本研究致力于开发一套医用手术机器人系统,用于CT引导下的胸腔近距离粒子植入手术。该系统属于医学和机械的交叉领域,研究内容主要包括穿刺机器人系统设计,分析,优化及实验。其中,具体完成的研究成果有:首先,进行了机器人设计,包括结构设计,丝传动装置设计,控制系统设计以及外观设计四方面。根据临床需求,设计了一种创新的7自由度串联机器人结构,可以满足机器人位姿调整的各项要求;选择丝传动作为机器人末端执行部分的驱动方式,分别对轴向绕丝方式和径向绕丝方式建立运动误差模型并进行了分析,结果表明轴向绕丝方式造成的误差小于径向绕丝方式;完成了控制系统的硬件部分设计,选择多轴运动控制器与单片机作为机器人系统的两种控制器;进行了机器人机械部分的外观设计,具有实用性和美观性。其次,进行了机器人运动学分析及结构优化。利用D-H法推导出了机器人的运动学正解和逆解,并求出了机器人的可达工作空间,证明该结构满足对工作空间的要求;求解了机器人雅克比矩阵,基于雅克比矩阵条件数优化了机器人各主要杆件的长度;另外,通过对机器人支撑件圆弧板进行力学建模,完成了对其具体尺寸的优化。最后,完成了实验研究。在CT室内进行了兼容性实验,扫描得到的图像证明了机器人具有良好的CT兼容性;通过定位误差测量实验,对机器人定位误差进行了补偿,提高了机器人定位精度;并且完成了机器人穿刺实验,测得机器人对固定目标穿刺平均误差为0.93 mm,表明该系统满足粒子植入手术的精度要求;另外,针对肿瘤的实时运动误差问题,基于本机器人提出了“波峰时刻快速穿刺”方法,并基于自主设计的呼吸运动模拟装置进行了穿刺实验,证明了本方法可将穿刺精度提高2.2倍。