目前刚性机器人已在各行各业中得到了广泛应用,但是由于其自身结构的原因使其无法适应各种非结构化环境,而且在与易碎物品交互时安全性差;而完全柔软的机器人灵活度高、环境适应性强,但存在承载能力低、建模困难等问题。在此背景下,本文基于仿生技术应用于工程实际,设计了一种新型刚柔混合水下操作臂,主要进行了以下研究:首先,基于BioTRIZ和可拓学相结合的方法,研制一种径向可变形的水下刚柔混合操作臂。通过需求分析查找BioTRIZ矛盾矩阵,再结合生物实例库确定连续体生物蛇为生物原型,并依据可拓学理论建立了生物耦合可拓模型,并对生物原型与仿生模型进行相似性评价。对于仿生设计存在的不足,使用TRIZ理论进行优化改进。所设计的操作臂以水液压人工肌肉为驱动源,兼具有柔性构件和刚性构件,在保证操作臂具有一定柔性的同时,还具有较大的承载能力。其次,基于几何约束和力平衡约束对水下刚柔混合操作臂空载与带载时的运动学进行分析。建立单根人工肌肉的静态数学模型,随后基于分段常曲率假设,依据操作臂运动时的几何关系,建立操作臂空载时的正逆运动学模型。并依据正运动学使用Matlab对操作臂末端的位置和姿态进行求解,得到操作臂末端的工作空间。对操作臂带载时的受力情况进行分析,通过建立力约束与几何约束之间的关系,对操作臂带载时的正逆运动学进行求解,并比较操作臂空载与带载时工作空间的范围。然后,使用Abaqus软件对单根肌肉以及操作臂整体结构运动进行仿真分析。使用Abaqus软件内置的建模功能,建立人工肌肉及操作臂有限元仿真模型,对单根人工肌肉进行仿真,分析编织角度及壁厚对其收缩率的影响。之后分别对操作臂整体进行空载与带载运动仿真,分析其运动特性。最后,进行水液压人工肌肉及刚柔混合水下操作臂的相关实验。对水液压人工肌肉进行静态特性实验测试,然后对操作臂弯曲时的负载能力进行测试,并对操作臂在直立状态和弯曲状态时进行吞吐物体实验,验证了操作臂适应性强、承载能力大的特性。