外科手术机器人系统不仅可以拓展医生的手术能力,而且可以提高手术质量。本文针对支撑喉镜下喉部手术,应用机器人设计理念,借助线几何和对偶数等数学工具,设计完成喉部微创外科手术机器人系统,简称喉部手术机器人系统,并进行了运动学分析、干涉分析、主从对应操作分析、性能实验和动物实验研究。论文主要研究内容和成果如下:量化分析了传统支撑喉镜下喉部手术过程,提出了面向喉部手术机器人的设计要求,设计完成喉部手术机器人系统。该系统为主从操作模式。从操作手为双臂结构,且位姿解耦。从操作手臂部机构为平面转动关节构型,由丝传动机构驱动;腕部机构为三轴汇交于工作点的模式与避干涉机构,能够最小化喉镜狭腔内外的干涉问题;外部图像系统应用了双目立体视觉检测技术。分析了外科手术机器人从操作手的工作空间与可操作性。工作空间分析采用蒙特卡罗方法,确定了末端工具的可达工作空间即为其定向灵活工作空间。采用雅可比矩阵的F范数分析了外科手术机器人的可操作性,其结果具有更广泛的适用性。论文以最佳可操作性和最大协作工作空间面积为目标函数,优化设计出从操作手关键部件的几何尺度(杆长)和六个初始角度,并规划出手术合理的布局方案。分析了喉部手术机器人工具与喉镜之间的干涉基本情况,提出了“线几何-对偶数-关键点”的判断干涉的方法。将手术工具之间的干涉检验划分为初判断和终判断两种情况,以提高在线干涉检验速度。对于工具与喉镜之间的干涉检验则采用四个关键点和轴线的夹角约束方式,有效解决了支撑喉镜下喉部手术中两工具与喉镜三者彼此之间的干涉问题。建立了主从对应操作机器人运动学模型。基于矢量解析法建立了机器人从操作手的逆运动学方程,基于DH法计算主从操作手的正运动学方程,并应用双目立体视觉系统实现了喉镜位姿的定位。通过模型分析可知,主从操作模式下,主从位置空间比例系数为4:1,主从姿态空间比例系数为1:1。有效进行了系统的性能实验和动物实验。性能实验包括基于双目立体视觉系统的从操作手实验,虚拟环境下主操作手的干涉实验,主从对应操作的实验,验证了系统的干涉分析与快速定位方法,以及主从操作的有效性。动物实验是以动物(猪)为实验对象,完整进行了动物(猪)声带切除手术操作,验证了整套支撑喉镜下喉部手术机器人系统的完整性与技术可行性。