近年来,机械臂越来越多地被应用到日常生活和工业生产中,关于机械臂的设计研究越来越多。但是机械臂在进行大尺度目标的抓取任务时,有着比较大的局限性,比如机械臂尺度和质量较大,易碰撞损伤,难以保证大的抓取力。桁架式可伸展机械臂可有效解决这些问题。基于此,本文设计了一种新型可伸展的可变刚度桁架式的抓取机械臂,它具有工作空间大、刚度可调节、高展收比等优点。机械臂由多个桁架式基本模块串联组成,每个基本模块有两个独立的自由度,其中一个自由度实现机构的折叠展开运动,另一个自由度实现机构弯曲运动可以应用于目标抓取等操作。建立了基本模块的数学模型,该数学模型的输入为各连杆尺寸,输出为基本模块的原动件工作范围,展收比,驱动力与抓取力之比等。其中展收比等作为约束项,用梯度下降算法来优化基本模块的原动件工作范围来保证机械臂可以做得小型化。建立了一个折叠展开角度固定的机械臂运动学模型,计算了其末端工作空间并对各个弯曲角度做轨迹规划。为了解决机械臂抓取过程中的碰撞损坏问题以及抓取过程中对目标的形状适应性,还基于变节距弹簧对机械臂中的弯曲抓取关节进行了刚度可调设计,变刚度关节的存在可以提高机械臂的抓取形状适应性,还可以根据不同的抓取任务来调节机械臂的刚度,以此避免抓取碰撞损伤。搭建了机械臂抓取仿真环境,对机械臂的抓取任务进行分析,提出一种新的抓取方案并通过机械臂运动学来建立起抓取算法。再在机械臂的运动学仿真环境中对尺度不同的目标进行抓取模拟。分析了变刚度关节在抓取任务中的工作状态。完成了桁架式变刚度可伸展机械臂的样机研制,并对变节距弹簧、变刚度关节进行了实验,测量了其力-位移关系,对样机机械臂进行折叠伸展的实验,并进行了对不同尺度目标的抓取实验。