经皮穿刺手术是诊断和治疗肝脏肿瘤的重要手段之一。在临床实践中,医生通过图像引导手持穿刺针进行穿刺,该过程需要多次调整穿刺路径,操作繁琐费时且精度低。虽然穿刺手术机器人系统可以提高穿刺精度和简化手术操作,但是肝脏位置受呼吸运动影响,临床上需要患者屏住呼吸后再进行穿刺。而屏气穿刺存在如下问题:术前CT扫描时刻与术中穿刺手术操作时刻患者屏息下的肿瘤位置可能不一致,或者患者无法可控地长时间屏息。为了解决这些问题,设计了穿刺机器人系统,研制了样机,开展穿刺目标动态定位和肿瘤呼吸运动补偿控制的研究,并开展实验验证。针对CT引导下的肝脏肿瘤穿刺手术,提出了基于肿瘤呼吸运动估计模型的穿刺目标动态定位方法,并开发了相应的肝脏肿瘤穿刺手术导航系统;采用工业协作机械臂与定制的穿刺机构结合搭建穿刺手术机器人,其中穿刺机构采用微型直流电机驱动,具有控制穿刺针旋转运动和进给运动两个自由度,结构紧凑。针对患者无法可控地长时间屏息的问题,提出了基于变导纳的呼吸运动补偿控制方法,利用六轴力/力矩传感器反馈穿刺针的受力/力矩,并结合肿瘤位置估计模型和力/力矩反馈进行力-位混合控制,在吸气末基于目标肿瘤位置导航进行穿刺;在其他呼吸时相基于反馈的力/力矩,机器人把持穿刺针对呼吸运动进行跟随,从而兼顾自由呼吸下穿刺手术的精准性和安全性。为了搭建不同屏息下和自由呼吸下的机器人穿刺实验平台,设计了肝脏肿瘤呼吸运动模拟平台,并利用螺旋CT对肿瘤呼吸模拟平台的运动数据进行采集;针对机器人辅助肝脏肿瘤穿刺,提出了一种利用光学标记物的自动注册方法,有效提高影像注册的精度和效率。在搭建的实验平台上开展不同屏息状态下的机器人辅助肝脏肿瘤穿刺实验、自由呼吸下基于力-位混合控制的肝脏肿瘤动态穿刺实验。实验结果表明,所提出的肿瘤呼吸运动估计模型能够准确估计肿瘤位置,同时基于力-位混合控制能实现较精准的肿瘤穿刺,满足临床穿刺精度要求。