肺穿刺手术具有创伤小、恢复快、操作灵活、临床应用广泛等特点,属于微创外科手术的范畴。然而在目前的肺穿刺手术中,医生徒手完成穿刺动作,一方面由于不能实时看到针尖位置以及术中辐射等原因,需要多次步进式盲穿;另一方面,手术中常用的斜尖柔性穿刺针会在进针过程中发生显著的弯曲变形,不能很好地跟随术前设计的直线路径,增加了徒手操作控制难度。采用机器人技术,依靠手术机器人把持穿刺器械,替代医生的徒手操作。采用有效的控制方法提高手术过程的稳定性、安全性和可控性,成为提高肺穿刺手术效果与质量的有效手段。本文以肺穿刺手术为背景,针对传统肺穿刺手术中存在的不足及术中对机器人的临床需求,开展对呼吸运动引起的靶点漂移、穿刺针-软组织力学交互机理、柔性针针尖偏移感知、穿刺针路径规划及控制方法等方面的研究,突破呼吸运动测量与预测、穿刺针-软组织力学交互机理、针尖偏移位置测量、手术路径规划等关键问题,为机器人辅助肺穿刺手术的应用提供理论基础和实验数据支撑。本文的主要研究内容如下:(1)肺穿刺手术机器人系统研究。根据传统肺穿刺手术流程及存在的问题,分析肺穿刺手术的环境及空间制约,研究肺穿刺手术机器人机械结构和控制系统,开发一套轻量化的、CT兼容的肺穿刺手术机器人系统,并制定适用于机器人辅助穿刺的手术流程。(2)呼吸运动采集与预测研究,解决“何时穿刺”的问题。采集并分析呼吸运动数据,将呼吸运动分为三个阶段,根据呼吸运动的关联模型,利用呼吸门控技术引导机器人在“呼气末”阶段穿刺。利用非参数回归方法进行呼吸运动预测,补偿采集设备的延迟,提前告知医生何时执行穿刺动作。(3)穿刺针-软组织力学交互机理与针尖轨迹感知。分析穿刺针受力特征,建立穿刺针力学模型,提出了基于力感知的针尖偏移量测量方法,并通过实验验证了方法的可行性和精度。研究基于运动学模型的针尖偏移轨迹,提出了基于力感知的“独轮车”模型关键参数测量方法,为后面轨迹规划奠定基础。(4)穿刺路径规划与控制。根据“独轮车”模型研究穿刺针平面路径规划,并将其拓展到三维空间路径规划,同时改进快速搜索随机树算法并将其用于柔性针路径规划。提出基于路径长度、距障碍物距离、转针次数的路径评估函数并选取最优路径。通过仿真验证了规划算法的可行性,并为后续实验奠定基础。(5)实验研究。通过力感知的方式获取“独轮车”模型的关键参数并验证测量精度;实施柔性针避障实验,验证了穿刺针轨迹规划控制的精度和避障效果;测量了机器人的定位精度,通过模型实验验证了穿刺精度、规划效果,最后在CT下进行模型实验,验证穿刺规划控制的正确性、穿刺机器人的可行性以及与CT的兼容性,为后续的实用化工作奠定技术基础。