颅颌面外科疾病严重影响患者的生活质量,因此研究有效的手术疗法是临床迫切需要解决的问题。人工针穿刺是目前该领域比较常见的诊疗手段,但该方法存在一些固有的缺点。首先,手术涉及的区域结构较复杂,要求操作医生具有较高的专业技能和丰富的临床经验;其次,手术过程中由于操作者的手臂抖动和视觉误差,导致穿刺路径偏离术前规划,造成伤害。手术机器人的使用为解决该问题提供了有效途径。采用机器人手术系统协助医生完成穿刺手术除了具有人工穿刺术的一般优点外,还具备定位准确、操作稳定、便捷易用等特点,成为目前颅颌面外科穿刺手术的研究热点。本文针对该热点,研究适用于颅颌面穿刺的专用机器人系统架构、导航、控制等关键问题。课题与北京大学附属口腔医院合作,结合临床医师的人工颅颌面穿刺手术实践,探讨机器人穿刺手术流程,并制定了机器人手术系统的整体方案,构建出一种应用视觉导航实现颅颌面自动穿刺的专用机器人手术系统。该系统包括六自由度机器人、光学定位装置、六维力传感器在内的硬件系统,和由运动控制、空间配准、安全机制等多个控制模块构成的上位机控制系统。为研究机器人运动特性,采用D-H法对手术机器人建模,利用解析法求解逆运动学,Matlab Robotics Toolbox函数验证求解结果的正确性。之后通过矢量积法求解雅克比矩阵,拉格朗日法一般化动力学方程,蒙特卡洛法建立运动空间。结合光学定位系统,研究了手术机器人与光学定位器之间的空间配准问题。提出了包括平面测量配准法、旋转配准法、直线旋转自动配准法在内的三种配准算法,并通过实验比较三者的配准精度,为最终的模拟实验提供配准矩阵。研究了机器人手术系统的安全机制,提出了按手术空间划分的多种安全控制策略。在位姿设定空间,引入阻抗控制策略实现术前柔顺调整;在直线进针空间,采取力超限即原路径返回策略;在弹射取检空间,采取绝对静止策略。最后,对所构建的手术机器人系统进行实验研究,验证其实用性。首先进行基于三种工作空间的安全控制试验和末端手术器械的跟随实验,验证了手术机器人系统安全控制机制的有效性;之后与北大口腔医院联合开展模拟手术实验,考核了手术机器人的穿刺精度、运动稳定性和易用性,结果表明系统具备开展动物实验的能力。