多冗余机械臂能够克服传统非冗余度机器人操作臂的灵活性差、环境适应性不高的缺点,有利于提高操作灵活度、回避障碍能力,有着很好的可操作性,其研究在诸如空间漂浮物包围抓取与回收等的空间技术、复杂环境等方面具有实用价值,因此本文基于一种改进型无奇异全方位关节机构研究多自由度机械臂及其仿生运动理论具有重要的理论意义与应用价值。本文在分析PYR型系列全方位关节运动原理基础上进行了改进的全方位关节单元机构设计和多冗余自由度蛇形机械臂设计。基于钢索和导向轮驱动的PY型及PYR型关节实现了轻量化小型化设计,采用滑块机构解决了俯仰和偏摆运动耦合问题。设计的多自由度机械臂具有模块化组合式特点,既可作为进行包围抓取与移动操作的机械臂,也可作为地面上蛇形移动的机器人。在对已取得的PYR型关节运动学研究基础上,本文还针对包围抓取、蠕动式爬行、蛇形移动等作业进行了多冗余度机械臂运动规划及仿生运动研究。运用几何分析法对机械臂进行了包围抓取并移动物体的运动规划,给出了包围抓取模型和满足包围抓取的条件;根据蠕动爬行、蛇形移动的仿生运动原理,结合所设计的全方位关节机构及运动学理论,对所设计的5节11自由度、8节17自由度机械臂分别进行了仿生蠕动爬行及蛇形运动规划。采用蛇形曲线拟合方法,推导出蛇形曲线方程,给出了参数的选取对蛇形曲线形状影响,得出了关节角度输入函数;在理论分析基础上,利用Matlab进行了机械臂运动规划程序设计。在上述机构设计与理论研究基础上,利用机构设计与动力分析软件ADAMS进行了基于PY型全方位关节的多冗余度机械臂3-D虚拟样机设计,并成功地进行了包围抓取与移动物体、蠕动爬行以及蛇形蜿蜒运动仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性,同时仿真得到的各关节驱动力矩数据、曲线为实际样机的设计与研制提供了有效的数据依据。