随着医疗技术迅猛发展,手术微创化成为外科临床手术中的重要发展阶段。手术微创化的目的是以极小的伤口仍能达到传统手术的水准与品质,减小伤口的大小,可以缓解患者痛楚,并加速术后复原。材料学、传感器、计算机技术以及机器人控制理论等新兴产业发展迅速,更加稳定、精确以及操作性能全面的医疗机器人成为微创手术发展的必然趋势。本文提出了一种外形纤小且弯曲灵活的连续型同心管机器人。相较于传统医疗机器人,同心管手术机器人由多段预弯的超弹性镍钛诺合金空心管构成,每根独立同心管有两个自由度,通过多个管之间的相互移动和转动实现机器人整体形状的多变以改变空间位姿。同心管机器人半刚性的结构使其具备灵活性的同时保证同心管在器官组织内的运动可适当抵御外力干扰。基于新型材料的同心管连续型机器人的研究可对相关机器人技术以及微创手术领域的发展产生举足轻重的促进作用。本文中首先提出了四自由度同心管机器人的结构设计以及同心管的参数优化、系统设计方案,在此基础上完成了机器人样机平台的搭建,该机器人长38 cm,重1.85 kg,安装在5自由度机械臂上以便于医生调整手术角度。基于李群理论建立机器人正逆运动学模型,并结合RRT-Shape算法实现机器人在有限制空间内的路径规划仿真。此外为实现机器人末端位置精调,本文提出了基于Kalman滤波器和基于Model-less视觉伺服算法在线估计图像雅可比矩阵的方法实现了面向同心管机器人的视觉伺服研究。为实时估计机器人形状保证手术安全性,本文中利用多目标磁定位算法、贝塞尔曲线对同心管进行形状重建,其重建精度大约为1.5 mm。在头骨模型中的实验验证了同心管连续型机器人的有效性和可靠性,多类传感器的应用有效提高机器人的控制精度,其对于微创手术的发展有积极的促进作用。