传统的腹腔窥镜外科操作常需要医护人员扶持内窥镜。人体疲劳或抖动时,内窥镜画面模糊、不清晰,直接影响医生的手术操作。机器人代替人工扶持内窥镜,能减轻保证医护人员的工作量,保证清晰的图像,并降低医生手术的失误率和手术时间。本课题旨在设计一种轻量化的机械臂,能够扶持医用内窥镜,在腹腔内给手术医生提供一个稳定、清晰增强的腹腔内图像。主要对机械臂的刚性传动结构等结构方案进行对比分析,确定出机械臂的结构方案;对机构的驱动方案进行了详细设计。首先,进行了内窥镜手术机器人的需求分析。根据内窥镜的手术过程,分析内窥镜手术过程中所需实现的自由度,即俯仰、横滚、移动和自转四个自由度。由此确定内窥镜手术机器人的末端执行机构采用双四边形结构,实现绕病人腹腔穿刺点的定点转动;基于轻量化的设计理念,采用曲柄滑块机构将旋转运动转化成直线运动,从而移动自由度的驱动电机可以后置,使内窥镜机器人的整体质心后移。其次,内窥镜手术机器人的运动学及动力学分析。采用D-H坐标法建立末端执行机构的运动学方程,同时运用蒙特卡罗法绘制出了执行机构的工作空间,分析结果表明内窥镜手术机器人的结构设计能够满足腹腔镜微创临床手术的工作需求。利用雅可比矩阵建立末端执行机构与所夹持的内窥镜之间的坐标系变换,通过拉格朗日法对横滚和俯仰两个关节进行动力学计算,为后续控制系统的研究奠定理论基础。然后,内窥镜手术机器人结构的静平衡设计与优化。建立了弹簧平衡装置的力学模型,推导出重力矩、弹簧力矩、不平衡力矩和俯仰驱动臂转角之间的关系;分析了相关参数对偏重力矩、弹簧力矩和不平衡力矩的影响,同时结合结构的本身特点及安装空间等限制条件确定了关键参数的取值范围;采用优化设计的方法,求解最优参数,使得不平衡力矩在末端执行机构操作运行空间范围内的任意姿态都达到最小值,同时减小相应关节处驱动电机的驱动力矩的波动,增加系统的平稳性;应用仿真软件进行仿真计算,求解出了偏重力矩、弹簧平衡力矩、不平衡力矩在工作范围内的分布情况。最后,通过虚拟样机技术进行末端执行机构的模拟仿真。将通过三维建模软件Solidworks所建立末端执行机构的虚拟装配模型,经过格式转换将所建立的模型导入仿真软件ADAMS中。对末端执行机构重要的工作模式进行运动仿真,即以一定的姿态探入腹腔内,确保所设计的末端执行机构能够夹持内窥镜平稳的探入腹腔内;通过定点运动仿真进而得出末端执行机构不管是其稳定性还是过定点运动的效果,都能很好的满足微创手术的临床需求。针对设计的手术机器人末端机构采用基于力矩和位移误差补偿的控制策略,保证在运动过程中以便满足末端机构高精度的控制要求,提高末端机构工作的可靠性,并将末端机构系统视为理想化的线性系统,引入相应控制。