穿刺手术具有创伤小、出血少、疼痛轻、恢复快等优点,在介入治疗、活检等领域应用广泛。但是,由于颅颌面解剖结构复杂、血管神经集中,医生手工穿刺手术时易损伤重要的血管神经,手术难度大、风险高。医疗手术机器人的发展为解决这个难题,提供了可行的技术手段。本文依托国家高技术研究发展计划(863计划)项目“颅底及面侧深区疾病精确微创诊疗机器人系统”,针对目前颅颌面穿刺手术存在的问题,研制可以辅助医生实施颌面肿瘤穿刺活检、颌面肿瘤放射性粒子植入和颅底三叉神经痛射频热凝三种手术的诊疗手术机器人系统。本文主要围绕颅颌面穿刺诊疗手术机器人系统的关键技术展开,重点研究了颅颌面穿刺诊疗手术机器人的机构设计与优化、基于力反馈的主从控制系统设计与实现、机器人运动学分析与轨迹规划、软组织穿刺斜偏控制以及实验研究等。具体的创新工作如下:第一,针对手术临床需求,在综合考虑各种机器人构型的基础上,提出了一种面向颌面肿瘤穿刺活检、颌面肿瘤放射性粒子植入和颅底三叉神经痛射频热凝三种手术应用的“一主体,三末端”的穿刺诊疗手术机器人方案,并分析了其正、逆运动学和工作空间,验证了机器人设计的合理性。研制了一套具有自主知识产权的颅颌面穿刺诊疗手术机器人系统样机。经一系列实验验证,颅颌面穿刺诊疗手术机器人样机平台能够满足三种穿刺手术对机器人稳定操作、精确定位、平稳穿刺的要求。第二,根据临床需求和机器人构型,给出了颅颌面穿刺诊疗手术机器人控制系统的功能要求,提出了一种基于CAN总线技术的分布式主从力反馈控制系统,并对整个控制系统进行了详细设计和实现。根据机器人双向力反馈的需要,提出了一种基于笛卡尔空间的逆雅克比主从控制方法和积分分离PID控制算法,并从系统的角度分析了整个机器人系统的安全性,建立了一种实用的多层安全监控模型。经验证,整个控制系统达到了设计要求,为医疗手术机器人研发提供了技术借鉴。第三,穿刺针和软组织之间的相互作用导致穿刺斜偏是引起穿刺误差的主要原因之一,也是穿刺过程中普遍存在的问题。针对这个问题,本文分析了穿刺针与软组织的相互作用,在此基础上,对穿刺针弯曲引起的斜偏进行了定量估计,给出了估计方程,并提出了一种局部细化的软组织变形仿真模型。在穿刺路径规划时,对目标靶点的漂移量进行了预测补偿。通过分析蚊子口针刺入皮肤的过程,基于蚊子口针振动穿刺的规律,提出了一种基于仿生行为的穿刺斜偏控制方法,在此基础上设计了振动穿刺装置,并进行了实验分析,验证了该技术的有效性。最后,对研制的颅颌面穿刺诊疗手术机器人系统进行了误差分析,给出了减小机器人误差的措施,并对机器人进行了参数标定和误差补偿。对标定后的机器人样机,进行了重复定位精度测试、绝对定位精度测试,并通过联调实验,模拟颌面肿瘤放射性粒子植入手术实验以及头颅穿刺实验,验证了整个系统的有效性,为形成稳定、安全、可靠的手术机器产品,夯实了基础。