脑卒中已经成为我国造成寿命年损失最高的死亡原因,如果不能及时接受治疗,即使治愈也将对患者造成不可挽回的损失。相对于缺血性脑卒中,治疗失血性脑卒中的几种颅内血肿清除方案都还存在各自的问题,主要包括术野受限影响操作精度、刚性工具影响路径避障、尺寸限制影响器械可达性以及操作不精确造成额外出血等问题。本课题在沈阳市科技创新双百工程项目——“基于影像云的远程立体定向手术机器人系统”的资助下,研发了一款同轴鞘管手术机器人,以机构设计为基础,以力学和运动学建模为关键,以形状传感技术为反馈有效解决了其灵巧定位的问题。根据颅内血肿清除手术对机构自由度、工作空间以及末端精度等的要求,提出同轴鞘管手术机器人的机构设计要求;基于设计要求及机构紧凑布置的思想,对比每种驱动方案,确定最终机构设计方案;结合六自由度机器人奇异点分析,进行奇异点分类,确定机器人平滑运动路径的选择方法,实现了机器人运动过程的平滑和稳定;通过穿刺实验,确定了机构的可靠性和运动的稳定性,为灵巧定位的实现打下了基础。通过对同轴鞘管所要求的材料特性进行分析,选择了具有超弹性的镍钛合金作为鞘管材料;融合了Cosserat梁理论模型和扭转顺应模型,提出了作为改进的快速扭转顺应模型作为同轴鞘管的力学模型;并在其基础之上,通过管变量—曲率弧长—基面坐标系的两级映射,结合旋量算法和指数矩阵的计算方法,实现了鞘管整体的正逆运动学的建模;通过实验,验证了建模方法的准确性,提升了定位的灵巧性。基于FBG形状传感器原理,讨论了FBG传感器的特点、FBG传感理论,并提出了形状重构的方案;结合FBG传感原理,提出了FBG形状传感器的设计要求和设计方案;针对传感器结构设计理论,设计了合适有效的形状传感器组装平台,研究了传感器的组装方案;针对所设计的组装方案,进行了组装实验,并验证了方案的可行性;通过形状重构仿真实验,验证了重构理论的准确性和灵巧定位实现的可能性。综上所述,本课题面向颅内血肿清除手术,设计了一款同轴鞘管手术机器人系统,并通过仿真和实验验证了所提出的方法的可行性。本课题提出的构型设计方法、力学及运动学建模方法和形状感知技术等研究内容为提升同轴鞘管手术机器人的精细化、准确化和灵巧化定位提供了保障,对连续体机器人在相似的受限腔内手术的应用和研究具有重要参考意义,这些技术也为机器人化手术操作的发展奠定了基础。