放射性治疗经常用于肿瘤的医治,包括外照射和放射性粒子植入。外照射放射治疗放射剂量大,容易伤害患者健康组织。由于放射性粒子近距离治疗具有许多优点,如放射剂量低,作用时间长,对健康组织损伤小,价格便宜等,近年来在治疗领域应用逐渐增多。目前穿刺手术多由医生人工完成,存在精度低和稳定性差等问题。使用手术机器人系统可以协助医生进行手术规划,帮助进行手术过程安全监测,提高手术精度,操作效率,保证手术安全性。本文针对近距离放疗穿刺机器人系统相关的系统架构,空间配准,进针策略等关键技术进行研究。课题组与北京大学口腔医院合作,借鉴医生临床经验,分析近距离放疗穿刺手术需求,提炼术前活检及放射性粒子植入两种术式的共性,构建穿刺机器人系统架构。根据需求设计机器人系统整体方案,构建一种具有视觉导航功能的机器人手术系统,该系统包含七自由度协作机械臂、末端工具、光学定位系统、CT三维建模软件和上位机控制软件等。同时为了灵活、准确、高效地执行手术动作,对机械臂进行运动学分析,推导运动学正逆解,规划术中机械臂运动轨迹,实现手术规划进针路径,完成手术。为了统一手术系统空间,建立机器人、光学定位系统和患者之间的空间坐标转换关系,提出了改进直线旋转方法的自动配准方法,并与应用李群理论的手动配准方法进行实验比较,结果表明本文算法提高了配准的效率和精度,从而提高了穿刺手术的准确性、可靠性。针对穿刺过程中穿刺针会发生形变并产生穿刺误差的问题,分析穿刺针与人体各部分组织之间的相互作用关系,建立了相互作用模型,在此模型基础上分析了穿刺针路径偏移的产生机理。建立基于六维力传感器信息的针尖偏移量计算模型,在该模型的指导下,提出步进式角度调整进针策略,减小穿刺过程中穿刺针偏移、变形对穿刺精度的影响。搭建手术机器人系统实验平台,验证系统的导航精度和系统稳定性。并且在头颅模型、尸头上分别进行了穿刺力采集及精度验证实验,验证了系统功能和手术流程,满足了医生对于手术系统在安全性、操作性、精度上的要求。