蛇形机器人能够采取灵活的方式在多种地形上运动,在军事侦察、灾害搜救领域展现出广阔的应用前景。然而,对机构地形适应性和运动学研究的不足长期制约蛇形机器人的实际应用。为解决这些问题,本文创造性地提出正交主动轮蛇形机器人设计理念,该理念将仿生并联关节与轮式行走机构有机地融为一体,在保持蛇形机器人串联超冗余度特点的同时提高其执行侦察搜救任务的能力。本文主要工作如下：1、通过机构构型综合法设计正交主动轮和2-UPS/U仿生并联关节机构。从尺度型与自由度角度证明这两种机构有助于提高蛇形机器人的地形适应性和机动性,并且拓展出多种高效率的绳状轮式运动。2、针对实际任务对机器人关节输出力矩的要求,建立关节在工作空间内总体输出力矩的表达式以及运动学约束,采用SQP优化算法以力矩最大为目标对机构参数进行优化,对优化结果进行分析。3、探讨影响机器人机械系统性能的关键因素,在此基础上提出机电融合设计思想,基于该思想研制蛇形机器人单元样机的机械系统和电控系统,对样机运动学和力学性能进行测试,并且设计出面向实际任务的蛇形机器人半自主运动控制系统。4、研究基于旋量理论的蛇形机器人运动学建模方法。采用虚设机构法建立任务环境下的蛇形机器人头部位姿表达式。针对绳状轮式运动的特点采用功能分区几何参数法建立形态描述和运动控制策略。全文对正交主动轮蛇形机器人机构及运动学进行深入研究,通过理论分析、实验与仿真证明该机构具有较强的抬起能力、较高的运动效率,以及在复杂地形下的高机动性,对侦察搜救蛇形机器入研究具有很高的参考价值。本文提出的运动学建模方法为任务环境下蛇形机器人的运动控制奠定基础。