近年来,机器人及机电一体化装备已经广泛应用于建筑、采矿、排险、军事等非结构化环境中,尤其在极地科考和深空探测等极端环境领域。虽然其运用前景广阔,但对于极寒大温差环境下机械系统、机器人和机构特性的研究较少。极地、高原科考和深空探测等领域下的机械设备、机器人需要在极端环境中保持良好的工作性能,而低温环境和大温差变化造成的热变形,都会使机械零部件间的配合以及其自身的几何特征发生改变,从而无法达到预期的工作状态。所以对这个问题进行研究并提出合理的解决方案,对保证极寒大温差条件下的机械系统运转精度尤为重要,对提高其稳定性和工作寿命有重要意义。本文首先介绍了进行极寒大温差分析的理论机理,利用热弹性力学来对温变条件下零件的热变形进行计算,为下文的进一步分析做准备。然后提出一种具有实际意义的特定温度变化与分布情况,并确定材料,搭建具体的数学模型并计算,从而得出极寒大温差环境中的温度荷载对旋转关节内部造成的影响,给出了该情况下的理论原理分析并进行计算说明,最后使用ANSYS WORKBENCH对极寒大温差环境下轴承配合处进行仿真分析,得出稳态热条件下轴承外圈与外壳的应力、应变与变形分布。基于以上特定情况下热应力产生的特点,针对旋转关节,确定温变自适应补偿辅助结构的设计要求与工作原理,提出两种较为可靠的自适应结构的方案,利用CREO软件分布建立了两种自适应结构的三维模型,对不同方案的优缺点进行对比分析并选择较为合理的方案。然后对此结构内部的细节进行确定和优化,最终确定一种整体结构简单、运行稳定有效的方案。研究旋转关节处的轴承内部滚道空间在极寒大温差下的游隙变化,并对热变形对负游隙轴承造成的轴承摩擦力矩改变情况进行分析,进而说明具体应用中,极寒大温差环境下旋转关节处进行改善的必要性,避免出现相应的问题。然后对所设计的自适应结构在温差变化中的受力与相互作用进行详细的阐述,并利用ADAMS对其进行运动学仿真,验证了此结构能够克服极寒大温差变化产生的热应力对旋转关节的运行影响,避免了温变导致的传动精度过低和卡滞现象,提高旋转关节在极寒大温差环境中的运动精度和传动效率。最后进行实验装置的设计和说明,并对具体的测量原理、实验步骤、实验过程和结果进行叙述和分析,最终得出结论。证明了在极寒大温差环境下的旋转关节运动受温度荷载的作用而产生变化,采用所设计的自适应结构可以有效的减少产生的间隙与摩擦力矩变化,从而提高了旋转关节的转动性能、运转精度和效率。