近年来,力与形状感知功能在不同机器人上的定制化设计和集成已成为世界范围内机器人学科的研究热点之一;对于具有特定结构,特定功能和特定应用环境微创手术机器人,力与形状感知功能的完善具有重要的应用价值。本课题在哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的支持下,针对特定的单孔腹腔微创手术机器人设计了一种基于光纤布拉格光栅传感器FBG(Fiber Bragg Grating)的力与形状感知系统,以期能为相关领域的应用提供更多研发思路、研究经验和参考方法。首先,建立基于FBG光纤和Frenet-Serret标架的手术机器人器械的力与形状感知系统。力感知系统的设计主要包括系统设计参数的拟定,弹性关节的设计与布置、弹性关节力学模型的建立与三轴力、温度解耦机制的建立;形状感知系统的设计内容则主要包括系统设计参数的拟定,基于弹性关节的多点形状测量设计和基于Frenet-Serret标架的三维骨架重构算法建立。在建立弹性关节的拉压、弯扭模型的基础上,采用改进的粒子群算法对关节结构参数进行了优化,该设计消除了初步设计尺寸中存在的主观不合理因素,提高了关节的轴、径向灵敏度以及两者间的一致性。提出了一种亚柔性-柔性关节交错布置的柔性机械臂及对应的多点形状感知方法,并采用神经网络模型(BPNN)对关节间的曲率关系进行标定以提高形状重构精度,该设计大幅度降低了光纤被拉断的风险,实现了可靠的形状感知测量任务。此外,课题还搭建了形状重构算法图形用户界面。力与形状感知系统设计完成后,课题均对相关的机械结构进行了静力学FEM仿真。最后开展相关实验研究,建立了FBG光纤安装平台、器械测力标定平台和形状测量标定平台。搭建了一种便于光纤集成的手工钳位平台以及一种集成了RCM机构的4自由度机器人运动平台;实验通过高精度电子天平采集外部受力数据,并采用线性最小二乘法(LSQ)和神经网络模型(BPNN)两种方法初步完成了所设计基于FBG力感知系统的标定与性能评估实验。为完成所设计形状感知系统在单孔腹腔镜机器人上的集成和基于三维形状重构算法的形状测量实现,根据所提出亚柔性-柔性交错布置结构设计了一种二自由度柔性臂平台,并初步完成柔性臂的装配与集成。