轮船螺旋桨清洗质量是影响航行效率及燃油消耗的重要因素。本文通过运用仿生学原理对船体清洗机器人系统及超灵巧机械臂(Hyper-Dexterous Manipulator,HDM)进行了理论分析、结构设计、仿真试验及物理试验。最终对超灵巧机械臂的清洗功能及刚柔耦合特性进行了论证。对提高我过轮船自动化清洗及提高航运效率有指导意义。本课题来源于国家自然科学基金资助项目(项目编号:51375519)。本论文的主要研究包括以下几点:(1)针对螺旋桨清洗对清洗机器人的整体无死角、高效、自动化的要求,对清洗机器人的机械臂及载体做出了设计。选定清洗介质为水射流后,采用仿生学原理对传统的柔性连续型机器人进行了改进设计了一种同时具有高灵活性与高承载能力的刚柔耦合HDM机械臂。同时对机器人的载体进行了仿生学设计,设计后的机器人载体具有章鱼的吸附特点,对比传统水下机器人有一定的改善。(2)对机械臂的运动学及动力学模型进行研究,运用用几何学分析首先对单段HDM模型进行了运动学正解,推导了由驱动空间到关节空间的映射关系。之后基于前文基础,对单段HDM模型进行了运动学逆解,推导了由关节空间到操作空间的映射关系。在单关节正逆解的基础上,对多关节的关节空间以及操作空间的映射关系进行了推导,完成了运动学分析。根据机械臂运动特点,对机械臂模型进行了动力学分析,确定了驱动力矩及广义力与执行端之间的映射关系。并最终根据以上理论基础对运动学控制做出了研究。(3)为了对HDM机械臂理论模型进行验证,采用了刚柔耦合建模方法对HDM机械臂进行了仿真试验验证。根据机械臂特点结合仿真软件特点最终采用ADAMS软件来实现仿真分析。ADAMS仿真环境下对刚性部件、柔性部件、绳索型部件三种部件进行刚柔耦合运动学仿真。之后对机械臂及驱动系统进行简化替代处理,对各部分之间的力进行设置。完成模型建立后进行仿真分析,仿真结果对理论模型的有效性进行了验证。(4)通过物理试验对HDM模型的正确性进行进一步验证。结合机械臂不同部位的特点与不同材料的特性,对机械臂各部位选取材料后进行了样机制作。样机完成后以机器人标定系统Compugague为试验工具,对机器人的空载加压下的重复定位精度进行采集后进行处理与理论数据进行对比。通过数据的处理与对比证明了模型的正确性、有效性。