经自然腔道内镜手术受到广泛关注,其治疗效果等同于传统腔镜微创手术,具有创伤小、低侵入性、恢复时间短及美容效果好等优点。目前,柔性机器人的研究已取得了显著成绩,受限于人体腔道,现有柔性手术机器人难以实现高稳定性与刚柔转变特性的结合,不能满足多种手术操作的需求。本文针对经自然腔道内镜手术的操作要求,采用螺旋气囊结构驱动,以聚氨酯为刚柔转换介质,阐述刚度可控刚柔手术机器人的设计、工作原理及运动特性,并完成了光纤光栅传感系统的设计与实验,最后成功制作出刚柔手术机器人原型样机并实验验证。具体的研究内容如下:首先,根据经自然腔道内镜手术操作的医学需求,基于仿生的思想提出螺旋硅胶气囊结构,设计一种刚度可控手术机器人的整体方案,并对其驱动结构设计与分析,聚氨酯刚柔转变骨架、刚度控制系统进行了方案分析和详细设计。也对光纤光栅传感检测系统进行设计,螺旋气囊一体化结构有效增加机器人的灵活性和稳定性,减小手术侵入性与扩大适应性,玻璃态的聚氨酯骨架为手术机器人的操作提供高稳定性,提高机器人负载能力,传感系统提高手术安全性。其次,采用一种实用的光纤光栅传感检测系统,简述光纤光栅传感器的传感原理,对传感器进行封装分析,提出一种螺旋光纤传感网络,阐述并详细设计螺旋传感网络,优化传感网络。建立光纤光栅传感器的应变-曲率模型,分析光纤光栅的三维形状重建过程。采用差分温度补偿模型,对光纤光栅传感器的温度效应进行分析,证明螺旋光纤光栅传感网络的温度消除的可行性。最后,在刚度可控的刚柔手术机器人整体设计方案的基础上,开展了机器人驱动单元,刚柔机器人原型样机的制作,包括硬件组成的选型分析与软件部分的设计。进行螺旋光纤光栅传感器的相关验证实验,证明螺旋配置的弯曲与扭转检测的可行性。对刚柔机器人的聚氨酯骨架刚柔转变特性、不同构型的气囊驱动结构开展实验分析与讨论,对机器人的运动特性实施评价实验,并进行螺旋推进运动实验,证明螺旋气囊结构设计方案的可行性及光纤光栅传感系统的有效性。