由于地震、山体滑坡等自然灾害发生后会形成大片的废墟,这些情况会给灾后救援带来很大困难。机器人协助救援成为一种比较高效且安全的救援形式。蛇形机器人是一种特殊的移动机器人,它细长的身体能深入狭隘空间,质量小且在机械本体上分布均匀,能够适应疏松路面等恶劣环境。蛇形机器人具有超冗余自由度,使其运动具有很强的灵活性,对环境的适应性很高。因此蛇形机器人比较适合协助救援。蛇形机器人在实际的灾后救援任务中往往需要通过穿过狭窄空间使用头部相机对灾区现场的图像信息进行采集以及进行末端操作控制任务。为了完成协助救援任务,本文研制了一套轻型蛇形机器人样机和实时控制系统,并研究了蛇形机器人背脊曲线（backbone curve）离散化方法以及分段运动规划策略。最后穿越狭窄孔洞和末端运动规划的实验证明了策略的有效性。针对轻型蛇形机器人样机研制和实时控制系统设计问题,首先本文在结构上设计了模块化关节,关节间采用法兰进行连接,关节轴线相互正交分布,构成蛇形机器人。通过机器人模块机械结构和电气系统的定制设计,实现了结构紧凑轻巧的设计目的。为了满足蛇形机器人超冗余自由度对实时性的苛刻要求以及控制平台的易扩展性,本文提出了基于Linux系统嵌入Xenomai内核的蛇形机器人实时控制系统,同时采用机器人操作系统（Robot Operating System,ROS）进行非实时任务层的规划。通过对比实验验证了该系统的可靠性和实时性。此外,通过将IMU传感器融合输出的蛇形机器人头部末端姿态用于头部相机图像的修正,进而实现蛇形机器人运动过程中对周围环境的实时观测。针对目前蛇形机器人基于背脊曲线离散化的运动规划局限性问题,本文对背脊曲线离散化方法进行了适当地改进。本文建立了一般分段背脊曲线的构建方法与边界约束条件。为了改进平面背脊曲线的离散化,本文提出了基于最小旋转标架（Rotation minimizing frame,RMF）的离散化方法,相对于传统的基于曲率挠率积分的离散化方法,本文通过数值实验证明提出的方法计算量大大降低,同时降低了离散化的误差。为了降低空间背脊曲线离散化误差,本文提出了基于曲线能量标准和最优化的空间背脊曲线的离散化方法。基于算法的对比数值实验结果,该方法相比于传统方法大大降低了空间背脊曲线离散化误差。针对蛇形机器人面向协助救援侦察任务时穿越狭小空间的运动规划需求,本文对基于贝塞尔背脊曲线的分段运动规划策略进行了研究。针对基于贝塞尔背脊曲线的分段运动规划策略,本文设计了可以灵活调整的分段背脊曲线。与现有的分段背脊曲线运动规划策略对比,本文设计的背脊曲线离散化后的构型有更大的工作空间。通过控制背脊曲线变形并进行离散化进而实现机器人位姿的灵活调整,规划蛇形机器人关节通过狭窄空间。最后穿越墙面孔洞动力学仿真实验证明了基于贝塞尔背脊曲线的策略的有效性。针对蛇形机器人协助救援任务中末端操作控制的运动规划问题,本文提出了基于灵活工作空间的蛇形机器人分段运动规划策略。通过对机器人的运动链进行分段,进而建立分段运动学模型,并基于运动链末端所在分段的灵活工作空间完成蛇形机器人运动链逆运动学的解算。此外,为了避免初始时刻部分模块与地面发生碰撞,本文提出了基于笛卡尔空间的整体规划方法,解决了机器人模块与地面发生撞击影响到蛇形机器人的运动稳定性的问题。在保证蛇形机器人稳定的前提下,通过运动学分段求解实现了蛇形机器人头部末端的精确运动控制,并用仿真证明了策略的有效性。最后,将提出的策略与现有分段运动规划策略进行工作空间的对比,证明了提出的策略适用性广的优点。为了验证提出的蛇形机器人的运动规划策略的实际有效性和优点,本文对提出的基于贝塞尔背脊曲线和基于灵活工作空间的两种分段策略分别与现有的策略进行了对比实验。穿越墙面狭窄孔洞对比实验证明了提出的基于贝塞尔背脊曲线的策略的有效性和灵活性。蛇形机器人末端运动规划对比实验证明了基于灵活工作空间的策略的有效性和精确性。此外,通过实验证明了基于IMU传感器融合的头部末端姿态修正头部相机图像方法的有效性。因此,本文提出的运动规划策略满足协助救援时蛇形机器人深入狭窄空间侦察和末端操作任务的需求。