机器人辅助微创外科手术是机器人技术与医学学科的医工交叉融合,兼具了机器人技术和微创手术的优势,不仅手术定位精确、操作精度高、患者创伤小、术后康复快,而且还降低了医工人员数量以及减轻了医生的疲劳度,因此得到了广泛关注并在快速发展。然而,目前手术机器人系统在发展过程中仍然面临着诸多有待改进的地方,其中,手术器械的操作灵活性、运动控制精度以及是否拥有外力检测功能都关系到手术的质量。本课题针对钢丝绳柔索驱动式手术器械的末端关节运动估计方法和外力检测方法两个方面,主要研究手术器械的末端关节运动解耦、关节无传感器情况下的高精度运动估计方法和外力间接估计方法、以及末端操作钳集成力传感器的直接式外力检测方法,研究过程中涉及到了详细的理论建模、仿真分析以及实验验证。具体研究工作包括:首先,对实验室研制的腹腔手术机器人系统中的通用床旁机械臂进行了介绍和分析,采用MD-H法对不考虑手术器械整体转动和移动自由度的机械臂进行了运动学建模,并完成了仿真验证。通过分析3自由度柔索驱动式手术器械末端关节运动耦合问题,提出了对称式腕部机构和柔索的绕线轨道平行且对称式布局方案,设计了末端关节在机械机构上能够实现运动解耦的钢丝绳柔索驱动式新型手术器械。通过对驱动操作钳的绳索进行受迫形变数学建模与仿真分析,验证所设计的手术器械的正确性。通过对手术器械的运动学建模和仿真验证,证明了所设计手术器械的单关节运动可操作性,为末端关节的高精度运动估计提供依据。其次,对于柔索驱动式手术器械末端关节无法安装位置传感器获取准确位置信息的问题,通过分析柔索驱动式末端关节的工作原理,提出了电机-弹簧双向可驱动式新型机构方案,其中,复位弹簧能够保持系统柔索时刻处于张紧状态,消除了机械装配间隙问题。通过将钢丝绳柔索近似为“质量-弹簧-阻尼器”模型,建立了考虑绳索形变、阻尼和系统摩擦等因素的非线性动力学模型。利用最小二乘法进行了关节转角辨识和运动估计,确定了位移传感器在电机驱动端的安装方案。接着建立了系统状态方程,并将运动误差补偿模型融合到传统UKF算法中,提出了改进UKF模型的运动估计方法,实现了末端关节高精度运动估计,并依据无负载和有负载情况下的运动估计实验,验证了所提出方法的高精度运动估计性能。然后,以末端关节转角估计值作为反馈信息,对末端关节进行了闭环运动控制研究。基于系统驱动端柔索位移传感器测量信息,利用最小二乘法辨识实验,建立了复位端柔索位移估计模型。基于驱动端和复位端柔索测量信息以及复位端柔索估计信息,分别建立了末端操作钳尖端有外负载力作用下和无外负载力作用下的柔索张力估计模型。针对手术器械末端关节处无法安装力传感器进行外力检测的问题,提出了基于柔索张力估计模型的外力间接估计方法,并通过静态外力加载实验和动态外力加载实验进行了所提出的外力估计方法的正确性和可行性。最后,以操作钳上集成力传感器进行外力直接检测为目标,提出了双“E型梁”垂直交错构型的弹性体结构,该弹性体具有二维力解耦特性,并将其与操作钳基体进行了一体化构型设计,弹性体在两片夹钳上布置形式为绕轴线互相呈90°旋转角。应用ANSYS对操作钳进行了形变仿真分析,确定了应变片传感元件的安装位置和布置形式。基于双夹钳的力-应变仿真力学模型,提出了三维操作力解耦算法。通过仿真、静态外力加载和动态外力加载等实验进行了外力直接检测验证,证明了所提出的操作钳集成力传感器进行外力检测方法的可行性,并且夹持力和三维操作力能够实现良好检测精度。