近些年来，新发突发的传染疾病日益频繁，恐怖分子利用生物化学武器进行恐怖袭击的事件日益增多，为了能够评估污染范围，探明污染源种类并采取针对性的措施，需要进入目标区域完成空气、土壤、水源的采样，利用生物采样移动机械臂代替工作人员在前方完成危险物的采样，可以大大地减少环境对工作人员的伤害，因此研究一款面向生物采样的移动机械臂就有实际的应用价值。本文围绕生物采样的任务要求，进行生物采样机械臂、采样手爪和采样工具的设计，并研究基于ROS的生物采样机械臂的控制系统，进行控制系统软件的设计和硬件平台的搭建，进行生物采样实验的研究。首先，在对国内外典型的移动机械臂的研究基础上，结合生物采样的任务要求和流程规划的特殊性，进行生物采样机械臂的自由度的确定和构型的选择，完成采样臂的总体的结构设计，确定五自由度采样机械臂的构型。在此基础上针对生物采样多样性的特殊功能需求，确定模块化采样工具方案，开展紧凑型采样手爪、采样容器底座、采样容器以及针对深水、表面液体、土壤、沙土、拾取物等五种采样目标的专用采样工具的研究。然后，进行五自由度采样机械臂的正运动学和逆运动学的建模，在此基础上，通过蒙特卡洛法绘制采样臂的工作空间，确定各关节的角度范围。进而开展平面三连杆操作臂的灵活角度分布研究，确立生物采样的任务空间。然后进行五自由度采样机械臂的尺度综合，基于雅克比矩阵条件数和任务空间构建操作性能优化函数，分析杆件约束条件，得到最优的一组采样臂杆件参数。随后，分析采样机械臂的控制系统的需求，进行软件功能分解，在Linux操作系统（Ubuntu）和机器人操作系统（ROS）的框架下，设计控制系统软件构架和实现方案。在此基础上，开展机器人与远程遥控之间的通用接口程序的开发；建立基于机器人运动学的多轴运动控制程序，进行多种轨迹插补算法的应用研究；并且针对超视觉遥控，建立基于RVIZ的采样臂可视化虚拟控制平台，实现机械臂动作实时显示和运动仿真的功能。最后，进行采样臂控制系统硬件平台的搭建和实验研究，基于ROS和PMAC，构建控制系统硬件平台。完成从底层到顶层，各部分硬件的调试。在软硬件调试完成的基础上，进行生物采样任务的详细规划，进行针对五种采样目标的采样实验，用以验证专用采样工具的功能性和控制系统软硬件的可靠性。