随着国家综合实力的提升,医疗装备也在不断迭代更新,主从式微创手术机器人凭借可远程操作、人机协同、精准度高的特点在外科手术领域中应用广阔,受到医患双方的一致好评。然而目前国际上广泛使用的主从式手术机器人仍然存在诸多不足,例如应用过程中副损伤增多、手术视野狭窄、误操作无法识别、机械臂末端震颤等,其中,由于机械臂本身的结构柔性与遥操作过程中人手的生理性抖动,使机械臂末端产生一定的震颤现象,影响了手术机器人的安全性和稳定性。本文利用有限元法分析了主从式手术机器人机械臂的结构力学性能,针对人手生理性震颤机理设计了主从震颤抑制策略,分别从结构与控制层面研究了提高主从式手术机器人综合性能的理论方法。研究了机械臂动力学理论与人手震颤信号的数学特征。首先,根据拉格朗日方程的理论基础,推导了考虑关节柔性的机械臂动力学模型。其次,使用光学三维动作捕捉系统设计了人手震颤信号采集实验,分析了人手生理性震颤信号的运动特点,实验结果表明:人手生理性震颤振幅在1mm以内,频带范围在5-15Hz之间。在实验基础上,利用傅里叶拟合法建立了人手生理性震颤信号的数学模型,为设计主从震颤抑制策略提供了理论基础。根据机械臂自身的材料属性与结构特点建立了机械臂的有限元模型,并利用Abaqus 6.14软件对机械臂进行了静力学分析、模态分析、谐响应分析与结构优化设计。静力学分析结果表明:机械臂在零位状态下受到100N水平力时末端最大变形量为0.513mm,最大应力值为15.560MPa,最大应变值为2.11×10-4。模态分析结果表明:机械臂前6阶固有频率在50～320Hz之间,主振型为前后、左右摆动,左右扭转及上下俯仰扭转等。谐响应分析结果表明:简谐激励下,机械臂末端RP-1点在频率为56.419Hz时产生最大振幅为0.104mm。经过结构优化设计,机械臂整体质量有所减轻,相同受力条件下的末端位移、最大应力和最大应变值均有小幅度减小,前6阶固有频率较优化前均有所提升,最大振幅有所降低。根据力反馈手柄与机械臂的结构特点设计了主从控制策略,实现了由力反馈手柄远程操作机械臂的功能。在此基础上,分别利用传统数字滤波算法与卡尔曼滤波算法的功能特点提出了一种基于卡尔曼滤波的主从震颤抑制策略,实现了在理论上对震颤信号的滤除。此外,为验证主从震颤抑制策略的有效性,本文结合人手生理性震颤数学模型设计了震颤抑制仿真实验,仿真结果表明:生理震颤信号几乎被完全滤除,并且主从震颤抑制策略相较于传统的低通滤波算法滤波精度较高、延迟较小,能够满足手术要求。为验证主从震颤抑制策略在实际应用中是否有效,本文搭建了由力反馈手柄/操作主手、机械臂/操作从手、主从控制系统上位机以及光学三维动作捕捉系统组成的主从控制实验平台。设计了 24组主从震颤抑制实验,分别对比了每组实验震颤抑制前后机械臂末端的运行轨迹、速度与加速度,实验结果表明:各组震颤抑制后的速度、加速度标准差均小于震颤抑制前的速度、加速度标准差,这说明主从震颤抑制策略能够使机械臂运行更加安全稳定。