随着航天科技的发展和空间探索的不断深入,许多的空间任务需要大型空间机械臂的参与。传统大尺度大质量机械臂与运载火箭储藏空间相对狭小的矛盾日益突出。本文提出了一种新型尼龙纤维-电机联合驱动的桁架式可伸展机械臂,不仅可以收拢展开,方便存贮和运输,而且相比于传统的纯电机驱动桁架式可伸展机械臂,具有更加轻便,驱动数更少的优势。分析和设计了机械臂的机械系统,包括机械臂的构型设计和驱动器的设计。其中,机械臂的构型采用了的串并联桁架式机构,具有很高的刚度质量比。机械臂采用了模块化设计,每个关节单元具有两个自由度,分别是一个平动和一个转动,平动可以用于机械臂的收拢与展开运动,转动用于操作任务。为了进一步减轻可伸展机械臂的质量,研究了尼龙纤维致动器和电机联合驱动的方式,对并联式尼龙纤维致动器进行了设计与分析。对机械臂进行了运动学分析,建立了机械臂操作空间,关节空间和驱动空间的关系。通过运动学解耦的方法将可伸展机械臂复杂的运动学模型转换为机械臂关节单元的运动学模型和等效可伸展机械臂的运动学模型。通过几何的方法建立了机械臂关节单元的正逆运动学模型。通过D-H建模法建立了等效可伸展机械臂的正运动学模型,通过改进的加权最小范数法建立了等效可伸展机械臂的逆运动学模型,使得等效可伸展机械臂的逆解更精确。采用S型曲线分别对可伸展机械臂的操作空间和驱动空间进行轨迹规划,保证了机械臂运行过程中加加速度的连续性,实现了机械臂更平滑的轨迹控制。同时,搭建了可伸展机械臂上位机+嵌入式控制器(下位机)的两级运动控制系统,使得机械臂能够完成收拢展开运动和轨迹跟踪功能。上位机主要负责机械臂的轨迹规划,发送控制指令和监控机械臂运行状态等,下位机主要负责处理上位机指令,尼龙纤维致动器和电机的控制,传感器数据采集等。为了验证机械臂的功能和论文里的相关工作,分别搭建了可伸展机械臂的实验平台和用于模拟机械臂微重力工作环境的重力补偿平台,并对机械臂开展了展开运动实验,直线跟踪实验和抓取实验。实验结果表明,机械臂可以完成设计的要求和功能。