随着微创手术的发展,新型单孔微创手术技术逐渐成熟,并在手术机器人领域中得到广泛应用,尤其是在泌尿外科。相对于多孔手术,单孔手术创伤小,病人术后恢复更快,但其手术操作过程中易出现器械碰撞,操作力不足等问题。本文紧密结合现代医疗机器人先进领域,围绕单孔手术和单孔手术机器人器械刚性和灵活性问题,将新型液态相变材料和相关器械结构相融合,以材料—结构一体化为设计理念,研究设计了一种新型刚度可控结构,并成功应用于单孔手术器械之中。本文的主要工作内容如下:首先,分析已有单孔手术机器人的相关参数,并就单孔手术面临的碰撞问题和操作力不足等问题提出了可控刚度的解决方案。从可控刚度的已有机理上分析,选择了材料相变法,并进一步测试研究液态相变金属铟锡合金和高分子聚合物聚乙二醇材料的物理力学特性,观察微观金相组织结构,利用波纹管结构进行初步的验证实验。其次,针对所选材料的特性,设计相关的单孔机器人手术器械,并利用矢量法对其进行正、逆运动学求解,分析了该器械的运动空间,利用Jacobi变换矩阵分析了奇异性问题。同时针对该结构的特点,分析了控制丝的驱动问题和误差问题。并针对等曲率的控制模型,分析了连续体蛇形结构的误差,并利用数值法进行了修正。最后,结合材料与结构,在分析该工具的能量热交换的基础之上,对所构建的刚度可控关节进行了灵活性测试和负载测试,验证了该器械的性能。并通过多因素测试实验选择了适用于聚乙二醇材料的一体式结构。