在载人航天领域,舱外航天服是航天员进行出舱活动的必备装备。舱外航天服除了为航天员在出舱活动时提供基本的生命保障外,还应具有很高的活动性能,从而使航天员能够有效地完成各种舱外作业,这就涉及到工效学的问题。其中舱外航天服的可达域和可操作域是航天服工效学研究的重点。本文研制的舱外航天服操作能力测试机械臂系统能够对可达域和可操作域进行测量,为航天服工效学的研究提供重要工具。本论文的主要工作包括以下几个方面：针对舱外航天服可达域和可操作域的测试要求,通过分析正交坐标测量机和关节臂式坐标测量机的特点,提出了三种设计方案,通过比较选择平面转动机械臂结构作为系统方案。通过对平面转动机械臂的测量空间和末端机械臂姿态的研究,确定了机械臂的关节数和各段臂长。利用机器人运动学中的齐次坐标变换理论和D-H坐标描述方法建立了关节机械臂系统的坐标测量数学模型,并给出了系统测量空间。对测试机械臂系统进行了机械结构设计,包括升降机构、关节机械臂机构和末端力学测量单元的设计。而且,对测试设备的重要元件进行了选型计算,并对重要零部件进行了必要的强度和刚度校核,保证了测试设备的安全性和可靠性。对测试机械臂系统进行了电气和软件设计,重点研究了伺服电机定位控制和数据采集的实现。利用VC++开发了测试系统软件,实现了数据的三维图像显示、图形交互和数据报表的生成。提出了一种数据处理算法,并验证了其有效性。对本系统进行了实验研究,并对坐标测量误差产生的主要原因进行了综合分析,重点研究了系统误差源和随机误差源。根据系统数学模型,利用偏微分法推导了系统误差模型,此线性偏差模型表征了位置误差与系统结构参数的关系。在系统误差模型的基础上,对单点测量误差进行了仿真分析。本文成功研制了舱外航天服操作能力测试机械臂系统。它不但为舱外航天服的研究工作提供了重要工具,填补了国内这一领域的空白,促进了我国载人航天事业的发展。而且为同类坐标测量设备的开发提供了参考,推动了我国坐标测量技术的进步。