微创手术不仅可以减轻患者痛苦,缩短恢复时间,同时可以在某种程度上缓解医疗资源紧张的问题。但目前的微创手术系统主要依赖进口,花费不菲,而且体积庞大,操作臂由硬质材料制成,存在比较大的风险,使得现在的微创手术器械使用率较低。软体机器人是一种新型的机器人,它的灵感来源于动物界的软体动物或动物器官,比如章鱼、象鼻等。仿照动物的这些特点,用硅胶和拉线制成的软体机器人可以实现类似于章鱼手臂的灵活运动。针对上述微创手术系统存在的问题,结合软体机器人的优点,本课题组设计了软体手术机器人系统。本文主要探讨软体机器人在微创手术领域的应用,针对软体机器人在微创手术中应用存在的问题展开一系列研究。本文的主要研究内容和创新点主要有:本文根据临床手术的要求,改进了现有的软体手术机器人系统的机械结构,对现有系统进行了发展,并使驱动装置与机械结构结合在一起,实现系统模块化。开发了一套全新的操作界面,将重要数据和视频信息显示在操作界面上,便于医生及时判断机器人运行状态。同时上位机软件具有报警功能,当判断机器人出现异常时,会自动报警并采取紧急措施,最大限度降低手术风险。为了与上位机软件进行配合,设计驱动软件,用于执行上位机软件下发的指令并将运行状态及时上报。手术系统的可行性和安全性通过动物实验进行了验证,胸腔和肺部的活检手术、心耳结扎手术以及心脏消融手术在跳动心脏上的成功进行不仅说明了手术系统应用的广泛性,同时也对说明了手术系统的可行性和安全性。本文提出了一套光纤布拉格光栅形状感知算法。针对手术过程中存在的无法实时感知软体机器人手臂形状,仅依靠前端摄像头的反馈,可能对医生进行下一步操作造成误判的问题,提出了形状感知算法,通过在手臂内部嵌入光纤布拉格光栅传感器的方式对手臂的实时形状进行感知。通过光纤布拉格光栅传感器网络,可以测得软体机器人手臂的形变,进而获得软体机器人手臂在传感器测量点处的三维曲率和挠率信息,通过插值算法得到整个手臂的曲率和挠率信息,进而通过估计算法计算出软体手臂中心线的形状。形状感知算法的有效性通过实验进行了验证。最后,本文提出一种关于软体机器人手臂的形状控制算法。发展了连续体机器人在形状控制方面的研究,结合软体机器人弯曲的特点,提出了一套软体机器人手臂形状控制算法。基于常曲率的假设,对软体机器人手臂的形状在三维空间中的描述进行分析,找到描述软体机器人手臂三维形状所需要的参数。通过正运动学关系,建立软体机器人手臂三维形状描述参数与软体机器人手臂驱动线之间的关系。根据两者之间的关系,设计控制器对软体机器人手臂三维形状进行控制。为了验证控制算法的可行性,进行了相关形状控制实验。