随着近年来世界各国对电动汽车的大力推广,对电动汽车的充电设施自动化和智能化提出了越来越高的要求。目前通行的充电方式多为有线充电方式,该方式存在操作自动化程度低、充电效率低、安全性差等缺陷,因此开发基于无线充电的充电装置的研发无疑具有广阔的应用前景。本文以共享电动汽车无线充电用机械臂系统开发为目标,综合考虑机械臂的灵活充电动作功能和紧凑的待机机构状态,实现对无线充电机械臂构型及结构的设计和优化,满足实际工况要求。在充分调研国内外汽车充电研究的基础上,基于无线充电机械臂的设计要求及性能指标,对机械臂的关节进行了模块化的构型设计。在优化过程中,针对机械臂待机状结构空间最小的要求,提出了关于机械臂伸展-收缩比的指标,并以这一指标为优化核心构建了关于机械臂各部分杆长的多目标优化函数,对构型进行优化,得到了结构尺寸组合的最优解。在此基础上,对无线充电机械臂的各个部分进行了具体结构设计,并通过工程优化使其达到实际应用要求。采用Solid Works建立了优化结构的三维模型。开展了基于有限元仿真的静力学分析和模态分析,研究了机械臂的静力学性能及动态稳定特性。为了获得无线充电机械臂的运动学性能,建立了基于D-H坐标的运动学模型,针对模型开展了正逆运动学分析。通过MATLAB仿真计算,获得了机械臂的运动工作空间,并与实际所需工作范围对比分析,验证了机械臂工作空间满足设计要求。分析了无线充电机械臂的运动工作过程,并开展了轨迹规划研究,建立了相应轨迹及其关键路径点的数学模型。对路径点的位姿进行了逆运动学求解,得到了各个关节在不同路径点的理论计算数值,并通过插值法将其离散的数值拟合成运动特征曲线。使用运动特征曲线作为输入量进行了基于Sim-Mechanics的仿真验证,获得连续轨迹和不同时刻的运动位姿。对加工制作的样机开展了轨迹规划验证,并将样机在不同位置时刻的位姿与理论计算结果进行了对比分析,表明设计的机械臂在运动特性方面满足了设计要求。