随着机器人技术的发展，目前在工业领域中，传统机械臂已经能够代替人工执行操作简单、重复性强的作业任务。但仍然存在一些复杂狭窄的场景，传统工业机器人很难开展作业，例如核设施检测、飞机零部件装配、电力设备维护等。同时这些场景中，人工作业的方式，要么很难保证作业质量和作业安全，要么因为环境中存在高温、高辐射、有毒有害气体等情况，根本无法进行现场作业。这些场景的共同特点是作业空间复杂狭窄、障碍物分布杂乱、工作环境恶劣、作业点位于空间深处等。因此，针对复杂狭窄空间中作业型机器人的研究具有很重要的理论意义与应用价值。本文以具有大长径比、超冗余自由度的机械臂为对象，在机构设计与实现、运动学建模、张力建模与优化以及避障路径规划等方面开展研究，主要内容如下：

第一，针对复杂狭窄空间中的作业需求，研制了一种基于多自由度关节的超冗余绳索驱动蛇形机械臂。利用关节的多自由度设计，提高了机械臂的灵活性。通过模块化的关节和连杆结构，达到了不同作业场景下机械臂的灵活配置。针对绳索驱动器高精度、高负载、小体积的要求，研制了基于梯形丝杠的直线式绳索驱动器。针对狭窄空间的作业需求，优化了驱动器布局，将它们按筒状结构分内外两圈排列。最后，搭建了蛇形机械臂控制系统，形成了10关节蛇形机械臂实验平台。

第二，针对绳索驱动超冗余机械臂的运动控制问题，提出了一种由驱动空间到位姿空间的运动学建模方法。通过分析机械臂位姿、关节角、绳索长度以及电机驱动位置之间的关系，建立了运动学模型。针对工作空间求解时运动学逆解困难的情况，利用正运动学建立了基于蒙特卡罗方法的工作空间求解模型。在此基础上，通过分析连杆长度、关节最大转向角等机构参数对工作空间的影响，对超冗余机械臂的机构参数进行了优化。

第三，针对绳索驱动下的张力估计与优化问题，提出了一种绳索张力建模与优化方法。基于刚体力矩平衡原理，建立了绳索张力模型，并按照关节机械约束进行力矩分解，实现了绳索张力的求解。利用机械臂的冗余自由度，在路径规划中根据张力模型构建张力优化评价函数，实现了绳索张力的优化。

第四，针对超冗余机械臂的避障路径规划问题，提出了一种改进人工势场法与关节跟随避障相结合的路径规划方法。通过将路径规划过程分解为两个阶段，降低了规划的复杂度。在第一阶段，针对机械臂的末端引导轨迹搜索，提出了一种基于被动斥力机制的改进人工势场法，避免了引力函数和斥力函数失配导致的问题。在第二阶段，针对机械臂末端沿引导轨迹前进时其余关节位姿求解的问题，通过关节和连杆之间的几何约束关系构建了适应度函数，提出了一种基于最优搜索的关节跟随方法。同时，为实现避障功能，提出了一种基于夹角的碰撞检测方法，提高了碰撞检测效率。

第五，针对绳索驱动的蛇形机械臂几何参数标定问题，提出一种基于关节旋转角的参数辨识方法。利用对旋转角的测量代替对关节末端位姿的测量，克服了测量过程复杂、设备昂贵的难题。以关节角为中间变量，分析了几何参数与旋转角之间的关系，建立了几何参数辨识模型，实现了关节几何参数标定。针对旋转角测量问题，将单目相机和加速度传感器的信息通过扩展卡尔曼滤波进行融合，提出了一种操作简便、成本低廉的旋转角测量方法。基于上述辨识方法和测量方法的标定过程，具有较高的操作便利性和环境适应性。

最后，对本文的工作进行了总结，并指出了需要进一步开展的工作。