医用机械臂是医用质子、重离子加速器系统中一种重要的新型终端设备，其主要作用是在肿瘤放疗过程中承载患者并且执行患者摆位及动态调整等相关的操作。本文以课题组设计的一种应用于重离子精确放疗的六自由度医用机械臂为研究对象，针对其大悬臂的结构特征及重载工况的特点，考虑关节摩擦、刚度、阻尼等重要因素，建立了刚柔耦合虚拟样机模型和运动学模型以及振动仿真分析模型，重点对医用机械臂的运动学性能和动态特性等关键问题进行了研究，且以此为基础对关键部件大臂和小臂进行了有针对性的结构优化，并通过仿真试验验证了结构优化的合理性和有效性。　　本文主要研究内容及结果如下：　　（1）针对医用机械臂大悬臂的结构特征及重载工况的特点，考虑了关节柔性对其性能的影响，综合关节摩擦、刚度、阻尼等重要因素，建立了刚柔耦合虚拟样机模型；基于旋量理论和Paden-Kahan子问题建立了医用机械臂的正、逆运动学模型，进行了正、逆运动学的求解，为动态仿真和运动学性能的分析奠定了理论基础。　　（2）模拟头颈部肿瘤患者在重离子固定束放疗过程中的成像、摆位流程，施加最大设计载荷，对医用机械臂进行了动态仿真，分析了模拟点的速度、加速度、位移和关节转矩等特性；研究了医用机械臂的工作空间、治疗容积、束流辐照范围、奇异性和灵巧度等关键运动学性能，验证了其结构尺寸和关节运动参数设计的可行性和合理性。　　（3）针对重离子精确放疗对医用机械臂良好动态特性的重要需求，建立了刚柔耦合虚拟样机的振动仿真分析模型，分析了整机的固有频率和模态振型，研究了强迫振动情况下碳纤维床板上肿瘤靶区模拟位置及腕部测量点的频率响应、影响因子等，并对医用机械臂的关键承载部件大臂和小臂分别进行了模态分析。　　（4）通过对医用机械臂的关键承载部件大臂和小臂进行静态结构分析，结合运动学性能和动态特性的分析结果，在初始结构设计的基础上，对小臂进行了多目标尺寸结构优化，对大臂进行了结构拓扑优化，通过仿真试验验证了结构优化后医用机械臂系统的动态特性和综合性能都得到一定程度的提高。　　本文重点对重载医用机械臂的关键性能进行了分析并开展了结构优化研究，为研发过程中设备性能的提升及样机改进提供了解决方案。本文相关研究具有重要的理论价值和工程应用的现实意义。