蛇形机械臂具备自由度高,结构细长等特性,能够灵活穿越难以到达的狭窄深腔环境,进行探测、维修、制造等工作,在航空制造、核电设备检修维护等领域有着广阔的应用前景。本文针对在狭窄、深腔、恶劣的环境中进行探测、打磨、装配等作业的需求,设计了一款13自由度的绳驱蛇形机械臂,通过对蛇形机械臂进行结构设计、运动学分析、运动规划、柔顺力控制策略研究,利用Simulink和Recurdyn多体系统仿真软件建立相关模型,进行联合仿真验证,最终,所设计的蛇形机械臂成功实现了穿越狭窄深腔环境以及末端工具与环境的柔顺力控制。针对狭小空间的应用环境与性能指标的要求,设计了蛇形机械臂的外形尺寸和驱动方式。利用关节间的最大转角,计算了钢丝绳的最大行程,利用静力学分析结论,计算了钢丝绳的最大拉力。通过对性能指标的分析计算,对驱动元件进行了选型。最后,利用Solid Works对设计的蛇形机械臂单元进行了强度校核。对蛇形机械臂进行了运动学分析,通过建立简化的运动学模型和构建其次变换矩阵,研究了关节空间到工作空间的正、反解以及驱动空间到关节空间的反解,并进行了验证。基于蛇形机械臂的最大转角限制以及所设计的结构尺寸,进行了工作空间分析。最后利用静力平衡原理进行了静力学分析。对蛇形机械臂进行运动规划。首先,通过Q-learning算法对蛇形机械臂末端进行了三维路径规划,并进行了仿真验证。然后,将得到的三维路径进行平滑处理、离散处理得到路径点集,通过优化后的迭代搜索的方法确定了蛇形机械臂各关节中心点的目标位置,得到各关节中心的目标点集。最后,通过关节空间到工作空间的反解与五次多项式插值得到关节角度和基座位移与时间的关系,并通过Simulink和Recurdyn的联合仿真进行验证,实现了对蛇形机械臂平稳精确的运动控制。设计了导纳控制系统,实现了蛇形机械臂末端工具与环境接触平面的法向接触力控制。基于蛇形机械臂不同姿态下,末端工具的重力对三维力传感器的干扰,进行了重力补偿分析。最后,通过联合仿真验证了蛇形机械臂末端位置和接触力的控制精度。