使用主从式微创手术机器人辅助完成微创外科手术已经获得愈加广泛的认可和应用,不仅将医生从传统微创手术中解放出来,而且缩小了病患创伤以及缩短了术后恢复时间,达到医患双赢的目的。主操作手是主从式微创手术机器人的重要组成部分,是人机交互的载体,其机械结构设计的优劣直接影响整个微创手术机器人系统性能的发挥。本文在天津市自然基金项目的资助下,对主操作手进行了详细的机械结构设计、运动学分析、结构优化分析以及仿真验证。首先,提出设计要求,基于设计要求进行了主操作手的机械结构设计,确立主操作手为主从异构6+1自由度串联构型。主操作手由底座机架、大臂、小臂、姿态机构、夹持机构五部分组成,底座的旋转、小臂的俯仰以及一个姿态自由度通过钢丝传动系统传递位于远离关节处的电动机的输出力进行牵引,设计了可行预紧机构,合理预紧力下无回差,使电机输出力的传递更精确平稳;根据设计要求对大臂、小臂进行了配重分析,结合配重完成了电机选型,并对主要承重件进行了有限元分析。其次,本文采用一种刚柔结合传动结构,即在主动轮行程转角不大情况下,把柔性钢丝非行程段以刚性结构替代。计算出了刚柔结合传动结构刚度公式,理论推导出了传动误差公式、传动系统横、纵向振动固有频率公式,并对传动刚度与传动误差、传动系统横、纵向振动固有频率的关系进行了参数化分析。通过进行ADAMS仿真和构建实验平台进行试验,利用对比方法,得出刚柔结合传动结构的传动效率高于柔性钢丝传动结构的结论。最后,本文采用D-H法完成了主操作手运动学坐标系的建立,计算出了末端执行点的正运动学模型,并对其完成了求解;根据运动学模型,计算出雅可比矩阵,基于雅可比矩阵计算并分析了主操作手的可操作度和灵巧度;利用蒙特卡洛法仿真出主操作手运动空间,证明主操作手满足手术要求;最后,分别对主操作手进行了运动学正解与逆解仿真,验证了主操作手运动学正解和逆解的正确性和结构设计合理性。