1. 研究目的与意义

随着工业社会的发展，机器人技术成为科技发展的重要目标之一。现如今，机器人应用领域正在不断的扩大，尤其是在机械加工、装配、焊接以及航天、太空检测等领域。机器人能够在各种人类无法适应的环境中正常工作，也可以代替人类来完成一些简单枯燥的工作。

机械臂作为机器人中最为重要的一个部分，对其的研究也显得越来越重要。如果没有设计合理，控制优良的机械臂，机器人很难完成复杂的工作。而随着制造业对生产效率的要求越来越高，高速轻质机械臂已经成为现在研究的热点话题。轻质的机械臂转动惯量小，可以完成高速运转，在某些工作场合，如安插栓或销时，柔性机械臂可以补偿一定范围的定为误差。

柔性机械臂设计的关键，也是难点就是对柔性关节的合理设计以及轻质机械臂的设计，合理的柔性关节结构不但减少机械臂质量和体积，还能优化对柔性机械臂的控制。轻质的机械臂可以有效地减小机械臂转动惯量，使机械臂可以高速运转。

2. 课题关键问题和重难点

柔性关节结构设计:

机械臂柔性关节的结构可以设计成各种各样的，但必须考虑到控制特性、重量等因素。结构合理的柔性关节不但可以有效地减小机械臂总质量和体积，还能够改善机械臂的控制特性。

机械臂结构设计：

3. 国内外研究现状（文献综述）

随着工业社会的发展，机器人技术成为科技发展的重要目标之一。现如今，机器人应用领域正在不断的扩大，尤其是在机械加工、装配、焊接以及航天、太空检测等领域[1]。机器人能够在各种人类无法适应的环境中正常工作，也可以代替人类来完成一些简单枯燥的工作[2]。机器人性能的评定主要在于机器人各运动结构的运动能力和运动控制技术，而能力主要依靠对关节运动与控制技术。所以，机器人的研究中对机械臂及其关节的设计变得尤为重要[3]。

近几十年来，人们对于仿生机器人的研究已经迅速展开，类似于动物或人类关节的柔性机械关节的研发与设计变得非常热门[4]。柔性机械臂不但能够在未知的工作环境中通过轻微形变来避免在撞到障碍物时产生的损坏，还能在装配类似于柱销类零件时通过柔性补偿定位误差[5]。由于柔性臂刚度相对较小，在工作过程中不可避免的会产生振动，这对机械臂的位置精度控制带来了很大的挑战，尤其是柔性臂往往要求具有更高的工作速度，而高速度与高精度往往是相悖的[6]。所以，对柔性臂的力学、运动学分析和控制比较困难，同时也非常重要[7]。到目前未知，柔性臂的设计中最具有代表意义的可能就是勇气号和机遇号火星漫游车上的五自由度柔性机械臂了[8]。

其实，国外对于柔性机械臂的研究很早以前就已经开始了，其中德国对机械臂的研究与发展一直处于领先状态。德国宇航中心在1994年发布了第一代的柔性关节轻型机械臂，该机械臂的材质是碳纤维，用步进电机作为驱动，减速器则选用了减速比很大的行星轮减速器，并将力矩传感器集成在关节内，使得关节具有柔性。机械臂自重14.5kg，可载重7kg，负载自重比达到1:2。之后其又发布了第二代的7自由度柔性关节机械臂，该机械臂将驱动、减速、检测等部分全部集成在关节中，结构非常的紧凑。其中集成的谐波减速器利用了柔性材料的可控变形来传递运动和动力，这使得传递运动和力的过程中具有了柔性[9]。机械臂自重17kg，最大载重为8kg，负载自重比同样为1:2。还有继承了二代机械臂的减速器与传感器的7自由度第三代机械臂，采用了robodrive电机，使得机械臂的载重达到了10kg，而机械臂自重只有13.5kg[10]。

4. 研究方案

设计机架、柔性关节及轻质的机械臂。要求在机械臂工作时机架震动幅度小，不能影响对机械臂位置与机械臂力量的控制与测量精度。设计的机架不影响机械臂的工作范围，能够为机械臂提供一个较大的工作空间。

柔性关节采用集成化的设计，将电机、减速器、编码器、弹簧阻尼等柔性设备全部集成到关节内，使设计的关节结构尽量紧凑，体积和质量尽量小。编码器可以用来测量电机轴与输出轴的角度差，得到系统对机械臂的位置控制状态，同时，用角度差和弹簧刚度等参数还可以计算机械臂扭矩，控制机械臂的扭矩输出。

机械臂尽量用质量较小，强度较大的材料制作，要求机械臂和柔性关节总质量尽量小，使其能够完成较高的工作速度。

5. 工作计划

第 1周 完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。英文翻译经指导老师批阅合格并确

认后,译文和原文均上传至毕业设计管理系统。译文封面用标准模板。

第 2周 查阅文献资料，撰写开题报告。