绳驱式蛇形机械臂是一种仿生物蛇的连续型机械臂,相比于传统工业机械臂,蛇形机械臂能够灵活的在狭小空间作业,同时绳驱式下驱动和作业臂分离的特点有利于机械臂的抗辐射和水下密封设计。本文针对核电站水池的使用环境设计了能够同时满足抗辐射需求和水下作业环境的蛇形机械臂机器人,这时国内第一次尝试把绳驱式蛇形机械臂应用于核环境水下作业。相比于已有的研究,本文的机械臂更注重在实际环境中的功能、可靠性和使用体验,同时在运动学算法部分有所创新。本文首先设计了一款具有18+1个自由度的绳驱式蛇形臂机器人,该机器人手臂部分具有9个全驱动十字万向关节,每个关节有两个自由度,由27根绳索驱动,机械臂整体安装在线性导轨上。相比于国内研究的其他蛇形机械臂,本机械臂的直径更小并且自由度数目更多,能够适应更狭窄的作业环境和进行更灵活的运动。同时,本文结合了水下动密封特点设计了适用于水下密封的驱动结构。最后,在机械臂末端集成了照明模块、摄像头模块、吸泵模块,使机械臂可以在水下进行视频监控和微小异物处理。在设计方案的基础上,利用传统DH法建立了机械臂的正运动学模型,并以此为依据基于蒙特卡洛方法求解了蛇形关节臂的工作空间。然后为了解决常用的基于雅克比逆解算法求解机械臂运动学逆解的实时性不高的问题,采用了FABRIK算法用于运动学逆解,同时结合了FTL算法和力触控机械笔,提出了一种实用的解决蛇形机械臂在复杂环境运动的低运算量方案。接着,对FTL算法的求解过程提出了改进,并解决了FABRIK算法和FTL算法求解过程中无法对末端姿态进行约束的问题。最后基于以上算法进行了运动仿真以验证算法效果。传统的蛇形机械臂控制需要手动给定目标点,这种方式不够方便、安全和精确,为此本文引入了双目定位技术和手眼标定技术实现了目标区域的三维点云重建,不仅可以方便的完成目标点三维坐标获取,同时使得蛇形臂可以在水下使用两个小型摄像头实现数据采集和测量。最后,本文编写了基于Cloud Compare框架的软件以实现以上算法和操作流程,并进行了相关实验以验证测量效果。最后,建立了蛇形机械臂的电控系统,以及以C#语言WPF框架的上位机控制软件和Twin CAT软PLC的下位机控制软件。相比于已有的研究,在电控方面增加了独立的监控模块以增强设备可靠性,在上位机软件方面为强化人机交互能力以Direct X为基础实现了机械臂实时姿态的3D动画。为了测试算法和基础设计的可靠性,本文搭建了测试平台进行测试,测试结果证明了运动学算法的实用性,同时为机械上的进一步改进提供了思路。