蛇形机器人具有模块化、高冗余度的结构特点,能够实现多种复杂的运动步态,在军事、民用等领域有着重要的应用价值。在蛇形机器人的众多步态中,攀爬运动的应用最广,在桥梁安全检测等方面发挥着重要的作用。本文利用解耦思想和扩展卡尔曼滤波实现了蛇形机器人变直径攀爬运动的理论分析和实验仿真,并基于弹性包络思想对攀爬运动的安全性能进行了分析。首先本文对研究所用的蛇形机器人实体的组成部分进行了细致的展开与讲解,探讨了连接各个关节模块的多种方式,描述了蛇形机器人位于不同部位的关节模块的结构特点,对采用的舵机、电源、通信系统、控制系统和传感器等也相应地做出了参数化的介绍。接着本文基于运动学细致地分析了蛇形机器人的基本步态和变直径攀爬运动,并展开了相应地仿真实验。首先,在旋量理论的基础之上,利用指数积公式建立了运动学模型,简化了建模步骤,然后介绍了蛇形机器人的步态生成方法,并采用控制函数步态生成法得到了蛇形机器人的基本步态。然后针对攀爬运动进行改进,基于解耦思想和扩展卡尔曼滤波实现了变直径攀爬运动,最后基于弹性包络思想对蛇形机器人攀爬运动过程中的安全性能进行了分析。然后对蛇形机器人进行了力学分析。首先基于旋量理论和凯恩方程建立了蛇形机器人的动力学模型。然后把动力学问题简化为静力学问题,基于弹性包络思想求解蛇形机器人的安全攀爬系数和与之对应的控制参数,最后基于ADAMS进行了相应的动力学仿真与分析,验证了其正确性。最后本文基于研制成功的蛇形机器人实体机展开了一系列的实验,并与对应地仿真结果相比对,验证了各种基本步态的正确性与有效性,证实了蛇形机器人仿真结果与实体实验的一致性,为变直径攀爬运动的实现奠定了基础。