本文主要针对如何在恶劣的隧道施工环境下架设混凝土湿喷机机械手伸缩臂喷射头等作业工具来替代人工作业的问题。通过深入研究流动式起重机和混凝土湿喷机机械手伸缩臂的工作特点,综合分析两者,类比技术成熟的流动式起重机伸缩臂技术后,提出了机械手伸缩臂总成的设计方案,并由此展开对机械手伸缩臂及其俯仰机构系统优化的研究。具体工作内容如下：首先,本文对国内外的伸缩臂发展做了简要介绍,展现了该湿喷机机械手采用伸缩臂结构的前景。在系统分析流动式起重机伸缩臂各款结构的基础上,提出了圆角矩形截面机械手伸缩臂的设计方案。其次,通过研究湿喷机机械手伸缩臂的各种工作状态和载荷情况,确定了该伸缩臂9种典型的工况。由类比流动式起重机的传统理论计算和验证校核方法,对该伸缩臂结构进行了详细的设计,包括了伸缩臂布置与连接方式、构造尺寸以及变幅铰点等关键参数。考虑到采用传统理论计算比较粗略,在对伸缩臂的刚度、强度和稳定性的计算过程中简化过多,影响了伸缩臂的计算精度；同时采用传统理论方法难以得到伸缩臂全面的计算结果,特别是滑块处的局部应力,故本文在传统理论计算的基础上,采用目前比较成熟的ANSYS Workbench作为有限元分析工具对该伸缩臂进行有限元分析。在ANSYS Workbench软件中建立完整的伸缩臂分析模型,并通过接触设置、网格划分、加载、约束处理、求解以及后处理等一系列有限元分析步骤,完成对该伸缩臂的力学分析。最后,通过ANSYS Workbench软件自身的CAD、CAE和优化模块之间的无缝数据传输功能,利用结构优化设计理论对该伸缩臂进行了深入地有限元结构优化研究。寻找影响该伸缩臂性能的关键因素,在伸缩臂轻量化研究方面取得一定的成效,为同类伸缩臂结构的研发提供了参考。