超冗余度机械臂由于其大长径比、多自由度、高灵活性等特性,在航天航空制造、核电设备检修等领域的深腔和危险环境作业中有重大应用价值。本文设计了一款具有24个自由度的绳驱动超冗余度机械臂,建立运动学模型并研究了相关运动规划技术,在搭建的实验平台上开展相关实验,实现了穿越受限空间的深腔探测运动。针对深腔作业需求,确定了超冗余度机械臂性能指标,提出了模块化和轻量化设计方案,研制了一款由套筒、关节、牵引绳组成的超冗余度机械臂。其中机械臂关节采用一种新型万向节设计,具有质量轻、运动灵活、易装配等优点,且中空走线结构使机械臂末端可按需搭载各类探测或执行设备。通过ANSYS仿真以及实验平台对机械臂进行受力特性分析,结果表明机械臂满足强度和刚度的要求。针对设计的机器臂,基于齐次坐标变换建立了机械臂任务空间、关节空间和驱动空间之间的运动学模型;使用Recurdyn对装配有牵引绳的两关节机械臂进行瞬态受力分析,总结出牵引绳受力特性,并以此为基础进行静力学建模,获得了负载与牵引绳拉力的对应关系。针对机械臂开展相关运动规划技术研究,包括关节空间插值运动、任务空间轨迹跟随运动及人工势场法避障运动。为提升深腔探测能力,基于连续路径采用数值求解非线性方程实现了一种跟随末端轨迹的路径跟随运动,具体分析了方程求解精度与路径跟随误差的关系。然而数值求解非线性方程效率较低,于是基于离散路径曲线,提出了采用迭代步长顺序查找法和线性插值优化的路径跟随方法。通过Matlab仿真,从运动精度、平顺性及耗时等方面对规划方法进行分析评价,验证了方法的可行性和高效性。搭建了实验平台,并在实验样机上进行末端负载、深腔探测、任务空间轨迹跟随、路径跟随实验,展示了机械臂优良的工作性能,验证了超冗余度机械臂设计以及运动规划的合理性与有效性。