经皮穿刺是临床中用于癌症诊断和治疗的一种常见的微创手术。机器人辅助穿刺手术对于提高诊疗效果、减少医生操作负担和辐射环境伤害具有重大的意义。该课题融合了机器人学、控制工程、生物力学、医学图像处理等多学科知识,旨在通过对力觉、视觉等多种信息的处理分析,实现精准安全的穿刺操作,达到理想诊疗效果。本文面向机器人辅助穿刺手术的交互力学机理及操控策略开展深入研究:（1）针对经皮穿刺过程中纤维结构软组织的各向异性力学特性,进行穿刺力分析建模。基于连续介质固体力学,分析横观各向同性软组织穿刺破裂机制。引入断裂力学理论,建立接触变形过程中的硬度力模型。基于单向纤维增强材料力学理论及张量变换原理,推导组织内切割力模型。通过肌肉组织多角度穿刺实验,验证了模型能够准确的描述针与纤维结构软组织的穿刺力。（2）根据穿刺力模型,基于欧拉-伯努利梁理论和瑞利里兹法,建立穿刺针在横观各向同性软组织中的非线性变形模型,并以针尖位姿依赖的交互力作为驱动力,将模型扩展到双层组织中。分别以单层肌肉和肌肉-肝脏双层组织为例验证了模型的有效性,并通过仿真得到了该复杂交互环境中的穿刺针可达域。（3）以针体变形机制为约束,引入代价地图概念,结合人工势能场理论,建立基于穿刺风险代价评估的穿刺路径规划算法。以肝脏活检手术为例,进行了算法的模拟,获得了个性化生理解剖环境中的活检穿刺路径。设计粒子植入手术中基于当前患者姿态的个性化最优穿刺方案规划算法。通过仿真算例分析表明,所提出的算法可以方便的应用于术中穿刺方案的快速优化。（4）基于方向依赖的交互力学分析及变形模型,确定针在各向异性、异质性组织中的有效操控方式。根据穿刺任务,采用模拟退火算法设计操控策略优化器。建立基于超声图像处理的针尖自动识别及轨迹重建方法,并将其引入到控制方程中,进而提出了基于模型预测控制理论的穿刺针智能控制算法。（5）在集成穿刺力学与变形建模、穿刺方案规划及操控策略研究的基础上通过操控策略优化仿真确定了控制器参数,进而开发了超声导航下的智能穿刺系统。通过静态、动态靶向穿刺、路径追踪等多任务自动穿刺实验,得到穿刺误差约为1mm,验证了系统可满足临床需求的穿刺精度。