与传统的多孔微创手术相比,单孔微创手术和经自然腔道手术具有医源性创伤小、疼痛少、术后恢复时间短等优点,因而更受患者和医生的青睐。由机器人辅助进行单孔微创手术和经自然腔道手术可以有效减少医生的劳动强度和提高手术精度,相关技术正逐渐成为机器人领域的研究热点。此类机器人辅助微创手术的单孔入路限制的特点要求微创手术机器人在有限的外形尺寸下集成更多的运动自由度、在更加受限的操作空间内提供足够的操作精度及手术操作力。狭窄多曲的入路通道对机器人的良好柔顺性需求和手术操作对机器人的刚度需求的矛盾是限制微创手术机器人广泛应用的重要难题。为实现稳定、精确和安全的单孔微创手术和经自然腔道手术,针对自然腔道狭窄多曲、柔性手术器械的自由度和刚度不足等核心问题,本文研制了一种采用变刚度连续体结构的微创手术机器人。在对人体消化道的结构和生理特征进行分析的基础上,研究了微创手术变刚度连续体机器人的构型需求和设计要求。分析和对比了连续体机器人不同变刚度方法与驱动方式的特点及手术适用性,提出了一种基于级联半球圆柱体构型的柔性变刚度机器人结构。与级联圆环结构相比,该柔性变刚度机器人结构具有轴向刚度大、变刚度方式简单的优点。同时该结构利用中心通道的单根张紧绳实现刚度控制、利用周围通道的四根驱动绳进行弯曲运动控制,实现了运动控制与刚度控制的分离。在此基础上,分析了其运动约束条件,结合运动能力要求对机器人基体运动能力进行了分析和尺度优化设计。然后,针对微创手术中的医学和力学特性,分析了微创手术中各项手术动作的操作力,获得了变刚度机器人的刚度需求。基于所提出的变刚度关节结构分析了变刚度连续体手术机器人的刚度组成,提出了一种基于单绳索力锁合原理的连续体机器人变刚度控制方法,能够实现机器人的连续刚度控制。根据驱动绳形变特性分析了变刚度关节的本征刚度、基于力学平衡方程构建了其变刚度模型,并建立了张紧力与刚度之间的量化模型、推导了变刚度连续体机器人的变刚度能力。基于结构特征,分析了变刚度关节非理想圆弧曲线弯曲下的压力传递效率。基于Workbench对变刚度连续体机器人的变刚度特性进行了有限元仿真分析,验证了变刚度连续体机器人的变刚度特性。其次,针对微创手术中巡航模式下机器人的精准导向需求以及手术模式下手术动作复现的需求,基于D-H法和常曲率假设,通过分析驱动空间、关节空间和笛卡尔空间之间的映射关系,构建了微创手术连续体机器人的运动学模型。基于蒙特卡罗法利用Matlab对机器人的运动空间进行了仿真分析,并对变刚度连续体机器人的弯曲运动进行了仿真分析。基于所构建的运动学模型,采用CAN总线通讯,设计了微创手术连续体机器人的主从控制系统。在Visual Studio环境下,采用C#语言开发了系统的上位机控制软件。最后,基于所提出的变刚度连续体结构和控制系统搭建了微创手术变刚度连续体机器人原理样机实验系统。对变刚度连续体机器人进行了单关节弯曲能力实验和双关节弯曲运动控制实验,实验表明机器人具有良好的弯曲能力,满足狭窄多曲的自然腔道下机器人的通过性需求,同时也验证了所提出运动学模型的正确性。针对机器人的变刚度特性和最大静负载能力分别进行了实验,验证了刚度模型的正确性和手术机器人良好的负载能力。进行了胃间质瘤切除手术的模拟实验,验证了所提出微创手术连续体机器人的可行性。