手术过程中借助机器人系统实现精确、稳定的操作能够有效提高手术效率,针对前列腺癌症检出的前列腺活检穿刺手术所开发的穿刺机器人系统,是医疗机器人研究中的一个热门方向。和近年来被广泛研究的底座固定式的前列腺穿刺机器人相比,开发一款具有便携的手持式穿刺医疗设备,能够更容易的适应手术环境,可操作性强,具有调节范围广、设备轻便、人机交互简单等特点,使其在前列腺穿刺手术中替代现有的一次性穿刺活检枪,降低手术成本、同时协助医生提高穿刺精度以减少穿刺次数,减少患者的并发症可能和心理负担。本文从手持式穿刺机器人的整机系统设计、穿刺针和组织相互作用关系、靶点穿刺引导规划方法等方面对手持式穿刺机器人系统展开设计研究。本文首先根据对实际病例数据和系统设计指标对手持穿刺机器人进行分析,得到机器人设计需要考虑的参数,确定机器人的混联式构型以实现远端运动中心RCM点,根据现有的活检取样功能,将其自动化并集成在穿刺机器人上完善机器人的功能。考虑到穿刺过程中进针点、进针姿态和靶点之间存在较多随机因素的干扰,穿刺针在进入人体后大概率会偏离目标靶点,即需要医生对穿刺针的进针方向做出调整。由于组织的弹性特性和针体的细长形状特征,针在组织中偏转所引起的变形势必影响到方向调整的大小,故建立针体在组织中偏转产生变形的挠曲函数数学模型,以此模型对偏转角度做出相应规划。组织的弹性在简化时按照简化的程度可以将其看成各向同性的均匀的非线性组织,进一步可简化为线弹性组织,在建立挠曲计算模型时,首先基于简单的线弹性组织建立特定的挠曲计算模型,再通过分析组织的非线性特性,即组织的超弹性和粘弹性的本构模型,代入特定的挠曲计算模型中做进一步的推广,得到非线性组织中的挠曲函数计算方法。最后,综合上述理论分析所需的数据和实验验证基础,完成了手持式穿刺机器人的样机和配套的测试实验平台,给出了多种材料的力学特性测试、穿刺力测试、针体偏转变形挠曲测试、手持式穿刺机器人穿刺性能测试等实验方案,验证了理论的可行性和穿刺机器人系统的穿刺精度。