空中作业机器人是指同时具有飞行部分与作业机构的机器人,其作业机构可以实现如高空抓取、采摘和清洁的功能,以此来降低空中作业对人类的风险性并降低成本。现有的空中作业机器人一般都在悬停状态下完成空中作业,其会消耗较大的电能降低续航能力,同时为了节约时间其在空中只能完成简单的作业任务。为此,本文研究开发了伸缩机翼式双臂（Telescopic Wing and Double Arm,简称TWDA）空中作业机器人,其在空中不但可以采用悬停工作方式,而且可以采用悬挂工作方式。在悬挂工作方式下无需飞行动力源部分提供升力,节约电能提高作业续航能力;同时此工作方式下机翼会收缩起来,减少机器人整体体积,使得其可以实现更高的灵活性,扩大了作业范围。另外该款机器人采用了双臂作业模式,使得其空中作业能力得到了较大的提高。文中对TWDA空中作业机器人进行了结构设计和有限元分析,通过运动学和动力学分析确定了机构的工作范围和动力学模型,研究了TWDA空中作业机器人作业机械臂的轨迹规划,提出了基于改进粒子群优化算法的轨迹优化,最后进行了虚拟样机仿真分析,验证TWDA空中作业机器人设计的合理性。在需求分析的基础上,确定TWDA空中作业机器人的设计工作流程。设计的机器人作业机构为对称布置的双作业机械臂,采用六自由度串联结构,确定了关节电机。TWDA空中作业机器人的机翼伸缩机构中心设计为丝杆螺母组,通过螺母在丝杆上的移动带动机翼的伸缩,对部件进行了理论计算和校核。悬挂机构顶部为挂钩,内部设计为两级套管,其内外套管通过弹簧、支撑柱、止动片和滑槽滑动连接。通过旋翼的动力实现对悬挂机构伸展长度的控制,对关键部件进行了选型与校核。根据机器人的工况进行了飞行部分的设计与选型,飞行部分为四旋翼布置,最大可提供69N的升力。以TWDA空中作业机器人结构设计为基础,对其进行运动学和动力学分析。首先对机翼伸缩机构进行简化,并通过封闭图形的封闭矢量方程推导出伸缩机构各构件的位移、速度、加速度方程。然后对机翼伸缩机构各构件进行惯性力和惯性力矩的计算,建立平衡方程得出构件上的反力以及平衡力矩。接着利用D-H法建立作业机械臂的连杆模型,进行正运动学分析得出机械臂末端位姿矩阵。通过逆运动学分析,得出机械臂各关节角的数学模型,从而实现已知位姿情况下的关节角度逆解计算。搭建机械臂模型并验证了正逆运动学分析的正确性。使用蒙特卡洛的方法分析作业机械臂的工作空间,得到了在三维空间内的点云图。利用拉格朗日方程法对作业机械臂进行了动力学分析,建立了动力学模型。在对TWDA空中作业机器人机械臂运动学分析的基础上,对作业机械臂进行轨迹规划的研究。根据TWDA空中作业机器人的工作环境,确定作业机械臂的运动方式为点到点的运动方式,同时规划空间为关节空间。对比分析关节空间内三次多项式插值算法和五次多项式插值算法下的关节位置、速度、加速度曲线,将两者组合为3-5-3组合分段多项式插值算法,可以实现在途径多点时较快地平稳规划。并设计途径四点的轨迹算例进行仿真验证分析。针对3-5-3组合分段多项式插值算法的时间分配问题,以规划运动总时间最短为优化目标,设计了带收缩因子和动态学习因子的改进粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization with Constriction Factor and Dynamic Learning Factor,简称PSO-CFDLF）,给出了基于PSO-CFDLF优化算法的轨迹规划流程。以此流程对3-5-3组合分段多项式进行优化,优化后的组合多项式规划总时间大幅减少。并将PSO-CFDLF优化算法与标准粒子群优化算法进行对比,PSO-CFDLF优化算法具有寻优性能更好,收敛速度更快的优势。在ADAMS软件中对TWDA空中作业机器人进行虚拟样机仿真分析。首先对作业机械臂虚拟样机进行仿真分析,结合前文对作业机械臂的轨迹规划,将关节规划结果以样条曲线的形式代入到作业机械臂的关节驱动中,实现虚拟样机的规划运动,达到了设计的效果。然后对机翼伸缩机构虚拟样机进行仿真分析,设置与前文机翼伸缩机构运动学分析中相同的驱动情况,实现了机翼样机的伸缩,机构运动符合设计。通过对TWDA空中作业机器人中关键部件的仿真分析,验证理论分析结果的正确性。