我国探月三期工程主要任务目标为月壤的无人自主采集与返回，其中对表层月壤的多点多次采集是采样任务的重要组成部分，取得的表层月壤可用于研究月壤形成原因及太空风化等月面环境因素对月壤的影响，同时，表层采样具有采样量大、适应性强的特点，能够提高月壤采样任务的可靠性，保证取得足够的月壤样品。应用机械臂携带采样装置进行表层采样，是一种行之有效的方法，在国外已有的星球采样任务中曾多次成功运用，末端执行器作为表层采样机械臂的功能部件，直接用于样品采集，其结构形式决定了采样的方式及原理，其性能优劣直接影响表层采样任务的完成效果，因此，对月壤表层采样机械臂末端执行器进行研究具有重大意义。本文针对月壤表层采样及初级封装的任务目标，提出了一种集成固型封装功能的抓取式月壤表层采样机械臂末端执行器构型，能够通过单电机驱动实现采样与封装固型功能，解决了功能集成与结构力求简单之间的矛盾。基于机构学原理，建立了采样机构的设计模型，并运用符号表达模式进行创新设计，获得了多种可行机构方案，采用模糊评价的方法进行优选，并设计了与优选出的采样机构相集成的封装固型机构。为掌握抓取采样的力学特性，建立了月壤抓取的参数化模型，基于月壤特性及土力学原理，对月壤抓取采样过程中受到的阻力进行分析，明确了抓取式采样末端执行器的受载特点及主要载荷形式，确定了抓取过程中抓取困难点的位置；分析了月壤力学特性参数对抓取阻力特性的影响，得到了向上反力、抓取阻力矩对于结构参数变化的响应程度，为后续参数优化奠定基础。对抓取采样最优过程进行了研究。在确立月壤抓取量参数关系的基础上，以抓取量最大为目标，对抓取参数及结构参数进行了优化设计；为进一步研究最优的抓取采样过程，采用遗传算法对抓取量及抓取阻力矩进行了双目标优化，求得了Pareto最优解集，确定了抓取量与阻力矩的最优值；根据优化得到的参数，在Adams/View中建立了采样机构的参数化模型，对采样机构的内部驱动机构进行了优化设计，并通过仿真分析对优化后的采样机构的力学特性和运动特性进行验证。研究了抓取过程可能出现的姿态偏差，确定了可能出现的偏差类型及其产生原因，分析了俯仰偏差、侧倾偏差及复合偏差对抓取采样的影响，并对补偿方法进行了一定的讨论。