机器人有效地降低了人类在危险环境中作业的生命风险,已成为一种比较高效且安全的探测工具。其中,具有轻质、便携、低成本等优点的充气式机械臂,能够有效解决现有探测装置环境顺应性有限的问题,在未来的灾害、考古等探测场景中有着巨大的应用前景。以欧美、日本为代表已经率先展开了对充气式机械臂的研究,然而相关研究尚处于新兴阶段,仍存在很多亟需解决的问题。本文针对面向探测应用的任务需求,研制了具备“结构轻巧、可折叠、安全、低成本”等特性的充气式机械臂系统样机。同时,基于样机平台深入研究了充气式机械臂的模型构建及运动控制理论,并通过实验验证了设计、建模、控制方法的有效性。构建了充气式机械臂模块化系统的设计方案,并详细设计了机械臂的驱动方式、气压控制方式、位置感知方式及臂杆成型工艺,实现了面向探测应用的初步权衡;提出了可定量描述关节特性的参数化设计模型,其中包括结合了膜模型和梁模型的异形充气管道刚度模型,并通过对比实验验证了设计模型的有效性和优越性;通过基于模型的优化设计完成了对关节各项特性的进一步权衡;基于优化设计结果搭建了模块化关节系统样机,并通过性能测试分析验证了设计方法的有效性。深入研究了充气式机械臂的模型构建理论,实现了准确的运动特性分析。基于虚功原理提出了完善的气动人工肌肉静态特性理论模型,通过考虑弹性能及摩擦能量损失的补偿项实现了非线性及迟滞特性的准确预测,并通过对比实验验证了模型的有效性;基于对机械臂的运动形态分析,利用开环标定方法对比了串联刚体法和分段常曲率假设,从而实现充气式机械臂的运动学描述;针对充气式机械臂薄壁非完全连续体的结构特性,提出了递推Cosserat杆理论动力学建模方法;给出了正逆动力学的求解方法,采用隐式差分方法简化了偏微分方程的边值求解问题;对模型进行了参数辨识,通过对比实验验证了模型的实时性和准确性;通过基于模型的机械臂位置跟踪控制对比实验进一步验证了模型的有效性及优越性。针对充气式机械臂模型自身的强非线性及内外强扰动引发的系统模型不确定性,对位置控制策略进行了研究。通过对比现有控制方法,以“少模型、自适应、抗扰动”为目标提出了混合自适应抗扰控制方法;通过模糊逻辑控制将无模型自适应控制和自抗扰控制有效结合,同时保证了两个子控制器的平滑过渡切换;为提高探测过程的跟踪性能,从误差超线性收敛角度提出了收敛增强型无模型自适应控制;给出了多入多出系统自抗扰控制器的多变量解耦方法,解决了探测环境及机械臂系统自身的强扰动问题;通过多种干扰条件及不同类型跟踪信号下的对比仿真、对比实验验证了位置控制策略的有效性。为充分验证本文所提出的方法在探测任务中的有效性,体现充气式机械臂的应用潜能,搭建了面向远程探测的正交关节充气式机械臂系统;对系统进行了功能及性能验证,并且与同类型的典型研究进行了对比分析;在此基础上进行了面向灾害环境、珍稀文物/植物环境的避障及穿越探测模拟实验。结果表明:系统测试指标满足设计要求;所提出的设计方法能够实现面向探测应用的权衡,建模及控制方法有助于实现机械臂在复杂环境下的可靠探测;因此,本文所提出的设计、建模、控制方法满足充气式机械臂探测及末端操作任务的需求。