微创手术与传统开放手术相比,具有创伤小,术后恢复快,减轻患者痛苦,有利于提高外科手术质量和降低医疗成本。利用机器人进行微创外科手术可以显著地提高手术质量,降低医生劳动强度,因此,机器人微创手术技术受到社会的普遍欢迎,成为机器人研究领域一个热门研究方向。在国家“863”计划项目“微创腹腔外科手术机器人”的资助下,本文对微创腹腔外科手术机器人系统中,冗余自由度持镜机械臂进行了详细结构设计及分析。本文首先对冗余自由度持镜机械臂进行了结构设计。在对冗余自由度持镜机械臂实际作业要求分析的基础上,结合现有构型的优缺点分析,确立了机械臂的最终构型,并对具体机械结构进行了详细的设计;针对长期以来困扰研究人员的远心运动机构刚度和精度不足的问题,提出了一套实用可靠的传动方案解决了该问题;跟据实际运用对机器人作业的要求,利用计算和仿真的方法,获得机器人对功率及速度的要求,据此对伺服电机进行了选型;对机器人关键部位,即远心运动机构进行了误差分析和估计,证明了设计方案的可行性。其次以机械臂自运动范围内灵活度综合指标为优化目标对机器人进行臂长优化,并研究了冗余机械臂自运动条件下灵活度变化情况,其结果将为术前臂型设置提供理论依据。再次,对冗余自由度持镜机械臂的运动学进行了分析。采用D-H法建立了杆件坐标系,并求出机械臂的运动学正解;运用分离变量法求得了机械臂末端执行机构的运动学逆解。第四,对冗余自由度持镜机械臂进行了动力学方程推导。使用拉格朗日方程法推导出了持镜机械臂的末端执行机构的动力学一般方程表达式。通过三维建模软件获得了机器人杆件及传动件的质量和惯量信息,将参数代入推导出的动力学方程得到代数方程,在给定激励下比较由动力学方程计算的响应和软件仿真响应的结果,验证了动力学方程的正确性。最后,利用Pro/E 5.0软件对冗余自由度持镜机械臂的自运动、术前优化设置及典型运动方式进行了模拟仿真,以此验证持镜机械臂设计的实际效果。