机器人微创手术不但继承了传统微创手术创口小,痛苦少,恢复快的优点,而且能够提供更灵活,精准的操作,克服手眼不协调,减轻医生疲劳。力反馈主手作为医生与微创手术机器人交互的载体,一方面将医生的操作动作传递给从端控制从手机械臂完成手术操作,另一方面将从手机械臂与患者组织的交互作用力反馈给医生。力反馈主手性能的好坏直接影响到微创手术机器人系统的整体性能,进而影响到手术的安全性和可靠性。本文针对微创手术机器人系统中的力反馈主手,围绕力反馈主手的设计与优化,力反馈主手奇异回避与重力补偿及摩擦补偿,主手力反馈控制策略,以及微创手术机器人主从控制综合实验等多个方面开展研究。根据微创手术机器人的特点,研制了面向微创手术机器人应用的专用型力反馈主手。确定了手臂位置输出机构采用平行四边形将驱动装置前移减小惯量,腕部姿态输出机构采用具有冗余主动调整关节提高操作灵活性。通常力反馈主手以及微创手术机器人的控制周期达到上千Hz,针对力反馈主手控制的实时性要求,选用基于高速实时总线的控制系统架构,实现了对力反馈主手控制算法的集中式控制和关节驱动的分布式处理。该控制系统架构的优点是能够方便的进行扩展,将从机械臂集成到系统当中。主从端在同一个总线,能够保证主从控制的实时性。根据力反馈主手的机构设计建立正逆运动学模型。针对力反馈主手灵活操作空间需求,利用雅可比矩阵条件数的灵活性指标和波动性指标对力反馈主手进行杆长优化,并确定了期望工作空间的灵活度分布。利用分块雅可比矩阵确定了力反馈主手在操作空间内的奇异位形,针对梯度投影类型奇异回避方法计算复杂且效率低的缺点,采用初始位形姿态灵活性最优结合惩罚函数的实用方法进行腕部姿态奇异回避规划,使得力反馈主手在医生操作的过程中能够避开腕部关节的奇异位形,进而提高了力反馈主手操作的灵活性和舒适性。针对医生操作力反馈主手进行微创手术时,力反馈主手各连杆自身的重力和各关节传动链间的摩擦阻力矩对操作形成干扰,使得医生操作时易疲劳,影响操作舒适性和安全性问题。基于虚位移原理建立了力反馈主手关节重力矩补偿模型,并通过Adams对模型进行了验证。基于改进的Stribeck摩擦补偿模型,对各关节摩擦模型进行摩擦参数辨识。采用模型前馈的方式进行重力补偿摩擦补偿。针对七自由度的力反馈主手完整动力学极其复杂的特点,对力反馈主手的动力学模型进行适当的简化,采用拉格朗日方法建立了力反馈主手的动力学模型,并利用Adams仿真软件对动力学模型的正确性进行了验证。依据机器人动力学模型可线性化的性质,对力反馈主手的动力学模型进行了线性化分解。针对直接测量动力学参数存在参数不准确,没有考虑摩擦效应的问题,采用优化的有限傅里叶级数轨迹对力反馈主手的动力学参数进行实验辨识。针对开环阻抗控制方法忽略力反馈主手惯性力,哥式力和摩擦力等动力学特性的缺点,提出消除力反馈主手动力学影响的闭环阻抗控制策略实现力反馈主手的力控制。开展力反馈主手的性能测试实验和微创手术机器人主从控制综合实验。进行力反馈主手的精度测试实验,冗余腕部奇异回避实验,重力补偿摩擦补偿实验,力反馈实验,实验结果验证力反馈主手满足设计指标。结合从机械臂系统构建微创手术机器人系统综合实验平台,基于主从手眼协调控制对力反馈主手的功能需求,通过主从姿态对齐实验,主从控制套圈滑竿实验,主从跟随实时性分析,腔镜下主从控制套圈实验,验证了力反馈主手进行主从操作控制的性能。结果表明,该型力反馈主手能够满足微创手术机器人的各项操作需求,并且能够改善微创手术的操作效率,减小手术操作时间,增强医生操作体验,进而提高手术的安全性。