刀具检测是盾构施工中的重要课题之一,其作业空间狭小、环境压力高、湿度大,人工介入风险高、效率低。蛇形臂机器人以细长的结构、超冗余自由度和远程线缆驱动等特点在受限空间和危险环境具有广阔的应用前景。蛇形臂机器人的辅助刀具检测系统能提高检测效率和灵活性,避免停机延误和开舱风险,对盾构的安全高效施工有着重大的意义。为了使蛇形臂机器人应用于刀具检测,本文研究了轻量化和模块化机械设计、线缆驱动超冗余机械臂运动学、多模式运动规划和线缆驱动系统控制等关键技术,并搭建了人机交互界面和虚拟仿真环境,主要内容如下:(1)设计了中空的蛇形臂和关节结构以及紧凑的线缆配置和驱动模块,利用万向节轴角与空间弯曲的转化和线缆空间与关节空间的逆运动学分析了线缆的最大位移,提出了最小-最大线性规划法来计算线缆的最大拉力,给出了主要驱动元件的选型。(2)建立了线缆空间、关节空间和笛卡儿空间的运动学映射。提出了改进末端跟随法的关节空间与笛卡儿空间逆运动学方法,5种算法的对比证明了改进方法效率的提升和关节极限、位形偏移性能的优化。针对线缆空间与关节空间正运动学的非线性和耦合性,构造了其雅可比矩阵的解析表达。采用几何法推导了精确的二维和三维工作空间边界,与数值法的对比结果表明了其正确性及分析边界和内部形貌的有效性。(3)针对简单环境的位形和位姿调节任务,分别研究了独立关节空间弯曲运动规划和基于雅可比矩阵的笛卡儿空间运动规划。针对非结构环境的导航,提出了基于增量式路径规划和改进末端跟随法的在线运动规划方法,并推广到任意中间蛇形臂的跟随运动规划。针对受限空间的全局避障,对关节位置进一步约束,实现了路径跟随运动规划。通过对4种运动模式的仿真,证实了算法的有效性。(4)设计了层次化的控制架构,采用牛顿-欧拉法建立了蛇形臂机器人的动力学模型,提出了基于计算力矩的线缆拉力优化与控制策略,并通过仿真验证了线缆拉力的合理性以及轨迹跟踪控制的精确性和鲁棒性。(5)开发了基于ROS的软件平台,实现了线缆传动描述、指令映射和上述关键技术的算法。通过对人机交互、运动规划和运动控制等应用的测试,验证了系统的有效性和完整性。