随着科学技术的发展，航天、航空以及核电等领域逐渐成为彰显大国科技实力的重要领域。定期的监测和维护是确保航天器、大飞机以及核设施等设备正常工作的必要条件，但是此类设备往往具有复杂的结构，使得可供开展监测作业的空间非常狭小。鉴于绳索驱动超冗余机器人具有极强的灵活性和柔顺性，可以穿越狭小空间，并能适应于极限环境，因此在大型设备的狭小空间监测中具有巨大的应用潜力。然而，其运动学建模、轨迹规划及控制与传统的关节式机械臂相比要复杂的多。基于此，本文开展了上述理论和方法的研究，并建立了实验系统，进行了实验验证。　　针对超冗余机器人自由度多、执行任务时需同时考虑机械臂末端位姿和整体构型的问题，提出了逆运动学及任务构型求解的分段几何法。该方法的关键在于将超冗余机械臂从几何上分为多段，每一段的关键点根据期望的末端位姿和整体构型确定，然后根据关键点的位置分别求解每一段的关节角度。受人手臂结构的启发，超冗余机械臂被分为肩部、肘部和腕部。其中，肩部有 4 个自由度，相对于定位而言，有一个自由度的冗余，采用臂型角参数来表示该冗余性，可优化肩部构型。腕部由最后一个万向节构成，实现末端效应器的定位，其关节角的大小通过匹配末端效应器的方向矢量来确定。其余关节构成肘部，相应的关节角通过空间圆弧来确定，避免了内部奇异的发生。所提出的分段几何法可以根据臂型角、空间圆弧参数及末端方向矢量来求解机械臂的所有关节角，并可根据任务设计合理的构型。　　为了进一步发挥超冗余机器人的冗余性，适应更复杂的任务构型，进而提出了超冗余机械臂逆运动学求解的改进模式函数法。该方法根据作业任务及环境的特点，通过模式函数定义了超冗余机器人的空间脊线。将所有的关节划分成 M/2 组（M 是万向节的数目，假定 M 是偶数，如果万向节数目是奇数那么最后的万向节单独分组），相应的整个超冗余机器人可以划分为 M/2 个子机械臂，每一个子机械臂有 4 个自由度。最后一组子机械臂用于匹配末端期望的方向向量及位置，其余的子机械臂以等效臂杆的形式将其端点拟合到脊线上，结合脊线方程及机械臂的长度解出各子机械臂端点在空间的位置，基于此，通过解析方法求解各自的关节角。改进模式函数法采用了臂型角参数和等效臂杆参数，可进一步优化局部构型，且计算效率得到了提高。　　针对狭小空间中执行任务时需要回避不同类型障碍物的问题，提出了障碍物混合建模及回避方法，将基于超二次曲面建模-伪距离优化（粗、高效率）与精确几何建模-欧式距离优化（精、高准确性）结合起来，兼顾了算法的有效性和准确性。障碍物之外的空间划分为安全区域、预警区域和危险区域，在安全区域和预警区域之间设置预警边界，并采用超二次曲面函数来描述预警边界，通过改变指数参数即可用于不同类型障碍物的建模。基于此模型可实时计算机械臂与障碍物之间的最小伪距离，既作为是否进入危险区域的判据，也作为障碍回避的优化目标。一旦机械臂进入危险区域，则距离计算的准确性成为了主要考虑因素。此时，采用精确几何模型描述障碍物的包络外形，并实时计算机械臂与障碍物之间的欧几里得距离，作为障碍回避的优化目标。在上述不同的阶段，均采用所提出的改进模式函数法对目标函数进行优化，实现了不同障碍的回避。　　在解决了逆运动学求解和轨迹规划的问题后，需要考虑超冗余机械臂的动力学控制问题。所研究的绳索驱动超冗余机器人由多个万向节组成，而电机及传动机构集中放在机械臂的根部，通过绳索传递拉力来实现机器人各万向节的转动。每个万向节（2 个运动自由度）由 3 个电机带动 3 根绳索驱动。整个机械臂具有自由度多、传动链长、耦合关系复杂等特点。基于此，论文推导了绳索驱动超冗余机械臂的多层级运动学及力传递模型，建立了电机驱动力、绳索拉力及关节轴受力之间的力传递关系，以及电机角、绳索长度、机械臂关节角之间的运动传递关系。对所推导的方程进行编程并封装为Simulink的模块，再结合 Matlab/SimMechanics 工具箱，搭建了超冗余机械臂的动力学仿真模型；进一步，实现了基于上述动力学模型的计算力矩控制算法，结合前面研究的轨迹规划算法，完成了绳索驱动超冗余机械臂的闭环控制仿真。　　最后，开发了基于 Open Scene Graph（OSG）的任务仿真系统和全物理实验系统，将所研究的轨迹规划和控制方法在仿真系统和全物理实验系统中进行了仿真和实验，结果验证了所提出方法对超冗余机器人规划控制的有效性。