尽管光学导航和手术机器人在骨科、神经外科、耳鼻喉科等领域有着成熟的应用,但目前在肝肿瘤穿刺消融手术中医生仍在使用肉眼定位和手动穿刺的方式进行手术。光学导航和手术机器人在肝肿瘤穿刺的应用上并未取得很好的效果,主要原因是光学导航的核心部件定位仪存在产生伪点的问题,影响手术导航进程;同时呼吸运动会使器官发生形变导致靶点实时位移,直接应用神经外科机器人等穿刺机器人的固定轨迹伺服方法进行肝肿瘤穿刺的效果不理想。因此,为了在光学引导穿刺手术过程的流畅度与安全性,需解决商业定位仪产生伪点的问题,包括误识别伪点和误匹配伪点;为了使机器人能够在穿刺过程中补偿呼吸运动带来的组织形变和位移以提高穿刺精度,需研究合适的机器人位姿计算方法和机器人运动控制算法。本论文针对以上问题,完成相应研究内容:(1)研究了光学定位中伪点剔除的方法。使用图像分割和特征筛选的方法剔除误识别伪点,再利用相机针孔模型估算的空间坐标剔除误匹配伪点,最终提高了光学定位仪在使用过程中的鲁棒性,降低了后续导航过程的计算负担。通过实验对比其他商业化定位仪,实验结果证明本论文方法在剔除伪点方面表现更好。(2)研究了穿刺机器人最优目标位姿计算方法。利用规划路径和机械臂之间的约束关系求解出机械臂最优位姿,使机械臂带动穿刺针沿着规划路径精准穿刺,并在逆向运动学解关节角的过程中保留唯一解,避免运动过程中关节翻转的问题。穿刺刚性体模实验的结果显示,靶点和针尖之间的穿刺误差在1mm以内,证明了位姿计算方法的可行性。(3)研究了穿刺机器人的运动控制方法。采用PID控制和多信息反馈相结合的复合控制方法构建非线性控制系统,使机器人能够快速追踪实时移动的靶点。结合项目组提出的最佳间隙穿刺方法,使机器人在病人组织结构和术前CT影像最匹配的间隙内进针,降低穿刺误差。最后进行了手动和机器人穿刺带有呼吸运动的琼脂体模实验,手动穿刺误差的均值为10.3mm,机器人穿刺误差均值为4.9mm。