,且对周围组织造成安全隐患。针对呼吸运动靶区穿刺存在的上述问题,本文研究光力融合呼吸跟随穿刺机器人控制技术,具体研究内容如下:（1）设计光力融合穿刺机器人系统,构建由六自由度机臂、光学定位系统、具有力反馈的末端执持器和机器人控制中心组成的穿刺机器人系统,实现光、力信息的实时数据通讯,完成在术前靶区CT影像引导下的机器人穿刺流程软件设计。设计呼吸仿真实验装置,以步进电机对热水袋充放气的方式模拟呼吸运动,为相关算法的验证提供实验平台。（2）提出近红外光学引导的机器人无标定靶区位姿定位算法。在机器人无标定视觉伺服研究基础上,利用光学双目定位系统获取合适的图像特征构建机器人雅可比矩阵,容积卡尔曼滤波对雅可比矩阵进行在线估计,以滤波迭代的方式实现机器人系统手眼协同,完成六自由度机械臂靶区穿刺位置与姿态同步定位。实验验证算法定位精度、收敛速度及稳定性,静止靶区定位误差小于1 mm,且对呼吸运动目标的跟踪具有较好的稳定性,跟踪过程中位置误差保持在2 mm以内,角度误差保持在0.01 rad以内。（3）提出光力融合呼吸跟随穿刺控制算法。滤除机械臂末端夹具及穿刺针自重以及零点偏置对力传感器数值影响,提取穿刺针与组织真实接触力,通过机器人阻抗柔顺控制技术实现呼吸运动跟随,减小组织呼吸运动对穿刺针针尖定位精度的影响。研究空间注册标记点误差与体内靶点运动规律,结合力反馈呼吸运动跟随控制提出光力融合呼吸跟随最佳间隙穿刺策略。力反馈呼吸运动跟随过程中穿刺针受力保持在1 N以内,表明了力反馈阻抗柔顺控制实现机器人呼吸运动跟随的有效性。在呼吸仿真装置进行穿刺实验,穿刺过程中穿刺针所受切向力保持稳定,针尖与靶点距离误差呈现阶梯状,最终穿刺误差小于3 mm,初步验证了光力融合呼吸跟随最佳间隙穿刺控制算法在呼吸运动靶区穿刺中的可行性以及提高穿刺精度有效性。