传统的超声引导下的肾脏穿刺手术中,超声探头需要专人把持、定位和检测,可能造成手术人员疲惫、手术质量下降等一系列问题。本文针对超声引导下的肾脏穿刺手术全流程,设计了术前人机协作模式,以供超声探头的预定位。术中主从模式,以供主从手实现位置到位置、位置到力的映射。首先,本文根据机械臂结构,建立了正逆运动学模型,并对多解进行选取。针对机器人末端姿态,建立了基于RPY姿态角的正逆表示方法。求解了关节速度到末端速度映射的几何雅可比矩阵。进一步,求解了关节速度到末端姿态表示下速度映射的分析雅可比矩阵。最后,在matlab机器人工具箱下,通过空间运动跟踪,验证运动学的正确性,并分析了用逆运动学和雅可比矩阵做运动跟踪时的误差特点。其次,出于对精度和抗干扰能力的考虑,采取了基于位置输出的导纳控制器实现人机交互的摆位控制。针对工具重心与传感器测量中心不重合的情况,对重力、重力矩进了补偿。针对摆位中心与传感器测量中心不重合的情况,对位置摆位在姿态摆位上造成的力矩干扰进行了补偿。对传感器数据进行了分析并设计了滤波器。建立了人机交互闭环控制系统,并分析了其稳定性。采用基于根轨迹的极点配置法,设计了系统稳定的控制器参数。最后通过模糊推理识别人体摆位意图,动态调整控制器参数,进一步提高摆位的响应能力和稳定性。再次,从跟踪精度出发,选择了基于逆运动学的位置跟踪主从映射策略。针对从手抖动的情况,采用闭环积分策略,平滑了轨迹。在主从控制下,使用刚度系数不为零的导纳控制器实现在无接触时,主从位置到位置的映射,有接触时,位置到力的映射。针对导纳控制器与人体接触时,接触刚度变化导致不稳定的情况,在求解系统极点的一元三次方程的卡丹求根公式中,找到了数值求解系统临界稳定控制器参数的方法。最后,通过实时辨识接触刚度,动态调整导纳控制器阻尼参数,同时保证了系统稳定性和动态响应能力。最后,在机械臂上,对本文设计的人机交互和主从控制算法进行了实验验证。通过对接触力和机器人运动位置分析,验证了人机交互的有效性、柔顺性和稳定性;通过对主从手轨迹的对比,验证了本文从手消抖策略的有效性和主从跟踪的精确性;通过对比固定参数和动态参数下主从位置、接触力,验证了本文动态调参方法在主从力映射中的稳定性和动态性。