行星表面探测是一项伟大而艰巨的任务,通过探测行星表面来研究其地质特性和周围环境,探索和研究行星系统的演变过程,可为未来人类开发和运用行星资源奠定基础。行星表面地质环境复杂,多崎岖路况,传统机器人质量及体积大,运动自由度少,难以适应行星表面环境,而蛇形机器人为超冗余机器人,运动灵活且重心低,适合于在崎岖路况或狭小空间中探测应用。本文面向行星表面探测的需求,设计两种不同的蛇形机器人构型,开展运动学分析及步态规划,并研制样机,开展实验研究。根据应用需求,确定蛇形机器人的功能及性能指标要求,设计了两种蛇形机器人构型及相应的模块化关节,即模块化单自由度关节和模块化双自由度球形关节,前者关节力矩直接输出控制简单,后者关节力矩经传动机构输出,关节驱动能力有所增强。在实际应用中,可根据具体的情况,采用相应的构型和关节。为实现蛇形机器人的步态规划及运动控制,采用D-H法对所设计的两种构型进行运动学建模;通过对生物蛇运动形式的分析,并结合设计的构型,规划了蛇形机器人的蠕动步态、滚动步态及Serpenoid曲线步态,并编写规划软件程序进行步态仿真,验证了理论推导及规划算法的准确性。控制系统是蛇形机器人运动控制的核心,本文以ARM处理器为核心,基于模块化思想设计并开发了蛇形机器人的嵌入式硬件控制器,软件系统移植了实时操作系统uc/os-ii,利用其灵活的任务调度机制,通过编写任务控制函数实现了多任务的管理。基于上述工作,完成了两种构型蛇形机器人样机的机械加工、组装及调试,并以其中一款样机进行了不同路况下的运动控制实验,包括室内地面,室外的草丛、沙石等环境下的蠕动、滚动及Serpenoid曲线的运动步态及越障实验。结果表明,该蛇形机器人运动能力较强,满足多种路况下的应用需求。