随着科学技术的发展,各类机器人、操作臂的应用越来越加广泛,而且也逐渐推广到工业生产之外的领域。其中,采用关节内置电机的主驱动方式操作臂,因驱动电机及减速传动机构转动惯量的影响,操作臂很难采用被动式驱动操作,实现由手动牵引至工作位置。尤其在国内,该类被动驱动操作臂的相关研究尚属空白。因此,为满足特定领域的应用需求,本文将设计一种能够由操作人员手动牵引,可以在任意位置锁定,随时释放的被动驱动式操作臂。针对构型选择,提出多原理混合变刚度连续型和锁定变胞关节串联蜿蜒型两种操作臂构型,建立理论分析模型并进行实验验证,确定出满足尺寸约束的操作臂构型。为提高操作臂关节的承载能力与灵活性,设计出两种三自由度但负载能力和灵活程度不同的锁定变胞球铰、及一种灵活性更大但负载能力较小的两自由度锁定变胞万向节,分别用于操作臂的“肩部”、“肘部”和“腕部”关节,并分别对各关节的负载能力进行理论建模分析计算。计算运动学和拉格朗日力学建立可调柔性操作臂的通用运动学与动力学模型。通过运动学模型计算分析操作臂的工作空间的可达性和可操作度,并使用蒙特·卡罗法根据末端执行器的随机坐标密度划分出工作空间中的作业空间和不可达空间。为保证在各关节释放状态时保持操作臂的整体刚性,通过动力学模型计算出各关节所需的摩擦力矩。基于库恩·塔克条件对关节杆件的尺寸参数进行优化设计。通过多种软件联合仿真,对优化后各关节的静力学、工作空间和可操作度进行分析,对操作臂在各关节不同摩擦力矩下的弯曲形态进行仿真。设计出操作臂的驱动系统与控制系统,加工出实验样机,搭建实验平台,对操作臂的灵活性以及任意位置状态转换进行实验验证,并验证各关节的负载能力,验证优化设计对驱动拉力放大倍率的影响。