自然腔道手术作为微创手术的一种先进术式,不仅能够媲美传统多孔微创手术的治疗效果,具有疼痛感轻、术后恢复快和美容效果好等优点,且可实现严格意义上的手术无创伤,由于自然腔道手术丰富多样的入路方式,与单孔腹腔镜手术相比具有更广泛的应用范围。目前,作为微创手术领域的研究热点,新型的自然腔道手术器械以及机器人系统层出不穷,但现有的多数自然腔道手术操作系统不能实现足够灵巧空间与高刚度的统一,难以满足自然腔道手术的操作需求。本文针对自然腔道手术的医学需求,以低熔点合金镓作为实现“刚柔耦合”功能的相变材料,在结构设计、材料选择、传动方案设计、运动学以及工作空间分析等几个方面系统阐述刚度可控自然腔道手术器械平台的相关研究工作,研制刚度可控自然腔道手术器械平台的原型样机。本文的主要内容如下:首先,根据自然腔道手术的临床操作需求,提出一种具有刚度可控功能的手术器械平台的设计理念,在总体机械结构设计、相变材料选择、能量交换系统设计、传动方案设计以及柔性骨架设计等几个方面开展研究工作。该设计方案在保证自然腔道手术器械平台具有足够灵活性和工作空间的前提下,实现器械平台在刚柔两态下的快速转变,为手术工具提供了刚性支撑,保证了手术操作的精度。其次,基于常曲率假设和改进的D-H方法,采用简洁、准确的建模方法,通过分析驱动空间、虚拟关节空间、工作空间三者之间的相互映射关系建立了“刚柔耦合”主骨模块的运动学模型,基于单段“刚柔耦合”主骨模块的运动学模型以及工作空间仿真,分析了两段式刚度可控手术器械平台的运动学模型和工作空间仿真。最后,基于刚度可控自然腔道手术器械平台的结构设计以及运动学分析与仿真,采用实验的方法对样机的刚度特性、刚柔态转换时间、工作空间以及运动误差进行分析与研究,验证本文提出的设计方案的有效性,实验结果表明样机具有优良的“刚柔耦合”性能,高效的刚柔转换效率以及很高的运动精度,能够满足自然腔道手术对手术器械的性能要求。