自然腔道介入手术机器人是当前医疗机器人领域热门的研究方向之一。相比于传统的微创手术机器人多孔介入方式,自然腔道介入手术机器人通过人体自然腔道到达病灶部位完成手术操作,具有创伤更小、安全性更高、术后恢复更快等优点。目前自然腔道介入手术机器人研究已取得很多进展,但主要的问题在于手术机器人末端连续体关节控制精度低,形状重建困难,难以满足手术操作高精度、高安全性的要求。本文主要进行面向自然腔道手术机器人连续体形状估计和运动控制研究。设计了一种自然腔道介入手术机器人系统,并开发了一种3-DOF连续体手术机器人实验样机,进行了手术机器人运动学和工作空间分析,重点进行了手术机器人末端连续体关节运动控制和形状估计研究;并对手术机器人进行主从控制研究。首先,设计了一种自然腔道介入手术机器人从手系统方案,整体系统由2个操作臂和1个内窥镜臂构成。其中操作臂具有12个自由度,内窥镜臂具有9个自由度。此外开发了一种3-DOF连续体手术机器人实验样机,基于D-H法和连续体常曲率模型相结合的方法,完成手术机器人驱动空间、关节空间、操作空间的运动学建模,采用解析法求解整体结构的运动学逆解,基于运动实验数据验证了正逆运动学的正确性,并对其可达工作空间及灵活工作空间进行了分析。其次,基于运动学建模对切口式连续体关节进行标定补偿实验,提高连续体运动控制精度。深入分析连续体关节的迟滞特性,并对动态运动下的迟滞现象进行建模补偿,设计了前馈迟滞补偿控制器,提高了连续体关节的跟踪控制性能。在运动学标定和迟滞补偿的基础上,结合电机位移、驱动柔索张力、连续体基本六维力/力矩信息,提出一种基于粒子群优化神经网络的连续体关节形状估计方法,验证了形状估计模型在连续体关节空载和有外部负载下的有效性。最后,进行了3-DOF连续体手术机器人主从控制和实验研究,详细阐述手术机器人的主从控制策略。在此基础上进行了手术机器人的主从跟踪控制实验,建立主手与从手关节空间映射,并通过均值滤波算法对主手的关节角信息进行滤波处理,有效的过滤操作人员手部抖动对主从控制的干扰,通过实验验证连续体手术机器人主从控制的可行性。