微创外科手术具有患者创口出血少、较短时间恢复、留疤面积较小等优势。在微创手术过程中,手术器械是直接与人体组织相接触的,若结构设计不当,可能会对人体组织带来不可逆转的伤害。当手术器械臂通过人体腔道时,手术器械需提供足够的自由度数和柔顺性;在剥离、牵引等精确操作阶段时,手术器械需要具有更高的刚性和稳定性来保持组织操作稳定性。因此在保持手术器械具有良好柔顺性的同时提高手术器械臂抵抗末端载荷的能力,对微创手术的操作具有重要意义。本文以手术器械臂为研究对象,主要研究内容包括手术器械臂的结构设计、静力学分析、拓扑优化与有限元分析以及手术器械的运动学操作空间与仿真分析。具体内容如下:（1）分析了连续体机器人和拓扑优化方法的研究现状。首先对手术操作流程、自由度、手术操作力以及手术器械构型进行了详细的阐述,然后依据尺寸、工作弯曲状态、末端负载能力以及材料选择等要求制定了本论文的手术器械臂设计目标,基于设计目标提出了一种结构简单的2自由度的可弯曲手术器械臂初始方案。（2）深入研究了变密度拓扑优化方法。构造了以结构柔度最小为优化目标函,约束函数为体积的数学模型。引入拉格朗日（Lagrangian）函数,推导了数学模型的求解算法（优化准则算法）,得到了基于SIMP理论的优化准则法迭代公式。探讨了拓扑优化中常出现的数值不稳定现象以及解决方法。最后以典型的悬臂梁为例,基于MATLAB软件,探讨了滤波半径r以及惩罚因子P对拓扑结果的影响。（3）对柔性手术器械臂初始方案进行拓扑优化设计。基于对初始方案静力学分析的基础上,引进拓扑优化方法对其结构进行改善。基于不同约束条件下的拓扑优化结果,提出了四种新的方案。借助有限元软件分析四种方案在手术器械处于柔性以及刚性的工作状态下的最大位移以及最大应力变化,对比得出较优方案。对最终确定的方案再次进行尺寸以及形状优化,将优化后的结构和本文最初的方案进行性能比较,发现优化后的结构相比于初始方案刚度性能提高了接近70%,最大应力下降了接近54%,表明优化后的手术器械具有更好的结构可靠性、安全性以及使用寿命。（4）对手术器械臂进行运动学以及末端负载仿真分析。由于本论文所设计的手术器械臂属于连续体机器人范畴,传统的D-H参数法并不能对其进行运动学分析。因此本论文将连续体结构假想成带有虚拟关节的结构,依据改进后的D-H法进行理论建模,对微创手术器械臂的构型空间-工作空间以及驱动空间-构型空间之间的映射进行研究。采用MATLAB编程的方法,对手术器械臂的末端位置进行了仿真分析,得到了类似于立体冠状球体的曲面工作空间。分析在不同初始位姿的微创手术器械臂在相同载荷的作用下,末端几何中心的负载-位移变化规律,验证了所设计的最优结构满足手术需求。