针对大尺寸太空垃圾刚性抓取困难的问题,本课题设计了一种大折展比、高度模块化的可展开机械手,其可通过变化组建形式以适应不同尺寸、形状目标的抓取需求,并在占据较小存储空间的同时具有较大的工作空间。考虑到结构在太空恶劣温度环境中的适应性问题,分析了其空间热力耦合响应,并基于此进行了结构的优化设计。基于Myard机构伞形装配构建出单自由度的多边伞形折展机构作为可展开机械手的基本组建模块,分析比较变胞伞形折展机构和铰链连接方式的可行性,选择后者来实现机械手的弯曲活动度。设计置于伞形折展机构外部和内部的两种丝杠螺母连杆折展驱动机构,并以缩短丝杠行程为目标,基于几何分析完成了驱动机构杆件长度与铰链位置的初步设计。以三指可展开机械手为研究对象,基于D-H参数法建立驱动机构、伞形折展机构和机械手整体三个层次的正逆运动学模型,基于拉格朗日法建立机械手整体的动力学模型,规划各伞形折展机构同步展开时各驱动螺母的运动曲线和驱动力,并利用MATLAB-ADAMS联合运动学仿真验证其可行性。利用Hypermesh划分高质量网格,在TMG中建立伞形折展机构的空间温度场有限元分析模型,将分析得到的空间温度场作为边界条件导入Abaqus中建立的热力耦合有限元分析模型,计算机构的热力耦合变形响应。基于热力耦合模型进行热模态分析和谐响应分析,分析评估机构的热振动特性。通过响应面法和试验设计法,建立基于空间热力耦合分析的多目标优化模型,并采用多目标粒子群优化算法求解,优化伞形折展机构质量、一阶固有频率和热变形的综合性能。建立驱动机构的双目标优化模型,优化驱动机构丝杠行程和驱动力矩。利用拓扑优化降低驱动机构质量并改善其表面应力分布。综合而言,本课题设计的一种高度模块化的可展开机械手及其驱动机构可以适应不同尺寸、形状目标的抓取,具有解决大尺寸太空垃圾刚性抓取的前景。空间热力耦合分析和基于此的优化设计流程,可以作为预实验来缩短宇航机构的设计周期,减少昂贵的地面热真空试验次数。