机器人技术在航空航天中具有重要地位，尤其是行星探测机器人，对机器人技术的发展提出了迫切需求。行星采样机械臂是行星探测器实施采样任务的执行机构，本文论述了行星采样机械臂的应用现状与发展前景，在充分分析与研究已有的微型探测机器人技术的基础上，提出了轻量化结构方案。根据探测作业任务与系统性能指标，需要机械臂具备展开/折叠，并能精确定位到一个目标位置，以及挖掘、采样、搬运、自修复等作业功能。针对行星环境，要求机械臂轻质、节能、灵巧、紧凑、可靠及最大化工作空间，发挥移动平台和机械臂协同作业最大能力。本文采用了类人手臂的结构及腰、肩、肘、腕，四个关节且均为旋转关节，计四个自由度的实验装置。对机械臂关节组件作了详细设计，例如肩关节及采样腕关节结构。针对机器人系统的关键技术，如正向运动学求解、逆向运动学的求解、分析工作空间、运动轨迹的规划等方面做了详细的分析与研究。本文的研究内容主要包括以下几个方面：1.针对国内外采样机械臂的研究现状，提出了研究目标与主要研究内容。2.通过现有采样机械臂的结构的分析与研究，根据作业任务提出了一种新型轻量化的机械臂结构，充分考虑了结构的合理性和零部件的工艺，并对相应特殊零件进行详细分析。3.使用虚拟样机技术对采样机械臂进行动力学分析，作为动力系统选型的依据。在ANSYS软件中建立机器人的各关节模型，做位移、应力、模态分析，以及刚柔耦合分析；验证机器人本体设计方案的合理性。根据系统平稳可靠紧凑的工作要求，确定机器人各关节的传动方式。4.基于机器人学理论推导运动学方程的正逆解，雅克比矩阵。分析工作空间大小、灵活性及连杆参数的影响，使用蒙特卡罗数值法分析工作空间，为进一步轨迹规划奠定了基础。并通过MATLAB软件作为仿真分析工具。5.本文基于EMAC-200控制器构件了系统硬件实验平台，设计了电气线路。以PC为核心的控制平台，通过控制器的动态链接库实现。