随着科技进步和社会的飞速发展，服务机器人在助老助残、迎宾看护等方面的应用越来越广泛，与人类的接触也越来越多，使人们从中受益良多。本文的主要目的是为移动服务机器人设计一款机械臂，并通过拓扑优化和基于性能指标的尺寸优化对其结构进行优化，使其具有高刚度、轻质量、运动灵活且平稳的特点。首先，根据设计指标和设计要求结合人体工程学理论确定设计准则，对机械臂的各种构型进行分析，并以全局相对可操作度值为指标求得机械臂的最优构型。根据人体测量学理论，确定机械臂的尺寸和关节转角范围，使其具有与人相似的灵活性。在此基础上确定了驱动方式、计算并利用仿真求得驱动力，为驱动模块的选型提供依据、确定了走线方式、完成了大小臂等连接杆件的结构设计，并从拓扑轻量化和材料轻量化两个途径，实现大臂及整个机械臂的轻量化，完成了模块化机械臂虚拟样机的构建，使其具有高刚度、轻质量、运动灵活的特点。其次，对移动服务机器人机械臂所要完成的动作类型进行分析，结合机械臂结构的特殊性，对机械臂模型进行简化，建立简化后机械臂的D-H参数模型，并进行正运动学分析。求解其雅克比矩阵，为基于雅克比矩阵性能指标的提出奠定了坚实的基础；求取机械臂的工作空间，为评价机械臂尺寸优化效果提供标准。再次，根据移动服务机器人的应用场合和功能特点，提出了评价机械臂性能的最大工作空间距离指标、静刚度性能指标和全域速度波动性能指标。通过优化目标的耦合性分析确定了优化目标的耦合关系，进而确定最大工作空间距离性能指标和全域速度波动性能指标为优化目标；通过优化变量的灵敏度分析确定了优化目标对各优化变量的敏感程度，根据设计指标要求及实际条件确定了约束条件，在此基础上建立了机械臂尺寸优化的数学函数模型。尺寸优化函数模型多目标多约束的特点，为优化算法的选取提供了条件。最后，根据优化函数模型多目标多约束的特点，决定采取基于Pareto占优原则选择最优解的多目标粒子群算法作为求解方法。针对粒子群算法在多目标求解中存在的不足，对算法进行改进，并引入时间飞行因子，提出了改进的多目标粒子群算法。通过两个标准测试函数验证算法改进的效率，求解精度得到提高。用改进的多目标粒子群算法对优化函数模型求解，对结果进行分析，从理论上证明了尺寸优化对减小机械臂运动过程中速度波动的有效性。通过仿真实验，验证了优化结果在实际应用中的正确性和有效性。从而证明通过拓扑优化和尺寸优化的有机结合，可使设计的机械臂具有高刚度、轻质量、运动灵活且平稳的特点。