机器人辅助针穿刺在微创外科手术中应用越来越广泛,可用于组织穿刺活检、消融治疗、近距离诊疗等。机器人辅助针穿刺的关键在于针尖位置和力的精确控制。为此,论文基于光纤力传感信息,研究了机器人辅助穿刺阻抗控制问题。主要完成了以下工作:(1)光纤力传感器的温度补偿方法。光纤传感器集成在穿刺针的尖端,在穿刺过程中,针尖从体外刺入体内,产生了温差,导致传感器信号叠加了温度和力的影响。为了得到精确的穿刺针尖作用力,必须消除温度对光纤力传感器的影响。这里,利用同步采集的温度和传感器信号实验数据,建立补偿数学模型。(2)机器人辅助穿刺阻抗控制技术。所面临的挑战主要在于机器人针所穿刺的器官一般是非均匀的粘弹软组织,在力作用下发生移位和非线性变形,难以建立精确的针与组织相互作用模型。而且,对于经皮穿腔软组织穿刺,针历经分层非连续组织介质,它们的机械特性和边界条件均有差异。为此,这里提出一个机器人穿刺阻抗控制策略,利用穿刺的实验数据识别阻抗控制模型参数,通过调整穿刺速度,实现针尖位置、针与软组织之间相互作用力的控制。(3)机器人针穿刺软组织实验。利用琼脂、猪肝脏和五花肉组织样本,进行机器人针穿刺控制实验,验证阻抗控制算法性能,并通过改变阻抗控制参数,观测控制系统的稳定性和自适应性。论文利用一类新型光纤传感器,实时测量穿刺针尖上的作用力,并反馈于阻抗控制器,实现机器人针穿刺位置/力控制。在组织样本上的穿刺实验结果说明了所提出的温度补偿算法能够提高针尖穿刺力测量精度,阻抗控制技术能够有效减少穿刺力,提高穿刺安全。