相对于传统外科手术,机器人辅助微创外科手术具有目标定位精确、易于实现微创化、可进行远程手术等优点,为具有微创化和精细化特征的第三代外科手术奠定了技术基础,能够提高手术效率与成功率、减少患者手术痛楚、缩短术后恢复时间等。但当前普遍存在的问题是执行系统运动方法单一、微器械力觉感知能力缺失或应用困难、手术操作过程繁琐、术前准备时间长等。研究与之相关的运动方法和力检测技术对外科手术机器人“智能与自主化”发展具有重要意义。本文在国家自然科学基金项目(61203358/F0306)和中央高校基本科研业务费重大项目培育计划资助项目(HEUCFZ1214)的资助下,面向微创外科手术机器人腹腔镜视窗运动方法和微器械外力检测两方面问题,在执行系统的运动学和动力学建模、腹腔镜视窗自主跟踪策略与运动算法、微器械柔索驱动动力学模型、微器械外力的间接估计策略等方面进行了详细的理论分析和实验研究。首先,介绍微创外科手术机器人系统组成,以及执行系统中8自由度腹腔镜臂和11自由度器械臂的结构特点;在一种三臂组合型执行系统的基础上,建立了三臂基于统一基座坐标系的运动学正逆模型,并完成仿真分析验证,为腹腔镜视窗的自主跟踪运动算法研究奠定了基础;此外,利用拉格朗日动力学方程,分别建立了腹腔镜臂和器械臂主动关节的动力学模型,并在Matlab软件Simulink环境中进行了仿真分析。其次,为了实现腹腔镜视窗自主跟踪运动功能,对视窗自主跟踪运动算法进行了研究;在执行系统多臂运动学模型的基础上,深入分析器械臂标记点和腹腔镜视窗的相对运动关系,提出一种基于预设视野参数的腹腔镜视窗自主跟踪运动算法,使用两组规划轨迹和两组主手实际轨迹进行仿真验证分析;同时,为了降低视窗跟踪中的迟滞效应,提高视窗自主跟踪与手术操作的一致性和同步性,在GM(1,1)和Grey Verhulst Model灰色预测模型基础上,辅以权值自适应整定方法,提出一种复合灰色预测模型和预测轨迹修正算法,建立一种基于复合预测模型的腹腔镜视窗自主跟踪运动算法,通过仿真分析验证算法的有效性和可行性。第三,面向3自由度微器械腕部触碰力和夹持力检测问题,分析了腕部驱动机构的力学模型特征,搭建了一套可以实现触碰力和夹持力检测的等效实验系统样机,提出一种基于驱动柔索张力变化的间接力检测方法。分别建立柔索驱动腕部的运动学和动力学模型,并提出基于“驱动系统综合阻力变化”的外力估计策略;在自由运动状态,进行腕部综合阻力实验,使用BP神经网络非线性拟合的方法,获得关节综合阻力神经网络模型;采用独立分析的方法,提出俯仰和偏摆关节触碰外力、操作钳夹持力估计策略,通过实验检验了二维外力和夹持力的估计性能和精度,为微器械末端多维外力和夹持力检测提供理论和技术基础。最后,为了提高微器械运动控制精度和外力检测能力,提出一种基于弹性柔索驱动方式的新型4自由度微器械构型,研究了3维外力和夹持力的间接估计策略与方案。以单关节弹性柔索驱动单元作为研究对象,对动力学模型进行参数辨识,设计关节转角估计器,实现闭环反馈位置控制,提高了运动控制精度;同时,设计了牵引柔索张力扰动估计器,并提出一种关节外力扰动观测器设计方案,以及空载补偿算法。对关节运动跟踪和间接力检测进行了实验研究,验证了关节位置闭环控制和间接力估计的有效性,为进一步开发具有力检测功能的4自由度微器械提供了关键技术基础。