面对灾害救援、地质勘测、核与辐射设备维修、有毒废弃物处置等狭小、多障碍、高风险的作业环境,体型纤细且拥有冗余自由度的特种机器人具有极大的应用前景,未来有望成为极端环境下的作业主力。传统关节式机器人其电机、减速器、传感器及控制器均集成于关节模块,整臂体积与质量大,难以满足狭小空间操作要求。本文设计了一种机电分离、臂段轻质、可达域广,且具备良好弯曲特性与灵活运动能力的绳索驱动分段联动机器人,完成样机研制并开展典型任务实验。针对狭小空间作业环境的特点及需求,分析并确定了机器人的功能及性能要求,提出了一种分段联动、段内全联动的绳索机器人方案。整个机器人由操作臂和驱动箱组成,基于机电分离的思想,电机、传感器及控制器集成于驱动箱中而无须直接暴露在恶劣环境中,作为运动部件的操作臂不包含电气元件因而可适应极端环境。操作臂长1.55米,由4个臂段组成,具有8自由度运动能力,可穿越40毫米狭小空间。每个臂段由3根钢丝绳驱动,臂段内的同向自由度彼此耦合联动,确保了整臂弯曲时的外形曲率连续。驱动箱的设计上实现了12个电机按阶梯状立式排布,旋转编码器安装在钢丝绳绕过的轮轴处,提高了集成度,大大减小了尺寸,进一步节省了空间。上述设计有利于操作臂的小型化和轻质化,紧凑的驱动箱内部设计也极大地减小了其包络尺寸,为机器人提供了更好的极限环境适应能力和狭小空间作业能力。根据设计的绳驱分段联动机器人结构,建立了系统的运动学模型并开展绳索耦合分析,进一步推导了耦合补偿方程以提高机器人的运动精度。推导的运动学模型和耦合方程反映了电机、绳索、运动副及机器人末端的多层映射关系。在此基础上,开发了由PC上位机和机载嵌入式控制器组成的控制系统。上位机面向操作者,不同的上位机软件满足不同场合及功能的使用需要;下位机以ARM芯片为处理器,集成了传感器采集、信息处理、控制指令生成、CAN通讯等功能。在上述工作的基础上,开发机器人样机、进行性能测试,并进一步开展典型任务实验。实验结果表明:样机性能指标达到设计要求,运动性能灵活稳定,弯曲曲率连续,满足小空间环境的操作要求。