组织穿刺是生物医学领域常见操作之一,其中精细组织的显微注射对穿刺设备和操作者的操作水平均提出了较高要求。以视网膜血管注射为代表的手术操作往往负载微小,但需要的运动分辨力较高(优于100μm),人手操作难以满足需求。国内外学者针对精密电磁电机驱动、压电驱动、磁驱动以及绳驱动等多种驱动方式在该领域内的应用进行了一定的探索,从使用效果来看均各具优势和特色,但也存在着一些共性的问题,如驱动元件体积较大、结构和控制信号复杂、运动行程较小等。本课题面向毛细血管穿刺或细胞穿刺的实际需求,提出了一种采用压电惯性驱动的二自由度精密穿刺针,可实现轴向非对称型弯曲针头的直线和旋转运动。本文首先对惯性驱动过程进行了建模与仿真分析,对惯性驱动的运动特点和主要影响因素进行了详细讨论。在确定了穿刺针基本结构的基础上,借助静力学模型和有限元方法对纵弯复合压电驱动器的机械结构参数进行了优化设计。为方便操作者使用以及与其他控制系统融合,结合驱动信号形式和机械结构特点设计了配套的专用手持控制器。最后,研制二自由度穿刺针实验样机并对样机的输出特性进行了实验测试,对运动快速性、步进运动步距、步长一致性、运动耦合和出力能力等进行了实验研究,验证了其用于显微手术操作的可行性。实验结果表明该二自由度穿刺针可在控制器配合下完成直线和旋转两个自由度的步进运动。该穿刺针的运动行程范围较宽,直线自由度行程大于10mm,旋转自由度可实现整周连续旋转。在电压幅值为120V的锯齿波激励信号下,直线自由度步距为2.4μm,通过降低激励信号峰值还可进一步细分步距,在150Hz的驱动信号下,测得直线运动的最大运动速度为412μm/s,各子步运动的步距变异系数为4.23%,在不同的驱动电压幅值和频率条件下均可提供最高约32m N的穿刺力;旋转自由度步距为0.56mrad,最高旋转速度为200.92mrad/s,子步的变异系数为3.69%。直线运动在旋转自由度的运动耦合量小于0.77μm,旋转运动在直线自由度的耦合量小于0.48μm。较宽的运动范围、微米级的步进运动、良好的步进运动一致性和稳定的穿刺力都保证了该穿刺针可满足显微注射操作需求。使用手持控制器可方便地搭建显微穿刺系统,完成对二自由度穿刺针灵活可靠的开环控制。与机械臂或其他医疗机器人平台配合使用组成机器人穿刺系统,可有效降低手术操作难度,提高穿刺操作效率和成功率,具有重要的科学意义和实用价值。