传统的经皮穿刺手术难度大,手术时间长,而且过度依赖于医生的经验和技术。为减少手术的时间和难度,以及人为因素的影响,研究三维超声系统引导的经皮穿刺手术机器人的关键技术具有重要的临床应用价值。本文根据医生的需求,为穿刺手术机器人的超声扫描臂设计了两种操作模式:主从操作模式和人机协作拖拽模式,医生可以根据习惯和手术场合选择合理舒适的模式进行手术。基于上述两种操作模式,本文主要研究与之对应两种控制技术,即超声扫描臂的主从控制技术与人机协作拖拽控制技术。首先,基于Ether CAT总线技术和Twin CAT运动控制系统完成了超声扫描臂实时控制系统构建。硬件采用分布式结构,用Ether CAT总线实现倍福工控机与各个关节模组之间的实时通信。同时,设计了软件系统的分层结构,不同层级之间与层级内部进行模块化功能设计,优化软件系统结构。其次,通过对超声扫描臂的结构分析,求解得到正逆运动学的解析解。结合微分运动学的分析,求解描述关节速度与末端广义速度之间线性映射的几何雅克比矩阵。对于末端位姿用欧拉角来进行表示的情形,进一步给出分析雅克比矩阵求解方法以及两种雅克比矩阵之间的关系。同时,通过运动静力二元性分析了超声扫描臂静力学。这部分研究为后续控制理论研究提供了数学基础。然后,针对主从操作模式,开发主从控制算法。主手采集医生手部运动信息传递给控制系统,控制系统将信息映射给从手执行运动。提出了使用分析雅克比矩阵的逆矩阵来进行末端笛卡尔工作空间到关节空间的映射,建立了基于逆雅克比矩阵的微分运动增量主从控制算法,并引入误差反馈环节来补偿累积误差。另外,还设计了主手抖动滤除算法以及主从控制人机交互界面,并使用超声扫描臂实验平台,Omega.7主手以及倍福工控机完成了主从控制实验。最后,针对人机协作拖拽模式,设计了基于模糊推理系统的变参数导纳控制系统。系统的输入为传感器采集的医生交互力信号,输出超声扫描臂末端速度,通过逆雅克比矩阵映射为期望关节速度,结合关节速度控制器实现拖拽交互功能。基于对操作者控制意图的估计,设计模糊推理系统进行虚拟阻尼参数的在线调节。完成控制系统输入力信号的重力补偿算法的推导,并使用机器人仿真软件Coppelia Sim,结合MATALB进行编程,完成拖拽控制算法的仿真验证。