消化道癌是当今世界危害人类生命健康最常见的疾病之一,尽管传统的组织学活检已经成为癌症确诊的金标准,但是作为一种有创伤检查,其仍具有诸多缺点,如实时性差、有感染风险、恢复慢等。光学活检能通过微型探头对可疑病灶实现无创、实时的细胞级别的成像,然而高分辨率成像探头视野范围很小,医生手动操作探头扫描进而获取大面积图像拼接时精度低、稳定性差、无力感知。需要将机器人技术、图像拼接技术与显微成像技术相结合,在宏观内窥镜的引导下才能实现消化道大面积的微观全景成像。基于以上技术需求,本文开展了一系列关键技术研究,主要工作及成果如下:为实现探头的自动化扫描成像,提出一种新颖的（外径17 mm）2自由度模块化扫描机器人及其设计方法。机器人用于内窥镜末端,即插即用,简单高效。通过刚性及柔性混合传动实现两个自由度的运动解耦及机器人小型化,驱动单元远端设计减少了传动链过长带来的运动迟滞及误差。对机器人进行了运动学建模及输出力分析并完成了样机的加工装配。结合运动学模型对其进行控制并通过传感器完成了机械性能测试,运动性能评价实验表明两条传动链的运动精度分别为0.1 mm及0.23 mm,输出力超过0.2 N;轨迹评价实验表明机器人可以实现精确的光栅轨迹扫描。为进一步实现扫描成像机器人的小型化,提出一种基于镍钛合金的接触辅助柔性连续体机器人及其设计方法。机器人经内窥镜钳道进入消化道工作,采用丝驱动实现空间4个方向的偏转,结构紧凑,灵巧性高。提出基于椭圆弧形假设的梁变形模型预测分布柔度梁的应变并通过有限元分析验证了其准确性。提出基于卡氏第一定理及材料本构关系的静力学模型,预测了柔性机构驱动力与偏转角的关系。基于统计学方法建立了连续体机器人的运动学模型预测驱动丝位移与机构偏转角度的关系。通过偏转实验验证了提出的静力学及运动学模型的准确性。对比实验表明,提出的接触辅助柔性机构比传统的柔性机构在抗拉、抗扭性能上分别提升了30%及100%以上。基于此柔性机构设计并实现了外径2.7 mm,长度大于800 mm的多自由度柔性扫描机器人。成像探头与组织间的力感知可以辅助提高成像质量及改善诊断操作安全性,为此,提出一种基于光纤光栅的3轴力感知单元并对其进行封装。采用自差分补偿法进行温度补偿并提出3轴力解耦算法。完成了力标定和3轴力随机测试,测试结果与实际力对比表明,力感知单元能够以优于5 m N的分辨率对随机空间力进行测量。将该力感知单元与柔性连续体机器人结合,实现了功能集成。为实现显微成像及图像拼接,对宽场荧光及共聚焦激光显微内窥镜系统进行研究并完成成像测试;探索基于归一化互相关系数及距离加权的显微图像拼接算法。基于以上关键技术研究,将模块化机器人、具备力感知的柔性连续体机器人及其运动控制系统分别与宏观内窥镜系统结合,并利用显微内窥镜光学系统进行了镜头纸及新鲜猪胃离体组织的扫描成像实验,完成了最大18 mm~2的猪胃部组织的全景拼接成像并实现了扫描过程中的3轴接触力监测。结果表明,这两种设计方案都具备进入人体消化道执行扫描的可行性和大规模临床应用的潜力。