随着人类科技的进步,对海洋环境的开发需求日益增长。但由于海洋中寒冷、高压等恶劣环境,常需要使用水下机械臂代替人类完成水下采样、接驳、布放、探测、维护、打捞等任务。传统的水下机械臂虽然作业效率高,在控制精度和稳定性上也有一定保证,但由于其自由度数量的限制,往往在实现机械臂末端位置控制的同时难以对其臂体姿态灵活控制,因此多用于开阔环境中,难以满足在水下空间受限环境下的作业要求。而绳驱多冗余自由度机械臂由于关节数量较多,具有优越的避障能力的同时,具有一定的负载能力。虽然目前国内外科研机构针对绳驱多冗余自由度机械臂进行了部分研究,并取得了一定的研究成果,但是总体上仍处于实验室内的探索阶段。极少有针对水下环境使用的绳驱多冗余自由度机械臂,且缺少对其逆运动学和精确运动控制进行系统的研究。因此,本论文设计了一种可用于水下的绳驱高冗余自由度机械臂,详细地推导了运动学公式,建立了驱动空间-关节空间-操作空间的映射关系,基于运动学模型设计了运动控制器,并通过5关节机械臂样机实验验证了结构设计的合理性、正逆运动学求解的正确性以及控制器的有效性,并进行了简单的水下实验。本论文共分为五章,现分别简述如下:第一章,阐述了可用于水下的绳驱高冗余自由度机械臂的研究背景与意义,介绍了水下传统机械臂和绳驱高冗余自由度机械臂的研究现状。基于水下空间受限环境的作业需求和该类机械臂运动灵活的结构特点,提出了将该类机械臂用于水下环境,并归纳了在复杂水下环境下对其进行运动控制的难点。最后概述了本论文的主要研究内容。第二章,考虑机械臂负载能力、轻量化设计、密封性、材料选择等问题,对该机械臂进行了结构设计,对关节单元零件、关节连接结构、抗压结构等部分进行了优化设计,分析了驱动绳的布置、数量选择以及各传动单元模块布放位置等问题。最后根据机械臂控制的需求,选取了合适的电机及其减速器、电机驱动器、数据采集系统、磁栅位移传感器等器件。第三章,针对本论文所设计的绳驱高冗余自由度机械臂,推导了其驱动空间-关节空间-操作空间的运动学模型。利用关节间的几何关系和坐标变换方程对驱动空间与关节空间的正逆运动学关系分别进行了求解。通过坐标变换方程建立了关节空间-操作空间正运动学模型,针对其复杂的逆运动学求解问题,根据该类机械臂一般的应用场景和运动模式,将其运动过程分解,利用几何关系和空间向量坐标变换矩阵对不同运动阶段的逆运动学进行求解。第四章,针对该绳驱高冗余自由度机械臂的精确运动控制,基于运动学模型设计了 PI控制器,并通过实验验证了其有效性。通过对加工和装配好的5关节机械臂样机进行了正运动学控制、基于逆运动学的末端轨迹控制、避障条件下的末端轨迹控制、水下运动实验来验证了机械臂结构设计的合理性、正逆运动学求解的正确性以及运动控制器的有效性,实验结果表明了该机械臂适用于水下受限空间作业任务。第五章,归纳总结了本论文的主要工作与研究结论,并对该绳驱高冗余自由度机械臂的研究进行了展望。