目前用于上下料作业的串联机械手常用多六自由度关节臂机械手,其具有运动灵活、作业半径大的优点,但也存在需要多个电机协同控制、控制系统复杂、成本高等缺点。现有的上下料作业经常只需利用二自由度、或三自由度运动实现,六自由度关节臂机械手并不适用于该类作业。本文根据上下料作业所需运动特点,设计了用于上下料作业的欠驱动机械臂。本文首先分析了所设计的上下料欠驱动机械臂的技术指标和工作原理,并推导出其中关键部件连杆机构的运动数学模型,用于确定编码器与制动器的安装位置,并找出末端手爪的中心位置、两种运动模式下的机械臂的运动范围与各个关节的长度以及转角之间的关系。同时建立关键部件连杆机构的虚拟样机模型,利用ADAMS软件进行仿真实验,验证欠驱动机械臂的工作原理,应用实验结果指导连杆机构优化设计。同时比较仿真试验测量结果与连杆机构的理论模型计算结果,找出两者之间的差异,并分析其产生原因。本文根据上下料欠驱动机械臂的技术指标与理论分析与仿真试验结果,利用工程软件Solidworks设计其组成部分结构与选材,设计了虚拟样机。欠驱动机械臂采用带有滚轮的支撑机构作为底座,通过步进电机驱动连杆机构运转,控制末端夹持器的运动。机械臂能够到达的位置通过角位移传感器实时测量关节转动角度,由电磁制动器锁定与松开机架,实现连杆机构两种运动方式。本文使用ANSYS分析软件对机械臂各关键部件进行力学分析,分析结果表明各关键部件的设计是合理的。另外本文在ANSYS workbench中进行了欠驱动机械臂连杆机构模态分析,验证机械臂运动中是否出现共振现象。从模态分析结果中得到了连杆机构的各阶共振频率分别为80Hz和100Hz,30转/分的电机驱动不会使欠驱动机械臂的运动出现共振,不会影响机械臂的定位精度。