凭借运动灵活、稳定性高、适应能力强等优点,蛇形机器人在民用、军用等领域逐渐显现出广泛的应用前景。在蛇形机器人的众多基础运动中,以蜿蜒运动和攀爬运动最为典型。因此,本文着眼于蛇形机器人的这两种基础步态,融合滑模变结构控制、扩展卡尔曼滤波等技术,深入探究并设计了基于蜿蜒与攀爬运动的更具普适性的先进步态。通过不同场景下的仿真分析与实验案例,论证了本文所设计控制方法的有效性与实用性。首先,本文对蛇形机器人的机体结构和基础步态进行详细的分析。在对比分析常用的关节连接方式的基础上,基于实际功能需求选择正交连接作为本文设计的蛇形机器人的关节连接模式。接着,详细描述了所设计蛇形机器人的单元模块、整机构型以及控制结构,为步态设计与改进提供了良好的平台基础。最后,基于控制函数法对基础运动步态下控制参数对机器人姿态的影响进行详细分析,为先进步态的研究提供了理论基础。其次,以蛇形机器人的传统蜿蜒步态为研究基础,深入探讨了其在运动中的头部摆动、目标定位以及方向控制等问题。首先基于旋量理论建立蛇形机器人的运动学模型,用于描述机器人在世界坐标系下的位姿描述并传递目标位姿。接着提出基于Sigmoid的幅值分段式蜿蜒步态函数来解决机器人头部晃动的问题,为目标定位提供技术支撑。最后设计了基于滑模控制的轨迹跟踪控制器,并融合主流的目标检测技术提出一种新的先进步态,实现了对一般直线轨迹的准确跟踪。然后,以蛇形机器人的传统攀爬步态为研究基础,创新地设计了在变杆径环境下的内、外管道自适应的先进攀爬步态。基于弹性包络思想的安全性分析为攀爬运动的可行性指明了方向。采用所设计的结合扩展卡尔曼滤波理论与解耦步态控制函数方法,成功实现了机器人对变杆径外管道的解耦参数自适应攀爬运动。在此基础上,对基于外管道攀爬的相关理论进行适当扩展,成功实现了蛇形机器人在变杆径内管道环境下的自适应攀爬运动。最后,在CoppeliaSim仿真平台中利用虚拟蛇形机器人模型进行多场景仿真实验,验证所设计的蜿蜒先进步态与攀爬先进步态的有效性与实用性,为蛇形机器人在现实环境下的应用研究奠定基础。