消化道肿瘤是威胁人民生命健康的一大因素,而实现“早诊断,早治疗”是降低消化道肿瘤威胁的有效途径。但是,现有消化内镜相关的医疗器械仅能实现简单的镜下操作,难以完成较为复杂的动作,如缝合打结等,这制约了内镜手术的发展与消化道癌症患者生活水平的提高。因此,如何在消化道狭窄曲折的工作空间制约下完成复杂操作,已经成为国内外学者们普遍关注的问题。本文针对消化道下典型手术的操作需求,研制了一套消化道手术机器人系统,对机械结构设计、运动学与动力学分析、接触力感知、远距离传动损失补偿等问题进行了研究。首先,分析消化内镜下典型手术操作的自由度需求,并考虑消化道狭窄曲折的环境限制,研制一种利用丝鞘机构进行远距离传动的具有双操作臂的消化内镜机器人系统,并对典型的操作臂执行器结构进行了结构设计与优化;同时为满足手术中对多种手术器械快速更换的需求,设计了手术机器人系统入体部分与体外部分之间的快换机构。为实现手术机器人的运动控制,分别对可驱动消化内镜与连续体操作臂进行了正逆运动学分析,并利用蒙特卡洛法对手术机器人的单操作臂工作空间、公共工作空间等进行了分析,以验证其满足手术操作空间需求的能力。其次,为分析手术机器人运动过程中的离散式连续体内部的摩擦损失,得到其动态力学性能,为力感知奠定基础,利用应力-应变平衡方程分析圆柱面接触的条件下不同连续体操作臂关节之间的摩擦力与正压力之间的关系,并利用静力平衡方程分析得到驱动丝与连续体关节在不同弯曲角度下的摩擦力变化规律,进而利用拉格朗日方程建立了手术机器人动力学方程。为实现手术机器人连续体操作臂的无传感器力感知,为主从力反馈控制奠定基础,以提高操作安全性,实现主从触诊等工作,基于前述动力学模型,探索在任意弯曲状态下进行力感知的方法;为提高力估计的精度,利用前述动力学模型对力估计过程中所需要的连续体弯曲形状进行了优化。为消除长距离传输过程中手术机器人驱动力损失及驱动丝非线性弹性伸长对机器人运动精度及力感知的影响,分析传输路径中的摩擦损失并进行补偿:利用微元法分析驱动丝与绕线轮、驱动丝与导向轮之间的摩擦损失;考虑速度影响,利用Stribeck模型建立了驱动丝与丝鞘之间的摩擦力损失模型与弹性伸长模型,其可在不同速度下准确估计丝鞘机构的摩擦力。最后,搭建消化内镜手术机器人验证性平台,验证所研制的手术机器人的多自由度运动能力、高精度的重复运动能力等,同时,对多种典型操作,如异物提取、穿针过环等,进行了模拟实验。