随着载人飞船、空间站、对地观测等航空领域的迅速发展,国内外发射了大量的航天器,如我国仅在2020年就陆续完成了北斗组网、火星探测、嫦娥探月等任务。但伴随着航天器的发射量日益增多,以航天器碎片为主的太空垃圾迅速增多。尽管世界各国开始研发太空垃圾回收技术,但目前在太空环境中还有数以百万计的太空垃圾,这些太空垃圾严重威胁在轨航天器的正常运行。相对于已有的空间飞网、太空鱼叉、具有捕获性能的微型卫星等可应用于太空垃圾回收的装置,空间桁架式可展开变体机械手因具有抓取刚度高、适用范围广、易于控制驱动等优点而具有极高的应用价值。但是当前对该类机构的构型设计尚未成熟,亟待深入研究。因此,本文将以空间桁架式可展开变体机械手中的基本单元——可展开变体机构为研究对象,围绕可展开变体机构的构型综合方法、折体机构设计与性能分析等内容开展研究。本文所设计的可展开变体机构分为单自由度变体机构与二自由度变体机构。单自由度可展开变体机构属于自由度可变的变胞机构,该变体机构由一个展开子机构、两个支撑子机构、一个类活页子机构和两组连接运动副等子机构组成。为了完成该类可展开变体机构构型综合,首先设计了可运动分岔的剪叉机构,并作为展开子机构。然后,利用连接运动副连接展开子机构与支撑子机构,同时还引入了类活页子机构以连接两个对称布置的支撑子机构。基于旋量理论分析了由展开子机构和连接运动副所组成的展/抓运动子链运动旋量系,根据互易旋量理论得到其约束旋量系。结合该约束旋量系与三个平面的几何位置关系,推导得到了支撑子机构需要满足的约束条件。利用旋量理论综合了满足条件的支撑子机构,将其与展/抓运动子链装配得到了可执行展开任务与抓取任务的空间桁架式单自由度可展开变体机构,完成了该类机构的构型综合。本文还进行了二自由度可展开变体机构的构型综合。该变体机构属于自由度固定的并联机构,由一个展开子机构、两个支撑子机构、一个静平台和一个动平台构成。其中静平台、动平台与展开子机构组成展/抓运动子链,用于连接展开子机构与支撑子机构。首先,设计了四种分别基于四棱锥、三棱柱、圆柱与圆锥等立体几何的块状可展开机构——折体机构,还基于D-H参数分析了这四类折体机构的运动学特性,揭示了折体机构与经典过约束机构具有等效运动学特性。选取圆柱型折体机构作为展开子机构,基于约束旋量系分解定理分析了该机构的活动度,计算了圆柱型折体机构的运动旋量。裁剪圆柱型折体机构的部分材料后作为整体机构的展开子机构,构造了由展开子机构、动平台与静平台组成的展/抓运动子链,计算了展/抓运动子链的运动旋量系,并基于互易旋量理论得到了其约束旋量系。利用已提出的基于约束条件等效分解方法的构型综合方法构造了一系列具有折叠、展开与抓取等多种构态的二自由度可展开变体机构。本文还分析了可展开变体机构的性能:折展比与质量刚度比。选取二自由度可展开变体机构为例,利用完全折展比的计算结果确定了展开子机构的构型,并举例计算了三个构型的最大折展比。使用折展比较大的展开子机构搭建了可展开并联机构模型,然后基于旋量子空间的半分析法计算了机构的全雅克比矩阵,从而推导得到了机构的刚度矩阵,并计算了二自由度可展开变体机构的质量刚度比,利用有限元法进行了仿真验证。本文完成了样机研制与加工,并通过驱动方案设计研究了电机驱动方式,进行了展开运动与抓取运动实验,展示了该类机构具有多种构态,并分析了样机的性能。本文提出了既能综合变胞机构也可构造并联机构的构型综合方法,设计了一类与经典过约束连杆运动学等效的块状折体机构,分析了可展开变体机构的性能并进行了样机研制,并验证了构型综合方法的有效性。所得到的可展开变体机构可以通过模块化组装方法构造出大尺寸空间桁架式可展开变体机械手指,能够用来抓取太空垃圾等空间非合作目标。因此,本文为以太空垃圾回收为任务的空间桁架式可展开变体机械手指构型设计奠定了理论基础与技术支撑。