随着机器人技术在医疗领域的飞速发展,介入性机器人技术在神经外科领域的运用越来越成熟,基于图像导航的微创手术机器人可以显著提高手术的安全性和治疗效果。而国内现有的图像导航机器人大多是基于CT,对软组织的识别不如磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI),多数MRI穿刺手术机器人还处于研发阶段,而且大部分的机器人只是用于辅助定位,穿刺的过程仍需手动进行。本文以MRI引导下的肺癌穿刺手术机器人为研究对象,针对医学背景下核磁扫描仪内的空间兼容性和核磁兼容性,设计了结构紧凑,自由度充足的串并联混合结构穿刺手术机器人,并对机器人的控制算法进行了研究,机器人采用气压驱动的方式,因此主要对单个气缸的位置设计了基于复合模糊PID的位置控制算法。此外,还对病人的实体坐标与MR扫描图像重构的三维图像坐标进行了配准,通过配准实现对手术器械的跟随和引导等,具体的工作内容可以概括如下:穿刺机器人的结构设计与运动学分析。针对穿刺手术机器人的工作环境,对所需设计的机器人进行了结构兼容性分析和材料兼容性分析,并根据分析结果选择了机器人的主体材料、传感器和驱动方式等。同时,设计了基于串并联结构的五自由度机器人结构,并对机器人使用蒙特卡洛法进行了工作空间分析,针尖的工作范围满足预期要求。气动系统建模分析与穿刺机器人的控制算法设计。在平衡位置附近将非线性系统线性化,对流量连续性方程、比例阀的压力流量方程和气缸活塞的力平衡方程求解,得到气动系统的三阶传递函数。通过对传统PID控制算法和模糊控制算法各自特点的分析,结合穿刺机器人使用的医学背景,提出了复合模糊PID控制算法,并制定了模糊控制器的模糊规则表。特征点的提取与肺部影像配准。对MRI图像中的特征点进行识别和提取,并使用改进的ICP算法对MRI图像重构的三维模型坐标与病人实体坐标进行配准,求得配准矩阵和配准误差,并根据配准矩阵实现对手术器械的跟随和引导等。控制算法的验证及穿刺实验。对设计的控制算法进行仿真研究和实验研究,并通过改变的砝码进行变载实验来验证复合模糊PID算法的有效性和对被控模型变化的适应性。同时对机器人进行穿刺实验,在多种位姿下测定最终穿刺机器人的定位精度和进针精度。