介入医疗是近年来迅速发展起来的一门新兴医疗学科,是临床手术发展的必然趋势。靶向穿刺是微创介入治疗的重要手段之一。套管柔性针由柔性套管和带斜尖的柔性针芯组成,通过调节针芯伸出套管的距离实现穿刺路径曲率的改变,从而矫正路径和绕过障碍,实现人体深度部位的精确靶向控制。本文针对机器人操控套管柔性针靶向穿刺的关键问题,深入研究套管柔性针穿刺人体组织的受力及弯曲变形问题,并进一步进行穿刺路径规划和实验研究,为实现进针位置、姿态、穿刺轨迹以及目标靶点穿刺的精确运动控制提供理论依据和实验基础。在穿刺软组织过程对套管柔性针进行深入受力分析,将受力确定为针尖上的切割阻力和切割摩擦力,针轴上的抵抗力及因其产生的抵抗摩擦力、夹紧力及因其产生的抵抗摩擦力,入针处的支撑力和支撑摩擦力,同时建立力学模型及力与力之间的关系,并进行力的测量与计算,形成套管柔性针统一的穿刺受力系统。采用单维力传感器与六维力传感器相结合的方法实验测得各力在针根部沿穿刺方向的合力及支撑力和支撑摩擦力,实现受力的分解测量,并通过实验数据和针体的材料力学特性参数求解其他未知力的结果。为套管柔性针弯曲建模研究打下基础。在套管柔性针力学模型的基础上,采用有限变形理论和悬臂梁理论相结合的方法,根据套管柔性针的材料力学特性参数和受力情况,建立套管柔性针穿刺软组织的弯曲变形模型。通过将模型离散化的方法,实现针尖受力方向的动态变化,即随针轴的弯曲变形(或针尖位姿)的改变而改变,使其更加符合套管柔性针真实的受力变形情况。进一步分析了不同离散长度下弯曲变形的计算结果,得到了适当的离散长度及与实际穿刺轨迹吻合的变形计算结果,证明所提出模型的正确性和准确性。基于套管柔性针的运动学模型,在传统的快速搜索随机树(RRT)算法中嵌入多树搜索策略、目标导引策略、可达空间策略和最优选择策略,提出适合套管柔性针路径规划的改进RRT算法(I-RRT)。并基于I-RRT算法,提出术中动态运动规划算法,提出三种改进策略:原路径点跟踪策略(OPTS)、极度趋势扩展策略(ETES)和最难目标跟踪策略(HGTS),嵌入到基本动态规划算法中,分别用来解决基本动态算法中存在的大迂回问题、收敛性问题和精度问题,仿真结果表明,该算法具有计算速度快、收敛性好、路径形式优和搜索鲁棒性高等优点。采用镍钛合金丝和管加工套管柔性针,对人体模拟组织材料进行分析、比较,最终选择琼脂胶作为仿生组织材料并进行制备。建立机器人辅助套管柔性针的靶向穿刺实验系统,分别进行针-组织摩擦系数测定实验、套管柔性针的穿刺力实验、弯曲变形实验和规划路径验证实验研究。提出针-组织摩擦系数测定方法和穿刺受力的分解测量方法,得到不同针芯伸出长度下弯曲变化的规律,并进行验证实验,结果证明实验数值与理论数值非常吻合,误差小于3%,证明了得到的曲率变化函数的准确性。