相比于传统的微创手术,单孔微创手术可以大幅减少患者的手术切口的数量,进一步降低患者疼痛程度,缩短其术后恢复时间。微创手术机器人作为一种新兴的医疗器械,正呈现出小型化、高精度、高集成化的发展趋势,对人类的疾病治疗有着重要的应用前景。目前商用的手术机器人大多为刚性结构,受限于手术环境的复杂性以及手术空间的有限性,传统的手术机器人的功能难以得到完全发挥,因此难以很好地完成手术任务。因此,单孔微创手术机器人系统的研发成为了目前医疗器械行业内的刚需。同时,为了进一步提升单孔微创手术机器人的可靠性以及医生诊疗的便捷性,需要在机器人的系统设计与集成方面进行优化,包括机器人驱动方式、传动方案上的创新以及新型关节形式的引入。基于手术环境和应用场景的分析,确定了柔性手术机器人系统的整体需求分析。并在此基础之上,设计了面向单孔微创的线驱动柔性手术机器人系统设计方案,并对柔性机械臂关节的构型进行了分析选型。本文所设计的机器人系统包括柔性机械臂以及驱动机构,其中柔性机械臂分为两个臂段,分别由各组驱动导线牵引驱动各自臂段上的球铰关节。每个方向上的两根驱动导线由一个直流伺服电机和一套丝杠模组进行驱动,实现了由直流伺服电机的旋转运动到丝杠直线运动的转换。基于恒曲率模型假设,设定驱动线拉伸过程中柔性机械臂的弯曲为等曲率变形。机械臂末端具有较好的运动精度以及抗外力干扰能力。同时,将所有直流伺服电机全部集中布置在一起,这样可以减小柔性机械臂的质量和尺寸,使其可以在狭小空间内灵活运动。为了能够在手术过程中精确控制柔性机械臂末端轨迹,推导了柔性手术机器人系统的正逆运动学模型,推导了手术机器人绳长变化和末端位置之间的关系映射。另外,基于EtherCAT总线通讯协议,使用C#语言编写线驱动柔性手术机器人控制系统软件。再将运动控制算法和末端预期轨迹植入上位机,即可根据客户端的输入,自动完成运动学方程的求解,实现对手术机器人的运动控制。在上述工作的基础上,完成了手术机器人系统物理样机的组建,并且开展了相关的综合性能测试,包括重复定位精度和抗外力干扰的性能测试,圆弧轨迹跟踪以及弯曲旋转等实验。经过实验测试,所设计的机器人满足预期目标,验证了大椎节扩展运动范围、小椎节提高运动精度的设想。