软体机器人一般具有高度的主动灵活性和被动柔顺性,这使得其在一些非结构化环境中具有很好的适应能力。软体机械臂是软体机器人中的典型形式,一般为细长型结构;其在狭窄通道中的适应能力较刚性机械臂更强,尤其是在发动机检修、微创介入性手术等狭窄场景。目前,已经发展出气压驱动、线驱动、智能材料驱动等不同种类的软体机械臂。各种驱动方式均有其局限性,气压驱动往往控制复杂,线驱动一般变形较小,智能材料驱动尚处发展阶段。与柔顺性相矛盾的是,软体机械臂有时也需要较大的刚度来承担较大的负载,因此变刚度技术成为软体机器人领域的研究重点和难点。本文采用驱动精度较高的线驱动方式,创新设计机械臂本体结构,使本体结构具有大范围弯曲和伸缩能力。本文对该类型机械臂的运动学、静力学、运动控制、形态感知、运动控制以及变刚度等进行研究,主要研究内容如下:首先综合出一种新型的线驱动软体臂变形单元—基于弹簧骨架的可伸缩、可全向弯曲结构。将弹簧式骨架作为机械臂的本体的支撑构件同时也作为驱动线的导向构件,该变形单元的运动空间大、结构简单可靠、运动精度高。本文对该变形单元的运动学和工作空间进行了深入研究,从而为后续机械臂的相关研究打下基础。其次,基于卡氏定理建立了该软体臂关节的静力学模型。基于矢量力学对弹簧结构体进行受力分析,得到其应变能的解析表达式且得出软体臂的应变能与其扭转运动无关的结论;在此基础上采用等效方法简化计算流程,给出软体臂关节的应变能表达式简化形式,基于卡式第二定理计算得到软体臂的等效轴向和弯曲刚度公式,给出了软体机械臂单元姿态与驱动力之间的函数关系。基于运动静力学模型完成软体臂关节的优化设计。建立两段软体机械臂的正运动学和逆运动学模型,为机械臂控制提供理论基础,分析了可伸缩关节相比于传统的不可伸缩关节在工作空间和灵活性方面的优势。基于伪刚体法,提出一种两段可伸缩软体臂逆运动学的解析求解方法并进行了运动规划验证,该模型的求解速度能够胜任机械臂实时运动控制要求。搭建机器人系统物理样机,完成机械臂位姿控制实验。提出一种基于电感量测量的高精度柔性应变传感器原理并将其运用于软体机械臂的反馈控制—将传感器阵列于机械臂外围,赋予了软体机械臂在与外界环境交互条件下的形状自感知能力,完成软体臂的位姿反馈控制实验。针对两段软体臂关节串联组成6自由度软体机械臂的刚度不足的问题,设计一种基于固液相变的刚度控制方案。将LMPA（Low Melting-point Alloy,低熔点合金）包围于铜质螺旋盘管周围,组成高效固液相变控制结构,实现了软体臂的快速大范围刚度调控。变刚度能力使机械臂在工程应用更能发挥其优势。