液压机械臂是抢险救援、重载搬运等重型移动/工业机器人最重要的作业机构。现有液压重载机械臂以工程机械、森林机械的工作臂为主,其机构自由度低,手部抓取结构庞大,导致机械臂的可达空间小、灵活性差,无法满足救援现场复杂任务需求。此外,传统液压机械臂多以实现作业功能为主,自身结构摩擦大且采用集中式控制的电液比例驱动系统,控制精度低、能耗大,无法满足抢险救援、大型工业制造等场合精细、高效作业的需求。针对这些问题,本文首先设计了一种高可达空间、高灵活性、高精度的重载机械臂,并搭建了7+1自由度、最大夹持负载500kg的重载液压机械臂样机试验平台,对各关节功能进行了试验测试,研究了高精度的七自由度冗余机械臂逆运动学解算方法。然后,针对现有液压机械臂节能方法局限于“止损”导致节能性不足的问题,本论文从降低负载能耗的新角度出发,充分利用冗余自由度机械臂自运动特性,提出从优化机械臂运动的角度出发实现冗余自由度液压机械臂的能量优化,利用动态规划算法对该优化问题进行了全局寻优,最后利用仿真验证了算法的节能效果。本文主要完成研究内容包括:1、基于抢险救援等场景对高可达空间、高灵活性、高精度的任务需求,对机械臂的总体构型、重载双自由度手部结构、紧凑型液压滑环结构及液压系统进行设计,完成机械臂三维模型和液压泵站三维模型的设计,搭建基于机械臂物理样机的试验平台,并对机械臂各关节功能进行测试。2、基于D-H法建立机械臂的正运动学模型,利用蒙特卡洛法确定其工作空间,基于梯度投影法和避关节极限的运动学优化指标对机械臂进行逆运动学求解,并利用正运动学实时反馈跟踪误差完成基于闭环的运动学逆解优化算法,并对算法进行仿真验证。3、提出从优化机械臂运动的角度出发实现冗余自由度液压机械臂的能量优化,为了验证该方法的可行性,对三自由度冗余机械臂运动学及动力学进行分析,并针对变量泵恒压和变量泵负载敏感两种节能液压控制系统建立多关节“液压-机构”之间的关联特性,对全局能量最优的冗余液压机械臂运动规划问题进行数学描述,利用动态规划算法对该节能优化问题进行全局寻优。4、分别在恒压系统下和负载敏感系统下,对所提出的全局能量最优的冗余液压机械臂运动规划方法进行算例计算,为了验证算法的节能效果,建立AMESim机液耦合精细仿真模型,与梯度投影法和缸速最小化法进行对比仿真分析。