本文密切结合我国对高端医疗设备的需求，围绕手术机器人系统的若干关键技术，以前列腺微创针刺手术为典型应用对象，开发了5自由度核磁共振兼容气动机器人系统样机，并对该系统样机进行了理论分析与实验验证。主要包括机器人机构子系统建模、控制子系统建模、联合仿真平台搭建、系统运动精度验证和系统兼容性验证等方面内容。其研究工作和相关成果总结如下：首先，基于分层模块化的设计思路，同时结合Scott-Russell机构的特点，构建了用于前列腺针刺治疗的核磁共振兼容手术机器人样机。建立了手术机器人的机构子系统模型：利用D-H法和矢量法分析了机器人运动学，推导了机器人运动学正逆解；利用虚功原理进行了机器人动力学分析，描述了气缸驱动力和关节位置、速度、加速度之间的映射关系。机构子系统模型为实现机器人系统运动控制奠定了前提基础。其次，以气压驱动和超声波电机驱动相结合的混合驱动方式搭建了机器人控制子系统，建立了阀控气缸系统数学模型。对所建立的模型进行了线性化处理，并利用MATLAB系统辨识工具箱辨识了模型参数，同时利用尼奎斯特稳定性判据验证了所辨识控制系统的稳定性，控制子系统模型为实现机器人系统运动控制提供了有力保障。再次，针对上述建立的机构子系统模型和控制子系统模型，以PID控制方案为基础，同时结合ADAMS和MATLAB软件进行了手术机器人模型的联合仿真，建立了基于虚拟样机技术的联合仿真平台，验证了所建立系统模型以及所设计控制器的有效性和正确性。最后，在实验研究方面，对气动伺服控制系统的性能、机器人系统的运动精度和系统兼容性等方面进行了测定和验证，并通过仿生物软组织实验验证了本文理论分析的正确性和合理性。上述研究成果对于推动核磁共振兼容微创手术机器人研究，提高我国在高端医疗设备行业的竞争实力将具有非常深远的意义。