近年来,采用机械臂代替人类到凶险的环境中开展救援、排爆等工作已屡见不鲜,而这类高负荷作业要求机械臂重量轻,能够承受载荷较大。因此,提高大负载机械臂的负载自重比,是移动作业机械臂走向实用化亟待解决的问题。针对目前大负载机械臂负载自重比普遍较低的特点,本文提出了一种高负载自重比机械臂的设计方案,并对机械臂进行了特性分析和效率研究。为提升机械臂液压驱动系统的能量利用效率,本文对机械臂的液压关节进行优化设计,提出了一种新型摆动液压关节,并设计了负载匹配控制器,实现了节能控制。论文主要研究工作如下:(1)调研了国内外高负载自重比机械臂技术研究现状,总结了已有的提升机械臂负载自重比的技术方法,分析了液压机械臂驱动系统效率与负载自重比的关系,并对机械臂液压驱动系统效率研究现状进行了调研和总结。(2)根据设计指标,确定了机械臂的设计方案;结合仿生机理,设计了机械臂的构型;建立了基于仿生学及承载力指标的臂长尺寸参数模型,确定了机械臂关节参数,为高负载自重比机械臂尺寸参数的确定提供了依据;设计了机械臂的机械结构,构建了虚拟模型。(3)完成了对高负载自重比机械臂的特性分析。通过运动学分析,建立了末端轨迹和关节空间的联系;以任务需要为依据,对机械臂的作业轨迹进行了规划;建立了机械臂的动力学模型,并通过仿真获得关节的负载特性。(4)对机械臂液压驱动系统的效率进行了分析,探讨了驱动系统效率的影响因素。提出了一种新型摆动液压关节,建立了此种液压关节的数学模型,并设计了负载匹配控制器。(5)对摆动式液压关节的节能控制进行了仿真验证,结果表明该种液压关节能够在满足精度的要求下提升液压驱动系统的能量利用效率。研制了高负载自重比机械臂样机,开展了机械臂的性能测试实验,并研究了不同参数对机械臂性能的影响,验证了机械臂的大负载能力。